茹淑華，徐萬強，孫世友*，趙會薇，張國印，王 凌

（1.河北省農林科學院農業(yè)資源環(huán)境研究所，河北 石家莊 050051；2.國家半干旱農業(yè)工程技術研究中心，河北 石家莊 050051）

隨著生活水平的逐漸提高，人們對蔬菜種類、數量和質量的要求越來越高，對營養(yǎng)無污染放心菜的需求也隨之提高。這就要求蔬菜生產基地，特別是設施蔬菜實現從田間地頭到餐桌的全程無公害和綠色生產。近年來，菜地土壤環(huán)境質量安全問題受到了廣泛關注[1，2]。而設施栽培農用化學品和有機肥投入量大、復種指數高、耕作強度大，極易造成土壤重金屬累積甚至超標[3，4]。曾希柏等[4]對中國菜地土壤重金屬含量特征進行分析發(fā)現，全國約有24.1%的菜地樣本Cd超標。索琳娜等[5]對北京市菜地土壤重金屬現狀進行了分析與評價，結果表明，有40.96%的樣點土壤Cd處于輕度和中度污染水平。李樹輝[6]對北方典型區(qū)域設施菜地重金屬累積特征調查發(fā)現，4個區(qū)域以Cd超標問題最為突出，Cd在各區(qū)域的樣本超標比例順序為吉林四平（39.8%）＞山東壽光（27.4%）＞河南商丘（6.1%）＞甘肅武威（1.0%）。劉蘋等[7]對壽光市蔬菜大棚土壤重金屬含量的環(huán)境質量評價結果顯示，該市蔬菜大棚土壤Cd的樣本超標率為15.14%。Ju等[8]對中國北方大棚蔬菜與小麥/玉米輪作條件下土壤環(huán)境狀況的差異進行對比后發(fā)現，大棚菜地土壤pH值降低，電導率升高，Cd大量累積，土壤環(huán)境破壞加速。姜瑢等[9]對華北地區(qū)有機種植和常規(guī)種植模式下的土壤重金屬含量進行了污染評價，結果表明，常規(guī)溫室菜田土壤Cu、Zn和As的富集風險明顯高于有機種植模式。李見云等[10]研究了大棚設施土壤養(yǎng)分和重金屬狀況后發(fā)現，設施土壤的重金屬Cu、Zn和Pb含量均隨種植年限的延長而升高，Cd的增加幅度則相對較小。

河北省是我國蔬菜生產大省，2015年蔬菜種植面積為124.2萬hm2，總產量達8 243.7萬t。其中，設施蔬菜種植面積占全省蔬菜種植總面積的31.5%[11]。蔬菜產業(yè)在促進當地農民增收、保障京津“菜籃子”供應方面發(fā)揮了重要作用。近年來有關河北省菜地土壤環(huán)境質量評價分析的研究報道較少。對河北省典型蔬菜產地土壤重金屬含量現狀進行分析與評價，從而客觀了解河北省菜地土壤的環(huán)境質量狀況，旨為推動該區(qū)蔬菜產業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展提供基礎支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省位于華北平原北部，地處北緯 36°05′～42°37′、東經 113°11′～119°45′，總面積 18.77 萬 km2。該區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候，全年平均氣溫-0.5～14.2℃，年無霜期120～240 d，年均降水量300～800mm；土壤類型主要有褐土、潮土、棕壤和栗鈣土等，pH值呈中性或弱堿性。2015年4月～2016年6月，選擇河北省5個典型蔬菜產地永年、藁城、定州、青縣和玉田進行采樣（圖1）。不同蔬菜產地的土壤基本理化性質不同（表1）。

圖1 研究區(qū)采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites in the study areas

1.2 試驗材料

以土壤和蔬菜為研究對象，測定其重金屬元素Cr、Cd、Pb、As、Hg Cu 和 Zn 的含量。

表1 河北省典型蔬菜產地土壤的基本理化性質Table 1 Soil basic physical and chemical properties of typical vegetables production field in Hebei Province

