王 婷，張 倩，楊海雪，黃青青，李圣男，韓麗媛，李花粉，蘇德純，喬玉輝

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京100193

農(nóng)田土壤中銅的來(lái)源分析及控制閾值研究

王 婷，張 倩，楊海雪，黃青青，李圣男，韓麗媛，李花粉，蘇德純，喬玉輝*

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京100193

農(nóng)田土壤重金屬污染直接危及到生態(tài)安全、食品安全和人體健康。從源頭上控制農(nóng)田土壤重金屬污染是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的首要措施。本文采用物質(zhì)流分析法與情景分析法，以水稻(雙季稻、單季稻)、小麥-玉米、蔬菜(葉菜、根菜和果菜)的產(chǎn)地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究農(nóng)田土壤中重金屬銅的輸入途徑(大氣沉降、磷肥、有機(jī)肥以及灌溉水)和輸出途徑(籽粒/可食部位、秸稈/殘余物以及地表排水)，并通過文獻(xiàn)查閱和采樣分析建立數(shù)據(jù)庫(kù)，在平衡分析基礎(chǔ)上為了保障100年土壤銅累積不超過設(shè)定的情景水平，當(dāng)土壤銅背景值含量分別增加50%，100%和150%時(shí)，推導(dǎo)出磷肥、有機(jī)肥以及灌溉水的重金屬含量安全閾值，磷肥中銅含量應(yīng)控制在65～175 mg·kg-1范圍內(nèi)；畜禽糞肥中銅含量應(yīng)控制在35～95 mg·kg-1范圍內(nèi)。灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)控制在40～70 μg·L-1范圍內(nèi)。這將為我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全管理和源頭預(yù)防控制，保障我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供一定的技術(shù)指導(dǎo)作用。

重金屬銅；來(lái) 源；平 衡；農(nóng)作物；安全閾值

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，土壤重金屬污染不僅直接破壞土壤的正常功能，使土壤肥力下降，并可通過植物的吸收和食物鏈的積累，使生產(chǎn)出的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量不符合要求，危害人畜健康，因而具有很大的危害性。銅是人體必需的微量礦質(zhì)元素，但近年來(lái)的研究表明，銅可以在土壤中積累和在作物體內(nèi)殘留，并通過食物鏈，最終進(jìn)入人體，使人產(chǎn)生慢性中毒[1-3]，而人體內(nèi)銅的累積主要源于農(nóng)產(chǎn)品膳食途徑[4]，因此伴隨著近年來(lái)公眾健康意識(shí)的增強(qiáng)，農(nóng)田土壤銅污染問題備受關(guān)注。

農(nóng)田土壤中重金屬的主要污染源主要來(lái)自畜禽糞便的施用和大氣沉降[5-6]，其中農(nóng)田土壤中69%的銅來(lái)自畜禽糞便，有機(jī)肥、污灌、污泥等也是不可忽視的重金屬來(lái)源[7-9]。而當(dāng)今畜牧業(yè)生產(chǎn)中大量使用了各種能促進(jìn)生長(zhǎng)和提高飼料利用率的銅制劑作為飼料添加劑，黃鴻翔等調(diào)查發(fā)現(xiàn)，仔豬和牲豬飼料中添加硫酸銅達(dá)100～250 mg·kg-1[10]。因此開展農(nóng)田土壤中銅的來(lái)源分析與污染源中銅的閾值研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。有關(guān)農(nóng)田重金屬累積的研究，國(guó)內(nèi)外近年來(lái)已有大量報(bào)道[11-13]，尤其菜地土壤進(jìn)行了大量的研究[14-17]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于農(nóng)田土壤重金屬銅的累積特征和積累規(guī)律的研究較多，但對(duì)于農(nóng)田土壤重金屬的來(lái)源、累積速率特征和污染控制方面的研究不夠。本文通過文獻(xiàn)查閱和實(shí)地采樣分析，建立針對(duì)我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬輸入、輸出數(shù)據(jù)庫(kù)，采用物質(zhì)流分析法和情景分析法，分析研究農(nóng)田土壤不同重金屬的輸入源及比例，通過對(duì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬銅的平衡模型運(yùn)算，在確保土壤不受污染情景條件下提出農(nóng)田中各個(gè)輸入源重金屬的安全閾值，這將為農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的重金屬銅的污染源控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 方 法(Methods)

