楊 趙，和麗萍，姚紅勝，王 麗，李麗娜，楊濤明，唐 嫚，崔燦文

(云南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，昆明 650034)

【研究意義】土壤重金屬含量關(guān)系到食物安全及人類和動(dòng)物健康，其作為土壤質(zhì)量的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)越來越受到人們的關(guān)注[1]。研究不同農(nóng)田利用方式對(duì)農(nóng)田土壤和作物重金屬的影響，對(duì)區(qū)域土壤重金屬污染的防控具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】中國區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬污染嚴(yán)重，以西南(云南、貴州等地)、華中(湖南、江西等地)、長江三角洲及珠江三角洲等地區(qū)較為突出[2]。云南地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，金屬礦藏豐富，土壤母質(zhì)重金屬背景值含量高，不合理的礦產(chǎn)資源開發(fā)和落后的處理技術(shù)，將大量含有重金屬的廢氣、廢渣、廢水排入土壤中，導(dǎo)致目前土壤重金屬污染問題較為嚴(yán)峻。云南省土壤重金屬污染面積大、種類多、副作用明顯，是重金屬污染最突出的地方之一[3]。張小敏等[4]通過Kriging插值得出，在云南農(nóng)田土壤中Pb、Cu、Cr、Zn、Cd 出現(xiàn)高值區(qū)，其中云南省農(nóng)田土壤中Pb和Zn的富集最高，是超出背景值最高的省份。滇東區(qū)域是云南典型的土壤重金屬高背景值分布區(qū)[5]，也是云南受礦業(yè)活動(dòng)影響的重點(diǎn)區(qū)域。云南省內(nèi)滇東碳酸鹽巖發(fā)育區(qū)為最高，巖層形成的紅黏土Cd元素含量高達(dá)1.64×10-3～2.76×10-3mg/kg[6-7]。滇東土壤鎘的地球化學(xué)背景值不僅超過《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)》(GB15618—2018)中的污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，有的甚至超過了污染風(fēng)險(xiǎn)管制值[8]。土地利用方式是人類活動(dòng)的集中體現(xiàn)，它既能反映污染物的主要來源，又能反映影響重金屬移動(dòng)和傳輸?shù)耐寥缹傩訹9-10]。土地利用類型和強(qiáng)度對(duì)土壤微量重金屬元素遷移富集具有強(qiáng)烈的影響[11]。國內(nèi)學(xué)者對(duì)不同農(nóng)用地利用方式土壤重金屬含量進(jìn)行了調(diào)查研究[12-14]，但研究區(qū)多為受工業(yè)污染的區(qū)域?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】在土壤重金屬高背景值區(qū)，排除工業(yè)源直接或間接污染外，因農(nóng)田利用方式不同而帶來的農(nóng)業(yè)投入品的差異是造成高背景值區(qū)農(nóng)田土壤重金屬含量差異的主要原因之一[15]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究針對(duì)滇東鎘、砷高背景區(qū)不同利用類型的農(nóng)田土壤鎘、砷含量及農(nóng)作物鎘、砷含量進(jìn)行調(diào)查，研究不同農(nóng)田利用類型對(duì)土壤鎘、砷的分布特征及對(duì)作物安全性的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

如圖1所示，研究區(qū)位于云南省東部(101.25°～106.87°E，22.5°～28.34°N)。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫7.7～18.4 ℃，常年降雨量641～987 mm。土壤類型以磚紅壤、紅壤為主，成土母質(zhì)主要以碳酸鹽類為主。地形地貌屬滇東喀斯特巖溶山區(qū)，山巒連綿起伏，河谷、溝壑縱橫交錯(cuò)，地勢復(fù)雜性和緯度復(fù)合變化造成成土過程和土壤類型的多樣性。滇東農(nóng)田利用類型以旱地、水-旱輪作、蔬菜地為主。

