黃紹文， 唐繼偉， 李春花

(中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所, 農業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室， 北京 100081)

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不同栽培方式菜田耕層土壤重金屬狀況

黃紹文， 唐繼偉*， 李春花*

(中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所, 農業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室， 北京 100081)

【目的】評價不同栽培方式(溫室、大棚和露地)菜田土壤重金屬狀況，為菜田土壤質量改善和蔬菜高效安全施肥提供一定的理論依據?！痉椒ā酷槍ξ覈狈?個區(qū)域(東北、黃淮海、西北地區(qū))和南方4個區(qū)域(華中、西南、華東、華南地區(qū))主要蔬菜種植區(qū)不同栽培方式的典型菜田耕層土壤展開調查，選擇的主要菜區(qū)不同栽培方式的菜田均為遠離城郊的未受到工業(yè)“三廢”、汽車尾氣等污染的農村菜田，取樣時間是2013年作物收獲后或蔬菜施肥前或生長后期，共采集503個土壤樣品，對溫室、大棚和露地三種栽培方式下土壤重金屬狀況進行了研究。【結果】1)采樣區(qū)設施(溫室和大棚)菜田土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量總體上均高于露地菜田土壤，較露地菜田土壤平均分別高12.2%、21.7%和30.4%。2)隨著種菜年限的增加，菜田土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量呈顯著增加的趨勢。不同栽培方式菜田土壤中均可能存在幾種重金屬同時污染的復合污染現象，土壤Cu、Zn、Cd等之間的相關性均達到極顯著水平。3)采樣區(qū)不同栽培方式菜田土壤Cd的二級超標率在19.2%22.3%之間，溫室、大棚和露地菜田土壤Cd的單項污染指數平均分別為0.97、0.98和0.70；土壤Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg的二級超標率在014.6%之間，單項污染指數在0.060.52之間。【結論】設施菜田N、P2O5和K2O總量及有機肥用量均顯著高于露地菜田，可能是造成設施菜田土壤中重金屬Cu、Zn和Cd積累顯著高于露地菜田的重要原因。采樣區(qū)設施(溫室和大棚)菜田土壤Cd總體上處于污染警戒級狀態(tài)，露地菜田土壤總體上未受到Cd的污染；設施和露地菜田土壤Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg總體上均未構成對土壤的污染。

菜田土壤；栽培方式；重金屬；污染指數

我國是世界上最大的蔬菜生產國，播種面積和產量均占世界的四成多。2014年我國蔬菜播種面積約為2127萬公頃，總產量約7.58億噸(國家大宗蔬菜產業(yè)技術體系經濟室測算，內部資料)，播種面積僅約占農作物總播種面積的1/8，但產值占種植業(yè)總產值的30%以上[1]。近些年我國設施蔬菜(溫室和大棚)發(fā)展迅速，1980年設施蔬菜不足0.7萬公頃，目前已達到366.7萬公頃，產值占蔬菜總產值的50%以上。設施蔬菜已成為許多地區(qū)的支柱產業(yè)，極大增加了農民收入，取得了良好的社會和經濟效益。由于設施蔬菜栽培土壤缺少雨水淋洗，且溫度、濕度、通氣狀況、肥水管理等均與露地栽培有較大差別，加之設施栽培又長期處于高度集約化、高復種指數、高肥料施用量的生產狀況，其特殊的生態(tài)環(huán)境與不合理的肥水管理措施常導致土壤的次生鹽漬化、酸化、養(yǎng)分比例失調、土壤重金屬污染等問題[2-3]。