1.1 研究邊界的確定

本文以水稻(雙季稻、單季稻)、小麥-玉米、蔬菜(葉菜、根菜和果菜)的產(chǎn)地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究農(nóng)田土壤中重金屬銅的輸入和輸出途徑。其中，重金屬輸入途徑包括大氣沉降、化肥(以磷肥為主)、畜禽糞、商品有機(jī)肥和灌溉水。由于化肥的氮、鉀肥中重金屬含量低，而磷肥含有較多重金屬，因此施用磷肥對(duì)土壤重金屬的累積影響更大，重點(diǎn)考慮磷肥對(duì)重金屬的帶入量。商品有機(jī)肥的施用雖然對(duì)農(nóng)田土壤的重金屬累積有較大影響，但其主要用于蔬菜地，在水稻和小麥-玉米生產(chǎn)中的施用量較少，在水稻和小麥-玉米研究中不考慮商品有機(jī)肥的帶入量。污泥是農(nóng)田土壤中重金屬增加的又一途徑，我國(guó)對(duì)污泥農(nóng)用有嚴(yán)格的限制規(guī)定，一般不用于農(nóng)田糧食生產(chǎn)，因此，污泥農(nóng)用情況不在本次研究中考慮。對(duì)于農(nóng)藥重金屬殘留，Luo[7]研究結(jié)果顯示，施用農(nóng)藥引起的土壤重金屬含量增加量相對(duì)于大氣沉降、有機(jī)肥、磷肥等的輸入量來(lái)說非常微小，可忽略不計(jì)，因此，在本文中暫不考慮農(nóng)藥使用對(duì)土壤重金屬含量增加的影響。

農(nóng)田系統(tǒng)的重金屬輸出途徑主要包括收獲時(shí)籽?；蚩墒巢课灰约敖斩挼膸С隽?。地表排水的重金屬輸出情況僅在長(zhǎng)江流域及華南沿海雙季稻稻區(qū)予以考慮。淋溶作為重金屬輸出的又一途徑，通常認(rèn)為重金屬主要在土壤0～20 cm的表層積累，其縱向遷移趨勢(shì)不明顯[18-19]，土壤的淋溶所占的比例很小[20]。通過計(jì)算輸入和輸出的重金屬含量，得到我國(guó)農(nóng)田作物生產(chǎn)體系重金屬平衡圖(圖1)。

圖1 我國(guó)農(nóng)田作物生產(chǎn)體系重金屬平衡圖Fig. 1 The balance figure of heavy metals of crop production system in China

1.2 參數(shù)來(lái)源

對(duì)于我國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，若要分析其土壤中重金屬累積情況，則需明確各輸入項(xiàng)的重金屬帶入量以及各輸出項(xiàng)的重金屬帶出量，因此，具體所需參數(shù)應(yīng)包括大氣沉降通量、磷肥、畜禽糞、商品有機(jī)肥、灌溉水的使用量和重金屬含量；作物籽?；蚩墒巢课缓妥魑锝斩捘戤a(chǎn)量和重金屬含量；地表年排水量和重金屬含量，各參數(shù)的采樣時(shí)間范圍及具體來(lái)源途徑如表1所示。

數(shù)據(jù)參數(shù)獲得的主要途徑：(1)查閱文獻(xiàn)；(2)課題組已測(cè)定數(shù)據(jù)結(jié)果；(3)實(shí)地采樣調(diào)查。文獻(xiàn)查閱方式：(1)萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)、知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)；(2)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站；(3)中國(guó)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒。文獻(xiàn)篩選原則：(1)采樣時(shí)間為近10年；(2)采樣地點(diǎn)以所研究區(qū)域?yàn)橹鳎?3)采樣點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離工礦企業(yè)、交通線路等污染源、無(wú)污灌、不用污泥、農(nóng)田土壤符合我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 重金屬流的平衡計(jì)算模型

