盧維宏，劉 娟，張乃明，李芳艷，韓東錦，于 泓，李嘉琦，韓 政,5

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，昆明 650201； 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201； 3.云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，昆明 650201； 4.河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 新鄉(xiāng) 453700； 5.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，南通 226007）

0 引 言

設(shè)施栽培農(nóng)業(yè)不僅代表著世界現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，也是中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展水平的重要標(biāo)志。通過必要的農(nóng)業(yè)工程設(shè)備及人為介入方式模擬或創(chuàng)造相對可控的農(nóng)作物生長環(huán)境，使其在一定程度上擺脫季節(jié)、氣候等因素的限制，減少自然災(zāi)害等帶來的逆境影響，從而獲得農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效[1]。近年來，設(shè)施栽培農(nóng)業(yè)在中國發(fā)展迅猛，自20世紀(jì)80年代發(fā)展以來栽培面積已超過400萬hm2，逐步發(fā)展成設(shè)施栽培的世界大國，也有效解決了北方季節(jié)性蔬菜缺乏、南菜北移以及生境模擬等重大問題。但是，中國設(shè)施栽培仍主要依賴于土壤，且呈現(xiàn)高度區(qū)域化、規(guī)模化、集約化和產(chǎn)業(yè)化趨勢。在種植過程中，農(nóng)戶為了單一追求產(chǎn)量，不科學(xué)的耕作方式及過量的農(nóng)資投入引發(fā)了設(shè)施栽培土壤膠黏板結(jié)、鹽漬化、養(yǎng)分失衡、酸化、重金屬元素及有機(jī)污染物累積、土傳病害爆發(fā)等系列退化特征[2-3]，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降，已成為嚴(yán)重制約中國設(shè)施栽培農(nóng)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的瓶頸，特別是重金屬元素的失衡及過量累積表現(xiàn)突出。

重金屬元素累積具有長期性、潛在性、很難被降解，過量累積會(huì)引發(fā)土壤和潛在的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而威脅動(dòng)物和人體健康。研究表明，設(shè)施栽培土壤中As、Pb、Cd、Cu、Zn、Hg、Cr、Ni等均呈現(xiàn)不同程度的累積特征，且隨著種植年限的延長具有加重趨勢[4]，與 HJ/T 333-2006《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》相比，Cd污染程度最為嚴(yán)重，在中國的南部、北部和西北的超標(biāo)率分別達(dá)到了41.7%、54.5%和11.1%，其次是Pb，超標(biāo)率分別達(dá)到了33.3%、18.2%和0[5]。農(nóng)田土壤重金屬元素累積來源主要有大氣沉降、畜禽糞便、化肥、農(nóng)藥、污水灌溉[6]及污泥等，其中畜禽糞便對Cd、Cu和Zn的貢獻(xiàn)率分別可達(dá)55%、69%和51%[7]，設(shè)施栽培土壤環(huán)境相對封閉，大氣沉降等因素對土壤質(zhì)量的影響較小，而人為農(nóng)業(yè)活動(dòng)中過量施用畜禽糞便、化肥、農(nóng)藥對土壤重金屬元素的累積貢獻(xiàn)更為突出[8-10]。研究表明，設(shè)施栽培土壤Cu、Zn的累積量大大超過了其他元素，且多與頻繁的化肥及糞肥的過量投入相關(guān)[4]，特別是豬糞、雞糞的直接還田[9,11]。然而，Cu、Zn以往被學(xué)術(shù)界定位是營養(yǎng)元素而多傾向于關(guān)注土壤與作物的缺素問題，忽略了過量累積所導(dǎo)致的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，因此，有必要對中國設(shè)施栽培相對集中區(qū)域的土壤Cu、Zn的累積現(xiàn)狀進(jìn)行分析監(jiān)測及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。