環(huán)境污染方面所指的重金屬主要是指生物毒性顯著的汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pd)、鉻(Cr)以及類金屬砷(As)，還包括具有毒性的鋅(Zn)、銅(Cu)、鈷(Co)、鎳(Ni)、錫(Sn)、釩( V)等污染物。土壤重金屬污染可導致作物產量和質量的下降，作物積累的重金屬可通過食物鏈進入人體而給人類健康帶來高毒危害性，如Cd污染可造成貧血、高血壓、骨痛病等疾病。土壤重金屬污染形成的直接形式可以歸納為大氣沉降、農業(yè)投入品攜帶(化肥、畜禽糞便、農藥等)、污水灌溉等幾類。設施菜田土壤一般不存在大氣沉降和污水灌溉這兩種形式，而以農業(yè)投入品攜帶為主。由于設施蔬菜生產對農藥使用的限制越來越嚴格，土壤中重金屬主要來源于施用的化肥和畜禽糞便有機肥。由于原料、礦石本身所含的雜質以及生產工藝流程的污染，磷肥或其它化學肥料中含有一定量的重金屬Cd、Zn等[4-5]，化肥尤其是磷肥長期過量施入土壤后，可發(fā)生一定程度Cd、Zn等積累。我國農民在蔬菜尤其是設施蔬菜生產中大量使用雞糞、豬糞等畜禽糞便，而畜禽糞便中Cu、Zn、Cd等重金屬含量較高[6]。在動物飼料中添加的Cu、Zn等對畜禽生長發(fā)育、生殖等有重要作用，Cd與Zn伴生，而畜禽對重金屬元素利用率低，絕大部分隨畜禽糞便排出體外，如長期大量使用畜禽糞便，會顯著增加土壤中Zn、Cu、Cd等重金屬含量[7-8]。

蔬菜對重金屬有較強的富集能力，其施肥量一般遠高于糧食作物，因此，與糧食作物相比，長期過量施肥(尤其是磷肥和有機肥)造成蔬菜尤其是設施蔬菜遭受重金屬污染的潛在威脅更為突出。目前國內外對城市郊區(qū)、污水灌溉區(qū)、交通繁忙區(qū)、受工礦活動影響區(qū)的菜田土壤重金屬積累乃至超標問題進行了大量研究[9-14]。一些研究表明，我國一些城市和城郊菜區(qū)蔬菜中Cd、Hg、Cr、As、Pb等中一種或幾種重金屬元素含量超標，局部地區(qū)污染嚴重；不同城市和城郊菜區(qū)蔬菜重金屬污染的程度、重金屬種類及成因有所不同[15-16]。我國有關設施菜田土壤這類相對封閉的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中重金屬積累方面也有許多報道。李瑞琴等[17]研究指出，武威市涼州區(qū)設施菜田土壤As和Hg呈現明顯累積，分別高出露地農田土壤3.1和8.7倍。一些研究顯示，設施菜田土壤中Cu、Zn、Cd等含量均隨種植年限的增加出現了明顯的積累，以Cd污染較為突出[18-21]。劉蘋等[22]研究表明，壽光市設施菜田土壤存在重金屬積累的現象；按照溫室蔬菜土壤重金屬含量評價標準，土壤Cd的樣本超標率為15.4%。設施菜田是繼工礦/污灌菜田之后重金屬積累較為嚴重的菜田栽培方式類型[23]，土壤重金屬積累已成為制約設施蔬菜高效安全生產的一個重要障礙因子。

了解菜田土壤重金屬狀況是蔬菜安全高效施肥的基礎。然而，目前有關全國農村不同栽培方式菜田土壤重金屬狀況方面較為系統(tǒng)的研究鮮見報道。為此，2013年國家大宗蔬菜產業(yè)技術體系開展了全國菜田土壤重金屬狀況的普查工作，為全國菜田土壤質量改善和蔬菜安全高效施肥提供一定的理論依據。

1　材料與方法

1.1土壤樣品采集

調查范圍包括北方3個區(qū)域(東北、黃淮海和西北地區(qū))和南方4個區(qū)域(華中、西南、華東和華南地區(qū))。調查對象為溫室(有后墻)、大棚(無后墻)和露地菜田3種栽培方式。選擇的主要菜區(qū)不同栽培方式菜田均為遠離城郊的未受到工業(yè)“三廢”、汽車尾氣等污染的農村菜田。土壤樣品由國家大宗蔬菜產業(yè)技術體系34個綜合試驗站負責采取，從每個示范基地縣選擇代表性栽培方式和栽培制度下34個典型菜田作為取樣地塊(每個綜合試驗站35個示范基地縣，1個地塊采集1個混合樣)，每個試驗站采集15個左右耕層土壤樣品。取樣時間是作物收獲后、蔬菜施肥前或生長后期。取樣方法是在地塊內按“S”形布點或“梅花形”布點(要避開路邊、田埂、溝邊、肥堆等特殊部位)，用不銹鋼、木質或塑料工具采取耕層0—20 cm土壤樣品。從全國主要菜區(qū)共采取503個耕層土壤樣品，其中溫室、大棚和露地菜田土壤樣品數分別為112、157和234個；不同栽培方式下各區(qū)域土壤樣品數目見表1。