根據(jù)所獲得參數(shù)的具體數(shù)值經(jīng)過計(jì)算即可得到大氣沉降、磷肥、畜禽糞、商品有機(jī)肥及灌溉水的重金屬帶入量，以及作物可食部位、秸稈和地表排水的重金屬輸出量(表2)。表中Nm畜禽糞使用量；Cm畜禽糞重金屬含量；Nc商品有機(jī)肥使用量；Cc商品有機(jī)肥重金屬含量； Np磷肥使用量；Cp磷肥重金屬含量；Ni灌溉水使用量；Ci灌溉水重金屬含量；Y1作物秸稈/殘余物年產(chǎn)量；C1作物秸稈/殘余物重金屬含量；Y2作物秸稈/殘余物年產(chǎn)量；C2作物秸稈/殘余物重金屬含量；Nw地表年排水量；Cw水中重金屬含量。

表1 農(nóng)田重金屬銅輸入輸出體系中各參數(shù)的時(shí)間范圍及具體來(lái)源途徑Table 1 Time rang and source of input and output parameters for soil copper

表2 農(nóng)田重金屬各輸入輸出項(xiàng)計(jì)算Table 2 The input and output calculation formulas of heavy metals in farmland soil

模型的計(jì)算模塊的核心思想是物質(zhì)守恒，即Cu的土壤累積量=輸入總量-輸出總量，每年向土壤中凈輸入量用A表示，輸入總量用ITotal表示，輸出總量用OTotal表示。A=∑I—∑O=Ia+If+Im+Iw-Oc

式中：Ia-大氣沉降帶入量；If-為磷肥帶入量；Im-為畜禽糞(或商品有機(jī)肥)帶入量；Iw-為灌溉水帶入量；Oc為作物帶出量；水稻生產(chǎn)體系包括籽粒、秸稈和灌溉水；小麥玉米體系包括小麥和玉米籽粒帶出量；蔬菜生產(chǎn)體系包括蔬菜的帶出量。上述各項(xiàng)單位均為g·(hm2·y)-1。

2 結(jié)果與分析(Results and analysis )

2.1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重金屬流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬的輸入項(xiàng)主要包括大氣沉降、肥料(磷肥)、有機(jī)肥(畜禽糞便和商品有機(jī)肥)和灌溉水這四條主要途徑，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬的輸出途徑主要是包括農(nóng)產(chǎn)品收獲以及地表排水等。通過文獻(xiàn)查閱和采樣分析，建立了磷肥、畜禽糞(商品有機(jī)肥)、污泥、污水重金屬含量等農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬輸入數(shù)據(jù)庫(kù)以及水稻和小麥籽粒及秸稈等農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬輸出數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.1.1 農(nóng)田土壤重金屬輸入項(xiàng)數(shù)據(jù)分析

Luo等[7]統(tǒng)計(jì)了1999～2006年的大氣沉降向農(nóng)田中輸入重金屬的數(shù)據(jù)，八種重金屬的樣本量均為大樣本，銅的樣本量為148。銅輸入量最小值為2.3 g·(hm2·y)-1；最大值為409 g·(hm2·y)-1，均值為108 g·(hm2·y)-1。

2010～2011年間，在全國(guó)采集159個(gè)含磷肥料樣品。其中在5個(gè)磷礦富集省(云南、貴州、湖北、湖南、四川)采集了85個(gè)樣品，在其他省份采集了74個(gè)樣品。采集的肥料樣品均為市售且使用普遍的品種，包括國(guó)產(chǎn)146個(gè)和進(jìn)口13個(gè)。以P2O5計(jì)，含磷肥料中重金屬銅含量的分布都屬于偏態(tài)分布(表3)，Cu含量范圍、均值以及中位值分別為：Cu痕量～4 881.7 mg·kg-1P2O5，均值258.4 mg·kg-1P2O5，中位值99.8 mg·kg-1P2O5。

畜禽糞和商品有機(jī)肥中銅含量數(shù)據(jù)包含2000-2010年的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和2008-2010年的采樣數(shù)據(jù)，實(shí)地采樣的范圍包括我國(guó)山東、河北、北京、河南等13個(gè)省市。重金屬元素銅含量的分布均屬于偏態(tài)分布(表3)，其中畜禽糞含量范圍是0.800～1 742 mg·kg-1，均值是205 mg·kg-1，中位值為53.0 mg·kg-1；而商品有機(jī)肥中銅的含量范圍是0.000～1 454 mg·kg-1，均值是98.3 mg·kg-1，中位值為34.2 mg·kg-1；從表中可以看出，商品有機(jī)肥的重金屬銅含量普遍低于畜禽糞，從重金屬的閾值控制來(lái)說，如果畜禽糞中的重金屬含量能得到控制的話，商品有機(jī)肥基本上都能合格，所以在后續(xù)重金屬銅的輸入項(xiàng)中，就直接用了畜禽糞，這里已經(jīng)包括了商品有機(jī)肥的用量。