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品采集 根據各產地的蔬菜種植面積，確定該試驗點的采樣數量。涉及不同種植類型（設施栽培、露地栽培）的蔬菜。在每個蔬菜產區(qū)均隨機布設采樣點，利用GPS定位后采集0～20 cm耕層土壤樣品，共采集土樣149個，其中永年26個、藁城66個、定州16個、青縣29個、玉田12個。每個采樣點均采用“S”型取樣法進行多點取樣，將土樣混勻后取0.5～1.0 kg，用塑料袋密封后帶回實驗室。同時采集相應的蔬菜樣品，種類主要有白菜、油菜、香菜、菠菜、茴香、芹菜、甘藍、黃瓜、西紅柿、羊角脆、綠瓜、茄子、青椒、西葫蘆、蒜苔、萵筍、菜花和大蔥等。

1.3.2 重金屬元素含量測定

1.3.2.1 土壤中重金屬元素含量的測定。先將新鮮的土壤樣品風干，剔除雜質后研磨，分別過孔徑2 mm和0.25 mm的篩子，用塑料密封袋保存，備用。樣品經四酸（HCl-HNO3-HF-HClO4）消解處理后，采用電感耦合等離子體質譜儀（Agilent 7700X ICP-MS）測定Cu、Zn、Cd、Pb和Cr的含量；經王水消解處理后，采用原子熒光分光光度計（AFS-3000）測定As和Hg的含量。測定過程中均加入土壤標準物質（GB W07410）進行質量控制。

1.3.2.2 蔬菜中重金屬元素含量的測定。將新鮮的蔬菜樣品先用自來水沖洗干凈，再用高純水潤洗，用吸水紙擦干表面水分后稱量樣品鮮重；然后，置于50℃烘箱內烘干，稱量干重后磨碎，備用。樣品經（HNO3-HClO4）消解處理后，采用電感耦合等離子體質譜儀 （Agilent 7700X ICP-MS） 測定 Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、As和Hg的含量。測定過程中均加入植物標準物質（GB W10011）進行質量控制。

1.3.3 重金屬元素污染現狀分析與評價

1.3.3.1 土壤重金屬含量特征與污染評價。

（1）含量特征。在《土壤環(huán)境質量標準》 （GB 15618—1995）[12]中將土壤環(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，就意味著對農業(yè)生產和人類健康構成潛在威脅。分別依據GB 15618—1995二級標準和河北省土壤重金屬元素含量背景值[14]，對河北省典型蔬菜產地土壤各重金屬元素的污染與累積狀況進行分析。

（2）污染評價。選取GB 15618—1995中的二級標準，分別采用單項污染指數法和內梅羅綜合污染指數法，對土壤重金屬污染狀況進行評價。

土壤重金屬單項污染指數（Pi）定義為Pi=Ci/Si。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GB 15618—1995二級標準限量值。按照土壤重金屬單項污染評價分級標準（表2）進行土壤環(huán)境質量評價。

表2 土壤重金屬單項污染評價分級標準Table 2 Evaluation class standard of single heavy metal pollution in soil

土壤重金屬綜合污染指數可以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。根據公式，計算各采樣點的內梅羅綜合污染指數。式中，PN為內梅羅綜合污染指數，Pi，ave、Pi，max分別為平均單項污染指數和最大單項污染指數[13，14]。土壤重金屬綜合污染評價標準與土壤重金屬單項污染評價分級標準相同。

1.3.3.2 蔬菜重金屬含量特征與污染評價。依據《食品安全國家標準 食品中污染物限量》 （GB 2762—2017）[15]規(guī)定的食品中污染物限量值，通過分析蔬菜樣品中的Cr、Cd、Pb、As、Hg Cu和Zn含量是否超標，對蔬菜的安全性進行評價。