表1　不同菜區(qū)土壤樣品數目

1.2肥料使用情況調查

收集上述所有取樣區(qū)域的種菜歷史，20112013年蔬菜種類、栽培制度、化肥和有機肥投入等資料。

1.3土壤樣品分析

土壤樣品經風干、磨碎、過篩(0.149 mm)，用于土壤重金屬含量測定。

土壤Cu、Zn、Pb、Cr、Cd總量測定土樣經王水-高氯酸法消煮[24]后，土壤Cu、Zn、Pb、Cr在原子吸收分光光度計上采用火焰原子光譜法測定，土壤Cd用ICP-MS法測定。

土壤As和Hg總量測定土樣經1+1王水(王水 ∶水=1 ∶1)法消煮[25]后，土壤As和Hg均在雙道原子熒光光度計上測定。

分析過程中加入國家標準土壤樣品(GBW08301河流沉積物、GBW08302西藏土壤和GBW07430珠江三角洲土壤)和空白對照進行質量控制，所用水為超純水，試劑采用優(yōu)級純。

1.4土壤重金屬狀況評價標準

土壤重金屬狀況評價采用GB15618-2008土壤環(huán)境質量標準，該標準把土壤環(huán)境質量分為3個等級。其中二級標準是保障農業(yè)生產，維護人體健康的土壤臨界值。超出了二級標準就意味著已經對農業(yè)生產和人類健康構成潛在威脅。本文選取二級標準對菜田土壤重金屬污染狀況進行評價，具體指標見表2。土壤重金屬二級超標率(%)指所取樣本中重金屬含量超過GB 15618-2008中規(guī)定的二級標準值的樣本的百分數。

表2　GB15618-2008土壤環(huán)境質量標準(修訂)菜地

1.5土壤重金屬污染評價方法

重金屬污染既可能是單一因素作用的結果，也可能是多元素共同作用的結果。土壤重金屬污染評價方法采用單項污染指數法和綜合污染指數法。

1.5.1 單項污染指數法單項污染指數定義為：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi為土壤重金屬元素i的污染指數，Ci為土壤重金屬元素i的實測濃度，Si為土壤重金屬元素i的限量標準值(表1中的二級標準)；當Pi≤1時，表示土壤未受污染；Pi>1時，表示土壤受到污染，且Pi越大則污染越嚴重[26-27]。土壤重金屬單項污染評價分級標準見表3。

1.5.2 綜合污染指數法為全面反映各重金屬對土壤的作用，并突出高濃度重金屬元素對環(huán)境質量的影響，采用內梅羅綜合污染指數法對土壤重金屬污染進行綜合評價，其定義為：

(2)

1.6數據處理

采用Microsoft Excel 2003 和SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進行數據分析。

表3　土壤重金屬單項污染評價分級標準

2　結果與分析

2.1不同栽培方式菜田土壤重金屬含量

表4和表5表明，采樣區(qū)設施(溫室和大棚)菜田土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量總體上均高于露地菜田土壤，較露地菜田土壤平均分別高12.2%、21.7%和30.4%，其中北方采樣區(qū)設施菜田土壤Cu、Zn和Cd總量較露地菜田土壤的增幅明顯高于南方土壤。

按全國不同栽培方式菜田統(tǒng)計，與露地菜田土壤相比，設施(溫室和大棚)菜田土壤Cu、Zn和Cd總量均有升高的趨勢，其中溫室土壤Cu總量顯著高于露地土壤，設施土壤Zn總量顯著高于露地土壤，大棚土壤Cd總量顯著高于露地土壤。與露地菜田土壤相比，溫室和大棚土壤Cu分別升高15.6%和8.7%，Zn分別升高17.6%和25.8%，Cd分別升高21.4%和39.3%(表4)。