灌溉水中重金屬元素Cu的含量范圍是0.015～29.7 μg·L-1，均值是4.22 μg·L-1，中位值為3.44 μg·L-1；華北平原地下水中重金屬元素Cu的含量范圍是0.0100～120 μg·L-1，均值是5.08 μg·L-1，中位值為0.755 μg·L-1；全國(guó)地下灌溉水中重金屬元素Cu的含量范圍0.0100～990 μg·L-1，均值是29.6 μg·L-1，中位值為1.56 μg·L-1(表3)。

在灌溉水中的銅含量普遍高于華北平原的地下水和全國(guó)地下水，從重金屬的閾值控制來(lái)說，如果地表灌溉水中的重金屬含量能得到控制的話，地下水的重金屬銅含量基本上都能合格，所以在后續(xù)重金屬銅的輸入項(xiàng)中，就直接用了灌溉水的重金屬含量，而不再采用華北或全國(guó)的地下水的銅含量。

2.1.2 農(nóng)田土壤重金屬輸出項(xiàng)數(shù)據(jù)分析

以“小麥、水稻、蔬菜，重金屬”為關(guān)鍵字在中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索文獻(xiàn)，發(fā)表時(shí)間設(shè)定為2001到2012年。篩選的原則為：采樣點(diǎn)遠(yuǎn)離交通要道、工礦企業(yè)等污染源，無(wú)污水灌溉，不使用污泥，農(nóng)田土壤合乎我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，品種為當(dāng)?shù)貜V泛種植的品種，且均為成熟期采樣。水稻、小麥-玉米和蔬菜中Cu含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表4。

表3 輸入項(xiàng)中Cu各個(gè)百分位值含量統(tǒng)計(jì)表Table 3 Distribution of Cu of the input

表4 輸出項(xiàng)中Cu各個(gè)百分位值含量統(tǒng)計(jì)表Table 4 Distribution of Cu of the output

2.1.3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各輸入輸出項(xiàng)用量或產(chǎn)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

表5是不同作物生產(chǎn)中投入物和產(chǎn)量的中位值，在后續(xù)平衡計(jì)算時(shí)將采用該數(shù)據(jù)。

2.2 農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地銅的平衡分析

輸入項(xiàng)中大氣沉降使用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[7]，因?yàn)槲闹械臄?shù)據(jù)均為城鄉(xiāng)郊區(qū)的大氣沉降數(shù)據(jù)，因此我們選取了范圍中的最低值進(jìn)行計(jì)算分析，磷肥、畜禽糞、商品有機(jī)肥、灌溉水輸入項(xiàng)均使用中位值。種植以一年一茬計(jì)，每年Cu通過大氣沉降、磷肥、畜禽糞、商品有機(jī)肥以及灌溉水五種途徑向土壤中輸入，輸入項(xiàng)以在單季稻、雙季稻、小麥玉米、葉菜類、果菜類、根菜類6種種植體系中總輸入量分別達(dá)到430 g·(hm2·y)-1、836 g·(hm2·y)-1、435 g·(hm2·y)-1、561 g·(hm2·y)-1、565 g·(hm2·y)-1、563 g·(hm2·y)-1，而總輸出量?jī)H為38.6 g·(hm2·y)-1、96.7 g·(hm2·y)-1、119 g·(hm2·y)-1、71.7 g·(hm2·y)-1、251.2 g·(hm2·y)-1、108.3 g·(hm2·y)-1，各個(gè)體系的總輸入量都大于總輸出量，因此，每年土壤中銅元素的增加量分別為391 mg·(kg·y)-1、739 mg·(kg·y)-1、316 mg·(kg·y)-1、489 mg·(kg·y)-1、314 mg·(kg·y)-1、455 mg·(kg-·y)-1(表6)。

以土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為臨界值，則可得到單季稻、雙季稻、小麥玉米、葉菜類、果菜類、根菜類六種種植體系的安全年限最小值分別為44年、23年、45年、39年、25年和31年，由此可以看出雙季稻區(qū)的污染程度相對(duì)嚴(yán)重。