Cu、Zn累積濃度是關(guān)系設(shè)施農(nóng)田土壤質(zhì)量健康的重要因子，也是判別其對作物是維持正常生長的營養(yǎng)元素還是逆境脅迫的重金屬元素的重要依據(jù)。同時(shí)，《GB15618-2018 土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》[12]和《HJ/T 333-2006 溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[13]均對土壤Cu、Zn的累積量進(jìn)行了限定，其中Cu的限量值（或風(fēng)險(xiǎn)篩選值）分別為50（pH值≤6.5）、100（6.5＜pH值≤7.5）、100 mg/kg（pH值＞7.5），Zn的限量值（或風(fēng)險(xiǎn)篩選值）分別為200（pH值≤6.5）、250（6.5＜pH值≤7.5）、300 mg/kg（pH值＞7.5）。以往設(shè)施栽培土壤重金屬元素（包括Cu、Zn）累積風(fēng)險(xiǎn)主要是基于全量指標(biāo)來進(jìn)行評價(jià)，而全量并不能夠完全代表其對作物環(huán)境產(chǎn)生的效應(yīng)，Lee等[14]研究發(fā)現(xiàn)作物中重金屬元素的累積量并不取決于土壤中重金屬元素全量。為此，土壤重金屬元素累積風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)不僅要考慮全量的風(fēng)險(xiǎn)程度，更應(yīng)重視具有生物有效態(tài)含量那部分的累積效應(yīng)[15]。再者，以往的設(shè)施栽培土壤重金屬元素風(fēng)險(xiǎn)研究大多數(shù)是與Cd、Pb、As等同時(shí)進(jìn)行，由于Cd、Pb、As等存在毒性系數(shù)賦值大、且致癌風(fēng)險(xiǎn)高，導(dǎo)致最終的關(guān)注焦點(diǎn)往往不在Cu、Zn元素，更忽略了它們累積所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)。本研究正是基于Cu、Zn的“兩面性”，對中國典型設(shè)施栽培典型區(qū)域土壤Cu、Zn全量和有效態(tài)的累積現(xiàn)狀及風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了協(xié)同評價(jià)，并采用分段線性模型分析土壤有效態(tài)Cu、Zn累積量與設(shè)施栽培種植年限的關(guān)系，預(yù)測現(xiàn)有種植模式下有效態(tài)Cu、Zn累積超風(fēng)險(xiǎn)的栽培年限，以期為中國設(shè)施栽培土壤環(huán)境健康可持續(xù)提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為設(shè)施栽培農(nóng)業(yè)的良性發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)

依據(jù)中國設(shè)施栽培產(chǎn)業(yè)主要分布特征：東北溫帶區(qū)（約占全國栽培面積4.0%）、西北溫帶干旱及青藏高寒區(qū)（約占10.7%）、黃淮海與環(huán)渤海暖溫區(qū)（約占50.7%）、長江流域亞特帶多雨區(qū)（約占23.6%）[16]，于2019年5月—2019年11月，對主要分布區(qū)域8個(gè)省份的設(shè)施土壤樣品進(jìn)行采集，每個(gè)省均選取了設(shè)施栽培面積最集中的縣市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中在遼寧（鐵嶺、沈陽、錦州）、陜西（延安、咸陽）、寧夏（銀川、吳忠）、河北（滄州、保定）、山東（聊城、濰坊）、河南（新鄉(xiāng)）、江蘇（南通）、云南（昆明、紅河、楚雄）分別采集了 12、18、11、15、17、16、17、27個(gè)土樣，共獲得132個(gè)樣品，基本覆蓋了中國 4個(gè)設(shè)施栽培主要產(chǎn)區(qū)。具體采樣區(qū)域見圖1。

1.2 采樣方法

按照設(shè)施栽培不同年限（1～5、6～10、10 a以上）分別采集0～20 cm的耕層土樣，每個(gè)大棚依據(jù)“S”形5點(diǎn)采樣混合均勻后，按照 4分法取樣作為該點(diǎn)的供試土樣，用牛皮紙袋包裝標(biāo)記后運(yùn)送至云南農(nóng)業(yè)大學(xué)云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行去雜后，自然風(fēng)干，碾碎后分別過2.0、1.0和0.149 mm尼龍篩，用自封袋分裝標(biāo)記后，備用。