將北方和南方分開統(tǒng)計，發(fā)現設施(溫室和大棚)菜田土壤Cu、Zn和Cd總量亦均有較露地菜田土壤高的趨勢，其中北方主要菜區(qū)采樣區(qū)溫室土壤Cu總量顯著高于露地土壤，溫室和大棚土壤Zn總量顯著高于露地土壤，大棚土壤Cd總量顯著高于露地土壤；南方主要菜區(qū)采樣區(qū)大棚土壤Zn總量顯著高于露地土壤。北方主要菜區(qū)采樣區(qū)，與露地土壤相比，溫室和大棚土壤Cu分別升高44.3%和21.7%，Zn總量分別升高43.0%和35.5%，Cd分別升高38.5%和61.5%。南方主要菜區(qū)采樣區(qū)大棚土壤Cu、Cd、Pb、Cr、As、Hg總量與露地土壤差異不顯著，大棚土壤Zn總量較露地土壤升高了23.5%(表5)。

表4　不同栽培方式菜田土壤重金屬含量

注(Note): 同行數據后不同字母表示不同栽培方式間在P<0.05水平差異顯著Values followed by different letters in a row are significantly different atP<0.05 for different land use patterns.

從表4、表5可看出，按全國和按北方、南方分開統(tǒng)計的不同栽培方式菜田土壤Pb的變化趨勢有所不同。按北方和南方主要菜區(qū)采樣區(qū)分開統(tǒng)計的不同栽培方式菜田土壤Pb總量差異不顯著，而按全國主要菜區(qū)采樣區(qū)統(tǒng)計的溫室土壤Pb總量顯著低于大棚和露地土壤，主要原因是南方主要菜區(qū)采樣區(qū)大棚和露地土壤Pb總量(南方溫室土壤樣品數僅11個，代表性較差，未作統(tǒng)計)明顯高于北方，導致按全國主要菜區(qū)采樣區(qū)進行統(tǒng)計時溫室土壤Pb總量明顯偏低。在南方主要菜區(qū)采樣區(qū)溫室土壤Pb總量樣本數較少的情況下，按北方和南方分開統(tǒng)計有利于正確評價不同栽培方式菜田土壤Pb含量狀況。

表5　按北方和南方主要菜區(qū)采樣區(qū)分別統(tǒng)計的不同栽培方式菜田土壤重金屬含量(mg/kg)

注(Note): GH—Greenhouse. 同行數據后不同字母表示不同栽培方式間在P<0.05水平差異顯著(北方和南方分別作顯著性檢驗)Values followed by different letters in a row are significantly different atP<0.05 for different land use patterns (Data were analyzed by northern and southern China, respectively). 對南方溫室菜田的各測試項目不作統(tǒng)計(土壤樣品數小于30個)Data was not calculated for soil samples below 30.

表4和表5顯示，按全國和按北方和南方分開統(tǒng)計的不同栽培方式菜田土壤Cr、As和Hg總量的趨勢基本一致，溫室、大棚和露地土壤Cr、As和Hg總量總體上差異均不明顯。

2.2種菜歷史對不同栽培方式菜田土壤重金屬含量的影響

由表6可見，隨著種菜年限的增加，菜田土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量顯著增加，種菜年限1020年和>20年的土壤重金屬(Cu、Zn和Cd)總量較種菜年限≤10年的增加幅度平均分別在12.8%33.3%和28.7%59.3%之間。種菜年限1020年和>20年的土壤Cu總量較種菜年限≤10年的平均分別增加13.1%和34.4%，其中溫室土壤Cu總量平均分別增加14.2%和32.0%，大棚土壤Cu總量平均分別增加19.5%和48.7%，露地土壤Cu總量平均分別增加8.5%和29.6%；種菜年限1020年和>20年的土壤Zn總量較種菜年限≤10年的平均分別增加12.8%和28.7%，其中溫室土壤Zn總量平均分別增加14.2%和33.4%，大棚土壤Zn總量平均分別增加11.9%和26.4%，露地土壤Zn總量平均分別增加12.1%和34.9%；種菜年限1020年和>20年的土壤Cd總量較種菜年限≤10年的平均分別增加33.3%和59.3%，其中溫室土壤Cd總量平均分別增加33.3%和50.0%，大棚土壤Cd總量平均分別增加43.8%和56.3%，露地土壤Cd總量平均分別增加42.9%和81.0%。