2.3 農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬銅的累積

現(xiàn)對(duì)土壤中Cu的累積情況做統(tǒng)計(jì)分析：輸入途徑中的大氣沉降使用最小值計(jì)算，磷肥由于占重金屬總輸入量的百分比較低，使用中位值計(jì)算；輸出項(xiàng)以50%分位值計(jì)算；主要調(diào)控畜禽糞和灌溉水，即畜禽糞取5%分位值時(shí)，灌溉水分別取5%、10%、25%、50%、75%、90%，同理，畜禽糞取10% 、25%、50%、75%、90%。因此，每種重金屬元素可以得到36個(gè)土壤中Cu累積速率數(shù)據(jù)。

表5 不同作物種植體系各輸入輸出項(xiàng)用量或產(chǎn)量Table 5 Application amount of input and production of output

累計(jì)速率最大的為雙季稻種植體系中為9.12 mg·(kg·y)-1，最小的為葉菜類種植體系中0.0921 mg·(kg·y)-1，表7對(duì)土壤中Cu的累積速率進(jìn)行了頻率分析。從表7可以看出，單季稻中Cu累積速率的83%小于2 mg·(kg·y)-1，雙季稻中累積速率的83%小于4 mg·(kg·y)-1。小麥玉米中Cu的累積速率中位值為0.258 mg·(kg·y)-1。土壤蔬菜系統(tǒng)葉菜類種植土壤重金屬Cu的年增加量變動(dòng)范圍分別為0.0921～5.06 mg·(kg·y)-1；果菜類土壤重金屬Cu的年增加量變動(dòng)范圍分別為0.147～7.68 mg·(kg·y)-1；根菜類土壤重金屬Cu的年增加量變動(dòng)范圍分別為0.117～6.14 mg·(kg·y)-1。與此同時(shí)，Cu的三種累積量分布比較相似，葉菜類、果菜類和根菜類主要集中在1.79 mg·(kg·y)-1、2.00 mg·(kg·y)-1和2.22 mg·(kg·y)-1以下，占到總體的83%、78%和83%。

表6 不同作物種植體系土壤重金屬Cu的平衡分析Table 6 The balance analysis between soil heavy metal Cu and different crop planting system

表7 土壤中Cu累積速率統(tǒng)計(jì)分析/mg·(kg·y)-1Table 7 The statistical analysis of Cu in the soil accumulation rate /mg·(kg·y)-1

2.4 農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤金屬銅污染源頭控制閾值研究

農(nóng)田系統(tǒng)重金屬的四種主要輸入途徑，大氣沉降、磷肥、畜禽糞以及灌溉水，其中大氣沉降這一重金屬輸入途徑主要是由于工業(yè)廢氣及汽車尾氣排放所導(dǎo)致，不易調(diào)控，因此在反推標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，只反推磷肥、畜禽糞、灌溉水。進(jìn)行閾值計(jì)算首先獲得各個(gè)輸入項(xiàng)占總輸入總量的百分比，為了方便比較與計(jì)算，百分比計(jì)算采用的元素含量值為50分位值，計(jì)算結(jié)果見表8。

為了獲得不同作物種植體系各投入物重金屬閾值，我們?cè)O(shè)定土壤安全年限100年，根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)得到土壤允許輸入的重金屬量的安全范圍值，除以安全年限則可得每年土壤最多允許輸入量；輸出各項(xiàng)以10%分位值計(jì)算，加上每年土壤最多允許輸入量則可得大氣沉降、磷肥、畜禽糞、商品有機(jī)肥、灌溉水每年總共可輸入量；以中位值計(jì)算的各輸入途徑重金屬輸入量占總輸入量的百分比為依據(jù)，分配磷肥、畜禽糞、商品有機(jī)肥、灌溉水分別最多允許輸入量；根據(jù)磷肥、畜禽糞、灌溉水用量推出三者的標(biāo)準(zhǔn)值。

農(nóng)田土壤中銅的背景水平75%分位值為27.3 mg·kg-1，假設(shè)在背景水平上允許增加的含量變化，設(shè)置三個(gè)增量水平分別為50%、100%、150%，即將土壤含量水平將達(dá)到40.95 mg·kg-1、54.6 mg·kg-1、68.25 mg·kg-1(土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為100 mg·kg-1)，分別進(jìn)行推算。

