張慧智 , 李 紅

(北京市農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展研究所，北京 100097)

設(shè)施農(nóng)業(yè)是一種高投入、高產(chǎn)出的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)形態(tài)。在當(dāng)前技術(shù)水平條件下，設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中物質(zhì)的高投入、低利用率，不僅使得重金屬等污染元素在土壤環(huán)境中大量累積，隨之帶來的食品安全隱患也正日益受到廣泛關(guān)注。眾多研究者對我國各地設(shè)施菜地中重金屬的累積特征進(jìn)行了大量研究。大多數(shù)研究表明目前我國設(shè)施種植土壤中重金屬含量尚未超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，但是設(shè)施土壤中重金屬含量隨種植年限增加呈明顯富集趨勢，長期過量施用化肥和有機(jī)肥被認(rèn)為是重金屬積累的主要來源[1-6]。通州區(qū)是北京市蔬菜供應(yīng)的主產(chǎn)地，開始設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的時(shí)間早、種植面積大，各類環(huán)境問題相比其他區(qū)縣更加突出。同時(shí)，通州區(qū)也是北京市的污灌區(qū)之一，土壤環(huán)境問題一直備受關(guān)注。選擇通州區(qū)作為研究對象分析設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中的土壤環(huán)境污染問題，對于促進(jìn)首都設(shè)施蔬菜安全生產(chǎn)與設(shè)施土壤可持續(xù)利用具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

選取北京市通州區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展較好的宋莊鎮(zhèn)、西集鎮(zhèn)、張家灣鎮(zhèn)、漷縣鎮(zhèn)、永樂店鎮(zhèn)和于家務(wù)鄉(xiāng)采集設(shè)施蔬菜土樣。根據(jù)各鎮(zhèn)面積大小、土壤類型、土地利用類型以及設(shè)施蔬菜種植面積分布等特點(diǎn),采用多點(diǎn)采樣法進(jìn)行土壤采樣。在選定的溫室或大棚中多個(gè)部位分別采集耕層土壤樣品（0～20 cm深度），共采集耕層土樣158個(gè)，采樣時(shí)間2011年4月至5月。同時(shí)，每個(gè)鎮(zhèn)采集2個(gè)露地蔬菜種植土壤、1個(gè)大田土壤作為對照樣點(diǎn)，共采集對照樣18個(gè)。

經(jīng)預(yù)處理的土樣利用鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸4種酸進(jìn)行消化溶解，用原子吸收分光光度法測定土樣溶解液中重金屬Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、Ni的含量，重金屬Hg采用冷原子吸收法測定。土壤pH值采用電極法測定，水土比例2.5:1。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法測定；土壤陽離子交換容量（CEC）采用乙酸銨交換法測定；全鹽量采用重量法進(jìn)行測定；堿解氮、有效磷、有效鉀采用LY/T 1230-1999中提供的方法進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 設(shè)施菜地土壤理化特征

設(shè)施菜地土樣的理化特征值如表1所示?？梢?，土樣pH值的平均值為7.6，屬于中性偏堿性的土壤，有利于土壤中重金屬的固定。土樣的陽離子交換容量均值為205 mmol/kg，具有較好的陽離子吸持能力，對土壤中重金屬吸持能力較強(qiáng)，有利于其固定。土樣的有機(jī)質(zhì)含量平均值為2.6%，處于北方土壤的中等偏高水平，有利于土壤中重金屬的固定，但是增加了重金屬的生物毒害風(fēng)險(xiǎn)。

表1 設(shè)施菜地土壤理化特征值

2.2 設(shè)施菜地土壤中重金屬含量

對設(shè)施菜地土壤中的 Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、Ni、Hg進(jìn)行總量測定，結(jié)果表明（如表2所示）：設(shè)施蔬菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Zn、Hg積累明顯；調(diào)研選取的土樣中，這5種重金屬的含量均達(dá)到或超過土壤背景值的2倍；其中部分土樣中Cr、Cu、Pb、Zn、Hg含量的最大值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土壤環(huán)境背景值，Cr、Cu、Zn、Hg甚至超過了土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)的限定值，土壤已經(jīng)受到重金屬的污染。

表2 通州區(qū)設(shè)施菜地土壤中重金屬含量 （mg/kg）

與露地菜田土壤中重金屬含量相比，設(shè)施菜地土壤中Cd、Cu、Cr、Zn含量稍低于露地菜田（如圖1所示）。設(shè)施菜地生產(chǎn)量大于露地菜田，部分重金屬隨農(nóng)產(chǎn)品收割走；露地菜田中塵土沉降帶入，這可能是導(dǎo)致設(shè)施蔬菜地重金屬含量低于露地菜田的主要原因。設(shè)施菜地和露地菜田土壤中各類型重金屬含量普遍高于大田土壤，京郊農(nóng)民在種菜過程中喜好施用大量各類畜禽糞便作為底肥，而畜禽糞便中含有較高濃度的重金屬，是重金屬污染元素進(jìn)入土壤環(huán)境的主要途徑。