2.3不同栽培方式菜田土壤重金屬含量之間的關系

本研究選擇的主要菜區(qū)不同栽培方式菜田均為遠離城郊的未受到工業(yè)“三廢”、汽車尾氣等污染的農村菜田，且蔬菜生產對農藥使用的限制越來越嚴格，土壤中重金屬可能主要來源于施用的化肥和畜禽糞便有機肥。從表7可看到，不同栽培方式菜田土壤中均可能存在幾種重金屬同時污染的復合污染現象，其中菜田不同栽培方式對其含量影響較大的Cu、Zn、Cd等元素之間的相關性均達到極顯著水平。

2.4不同栽培方式菜田土壤重金屬污染評價

采樣區(qū)設施(溫室和大棚)菜田土壤Cd總體上處于污染警戒級狀況，露地菜田土壤總體上未受到Cd的污染；采樣區(qū)設施和露地菜田土壤Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg總體上均未構成對土壤的污染(表8)。采樣區(qū)不同栽培方式菜田土壤Cd的二級超標率及單項污染指數均較高，溫室、大棚和露地土壤Cd的二級超標率分別達到22.3%、20.4%和19.2%，單項污染指數分別為0.97、0.98和0.70，按土壤重金屬單項污染評價分級標準，設施菜田土壤Cd總體上處于污染警戒級(尚清潔水平)狀況，露地菜田土壤Cd總體上居安全級(清潔水平)。

表6　不同種菜歷史下不同栽培方式菜田土壤重金屬含量(mg/kg)

注(Note): GH—Greenhouse. 種菜歷史≤10年的溫室、大棚和露地土壤樣品數分別為62、109和141個，種菜歷史1020年的溫室、大棚和露地土壤樣品數分別為35、27和60個，種菜歷史>20年的溫室、大棚和露地土壤樣品數分別為15、21和33個 Soil samples collected from the vegetable fields of greenhouse with wall, the vegetable fields of greenhouse without wall, and the open vegetable fields were respectively 62, 109 and 141 for vegetable production history below ten years, 35, 27 and 60 for vegetable production history ranging from ten to twenty years, and 15, 21 and 33 for vegetable production history above twenty years.

不同栽培方式菜田土壤Hg的單項污染指數均低于污染警戒級水平，表明土壤總體上未受到Hg的污染，但大棚和露地菜田土壤Hg的二級超標率也達到了一定比例，分別為14.6%和12.8%，對大棚和露地菜田土壤Hg的污染問題應引起重視。

采樣區(qū)不同栽培方式菜田土壤Cu、Zn、Pb、Cr和As的二級超標率及單項污染指數均較低，三種栽培方式下二級超標率在07.6%之間，單項污染指數在0.060.52之間，顯示設施菜田和露地菜田土壤Cu、Zn、Pb、Cr和As均處于安全級，暫未構成對土壤和蔬菜的威脅。

采樣區(qū)設施菜田土壤重金屬綜合污染指數高于露地菜田土壤，溫室、大棚和露地土壤重金屬綜合污染指數分別為0.75、0.81和0.56，按照土壤重金屬綜合污染評價分級標準，設施菜田土壤重金屬處于污染警戒級狀況，露地菜田土壤重金屬居安全級。

3　討論

3.1設施菜田土壤重金屬含量變化特征

本研究表明，采樣區(qū)設施(溫室和大棚)菜田土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量總體上均高于露地菜田土壤；隨著種菜年限的增加，土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量顯著增加，這主要與設施菜田長期過量施肥有關。本研究選擇的不同栽培方式菜田均為遠離城郊的未受到工業(yè)“三廢”、汽車尾氣等污染的農村菜田。磷肥、復合肥等化肥中含有一定量的重金屬，有機肥中Zn、Cu、Cd等重金屬含量較高，過量施肥會造成菜田土壤中重金屬積累。由表9可以看出，不同栽培方式菜田肥料使用差異很大，設施菜田的N、P2O5和K2O總量及有機肥用量均顯著高于露地菜田， N、P2O5和K2O總量平均分別高44.1%、92.0%和1.46倍，其中有機肥中N、P2O5和K2O用量平均分別高1.31、1.44和1.39倍。

表7　不同栽培方式菜田土壤重金屬之間的相關性(r)

注(Note): *—P<0.05；**—P<0.01.