1.3 分析方法

1.3.1 土壤樣品分析

土壤全量Cu、Zn參照《GB/T 17138-1997》用硝酸-氫氟酸-高氯酸法提取，火焰原子吸收分光光度法測定（儀器型號為日本島津AA-6880）。土壤有效態(tài)Cu、Zn參照中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY/T 890-2004二乙三胺五乙酸（DTPA）浸提法》，用火焰原子吸收分光光度法測定（儀器型號為日本島津AA-6880）。Cu、Zn測定過程用國家有色金屬及電子材料分析測試中心生產(chǎn)的國家標(biāo)準(zhǔn)樣品GSB04-1725-2004、GSB04-1761-2004進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.3.2 土壤Cu、Zn累積風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

采用目前關(guān)于土壤重金屬元素累積風(fēng)險(xiǎn)研究中廣泛應(yīng)用的單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對設(shè)施栽培土壤Cu、Zn累積的風(fēng)險(xiǎn)特征進(jìn)行評價(jià)。

1）單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)[17]能表征土壤中各單個(gè)元素的累積風(fēng)險(xiǎn)特性，是土壤中各元素濃度的實(shí)測值與限量值的比值，其計(jì)算公式為

式中Pi為土壤中某種元素的單因子污染指數(shù)；Cs, i為土壤中元素濃度的實(shí)測值，mg/kg；Cn, i為土壤中元素的評價(jià)限量值，mg/kg。

采用 GB15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》[12]和HJ/T 333-2006《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[13]的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值作為評價(jià)依據(jù)（表1），將單因子污染指數(shù)（Pi）分為5個(gè)等級：Pi≤0.7，安全；0.7＜Pi≤1.0，警戒值；1.0＜Pi≤2.0，輕度污染；2.0＜Pi≤3.0，中度污染；Pi＞3.0，重度污染。

表1 設(shè)施農(nóng)田土壤Cu、Zn污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值Table 1 Risk screening values of Cu and Zn for agricultural land soil contamination(mg·kg-1)

2）內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法在兼顧了單因子污染指數(shù)平均值和最高值的基礎(chǔ)上，更加突出了污染風(fēng)險(xiǎn)中貢獻(xiàn)率最高的污染物對農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，其計(jì)算公式為

式中Ps是內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pi,max為土壤各元素的單因子污染指數(shù)中的最大值；n為測定的土壤元素種類數(shù)。Ps評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分等級與單因子污染指數(shù)法的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相同。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和OriginPro 9.1軟件進(jìn)行整理和制圖，用SPASS Statistics 18.0進(jìn)行單因素方差分析、LSD多重比較及Pearson相關(guān)性等統(tǒng)計(jì)分析，采樣位點(diǎn)分布采用ArcGIS 10.2進(jìn)行制圖。采用SigmaPlot 10.0分別對土壤有效態(tài)Cu、Zn累積量與種植年限進(jìn)行分段線性模型（Split-line Model）擬合[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 設(shè)施栽培土壤Cu、Zn累積現(xiàn)狀

通過分析設(shè)施栽培土壤樣品中全量、有效態(tài)Cu、Zn含量（表2）。全量Cu含量從大到小依次為云南、河南、遼寧、山東、陜西、寧夏、河北、江蘇，與其對應(yīng)土壤元素環(huán)境背景值對比，分別達(dá)到了2.25、3.33、1.87、1.18、1.24、1.15、1.07、0.77倍；全量Zn含量從大到小依次為云南、河南、山東、遼寧、河北、陜西、寧夏、江蘇，分別達(dá)到了對應(yīng)土壤元素環(huán)境背景值的1.58、2.78、1.95、1.77、1.40、1.26、1.39、1.26倍。整體來看，設(shè)施栽培土壤全量Cu、Zn含量（除江蘇Cu稍有降低外）均有了不同程度的累積特征。

表2 典型區(qū)域設(shè)施栽培土壤全量Cu、Zn含量統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of total Cu、Zn concentration in protected cultivation soil in typical regions