GB 2762—2017規(guī)定的食品中污染物限量值。Cd：新鮮蔬菜（葉菜蔬菜、豆類蔬菜、塊根和塊莖蔬菜、莖類蔬菜、黃花菜除外）0.05 mg/kg，葉菜蔬菜0.2 mg/kg，豆類蔬菜、塊根和塊莖蔬菜、莖類蔬菜（芹菜除外）0.1 mg/kg，芹菜、黃花菜0.2 mg/kg；Pb：新鮮蔬菜（蕓薹類蔬菜、葉菜蔬菜、豆類蔬菜、薯類除外） 0.1mg/kg，蕓薹類蔬菜、葉菜蔬菜0.3mg/kg，豆類蔬菜、薯類0.2 mg/kg，蔬菜制品1.0 mg/kg；Hg：新鮮蔬菜0.01 mg/kg；As：新鮮蔬菜0.5 mg/kg；Cr：新鮮蔬菜0.5 mg/kg。

1.4 數據處理

利用IBM SPSS Statistics 20、Excel和SAS統(tǒng)計軟件，進行數據處理與圖表分析。

2 結果與討論

2.1 河北省典型蔬菜產地土壤重金屬含量特征

對河北省典型蔬菜產地5個縣（市）149個土樣的調查結果（表3）顯示，7種重金屬元素含量均符合對數正態(tài)分布。土壤Cr、Cd、Pb、As、Hg、Cu和Zn的平均含量分別為69.71、0.252、24.41、10.06、0.053、37.12、106.96 mg/kg，均低于其 GB 15618—1995二級標準限量值；但與河北省土壤背景值相比，除Cr含量略有增高、As含量降低外，其他5種元素含量均明顯升高，Cd、Pb、Hg、Cu和Zn的含量增幅分別為180.00%、13.53%、47.22%、70.28%和36.43%。表明河北省典型蔬菜產地土壤出現了明顯的Cd、Pb、Hg、Cu和Zn累積，但所有重金屬元素的平均含量均未超過GB 15618—1995二級標準限量值，土壤整體質量狀況較好。

重金屬元素的變異系數（CV）反映了土壤元素空間的分異特征，其中，CV＜25%時為均勻分布，25%≤CV＜50%時屬于弱分異型，50%≤CV＜75%時屬于分異型，≥75%時屬于強分異型。河北省典型蔬菜產地土壤7種重金屬元素的CV范圍為17.15%～50.75%，順序為 Hg＞Cd＞Zn＞Cu＞Cr＞As＞Pb。其中，土壤 Hg 的CV＞50%，屬分異型；Cd、Cu、Zn和Cr的CV均處于25%～50%，為弱分異型；As和Pb的CV均＜25%，屬均勻分布。土壤Hg、Cd、Cu、Zn和Cr含量的離散程度較高，說明在河北省典型蔬菜產地這5種土壤重金屬含量受人為影響較大。

表3 河北省典型蔬菜產地土壤重金屬含量特征（n=149）Table 3 Characteristics of soil heavy metal contents of typical vegetables field in Hebei Province

2.2 河北省典型蔬菜產地土壤環(huán)境質量評價

2.2.1 土壤重金屬單項污染評價 河北省典型蔬菜產地土壤7種重金屬元素的單項污染指數平均值范圍為0.07～0.57（表4），均＜0.7，表明該區(qū)土壤總體上尚未受到7種重金屬元素的污染，環(huán)境清潔，質量安全。

