李 曈，吳 榮，李 杰，張 杰*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院，四川 成都 611130； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

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不同使用年限大棚土壤重金屬污染評價

李 曈1，吳 榮2，李 杰2，張 杰2*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院，四川 成都 611130； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

為研究大棚蔬菜種植對土壤重金屬含量的影響，選取不同種植年限的蔬菜大棚，分析土壤重金屬含量變化特征。結(jié)果表明，不同棚齡土壤Cr、Pb、As、Hg含量均隨著種植年限的增加而增加;在種植蔬菜1～5 a，土壤Cd、As和Hg的含量分別提高143.5%、51.1%和60.2%；在種植蔬菜6～10 a，土壤Hg含量較1～5 a提高105.5%；棚齡11～15 a土壤重金屬Cr的含量較6～10 a提高44.3%;但不同種植年限土壤中重金屬含量均未超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)以及《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》。采用綜合污染指數(shù)法，根據(jù)國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)評價，綜合污染指數(shù)均小于 0.7，屬于清潔水平、安全等級，但土壤重金屬含量隨種植年限延長而逐漸提高的現(xiàn)象說明重金屬存在一定的累積污染風(fēng)險，對大棚蔬菜生產(chǎn)存在潛在的安全風(fēng)險。

蔬菜大棚； 種植年限； 土壤； 重金屬； 評價

隨著我國農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整，設(shè)施栽培已成為我國農(nóng)業(yè)中的新興產(chǎn)業(yè)之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位[1-3]。但由于大棚高溫、高濕、高復(fù)種指數(shù)、無雨水淋溶半封閉的特殊環(huán)境，再加上菜農(nóng)盲目地追求高產(chǎn)，投入大量的畜禽糞肥和農(nóng)用化學(xué)品(化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等)，導(dǎo)致了設(shè)施土壤中重金屬的含量明顯增加，這不僅造成了土壤重金屬持久性累積，而且可通過“土壤—植物—人體”食物鏈富集[4-6]對人類健康造成威脅，對食品安全產(chǎn)生嚴(yán)重和持久的危害[7-8]，因此，設(shè)施菜地重金屬的累積及其安全風(fēng)險問題已引起人們的關(guān)注[9-11]。孫超等[3]研究了設(shè)施黃瓜土壤重金屬與養(yǎng)分的分異特征及其相關(guān)性，結(jié)果表明，隨著栽培年限的延長重金屬有累積程度加重的趨勢，其中以Cd的污染情況較為嚴(yán)重。方勇[12]研究浙江大棚土壤 Cr、Pb、Cu、Cd 等重金屬元素含量發(fā)現(xiàn)，不同棚齡的大棚均比當(dāng)年新建大棚的土壤重金屬含量顯著增加，棚齡 8 a 的溫室大棚土壤重金屬含量均達(dá)到或超過污染警戒濃度，其中25%的大棚土壤達(dá)輕度污染水平。因此，對蔬菜大棚土壤的重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查和評價，具有非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。但不同地區(qū)大棚蔬菜的種植制度和施肥管理措施不同，土壤中重金屬的含量變化特征也存在差異。山西省太谷縣任村鄉(xiāng)蔬菜種植歷史長，規(guī)模大，是山西典型的蔬菜生產(chǎn)基地。本試驗(yàn)以該地區(qū)種植年限不同的蔬菜大棚為研究對象，分析其土壤重金屬Cd、Cr、Pb、As、Hg、Cu等累積狀況，并采用污染指數(shù)法進(jìn)行評價，旨在為指導(dǎo)設(shè)施蔬菜科學(xué)管理，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)，促進(jìn)設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

任村鄉(xiāng)位于山西省太谷縣東北，東經(jīng)112°28′～113°01′，北緯37°12′～37°32′。屬溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫9.7 ℃，10 ℃以上積溫3 517～3 796 ℃，年降雨量460 mm，土壤屬石灰性褐土，是太谷縣無公害蔬菜生產(chǎn)基地之一。

1.2 土樣采集與處理

選取太谷縣任村鄉(xiāng)不同種植年限的蔬菜大棚(種植西紅柿)，采集1～5、6～10、11～15 a共45個大棚的土樣，以附近露地菜田土壤為對照(CK)。以面積為667 m2的大棚為例，一般年施有機(jī)肥(雞糞、豬糞)15 000～20 000 kg、菌肥250～400 kg、過磷酸鈣200～300 kg、尿素100～120 kg、硫酸鉀40 kg。每個大棚按S形隨機(jī)采集0～20 cm土層的土壤5～10個點(diǎn)的混合樣，裝入自封塑料袋密封，編號并注明采樣點(diǎn)及采樣時間，帶回將其置于土樣室自然風(fēng)干；將風(fēng)干后的土壤用木棍磨細(xì)并過0.25 mm尼龍篩，用于重金屬含量的測定。