土壤有效態(tài)Cu含量從大到小依次為河南、云南、遼寧、山東、（河北等于寧夏）、江蘇、陜西，與農(nóng)業(yè)土壤有效態(tài)Cu豐缺分級指標(biāo)（表3）相比，均達(dá)到了極豐富水平，分別為極豐富限定值的 7.85、4.75、4.2、2.6、2.1、2.1、1.25、1.15倍；土壤有效態(tài)Zn含量從大到小依次為遼寧、河南、山東、河北、寧夏、云南、陜西、江蘇，與農(nóng)業(yè)系統(tǒng)土壤有效態(tài)Zn豐缺分級指標(biāo)（表3）相比，除了陜西、江蘇為較豐富水平外，其余均達(dá)到了極豐度水平，分別為極豐富限定值的1.56、1.53、1.47、1.33、1.27、1.20、0.97、0.70倍。所有樣品均未出現(xiàn)豐缺臨界值以下的現(xiàn)象。

表3 農(nóng)業(yè)土壤有效態(tài)Cu、Zn豐缺分級指標(biāo)[20-21]Table 3 Classification index of available Cu and Zn in agricultural soil(mg·kg-1)

2.2 設(shè)施栽培土壤Cu、Zn累積風(fēng)險(xiǎn)分析

基于設(shè)施栽培土壤全量Cu、Zn累積現(xiàn)狀，對其進(jìn)行單因子污染指數(shù)（Pi）和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（Ps）評價(jià)（表4）。從評價(jià)結(jié)果來看，各省單一因子污染指數(shù)（Pi）中，除了云南Cu累積達(dá)到超過1.0，達(dá)到了輕度污染水平，其余均為安全狀態(tài)，基于所有設(shè)施栽培土壤單一因子污染指數(shù)的平均值分析來看，目前設(shè)施栽培土壤中Cu、Zn累積均處于尚安全水平；綜合污染指數(shù)（Ps）也表現(xiàn)出了除云南外的其他省份均安全。

表4 土壤元素Cu、Zn超標(biāo)率、單因子污染指數(shù)（Pi）和綜合污染指數(shù)（Ps）Table 4 Excessive rate, single factor pollution index （Pi）and comprehensive pollution index（Ps） of soil Cu and Zn

按照pH值范圍將土壤樣品進(jìn)行分組，分別計(jì)算土壤Cu、Zn活度（即：土壤元素有效態(tài)含量/土壤對應(yīng)元素全量×100）及有效態(tài)含量風(fēng)險(xiǎn)限量值（表5），進(jìn)一步對研究區(qū)土壤中有效態(tài)Cu、Zn累積的超限率及風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行分析評價(jià)（表4）。從評價(jià)結(jié)果中分析可以看出，土壤中以有效態(tài) Cu的超限率相對嚴(yán)重，平均超限率達(dá)到了16.92%，尤其在遼寧、河南、云南，超限率均超過了平均值，分別達(dá)到了33.33%、62.50%、32.00%，而有效態(tài)Zn均未超過限量值；遼寧區(qū)域樣品的單因子污染指數(shù)Cu超過了1.0、Zn超過了0.7，分別達(dá)到了輕度污染和警戒值水平，綜合污染指數(shù)超過了1.0，達(dá)到了輕度污染水平，而河南、云南的單因子污染指數(shù)中Cu均介于0.7～1.0范圍，處于警戒值水平，Zn均小于0.7，處于安全范疇，綜合污染指數(shù)均超過了0.7，達(dá)到了警戒值水平，其余省份均為安全。

表5 土壤有效態(tài)Cu、Zn活度及風(fēng)險(xiǎn)限量值Table 5 The activity and risk limit value of available Cu and Zn in soil samples

2.3 設(shè)施栽培土壤Cu、Zn累積風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測

2.3.1 土壤Cu累積風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測

對研究區(qū)設(shè)施栽培土壤有效態(tài)Cu含量與其對應(yīng)種植年限進(jìn)行擬合，得到了顯著正相關(guān)的線性模型（圖2a），說明隨著種植年限的延長，設(shè)施栽培土壤中有效態(tài)Cu含量呈持續(xù)的顯著增加態(tài)勢。為了更好預(yù)測種植年限對土壤有效態(tài)Cu累積速率的影響，進(jìn)一步采用分段線性模型（Split-line Model）進(jìn)行回歸擬合，得出設(shè)施栽培土壤中有效態(tài)Cu含量與種植年限之間并不是呈1條直線的線性關(guān)系，而是2條斜率明顯不同的線性關(guān)系（圖2b）。結(jié)果表明，當(dāng)種植年限小于或者等于17.758 a時(shí)，隨種植年限的延長，土壤有效態(tài)Cu累積速率相對較為緩慢，而當(dāng)種植年限超過17.758 a時(shí)，土壤中有效態(tài)Cu含量隨種植年限延長表現(xiàn)了累積速率加快的趨勢。