7種土壤重金屬元素的單項污染指數平均值順序為 Cd＞As＞Zn＞Cu＞Cr＞ （Hg=Pb）。其中，Cr、Pb 和 Hg的單項污染指數最大值均＜0.7，所有樣點的環(huán)境質量均處于安全等級；As和Cu的單項污染指數最大值介于0.7～1.0，環(huán)境質量處于安全等級的樣點比例分別為88.59%和94.63%，處于警戒等級的樣點比例分別為11.41%和5.37%；Zn的單項污染指數最大值介于1.0～2.0，環(huán)境質量處于安全、警戒、輕度污染等級的樣點比例分別為90.60%、8.72%和0.67%；Cd的單項污染指數最大值＞2.0，環(huán)境質量處于安全、警戒、輕度污染、中度污染等級的樣點比例分別為69.80%、18.79%、10.74%和0.67%。可見，河北省部分蔬菜產地土壤存在一定的Cd污染現象，需要引起足夠重視。

2.2.2 土壤重金屬綜合污染評價 河北省典型蔬菜產地土壤7種重金屬元素的綜合污染指數平均值為0.55，表明該區(qū)土壤尚未受到重金屬元素的污染，環(huán)境清潔，質量安全。其中，環(huán)境質量屬于安全、警戒等級的樣點比例分別為79.19%和17.45%，處于輕度污染等級（超標）的樣點比例為3.36%?？傮w來看，河北省典型蔬菜產地土壤重金屬污染程度相對較輕，因此應該以預防為主。

表4 河北省典型蔬菜產地土壤的環(huán)境質量評價Table 4 Assessment of soil environmental quality of typical vegetables field in Hebei Province

進一步對不同蔬菜種植類型土壤的環(huán)境質量進行評價，結果（表5）顯示，設施蔬菜土壤Cd、Cu和Zn的單項污染指數均明顯高于露地蔬菜。表明設施菜田的土壤環(huán)境污染風險明顯高于露地蔬菜。設施蔬菜土壤環(huán)境質量處于警戒等級樣點的重金屬元素中Cd元素占比最高（22.32%），其次是As（15.18%）、Zn（9.82%）和Cu（7.14%）；處于輕度污染等級樣點的重金屬元素中Cd占比也為最高（11.61%），其次是Zn（0.89%）；處于中度污染等級樣點的重金屬元素中僅有Cd，為1.79%。露地蔬菜土壤環(huán)境質量處于警戒等級樣點的重金屬元素中Cd占比最高（10.81%），其次是Zn（5.41%）；處于輕度污染等級樣點的重金屬元素中僅有Cd（2.70%）。表明設施蔬菜土壤重金屬Cd污染的風險明顯高于露地蔬菜。

設施蔬菜土壤的重金屬綜合污染指數平均值為0.59，明顯高于露地蔬菜（0.43），但二者的指標值均＜0.7，表明無論是設施栽培還是露地栽培，總體來看菜田土壤環(huán)境均為清潔，質量安全。設施蔬菜土壤環(huán)境質量處于安全、警戒、輕度污染（超標）等級的樣點比例分別為74.11%、20.54%和5.36%。露地蔬菜土壤環(huán)境質量處于安全、警戒等級的樣點比例分別為94.59%和5.41%，無土壤重金屬超標樣點。進一步表明設施蔬菜土壤重金屬污染的風險明顯高于露地蔬菜。

表5 不同蔬菜種植類型土壤的環(huán)境質量評價Table 5 Assessment of soil environmental quality of different vegetables planting types

因此，設施蔬菜土壤環(huán)境質量狀況應引起足夠重視。

2.3 河北省典型蔬菜產地蔬菜重金屬含量特征與污染評價

河北省典型蔬菜產地蔬菜7種重金屬元素含量除As符合正態(tài)分布外，其他6種均符合對數正態(tài)分布類型 （表 6）。蔬菜 Cr、Cd、Pb、As、Hg、Cu、Zn 的平均含量分別為0.107、0.009、0.013、0.009、0.000 6、0.41和2.04 mg/kg，均低于GB 2762—2017規(guī)定的食品中污染物限量值。表明所有種類蔬菜的重金屬Cr、Cd、Pb、As和Hg含量均不超標，質量安全。