1.2 土壤樣品采集與處理

2020年4月20日至25日分2組進(jìn)行采樣。采樣點(diǎn)位確定后，根據(jù)實(shí)際情況劃定采樣區(qū)域?yàn)?0 m×20 m。以采樣點(diǎn)位為中心，避開田邊、路邊、溝邊和特殊地形的部位以及堆過肥料的地方，按照梅花布點(diǎn)法用不銹鋼土鉆采集5個(gè)小樣點(diǎn)0～20 cm的表層土壤，把各點(diǎn)采集的土壤混合均勻后用四分法處理，留取1 kg左右土壤作為該點(diǎn)樣品，裝入自封袋，并在袋口填寫標(biāo)簽。土壤樣品在室內(nèi)風(fēng)干后，去除土樣中石子和動(dòng)植物殘?bào)w等異物，用木杵研磨過2 mm尼龍篩，混合均勻后，取200 g土樣，用瑪瑙研缽研磨過100目篩，備用。

土壤樣品采用《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)》(GB 15618—2018)中規(guī)定的方法測定，其中鎘采用石墨爐原子吸收分光光度法[16]、砷采用原子熒光法(GB/T 22105.2—2008)測定[17]、土壤pH采用電位法(HJ 962—2018)測定[18]、有機(jī)質(zhì)采用滴定法(NY/T 1121.6—2006)測定[19]、土壤有效態(tài)鎘采用二乙烯三胺五乙酸浸提—電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(HJ 804—2016)測定[20]、有效態(tài)砷采用AB-DTPA浸提—電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定[21]。

1.3 作物樣品處理及分析

采集土壤樣品時(shí)同步采集作物可食部分樣品，取回的植物樣品用自來水清洗表面粘附的土壤，新鮮蔬菜用去離子水淋洗3遍，晾干進(jìn)行勻漿，小麥、水稻、玉米籽粒晾干后經(jīng)粉碎機(jī)粉碎均勻。勻漿或粉碎均勻的樣品采用微波消解、ICP-MS 測定Cd、As含量[22]。

1.4 土壤污染評(píng)價(jià)方法

采用Hakanson[23]提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)重金屬污染及生態(tài)危害。其計(jì)算公式為：

表1 重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)與分級(jí)

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

本研究中采樣點(diǎn)位分布圖采用ArcGIS 10.2繪制，利用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同農(nóng)田利用方式土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量特征

本次共調(diào)查162個(gè)點(diǎn)位，包括蔬菜地61個(gè)，水-旱輪作地26個(gè)，旱地75個(gè)。調(diào)查區(qū)域土壤pH范圍為4.85～8.49(表2)，均值為7.15，pH 6.5以上的點(diǎn)位占76.5%，調(diào)查區(qū)域農(nóng)用地土壤以中性偏堿為主。農(nóng)田各類利用方式中，土壤pH由高到低依次為水-旱輪作地、蔬菜地、旱地，其中旱地土壤pH顯著低于蔬菜地和水-旱輪作地(P<0.05)，且旱地土壤pH離散程度更大。

表2 不同農(nóng)田利用方式下土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量

調(diào)查區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍為10.3～118.0 g/kg，區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量變異程度較大。與中國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)比較，調(diào)查區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到1級(jí)的點(diǎn)位占55%，土壤有機(jī)質(zhì)含量總體較為豐富。農(nóng)田各類利用方式中，土壤有機(jī)質(zhì)含量由高到低依次為水-旱輪作地、旱地、蔬菜地(表3)，但三者間均無顯著差異(P>0.05)。而農(nóng)田各類利用方式中，土壤有機(jī)質(zhì)含量的變異程度由高到低依次為蔬菜地、水-旱輪作地、旱地。

2.2 不同農(nóng)田利用方式土壤鎘、砷含量特征

2.2.1 不同農(nóng)田利用方式土壤鎘、砷含量及污染狀況 調(diào)查結(jié)果顯示，滇東區(qū)域農(nóng)田土壤鎘含量分布為0.10～3.2 mg/kg，超篩選值比例為59.88%，超管制值比例為3.09%。農(nóng)田各類利用方式中，土壤鎘含量由高到低依次為蔬菜地、水-旱輪作地、旱地(表3)，但三者間均無顯著差異。各類利用方式的土壤鎘含量分布均表現(xiàn)為較大的變異，且變異程度由高到低依次為蔬菜地、水-旱輪作地、旱地。