進(jìn)一步將表5對應(yīng)有效態(tài)Cu風(fēng)險(xiǎn)限量值分別代入擬合方程（圖2 b），計(jì)算得出：當(dāng)土壤pH值＜6.5，有效態(tài) Cu限量值為 6.4 mg/kg時(shí)，設(shè)施栽培年限X種植年限=6.7 a，說明在酸性條件下，現(xiàn)有的設(shè)施栽培再連續(xù)種植6.7 a，土壤有效態(tài) Cu將會(huì)超過風(fēng)險(xiǎn)限量值；當(dāng)6.5≤土壤 pH值≤7.5，有效態(tài) Cu限量值為 16.1 mg/kg時(shí)，X種植年限=20.5 a，說明在中性條件下，現(xiàn)有的設(shè)施栽培再連續(xù)種植20.5 a，土壤有效態(tài)Cu將會(huì)超過風(fēng)險(xiǎn)限量值；當(dāng)土壤pH值＞7.5，有效態(tài)Cu限量值為13.8 mg/kg時(shí)，X種植年限=19.3 a，說明在堿性條件下，現(xiàn)有的設(shè)施栽培再連續(xù)種植19.3 a，土壤有效態(tài)Cu將會(huì)超過風(fēng)險(xiǎn)限量值。

2.3.2 土壤Zn累積風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測

同理，對設(shè)施栽培土壤有效態(tài)Zn含量與其對應(yīng)種植年限進(jìn)行擬合，也得到了顯著正相關(guān)的線性擬合模型（P＜0.05）（圖3a），說明隨著種植年限的延長，設(shè)施栽培土壤中有效態(tài) Zn含量呈持續(xù)的顯著增加趨勢。進(jìn)一步采用分段線性模型（Split-line Model）也擬合了2條斜率明顯不同的線性回歸模型（P＜0.05）（圖3b）。結(jié)果表明，當(dāng)設(shè)施種植年限小于或者等于1.578 a時(shí)，土壤有效態(tài)Zn含量隨著設(shè)施種植年限的延長而增加的幅度較大，即土壤中有效態(tài) Zn濃度的累積速率較為迅猛，而當(dāng)設(shè)施種植年限超過1.578 a時(shí)，設(shè)施栽培土壤中有效態(tài)Zn的累積速率則相對減慢，與土壤有效態(tài)Cu的累積趨勢恰好相反。

進(jìn)一步將表5中對應(yīng)有效態(tài)Zn風(fēng)險(xiǎn)限量值代入擬合方程（圖3 b），得出：當(dāng)土壤pH值＜6.5，有效態(tài)Zn限量值為5.9 mg/kg時(shí)，設(shè)施栽培年限X種植年限=32.5 a，說明在酸性土壤條件下，現(xiàn)有的設(shè)施栽培連續(xù)再種植 32.5 a，土壤有效態(tài)Zn將會(huì)超過風(fēng)險(xiǎn)限量值；當(dāng)土壤6.5≤pH值≤7.5，有效態(tài)Zn限量值為8.7 mg/kg時(shí)，X種植年限=67.9 a，說明在中性條件下，現(xiàn)有的設(shè)施栽培連續(xù)再種植67.9 a，土壤有效態(tài)Zn將會(huì)超過風(fēng)險(xiǎn)限量值；當(dāng)土壤pH值＞7.5，有效態(tài)Zn限量值為10.6 mg/kg時(shí)，X種植年限=91.9 a，說明在堿性條件下，現(xiàn)有的設(shè)施栽培連續(xù)再種植 91.9 a，土壤有效態(tài)Zn將會(huì)超過風(fēng)險(xiǎn)限量值。