因?yàn)樵诜赐茦?biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算中，輸出項(xiàng)采用的是10%的分位值，因此推出的標(biāo)準(zhǔn)值可以保障至少90%的土壤在設(shè)定的安全年限100年的條件下土壤中的銅的累積不超過設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)。表9為保障土壤100年安全不同作物種植體系各投入物重金屬閾值，從表中整體上可以看出，三種投入物中的重金屬銅含量標(biāo)準(zhǔn)值隨增量水平增大而增高，所有的種植體系也都有相似規(guī)律。

表8 不同作物種植體系各輸入項(xiàng)占總輸入量的百分比Table 8 The percentage of different cropping system input by total input

表9 不同作物種植體系各投入物重金屬閾值反推結(jié)果Table 9 Theinverse threshold results of heavy metals of different cropping systems inputs

對(duì)于磷肥來(lái)說，在相同增量水平下，對(duì)于不同的種植體系，磷肥中以P2O5計(jì)的重金屬銅含量標(biāo)準(zhǔn)值小麥玉米>水稻>蔬菜，除小麥玉米的閾值范圍較為寬泛外，其他兩類作物的磷肥中銅的閾值范圍都較低。從投入物目前的銅含量來(lái)看，只有50%的磷肥可以在土壤銅含量在背景值基礎(chǔ)上增加50%時(shí)施用，75%的磷肥可以在土壤銅含量增加150%時(shí)施用。

對(duì)于畜禽糞來(lái)說，在相同增量水平下，對(duì)于不同的種植體系，重金屬銅含量標(biāo)準(zhǔn)值差異不大，畜禽糞中銅的閾值基本上在36～53 mg·kg-1(50%增量)、66～92 mg·kg-1(100%增量)和96～132 mg·kg-1(150%增量)的范圍內(nèi)；從投入物目前的銅含量來(lái)看，只有25%的畜禽糞可以在土壤銅含量增加50%時(shí)施用，75%的畜禽糞可以在土壤銅含量增加150%時(shí)施用。

同樣，對(duì)于灌溉水來(lái)說，在相同增量水平下，對(duì)于不同的種植體系，重金屬銅含量標(biāo)準(zhǔn)值總的趨勢(shì)是果菜>根菜=小麥-玉米>葉菜>單季稻>雙季稻，也就是說雙季稻對(duì)灌溉水中的銅含量要求最為嚴(yán)格。當(dāng)土壤中銅含量增加50%時(shí)，除雙季稻外(43.7 μg·L-1)，單季稻和葉菜類對(duì)灌溉水質(zhì)要求銅的閾值基本上在80 μg·L-1左右；根菜和小麥-玉米在160 μg·L-1左右；果菜要求最低，為350 μg·L-1左右；當(dāng)土壤中銅含量增加背景值的50%時(shí)，也基本上是這樣的趨勢(shì)，不過其要求的閾值擴(kuò)大。從投入物目前的銅含量來(lái)看，基本上95%的地下水都可以達(dá)到這個(gè)限量標(biāo)準(zhǔn)。

將反推的標(biāo)準(zhǔn)閾值跟我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，目前我國(guó)肥料、有機(jī)肥的標(biāo)準(zhǔn)分別為GB/T23349-2009、NY525-2012；但在這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中，并沒有銅的標(biāo)準(zhǔn)限量。在我國(guó)農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)(GB4284-84)中規(guī)定，在酸性土壤上(pH<6.5)，污泥中銅的限量標(biāo)準(zhǔn)是250 mg·kg-1；在pH>6.5的土壤上，污泥中銅的限量標(biāo)準(zhǔn)是500 mg·kg-1。而按照我們目前所計(jì)算的閾值來(lái)看，要比污泥的限量標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。

在我國(guó)農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB5084-2005中規(guī)定，對(duì)于水作和部分旱田作物來(lái)說，灌溉水中銅的限量標(biāo)準(zhǔn)是500 μg·L-1，而對(duì)于旱作和蔬菜生產(chǎn)中的限量標(biāo)準(zhǔn)是1000 μg·L-1，這些標(biāo)準(zhǔn)比我們所推導(dǎo)出來(lái)的閾值要寬泛一些。