表3 不同農(nóng)田利用方式下土壤鎘、砷含量

滇東區(qū)域農(nóng)田土壤砷含量分布為2.59～112.0 mg/kg，超篩選值比例為35.80%，超管制值比例為1.23%。農(nóng)田各類利用方式中，土壤砷含量由高到低依次為旱地、蔬菜地、水-旱輪作地，且旱地土壤砷含量顯著高于水-旱輪作地。各類利用方式的土壤砷含量分布均表現(xiàn)為較大的變異，且變異程度由高到低依次為蔬菜地、旱地、水-旱輪作地。

滇東區(qū)域農(nóng)田土壤鎘與砷相比，鎘超篩選值和管制值比例高于砷，同時(shí)土壤鎘含量的變異程度大于砷。

2.2.2 不同農(nóng)田利用方式土壤鎘、砷有效態(tài)含量特征 調(diào)查區(qū)域農(nóng)田土壤有效態(tài)鎘平均含量為0.061 mg/kg，表現(xiàn)為蔬菜地>水-旱輪作地>旱地(表4)，有效態(tài)砷平均含量為0.212 mg/kg，表現(xiàn)為蔬菜地>旱地>水-旱輪作地，但不同農(nóng)田利用方式間差異均不顯著。將土壤重金屬有效態(tài)含量除以重金屬全量值稱為重金屬的活化率[24]。分別計(jì)算各農(nóng)田利用類型土壤鎘、砷的活化率，結(jié)果表明調(diào)查區(qū)土壤鎘、砷活化率區(qū)間分別為0.162%～0.231%和0.013%～0.041%，活化率均較低。蔬菜地土壤鎘、砷活化率均顯著高于旱地，旱地和水-旱輪作地、蔬菜地和水-旱輪作地間土壤鎘、砷活化率均無顯著差異。同一農(nóng)田利用類型下，土壤鎘活化率均顯著高于砷活化率。

表4 不同農(nóng)田利用方式土壤鎘、砷有效態(tài)含量及活化率

2.3 不同農(nóng)田利用方式農(nóng)作物鎘、砷含量特征

參照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中食品類別分類方式，本次調(diào)查采集到稻谷、玉米、小麥、葉菜、蕓薹類蔬菜、塊根和塊莖蔬菜、瓜果類蔬菜、豆類8個(gè)類別的農(nóng)作物可食部分樣品共計(jì)162個(gè)。調(diào)查作物鎘、砷含量均較低(表5)，僅有2個(gè)樣品鎘含量超過GB 2762—2017限值，分別為茄子和辣椒。調(diào)查的各類作物中，鎘含量由高到低依次為小麥、瓜果類蔬菜、塊根和塊莖蔬菜、葉菜、稻谷、蕓薹類蔬菜、玉米、豆類；砷含量由高到低依次為稻谷、小麥、葉菜、玉米、塊根和塊莖蔬菜、瓜果類蔬菜、豆類、蕓薹類蔬菜。各類作物對(duì)鎘、砷的富集系數(shù)均較低，鎘富集系數(shù)由高到低分別為小麥、葉菜、塊根和塊莖蔬菜、稻谷、蕓薹類蔬菜、瓜果類蔬菜、玉米、豆類；砷富集系數(shù)由高到低依次為稻谷、葉菜、小麥、玉米、蕓薹類蔬菜、豆類、瓜果類蔬菜、塊根和塊莖蔬菜。