3 討 論

3.1 設(shè)施栽培土壤 Cu、Zn有效態(tài)與全量在風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)應(yīng)用中的對比

Cu、Zn通常在較低濃度時(shí)表現(xiàn)健康營養(yǎng)特征，而過量累積時(shí)則表現(xiàn)逆境脅迫效應(yīng)。作為營養(yǎng)元素時(shí)，是農(nóng)作物生長的必需微量元素[22]，也是關(guān)系土壤養(yǎng)分均衡的重要組成成分[23-24]，為此，中國農(nóng)業(yè)以土壤有效態(tài)Cu、Zn含量作為豐缺分級指標(biāo)對其是否會(huì)發(fā)生營養(yǎng)缺陷進(jìn)行判斷，不少研究者以此為依據(jù)在原發(fā)性缺Cu、Zn土壤中采用外源補(bǔ)充的方式有效緩解了缺素癥狀、促進(jìn)了玉米、小麥、燕麥、洋蔥、番茄等作物的生長，表征了Cu、Zn是植物生長發(fā)育不可或缺的營養(yǎng)元素[25-31]。

然而，過量的Cu、Zn在土壤中累積，則會(huì)導(dǎo)致其表現(xiàn)逆境脅迫效應(yīng)，是土壤質(zhì)量退化的成因。GB15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》[12]和HJ/T 333-2006《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[13]中均以全量Cu、Zn為依據(jù)對其土壤累積風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值進(jìn)行了規(guī)定，為規(guī)避土壤Cu、Zn累積污染風(fēng)險(xiǎn)及保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物正常生長和土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量發(fā)揮了重要的作用，也進(jìn)一步說明Cu、Zn累積過量后會(huì)造成土壤環(huán)境[32-33]及作物健康風(fēng)險(xiǎn)[34]。研究表明，作物對重金屬元素的吸收與土壤重金屬元素累積之間并不具有顯著的相關(guān)性，而與土壤重金屬元素有效態(tài)含量有關(guān)[33-35]，這就是為什么中國不少區(qū)域（尤其是西南高地質(zhì)背景區(qū)）土壤重金屬元素含量普遍偏高，甚至超過了國標(biāo)規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)篩選值或管控值，但可以種植出來安全的農(nóng)產(chǎn)品，或僅個(gè)別農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)，造成了土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中的假陽性或假陰性錯(cuò)誤現(xiàn)象存在[36-37]。國內(nèi)目前對土壤污染的評價(jià)研究也多側(cè)重于全量[38]。

土壤重金屬元素有效態(tài)是全量在其土壤的各項(xiàng)理化指標(biāo)（pH值、有機(jī)碳及養(yǎng)分指標(biāo)）[4]共同作用的結(jié)果，是作物可吸收并能在可食用部分發(fā)生累積的那一部分，其含量的高低更能代表土壤的有效風(fēng)險(xiǎn)特征（包括土壤環(huán)境和作物可食用部分）。本研究基于土壤pH值及元素全量活度基礎(chǔ)上推導(dǎo)的土壤Cu、Zn有效態(tài)限量值來研究中國典型區(qū)域的設(shè)施栽培土壤更具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，為科學(xué)判定和有效管理設(shè)施栽培過程中的畜禽糞便、化肥（含大中微量元素）、農(nóng)藥等合理投入提供了參考。以有效態(tài)含量為基礎(chǔ)的單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅洛綜合污染指數(shù)評價(jià)結(jié)果能較好的反映超限率差異，也進(jìn)一步規(guī)避了因西南區(qū)背景值高而有效態(tài)偏低[18]的評價(jià)誤區(qū)。

3.2 設(shè)施栽培土壤 Cu、Zn累積風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測在設(shè)施栽培農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