設施栽培條件下，種植戶為了追求設施利用率及蔬菜高產，通常都在棚室內進行連續(xù)種植，蔬菜復種指數高且肥料投入量大，化肥和有機肥的投入量遠高于露地蔬菜栽培，并大大超過蔬菜養(yǎng)分需求量。山東省惠民設施蔬菜產區(qū)氮(N)、磷(P2O5)和鉀(K2O)年均施入量分別為4670、1409和1916 kg/hm2，分別相當于對照農田的7.0、12.8和18.6倍，超過蔬菜需要量的數倍[29]。余海英等[30]對山東壽光溫室蔬菜種植情況調查顯示，有機肥以雞糞和豬糞為主，56%的溫室全部用高濃度復合肥(N-P2O5-K2O為15-15-15)，溫室栽培每年N、P2O5和K2O的平均投入量分別達到4088、3656和3438 kg/hm2。Huang和Jin[31]對北京市、天津市、河北省和山東省4個省市10個區(qū)市縣的肥料使用情況進行調查表明，設施蔬菜和露地蔬菜的總施肥量(養(yǎng)分)分別為糧食作物的5.2倍和2.5倍。徐勇賢等[32]對長三角無錫市城鄉(xiāng)交錯區(qū)蔬菜基地土壤重金屬平衡的研究顯示，有機肥施用是生產系統(tǒng)重金屬輸入的主要來源，占輸入量的89%，土壤Cu、Zn、Cd等存在積累的趨勢。李樹輝[33]通過在甘肅武威開展的兩年田間定位試驗研究的結果表明，設施蔬菜種植過程中重金屬的輸入途徑主要來自化肥和有機肥，其中有機肥對設施菜田重金屬的輸入通量遠遠超過化肥。黃霞等[34]報道，我國農民在設施蔬菜生產中大量使用雞糞、豬糞等畜禽糞便，年用量高的在153.9240.0 t/hm2之間。曾希柏等[35]調查指出，山東壽光市設施蔬菜有機肥年用量平均為207.2 t/hm2，最高施用量達到493.8 t/hm2。陳碧華等[21]對河南新鄉(xiāng)市無公害蔬菜生產基地的調查顯示，設施蔬菜和露地蔬菜有機肥年施用量分別平均達到150和100 t/hm2。因此，我國設施菜田長期過量施肥尤其是有機肥造成了土壤中重金屬Cu、Zn、Cd等逐漸積累，遭受重金屬污染的潛在威脅較露地菜田更為突出；隨著種菜年限的增加，土壤中重金屬積累會越多。

表8　不同栽培方式菜田土壤重金屬的二級超標率、單項污染指數和綜合污染指數

注(Note): PSS-SS-SEQ—Percentage of soil samples beyond the 2ndcriteria of Environmental Quality Standard for Soils; SPI-SS-SEQ —The single-factor pollution index based on the 2ndcriterion of Environmental Quality Standard for Soils； CPI-SS-SEQ —The comprehensive pollution index of 7 heavy metals based on the 2ndcriterion of Environmental Quality Standard for Soils, respectively. 同行數據后不同字母表示不同栽培方式間在P<0.05水平差異顯著Values followed by different letters in a row are significantly different atP<0.05 for different land use patterns.