表5 農(nóng)作物鎘、砷含量

按不同農(nóng)田利用類型對(duì)所調(diào)查的農(nóng)作物可食部分鎘、砷含量進(jìn)行分析(表6)。結(jié)果表明，蔬菜地農(nóng)作物可食部分的鎘含量顯著高于旱地農(nóng)作物，而水-旱輪作地農(nóng)作物可食部分鎘含量與旱地和蔬菜地的農(nóng)作物鎘含量間均差異不顯著。但水-旱輪作地農(nóng)作物可食部分砷含量顯著高于旱地和蔬菜地的農(nóng)作物砷含量。蔬菜地農(nóng)作物鎘富集系數(shù)顯著高于旱地農(nóng)作物，而水-旱輪作地農(nóng)作物的砷富集系數(shù)顯著高于蔬菜地和旱地。同一農(nóng)田利用類型下，農(nóng)作物的鎘富集系數(shù)均顯著高于砷富集系數(shù)。

表6 不同農(nóng)田利用方式農(nóng)作物鎘、砷含量

2.4 不同農(nóng)田利用方式土壤鎘、砷的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

從表7可知，滇東區(qū)域3種農(nóng)田利用方式下土壤鎘、砷潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(Ri)由高到低為水-旱輪作地>早地>蔬菜地，分別為51.48、51.09和37.22，均小于150，屬輕微風(fēng)險(xiǎn)。從單元素角度分析可知，土壤鎘在蔬菜地中潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大(Ei=29.69)，旱地中最小(Ei=16.55)；土壤砷在旱地中潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大(Ei=34.54)，水-旱輪作地中最小(Ei=18.47)。土壤鎘、砷在3種農(nóng)地利用方式中潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值均小于40，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬于輕微，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低。

表7 不同農(nóng)田利用方式土壤鎘、砷潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3 討 論

關(guān)于土壤重金屬含量及分布特征的研究多集中于有明確污染源或人為影響較重的區(qū)域，如因礦業(yè)活動(dòng)而導(dǎo)致重金屬污染的農(nóng)田集中區(qū)或流域[25-28]，而本研究選取滇東區(qū)域中無主要重金屬污染源輸入的農(nóng)田作為研究對(duì)象。本次調(diào)查農(nóng)田除人工耕作擾動(dòng)外，無其他較大外源干擾，因此土壤母質(zhì)、大氣的干濕沉降、農(nóng)業(yè)灌溉、施肥、噴灑農(nóng)藥和除草劑是不同農(nóng)田利用類型土壤重金屬的主要來源，其結(jié)果是高背景區(qū)農(nóng)田不同利用方式對(duì)土壤鎘、砷含量特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的體現(xiàn)。調(diào)查結(jié)果表明，在旱地、蔬菜地、水-旱輪作地3種不同利用類型間土壤鎘、砷含量沒有顯著差異的情況下，土壤的有效態(tài)鎘、砷在3種利用類型間表現(xiàn)出差異性，且蔬菜地土壤鎘、砷含量變異程度最大，鎘、砷有效態(tài)含量和活化率均最高。這種差異可能是由于滇東區(qū)域蔬菜地與旱地和水-旱輪作地相比，具有更高的肥料、農(nóng)藥投入和更多的翻耕頻次。研究表明滇東區(qū)域蔬菜地化肥施用量高于以糧食生產(chǎn)為主的旱地和水-旱輪作地[29]。周萍等[30]研究結(jié)果表明，施用肥料的質(zhì)量和數(shù)量是影響不同利用方式下土壤重金屬含量的主要因素。菜園隨著種植蔬菜時(shí)間的延長，土壤中Zn、Cu、Pb的全量含量和有效態(tài)含量均有明顯增高的趨勢[31]。耕作方式可通過影響土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)而影響土壤重金屬的有效量，成為影響土壤重金屬含量、有效性及垂直分布的另一因素[32-33]。頻繁翻耕不利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累[34]，頻繁翻耕蔬菜地導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的降低，有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬的吸附、鈍化作用也降低，進(jìn)而導(dǎo)致蔬菜地相比水-旱輪作地、旱地有更高的土壤鎘、砷活性。