土壤質(zhì)量退化已經(jīng)成為嚴(yán)重制約中國設(shè)施栽培農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。以往研究者在評價(jià)設(shè)施栽培土壤重金屬累積風(fēng)險(xiǎn)時(shí)多以Cd、Pb、As的毒性較大的元素為主，或包含 Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg、Ni、Cr在內(nèi)的多元素評價(jià)，這就會(huì)導(dǎo)致評價(jià)或預(yù)測的重點(diǎn)落在了Cd、Pb、As、Cr等元素上[5,39]，忽略了毒性較小且在適量條件下表現(xiàn)微量營養(yǎng)元素而過量條件下又表現(xiàn)重金屬脅迫效應(yīng)的Cu、Zn，從而導(dǎo)致種植戶只重視了營養(yǎng)效應(yīng)，忽視了重金屬的毒性特征，然而，土壤中的Cu、Zn卻在不知不覺的過度施用化肥、有機(jī)肥（尤其是畜禽糞便，如豬糞、雞糞等）、農(nóng)藥等過程中造成過量累積[3-5,9-11]。目前，中國設(shè)施栽培中已普遍關(guān)注元素指標(biāo)，且測土配方指標(biāo)中也均以有效態(tài)含量來評價(jià)土壤中元素的豐缺特征，為能更好對接元素的營養(yǎng)和毒性雙面角色，本研究基于土壤Cu、Zn有效態(tài)含量探索的風(fēng)險(xiǎn)限量值，為進(jìn)一步評價(jià)設(shè)施土壤Cu、Zn累積風(fēng)險(xiǎn)提供了新思路，不僅可以關(guān)注到土壤Cu、Zn的豐缺特征，還可以深入認(rèn)識到元素過量累積的土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，為中國設(shè)施栽培土壤的更全面的健康評價(jià)提供了科學(xué)借鑒。因此，可以以有效態(tài)為依據(jù)來判斷土壤Cu、Zn累積超限率及累積風(fēng)險(xiǎn)來指導(dǎo)生產(chǎn)，在無風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，可適當(dāng)通過外源補(bǔ)充來彌補(bǔ)本源性缺乏來促進(jìn)作物生長發(fā)育，在有風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，可通過調(diào)控土壤理化措施使過量的有效態(tài)向低生物活性的形態(tài)（如殘?jiān)鼞B(tài)、可氧化態(tài)、可還原態(tài)等）轉(zhuǎn)化來實(shí)現(xiàn)安全利用[40-41]。

4 結(jié) 論

1）本研究基于各土壤元素環(huán)境背景值及農(nóng)業(yè)土壤有效態(tài)微量元素豐缺指標(biāo)，表征了中國設(shè)施栽培土壤的全量Cu、Zn均有較為嚴(yán)重的累積（以Cu表現(xiàn)最為嚴(yán)重）及有效態(tài)含量絕大部分均達(dá)到了極顯著水平的現(xiàn)狀，進(jìn)一步基于土壤pH值條件下的Cu、Zn全量的活度構(gòu)建了有效態(tài)限量值指標(biāo)，并以有效態(tài)限量值為基準(zhǔn)表征了中國現(xiàn)有設(shè)施栽培土壤平均超限率分布達(dá)到了16.92%和0。

2）基于Cu、Zn有效態(tài)累積現(xiàn)狀進(jìn)一步對中國設(shè)施栽培土壤進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，表明目前設(shè)施栽培土壤整體表現(xiàn)安全，個(gè)別有風(fēng)險(xiǎn)，其中遼寧為輕度污染，河南和云南為警戒值水平，以有效態(tài)Cu的累積風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)較大。

3）基于土壤有效態(tài)累積現(xiàn)狀表征了設(shè)施栽培土壤Cu、Zn累積與種植年限的顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），通過擬合方程得出，在現(xiàn)有設(shè)施栽培條件下，連續(xù)再種植6.7、20.5、19.3 a可分別導(dǎo)致酸性、中性、堿性土壤中有效態(tài)Cu累積量達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)限量值；連續(xù)再種植32.5、67.9、91.9 a可分別導(dǎo)致酸性、中性、堿性土壤中有效態(tài)Zn累積量達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)限量值。

本研究在設(shè)施栽培土壤評價(jià)中采用了Cu、Zn有效態(tài)累積量作為依據(jù)，有效連通土壤風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與痕量元素豐缺評價(jià)為一體，為通過人為措施調(diào)控土壤痕量元素生物有效態(tài)與非有效態(tài)含量轉(zhuǎn)變的方式來指導(dǎo)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤安全利用提供了借鑒依據(jù)。