1.3 大棚土壤重金屬含量測定方法

Cd：王水-高氯酸消煮，石墨爐原子吸收法；Cr、Cu、Pb：氫氟酸-高氯酸-硝酸消解，ICP-MS測定；As、Hg：硝酸消解，原子熒光分光儀測定。

1.4 土壤重金屬污染評價方法

1.4.1 土壤評價標(biāo)準(zhǔn) 采用太谷縣自然土壤背景值[13](表1)和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)[14](表2)以及《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》(HJ 333—2006)[15]作為評價標(biāo)準(zhǔn)。由于供試土壤的pH值介于7.5～8.0，故采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)和《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》pH值>7.5的標(biāo)準(zhǔn)限值。

表1 太谷縣土壤重金屬背景值 mg/kg

表2 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) mg/kg

1.4.2 土壤評價方法 采用單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法相結(jié)合進(jìn)行評價[16-17]。

(1)單因子指數(shù)評價方法

采用單因子指數(shù)法[17]進(jìn)行評價，其計(jì)算公式為:Pi=Ci/Si。式中，Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為污染物i的實(shí)測值(mg/kg)；Si為污染物的評價標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg)。Pi>1表示污染，Pi≤1表示未污染，Pi值越大，則污染越嚴(yán)重。

(2) 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)(P綜)評價方法

表3 土壤污染分級標(biāo)準(zhǔn)

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS 9.2進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同使用年限蔬菜大棚土壤重金屬含量的變化

由表4可知，大棚種植土壤重金屬含量顯著高于露地蔬菜土壤，同時隨著大棚種植年限的延長土壤重金屬Cr、Pb、As和Hg含量均表現(xiàn)為增加的趨勢，在11～15 a達(dá)到最大，比露地菜田土壤分別增加了95.1%、29.9%、116.4%和277.1%。而土壤Cd和Cu含量則是在6～10 a達(dá)到最大，比露地蔬菜土壤分別增加了200.0%和62.4%。

表4 不同使用年限蔬菜大棚土壤重金屬元素含量 mg/kg

注：同列不同小寫字母表示不同年限間差異顯著(P<0.05)；標(biāo)準(zhǔn)限值來源于《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》(HJ 333—2006)。

從不同棚齡土壤重金屬含量以5 a為時段的相對變化來看(圖1)，在種植蔬菜1～5 a，土壤Cd含量從CK的0.108 mg/kg增長到0.263 mg/kg，提高幅度達(dá)143.5%，是所檢測的土壤重金屬中含量提高幅度最大的元素。其次，土壤As和Hg含量5 a內(nèi)分別提高51.1%和60.2%。在種植蔬菜6～10 a，土壤Hg含量從0.091 mg/kg增長到0.187 mg/kg，提高幅度最大，達(dá)105.5%，其次，土壤Cd和Cu 含量分別提高23.2%和27.9%。而種植蔬菜11～15 a土壤重金屬Cr含量提高幅度最大，達(dá)44.3%。

蔬菜大棚使用1～10 a，除Cd和6～10 a Hg含量超過土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)(表2)最高限值外，土壤Cr、Pb、As含量均未超標(biāo)；與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)(pH值>7.5)(表2)和《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》(HJ 333—2006)限值(表4)比較，蔬菜大棚使用1～15 a，6種重金屬含量均未超過標(biāo)準(zhǔn)限值。與該地區(qū)土壤環(huán)境背景值(表1)相比，露地土壤Pb和Hg含量高于背景值，特別是Pb含量比背景值高出了44.4%。蔬菜大棚使用1～15 a內(nèi)，除Cu外，其他5種重金屬元素均高于背景值，使用11～15 a的大棚土壤Hg含量比土壤背景值增加了338.78%。Cu含量在大棚使用6～10 a時稍高于背景值，而在1～5 a和11～15 a均未超過背景值。由此說明，不同使用年限蔬菜大棚土壤重金屬含量變化受到人類不同栽培耕作方式等活動的干擾，其呈現(xiàn)的變化規(guī)律已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不同于受成土母質(zhì)影響為主的自然土壤背景[18]。