3 討 論(Discussion)

(1)土壤中Cu的輸入途徑主要有大氣沉降、化肥、畜禽糞、商品有機(jī)肥以及灌溉水，其中畜禽糞的施用對(duì)土壤中Cu的累積貢獻(xiàn)率最大。為了保障100年土壤銅累積不超過設(shè)定的情景水平，當(dāng)土壤銅背景值含量分別增加50%，100%和150%時(shí)，磷肥中銅含量應(yīng)分別控制在67.5 mg·kg-1、122 mg·kg-1和177 mg·kg-1以內(nèi)；畜禽糞肥中銅含量應(yīng)分別控制在36.4 mg·kg-1、66.1 mg·kg-1、95.8 mg·kg-1以內(nèi)。灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)控制在43.7 μg·L-1、58.2 μg·L-1、72.8 μg·L-1以內(nèi)。

(2)在反推標(biāo)準(zhǔn)中，我們主要使用輸入項(xiàng)權(quán)重系數(shù)來(lái)分配各個(gè)輸入項(xiàng)，通過本文計(jì)算得到的輸入源比例有一定的代表性，但是作為反推輸入源分配比例來(lái)說，可能會(huì)有考慮欠缺的情況，會(huì)對(duì)反推輸入項(xiàng)閾值的時(shí)候造成誤差，因此這一點(diǎn)在今后閾值推算中需要多方面考慮，并在實(shí)際種植中進(jìn)行驗(yàn)證。

(3)為保證土壤的重金屬含量安全和蔬菜的品質(zhì)安全，在輸入源上需要平衡各個(gè)輸入項(xiàng)的重金屬輸入量，從源頭控制重金屬的輸入，把握“源”輸入，尤其是在畜禽有機(jī)肥的輸入。大量的重金屬在土壤中積累，勢(shì)必影響作物的質(zhì)量和品質(zhì)，攝入過多的話將威脅到人體的安全，并將導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。因此，在大規(guī)模施用畜禽糞有機(jī)肥時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)畜禽糞品質(zhì)和用量分析。

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AnalysisofCopperSourceinFarmlandSoilandThresholdStudyforSoilPollutionControl

Wang Ting, Zhang Qian, Yang Haixue, Huang Qingqing, Li Shengnan, Han Liyuan, Li Huafen, Su Dechun, QiaoYuhui*

China Agricultural University, College of Resource and Environment Science, Beijing100193, China

27 May 2014accepted20 August 2014

Heavy metal pollution of farmland soil directly threatens the ecological system, food safety and human health. Controlling the source of heavy metal pollution in farmland ecosystems is a priority to guarantee the quality and safety of agricultural products. Using material flow and scenario methods, both input pathways (atmospheric deposition, phosphate fertilizer, organic fertilizer and irrigation water) and output pathways (grain/edible part, straw/crop residue and surface drainage) were studied to track copper movement and accumulation in soils used for the crop production of rice, wheat-corn and vegetables. A database was created to quantify the input and output of copper in farmland. A safety threshold of the amounts of copper found in phosphate fertilizer, organic fertilizer and irrigation water was calculated based on balance analysis and 100-year guarantee for pollution free of copper with the scenario of 50%, 100% and 150% increase of soil copper background value. The copper content in phosphate fertilizer should be less than 65～175 mg·kg-1, copper content in manure should be controlled within 35～95 mg·kg-1, the copper content in the irrigation water should be controlled within 40～70 μg·L-1. This manuscript provides a technical guidance for farmland management of the heavy metal copper and will help to protect the quality and safety of Chinese agricultural products.

heavy metals copper; source; balance; crops; safety threshold

2014-05-27錄用日期：2014-08-20

1673-5897(2014)4-774-11

： X171.5

： A

喬玉輝(1970—)，女，生態(tài)學(xué)理學(xué)博士，副教授，主要研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)、污染生態(tài)。

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng) (200903015) ；國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2014BAK19B05)

王婷(1988-)，女，碩士，研究方向?yàn)槲廴旧鷳B(tài)學(xué)，E-mail: wangtingmy@163.com

*通訊作者(Corresponding author)，E-mail: qiaoyh@cau.edu.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20140527004

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