表9　不同栽培方式菜田20112013年肥料使用情況[kg/(hm2·season)]

本研究還表明，采樣區(qū)設施(溫室和大棚)菜田土壤Cd總體上處于污染警戒級狀況，露地菜田土壤總體上未受到Cd的污染；采樣區(qū)設施和露地土壤Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg均未構成對土壤的污染。施用有機肥是蔬菜優(yōu)質高產和養(yǎng)分循環(huán)利用不可缺少的重要措施，但有機肥是土壤中重金屬積累的主要來源。盡管目前采樣區(qū)設施菜田土壤Cd總體上處于污染警戒級狀況，但逐漸積累的趨勢勢必加重土壤Cd的危險性。值得指出的是，本研究局部地區(qū)設施菜田土壤Cd處于輕污染級狀況，對于這類處于輕度污染的設施菜田土壤，可以利用間/套作等的栽培制度，在保證設施蔬菜生產的同時修復被污染的土壤。更為重要的是，如何合理施用肥料尤其是畜禽糞便有機肥，是設施蔬菜安全高效生產的關鍵。

3.2菜田土壤重金屬之間的關系

土壤中的重金屬污染往往是以某一重金屬元素為主，但大多是幾種重金屬元素同時污染的復合污染。研究土壤重金屬元素之間的相關性，有利于對它們分布情況的掌握和了解，進而確定它們是否來自相同污染源，以分析復合污染產生原因。重金屬復合污染不僅在工礦區(qū)、污灌區(qū)和城區(qū)的土壤中發(fā)生，而且在城郊的菜田土壤中也普遍存在[23]。彭曉春等[36]報道，長沙-株洲-湘潭(長株潭) 城市群的土壤Cd、Cu、Ni、Pb、Zn兩兩之間均存在極顯著的相關性，表明這些元素具有相似的來源，這可能與湖南湘江流域的有色礦業(yè)Pb、Zn、Cd冶煉活動密集、工業(yè)廢水無序排放密切相關。冉延平[37]研究表明，某城市土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的空間相關性顯著，存在8種重金屬元素共生混合污染的潛在危害，污染源具有多源性，Cr、Ni污染可能與工業(yè)區(qū)有關，Zn、Pb、Cd、As主要來源于汽車尾氣的排放、燃料及潤滑油的泄漏以及輪胎和機械部件的磨損，Hg、Cu的污染主要來自生活污染和公園綠地農藥化肥污染。關共湊等[38]研究顯示，佛山市郊主要菜地土壤Cu、Zn、Ni、Pb和Cr之間存在極顯著或顯著正相關關系，它們主要來自污水灌溉，具有明顯的同源關系，并呈現復合污染的趨勢。而本研究發(fā)現，我國農村主要菜區(qū)土壤中也存在多種重金屬同時污染的復合污染現象，其中不同栽培方式影響較大的元素Cu、Zn、Cd等之間的相關性均達到極顯著水平，證實了農村不同栽培方式菜田土壤重金屬復合污染具有同源性。主要原因是本研究選擇的主要菜區(qū)不同栽培方式菜田均為遠離城郊的未受到工業(yè)“三廢”、汽車尾氣等污染的農村菜田，土壤中重金屬主要來源于施用的化肥和畜禽糞便有機肥。而磷肥、復合肥等化肥中含有一定量的Cd、Zn等重金屬，有機肥中Cu、Zn、Cd等重金屬含量較高，因此，我國主要菜區(qū)不同栽培方式菜田長期過量施肥尤其是大量使用畜禽糞便造成了土壤中Cu、Zn、Cd等重金屬同步積累的趨勢。

4　結論

1)采樣區(qū)設施(溫室和大棚)菜田土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量總體上均高于露地菜田土壤，較露地菜田土壤平均分別為高12.2%、21.7%和30.4%。由于本研究選擇的主要菜區(qū)不同栽培方式菜田均為遠離城郊的未受到工業(yè)“三廢”、汽車尾氣等污染的農村菜田，設施菜田長期過量施肥尤其是有機肥可能是土壤中重金屬Cu、Zn、Cd等逐漸積累的主要原因，因此設施菜田遭受重金屬污染的潛在威脅較露地菜田更為突出。

2)隨著種菜年限的增加，菜田土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量顯著增加，種菜年限1020年和>20年的土壤重金屬(Cu、Zn和Cd)總量較種菜年限≤10年的增幅平均分別在12.8%33.3%和28.7%59.3%之間。不同栽培方式菜田土壤中均存在幾種重金屬同時污染的復合污染現象，其中菜田不同栽培方式對土壤重金屬含量影響較大的Cu、Zn、Cd等之間的相關性均達到極顯著水平，相關系數在0.2220.767之間。