表6 河北省典型蔬菜產地蔬菜重金屬含量特征Table 6 Vegetables heavy metal contents of typical vegetables field in Hebei Province

但是，不同蔬菜種類和品種之間的重金屬含量差異較大。其中，葉菜類蔬菜重金屬Cd、Pb、As的平均含量最高，分別為0.017、0.020和0.010 mg/kg；根莖類蔬菜Cr、Hg、Cu和Zn的平均含量最高，分別為0.454、0.001、0.471和2.98 mg/kg。因此，針對土壤重金屬污染類型，可以選擇種植適合的蔬菜類型和品種，以保證在輕度或潛在重金屬污染的土壤上生產出質量安全的蔬菜。

蔬菜重金屬中，Cd的變異系數最大，為133.36%。一方面這可能是由于不同品種蔬菜吸收累積Cd的差異較大，另一方面可能與土壤中Cd的變異系數較高有關。

3 結論與討論

3.1 討論

一般而言，土壤重金屬元素來源主要可分為自然源（如成土母質等）和人類活動源。農藥、化肥、塑料薄膜等農用化學品以及有機肥料的使用，均可能是土壤重金屬的重要輸入源。據估計，54%～58%的土壤Cd來源于進口的化學磷肥，30%來自于有機肥料，11%來自于畜禽糞便[17，18]。進口磷肥Cd含量相對較高，長期頻繁施用含Cd磷肥會導致土壤中Cd的累積[19]。Cu和Zn是規(guī)?；B(yǎng)殖中常見的飼料添加劑，在動物體內的吸收效率僅為5%左右，大量Cu和Zn元素以動物糞便形式排出，再經有機肥施用帶入到菜地，造成土壤Cu和Zn的累積[20]。另外，工礦和冶煉活動、交通運輸等排入大氣中的重金屬元素可通過沉降進入土壤，并在相應的區(qū)域內形成累積[21]。本研究選擇的5個典型蔬菜產地均遠離工礦企業(yè)和城郊，但土壤中重金屬元素Cd、Hg、Cu和Zn出現了明顯累積，且設施蔬菜土壤存在重金屬超標現象，分析原因可能主要與人為施肥量較大有關。作者在集約化養(yǎng)殖場調查發(fā)現，河北省主要畜禽糞便中重金屬Cu、Zn的超標率分別為41.73%和50.39%[22]。據統(tǒng)計，2014年河北省畜禽糞便產生量為14 109.05萬t[23]，其中有80%以上的畜禽糞便經加工或直接用于設施菜田。另外，設施菜田含磷復合肥的投入量也遠遠高于露地蔬菜，這也是導致設施菜地重金屬累積的主要原因之一。

3.2 結論

與河北省土壤重金屬背景值相比，河北省5個典型蔬菜產地土壤重金屬元素Cd、Pb、Hg、Cu和Zn累積明顯，但7種重金屬元素的平均含量均未超過GB 15618—1995二級標準限值，土壤環(huán)境總體清潔，質量安全。7種土壤重金屬元素的平均單項污染指數順序為 Cd＞As＞Zn＞Cu＞Cr＞ （Hg=Pb），其中，Cd 超標相對較嚴重，處于輕度和中度污染的土壤樣點比例為11.41%。

設施蔬菜土壤的Cd、Cu和Zn單項污染指數均明顯高于露地蔬菜，設施菜田、露地菜田土壤Cd處于超標等級的樣點比例分別為13.40%和2.70%。設施蔬菜土壤的重金屬綜合污染指數也明顯高于露地蔬菜，設施菜田土壤重金屬超標（輕度污染）的樣點比例為5.36%，而露地蔬菜所有樣點土壤重金屬元素均不超標。

本研究條件下，參照食品安全國家標準（GB 2762—2017）規(guī)定的食品中污染物限量，所有蔬菜的重金屬Cr、Cd、Pb、As和Hg平均含量均不超標，蔬菜質量安全。

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