盡管本次調(diào)查中土壤樣品鎘含量超篩選值比例為59.88%，超管制值比例為3.09%，砷含量超篩選值比例為35.80%，超管制值比例為1.23%。但采集的162個(gè)農(nóng)作物樣品中僅有2個(gè)作物超標(biāo)。相關(guān)分析也表明作物鎘、砷含量與土壤鎘、砷含量和有效態(tài)含量均無顯著相關(guān)性。馬宏宏等[35]針對(duì)碳酸鹽巖母質(zhì)重金屬地質(zhì)高背景區(qū)的調(diào)查結(jié)果也表明土壤和水稻籽實(shí)中同一種重金屬含量之間沒有顯著相關(guān)性。王祖光等[36]對(duì)中國稻米產(chǎn)區(qū)土壤稻米一一對(duì)應(yīng)采集的80 000個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，土壤Cd含量超過篩選值稻米Cd含量不超標(biāo)和土壤Cd含量未超過篩選值稻米Cd含量超標(biāo)的土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)誤判率在湖南長株潭地區(qū)，廣東北部與湖南接壤地區(qū)，四川綿竹、什邡市等區(qū)域?yàn)?4%～79%。土壤重金屬含量及其有效態(tài)含量不能有效表征土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的原因在于農(nóng)產(chǎn)品對(duì)土壤重金屬的吸收主要由作物自身的內(nèi)因和作物所處的環(huán)境外因共同決定。內(nèi)因即作物自身對(duì)污染物脅迫的耐受能力。外因一方面取決于土壤污染物的含量和有效態(tài)含量，另一方面也取決于與污染物產(chǎn)生相互作用的物質(zhì)含量。這些物質(zhì)可以與污染物產(chǎn)生協(xié)同、拮抗、固持等作用。由于土壤環(huán)境復(fù)雜、各種因子交互作用，單純以土壤重金屬含量或其有效態(tài)含量難以精準(zhǔn)評(píng)估農(nóng)用地土壤環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。農(nóng)用地土壤污染的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)綜合考慮污染物及其形態(tài)含量、土壤環(huán)境因子狀況、作物類別等因素。

4 結(jié) 論

(1)滇東區(qū)域農(nóng)田土壤不同利用方式下，土壤鎘含量由高到低依次為蔬菜地>水-旱輪作地>旱地，土壤有效態(tài)鎘含量表現(xiàn)為蔬菜地>水-旱輪作地>旱地；土壤砷含量由高到低依次為旱地>蔬菜地>水-旱輪作地，且旱地土壤砷含量顯著高于水-旱輪作地，有效態(tài)砷含量表現(xiàn)為蔬菜地>旱地>水-旱輪作地。蔬菜地土壤鎘、砷活化率均顯著高于旱地。同一農(nóng)田利用類型下，土壤鎘活化率均顯著高于砷活化率。

(2)滇東區(qū)域3種農(nóng)田利用方式下，土壤鎘、砷潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬輕微風(fēng)險(xiǎn)，綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由高到低為蔬菜地>早地>水-旱輪作地，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低。

(3)調(diào)查的162個(gè)農(nóng)作物可食部分鎘、砷含量均較低，僅有2個(gè)樣品鎘含量超過GB 2762—2017限值，分別為茄子和辣椒。相比較而言，蔬菜地農(nóng)作物可食部分的鎘含量顯著高于旱地農(nóng)作物；而水-旱輪作地農(nóng)作物可食部分砷含量顯著高于旱地和蔬菜地的農(nóng)作物砷含量。蔬菜地農(nóng)作物鎘富集系數(shù)顯著高于旱地農(nóng)作物，而水-旱輪作地農(nóng)作物的砷富集系數(shù)顯著高于蔬菜地和旱地。同一農(nóng)田利用類型下，農(nóng)作物對(duì)鎘的富集系數(shù)均顯著高于砷富集系數(shù)。

(4)盡管滇東高背景區(qū)土壤鎘、砷含量超篩選值比例高，但其有效態(tài)含量和活化率均較低，農(nóng)產(chǎn)品可食部分鎘、砷含量超標(biāo)率也低，因此滇東高背景區(qū)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低。