3)采樣區(qū)不同栽培方式菜田土壤Cd的二級超標率在19.2%22.3%之間，設施(溫室和大棚)菜田土壤Cd總體上處于污染警戒級狀況，露地菜田土壤總體上未受到Cd的污染；全國不同栽培方式菜田土壤Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg的二級超標率在014.6%之間，設施和露地土壤Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg總體上均未構成對土壤的污染。按照土壤重金屬綜合污染評價分級標準，采樣區(qū)設施菜田土壤重金屬處于污染警戒級狀況，露地菜田土壤重金屬居安全級。

致謝： 土壤樣品采集由國家大宗蔬菜產業(yè)技術體系各綜合試驗站站長負責，其他崗位專家參與并給予了指導，在此一并感謝。

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Status of heavy metals in vegetable soils under different patterns of land use

HUANG Shao-wen, TANG Ji-wei*, LI Chun-hua*

(InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences/KeyLaboratoryofPlantNutritionandFertilizer,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China)

【Objectives】 A national vegetable soil survey on total heavy metal concentrations under three patterns of land use (greenhouses with wall or without wall, open field) was evaluated to provide a scientific basis for vegetable soil quality improvement, and high-efficiency and safe fertilizer recommendation. 【Methods】 More than five hundreds of representative soil samples at depth of 0-20 cm were collected from the main vegetable production regions in China (Northeastern, Huanghuaihai, Northwestern, Southwestern, Central China, East China, and South China) located in rural areas away from suburbs of their cities, and not affected by the waste air, water and residue from industry and the tail gases emitted by automobiles etc. The sampling periods comprised after harvest, prior to fertilization, or at late stage of growth in 2013，and the total heavy metal concentrations under the three patterns of land use were investigated in this study. 【Results】 1) The total Cu, Zn and Cd concentrations in the vegetable soils inside the greenhouses (with wall and without wall) are significantly higher than those in open vegetable soils, with average increases of 12.2%, 21.7% and 30.4%, respectively. 2) The total Cu, Zn and Cd concentrations in the vegetable soils are significantly increased with the elongation of vegetable production history. Co-contamination of several heavy metals often might occur synchronously in the vegetable soils under different land use patterns. Significant correlation relationships exist between soil heavy metals (Cu, Zn, Cd, etc.). 3) The total Cd concentrations in 19.2%-22.3% of soil samples under different land use patterns are beyond the 2ndcriterion according to the Soil Environmental Quality Standard for Vegetable Fields (GB15618-2008), and Cd pollution indices of the vegetable soils for greenhouse with wall, the vegetable soils for greenhouse without wall, and the open vegetable soils are 0.97, 0.98 and 0.70 respectively. In 0-14.6% of soil samples, the total Cu, Zn, Pb, Cr, As and Hg concentrations are beyond the 2ndcriterion according to the Soil Environmental Quality Standard for Vegetable Fields, and the single-factor pollution indies of soil heavy metals are in the range from 0.06 to 0.52. 【Conclusions】 There are significant higher accumulations of soil Cu, Zn and Cd for the greenhouse vegetable field compared with the open vegetable field in this study, which is probably caused by the corresponding higher application rates of chemical fertilizers and organic manures, especially organic manures. The vegetable soils for greenhouses with wall and greenhouses without wall in sampling areas are at the warning level of Cd pollution, and the soils from the open vegetable fields are not generally contaminated with Cd. All the vegetable soils from different land use patterns are not in danger of contamination of Cu, Zn, Pb, Cr, As and Hg.

vegetable soil; land use pattern; heavy metals; pollution index

2014-04-30接受日期： 2015-03-23網絡出版日期： 2015-07-21

現代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項(CARS-25-C-11)； 公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201203095)資助。

黃紹文(1964—)，男，湖南桃源人，研究員，博士，博士生導師，主要從事蔬菜營養(yǎng)與高效安全施肥研究。

Tel: 010-82108662, E-mail: huangshaowen@caas.cn

Tel: 010-82108662, E-mail: tang_jiwei@163.com; Tel: 010-82108653, E-mail: lichunhua@caas.cn

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