2.2 不同使用年限蔬菜大棚土壤重金屬污染評價

2.2.1 單因子指數(shù)法 表5為以土壤背景值和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)為評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行土壤重金屬含量評價的結(jié)果。由表5可知，以土壤背景值為評價標(biāo)準(zhǔn)，蔬菜大棚使用6～10 a時，Cu的污染指數(shù)達(dá)1.06，表示有一定程度的污染，其他年限的介于0.83～0.87；其他5種元素，在蔬菜大棚使用1～15 a 污染指數(shù)均大于1，表示被污染，其中使用6～10 a和11～15 a的大棚，Hg的污染指數(shù)達(dá)到了3.82和4.38，污染比較嚴(yán)重。以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)為評價標(biāo)準(zhǔn)，污染指數(shù)都小于1，表示未被污染，且除使用6～10 a的Cd污染指數(shù)為0.54和11～15 a的As污染指數(shù)為0.62，其余均小于0.5。

表5 不同使用年限蔬菜大棚土壤重金屬單因子污染指數(shù)

注：表中P1、P2分別為與該地區(qū)土壤背景值、土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)比較的污染指數(shù)。

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 分別以太谷土壤背景值和《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)為評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，結(jié)果見表6。由表6可知，以該地土壤背景值為標(biāo)準(zhǔn)，露地土壤和不同使用年限大棚土壤綜合污染指數(shù)為11～15 a>6～10 a>1～5 a>露地，露地菜田土壤和種植1～5 a的大棚土壤綜合污染指數(shù)為13，屬于重度污染，土壤、作物受污染已相當(dāng)嚴(yán)重，不適宜無公害蔬菜的生產(chǎn)。以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)為評價標(biāo)準(zhǔn)，綜合污染指數(shù)表現(xiàn)為11～15 a> 6～10 a>1～5 a>露地，且不論是露地土壤還是使用1～15 a的大棚土壤綜合污染指數(shù)P綜2均<0.7，屬于安全等級，土壤屬于清潔水平，可以用于無公害蔬菜的生產(chǎn)。

表6 不同使用年限蔬菜大棚土壤重金屬綜合污染指數(shù)

注：P綜1、P綜2分別是以該地區(qū)土壤背景值、土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)的綜合污染指數(shù)。

3 結(jié)論與討論

本研究中不同使用年限蔬菜大棚土壤重金屬 Cd、Cr、Pb、As、Hg、Cu含量的平均值均未超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—1995) 和《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》的標(biāo)準(zhǔn)限值，達(dá)到無公害蔬菜生產(chǎn)基地土壤環(huán)境質(zhì)量的要求。但土壤重金屬Cr、Pb、As和Hg含量隨著種植年限的增加均呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢，而Cd、Cu在6～10 a達(dá)到最大。李樹輝[19]調(diào)查了1、5、8、11 a棚齡蔬菜大棚土壤中重金屬元素As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Fe、Mn、Mo、Ni、Pb和Zn的含量，結(jié)果表明：與棚外土壤相比，除1 a棚齡的土壤外，多數(shù)土壤重金屬含量隨大棚使用年限的延長而有所增加。白玲玉等[18]研究不同農(nóng)業(yè)利用方式對土壤重金屬的影響表明，土地利用方式對Cr、Ni、Cu、As、Cd、Zn的累積具有顯著影響，其中以設(shè)施菜地累積較顯著。李見云等[20-21]通過對沈陽郊區(qū)和山東壽光設(shè)施土壤的研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)施土壤中重金屬Cu、Zn、Pb隨著種植年限的增加均有不同程度的累積趨勢，其含量與種植年限間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，與當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸颠M(jìn)行比較，則發(fā)現(xiàn)溫室土壤中Cu、Zn、Cd、Pb含量均有所增加，其中Cu、Zn增加幅度較大[19]。從已有的研究結(jié)果來看，我國各地的設(shè)施土壤重金屬均呈現(xiàn)明顯的累積趨勢[22-24]，與本研究所得規(guī)律基本一致。本研究區(qū)蔬菜大棚集約化程度高，大量施用畜禽糞和化學(xué)農(nóng)用品[19]。已有研究表明，磷肥、有機(jī)肥過多施用是導(dǎo)致土壤重金屬污染的主要原因[25-27]。磷肥的原料和產(chǎn)品以及有機(jī)肥特別是畜禽糞肥含有較多的重金屬，是造成土壤重金屬含量提高的重要因素之一[1,2,28]。王效琴等[29]研究表明，日光溫室蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)中引起土壤毒性的主要來源是肥料中的重金屬，其對土壤潛在毒性貢獻(xiàn)率為93.39%。可能設(shè)施菜地中重金屬的累積與其特殊的生產(chǎn)方式緊密相關(guān)。