圖 1 設(shè)施蔬菜地土樣與對照樣土壤重金屬含量平均值

設(shè)施蔬菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Zn均出現(xiàn)了嚴(yán)重的富集現(xiàn)象（超過土壤環(huán)境背景值）（如圖2所示）。其中，全部土樣均存在重金屬Zn富集的問題，超過95%的土樣存在重金屬Cu、Cr富集的問題，79%的土壤存在Cd富集的問題。土樣中Cd的超標(biāo)率最高（超過我國土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)限定值），為11.84%；其次為Cu；各有1例土樣中Cr、Zn超標(biāo)。

圖2 設(shè)施蔬菜地重金屬富集土樣比率與重金屬污染土樣比率

2.3 設(shè)施蔬菜地土壤中Cu、Cd隨種植年限（棚齡）的富集特征

設(shè)施蔬菜土壤Cu、Cd含量與棚齡之間在0.01水平均存在顯著正相關(guān)關(guān)系，其Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.941與0.885。

2.3.1 銅（Cu）

設(shè)施蔬菜地土壤Cu含量在第1 a種植后有所下降，低于周邊麥田和露地菜田土壤Cu含量，此后，其含量隨種植年限增加而顯著增加（如圖3所示）。大棚蔬菜土壤中Cu的富集速度明顯大于日光溫室蔬菜土壤中Cu的富集速度。5 a棚齡大棚土壤Cu含量是1年棚的近2倍。2 a以上棚齡大棚土壤中Cu含量均高于日光溫室土壤中Cu含量。

圖3 不同利用類型土壤中銅（Cu）含量隨棚齡的變化

2.3.2 鎘（Cd）

小于10 a棚齡的設(shè)施蔬菜地土壤Cd含量低于露地菜田土壤Cd含量，但是普遍高于大田土壤中Cd含量；各種植年限大棚土壤中Cd含量均顯著高于日光溫室土壤中Cd含量，說明在大棚環(huán)境中土壤更易積累重金屬Cd（如圖4所示）。

20 a棚齡的日光溫室一般為簡易溫室，其土壤環(huán)境中重金屬積累問題較為嚴(yán)重，其土壤Cu和Cd含量是1～2 a新棚的2～3倍，其中Cd含量已經(jīng)超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，土壤已經(jīng)受到污染。20 a棚齡設(shè)施土壤的pH值顯著降低(<7.3)，土壤酸化增加了重金屬的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 不同利用類型土壤中鎘（Cd）含量隨棚齡的變化

2.4 土壤性質(zhì)對土壤中重金屬含量的影響

設(shè)施蔬菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Zn與土壤陽離子交換容量（CEC）和有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；而鉛、鎳和汞未表現(xiàn)出與這幾類土壤性質(zhì)明顯的相關(guān)性。增加土壤有機(jī)質(zhì)、提高土壤pH值和CEC，均有利于土壤中重金屬的固定。土壤中Cd、Cu、Zn含量與土壤中有效態(tài)鉀、磷存在顯著正相關(guān)關(guān)系，增加土壤中有效態(tài)鉀和磷含量，有助于上述重金屬固定。

表3 設(shè)施蔬菜地土壤重金屬含量與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)分析

3 結(jié) 論

通州區(qū)設(shè)施蔬菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Zn均出現(xiàn)了嚴(yán)重的富集現(xiàn)象，部分樣點(diǎn)受到了這4種重金屬的污染。土樣中重金屬Hg、Pb、Ni含量尚處于安全閾值內(nèi)，但是也有部分樣點(diǎn)出現(xiàn)明顯富集現(xiàn)象。

設(shè)施蔬菜地土壤中Cu、Cd發(fā)生明顯富集，但5 a以下棚齡的大棚和日光溫室土壤中Cu、Cd濃度顯著低于露地菜田中相關(guān)濃度；說明盡管設(shè)施土壤中重金屬發(fā)生富集，但是其農(nóng)產(chǎn)品的健康風(fēng)險(xiǎn)依然小于露地種植的產(chǎn)品。設(shè)施蔬菜地土壤中Cu、Cd濃度隨種植年限增加而顯著增加，且大棚土壤中的積累速度快于日光溫室。設(shè)施生產(chǎn)活動過量施加化肥和有機(jī)肥等可能是導(dǎo)致設(shè)施土壤重金屬積累的主要原因。設(shè)施蔬菜土壤中銅、鎘含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH值、土壤陽離子交換容量等因素均存在顯著相關(guān)關(guān)系。在減緩與控制設(shè)施蔬菜土壤中Cu、Cd的積累時(shí)，需綜合考慮各種因素的影響。

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