通過對蔬菜大棚土壤重金屬的污染評價結(jié)果來看，本研究區(qū)不同棚齡蔬菜大棚土壤重金屬Cd、Cr、Pb、As和Hg平均含量均高于土壤背景值，其中土壤Cd、Pb和Hg的累積相對較強(qiáng)。但所監(jiān)測的重金屬含量均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—1995)(pH值>7.5)和《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》(HJ 333—2006)(pH值>7.5)的限量標(biāo)準(zhǔn)。以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)為評價標(biāo)準(zhǔn)，采用單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)評價[5]，單因子污染指數(shù)均<1，表示未被污染，該地區(qū)不同棚齡(除11～15 a外)土壤重金屬綜合污染指數(shù)均在0.5以下，符合無公害蔬菜產(chǎn)地土壤環(huán)境質(zhì)量的要求。但投入條件的改變可能會破壞這一動態(tài)安全水平，再加上大棚蔬菜地的特殊性，土壤中重金屬含量隨種植年限遞增累積到一定程度，將對植物、人類造成危害，在今后蔬菜大棚的生產(chǎn)和發(fā)展中需引起重視。

綜上，不同使用年限蔬菜大棚土壤重金屬Cr、Pb、As和Hg含量隨著棚齡增加呈增加的趨勢，表現(xiàn)為不同程度的累積，存在一定的累積風(fēng)險。大棚種植土壤重金屬含量與露地菜地土壤相比存在顯著差異，Cd、Cr、Pb、As和Hg平均含量均高于太谷土壤背景值，但均未超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)限值和《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值。蔬菜大棚使用1～15 a土壤中重金屬含量與背景值比較，Cu的單因子污染指數(shù)除6～10 a為1.06外，其余均小于1，屬于未污染的等級，不存在污染風(fēng)險；Cd、Cr、Pb、As、Hg污染指數(shù)均大于1，屬于污染等級，污染指數(shù)越大污染越嚴(yán)重。以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)為評價標(biāo)準(zhǔn)，土壤重金屬污染指數(shù)均小于1，表示未被污染。但土壤重金屬含量隨蔬菜種植年限的增加而提高，依然存在農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)的潛在風(fēng)險，需要在今后的蔬菜生產(chǎn)中加以關(guān)注。

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Evaluation of Soil Heavy Metal Pollution in Greenhouses with Different Planting Years

LI Tong1,WU Rong2,LI Jie2,ZHANG Jie2*

(1.College of Resources,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China;2. College of Resources and Environment,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,China)

To study the impact of greenhouse vegetable planting on heavy metals contained in soil,vegetable greenhouses with different planting years were chosen,and the variation characteristics of heavy metal content in soil were analyzed.The results showed that the contents of Cr,Pb,As,Hg in soil all increased with the increase of planting years.Within 5 years,the contents of Cd,As and Hg increased by 143.5%,51.1% and 60.2% respectively.Compared with 1—5 years,the content of Hg in 6—10 years increased by 105.5%,and compared with 6—10 years,the content of Cr in 11—15 years increased by 44.3%.But all the heavy metal contents in different planting years did not exceed the secondary standard of Soil Environmental Quality Standards and the Environmental Quality Evaluation Standards for Farmland of Greenhouse Vegetables Production.Using comprehensive pollution index, the pollution index was below 0.7 according to the secondary standard of national soil environmental quality,which showed that the soil was at cleaning and security level.But the heavy metal contents in soil gradually increased with the increase of planting years,which indicated that heavy metals run risk of accumulation and had potential security risk for producing greenhouse vegetables.

vegetable greenhouse； planting years； soil； heavy metal； evaluation

2016-07-20

李 曈(1994-)，女，山西太谷人，在讀本科生，研究方向：地理信息系統(tǒng)。E-mail:tonglidu@163.com

*通訊作者：張 杰(1983-)，男，山西長治人，講師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)資源利用研究。

時間：2016-11-25 14:24:32

X833;X820.4

A

1004-3268(2016)12-0062-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/41.1092.S.20161125.1424.001.html