上海崇明现代农业园区土壤与花椰菜中Cd、Crr含量分析

华东师范大学资源与环境科学学院（200241） 张 天 姜澒月 倪玮怡 白雪莘 闫亚琛

指导老师 毕春娟

上海崇明现代农业园区土壤与花椰菜中Cd、Crr含量分析

华东师范大学资源与环境科学学院（200241） 张 天 姜澒月 倪玮怡 白雪莘 闫亚琛

指导老师 毕春娟

土壤环境及蔬菜卫生日益受到人们重视，但目前对于同一地区，同时进行土壤和蔬菜重金属含量的分析还较少。本研究通过对崇明现代农业园区内花椰菜及其周围土壤中Cd、Cr含量分析，得到土壤Cr含量基本达标，其余指标不同程度超标。同时，运用相关分析、主成分分析等手段，针对农业园区的污染来源及食品安全问题提出整改建议。

崇明现代农业园区；花椰菜；土壤；Cd、Cr含量；研究性学习

一、引言

人类活动使得环境污染问题不断加剧，而重金属及其毒性和富集特性，在环境中引起特别的关注[1]。重金属易在土壤中累积、迁移，通过蔬菜进入体内，对人体健康存在危害[2]～[3]。因此开展土壤与蔬菜的重金属含量分析研究，可为治理农业污染和控制蔬菜质量提供参考。

国内学者不乏对各地农产品重金属含量的实验分析，李学德等[4]、陈红亮等[5]、白红娟[6]、孙超等[7]对合肥、贵州北部、太原和崇明等地区的蔬菜重金属含量进行了分析研究，总体均达到国家限制标准。但笔者也发现，对于同一地区，同时进行蔬菜及周围土壤重金属含量分析的研究相对缺乏。因此，本研究以崇明岛为例，旨在通过对花椰菜样品中重金属含量及植物周围土壤中Cd、Cr含量进行采样分析，在对土壤环境进行评价的同时，计算花椰菜对Cd、Cr两种重金属元素的富集系数，为防治土壤重金属污染提供一定科学依据。

二、材料与方法

1. 采样区概况

中国第三大岛的崇明岛位于长江入海口，是全世界最大的河口冲积岛。崇明岛地势平坦，气候类型为亚热带季风气候，雨热同期，土壤类型主要为水稻土、灰潮土和滨海盐土，有利于发展新型城市和新农村建设。

实验选取位于崇明岛东北部的崇明现代农业园区（图1），东西长15km，南北宽2.2km，总面积33km2，是一块利用滩涂资源围垦起来的新生地。实地采样时观察到，园区内种植有多种蔬菜，其中种植的花椰菜在冬末生长良好。

图1 崇明现代农业园区采样点示意图

2. 样品采集及处理方法

用网格布点法选取崇明现代农业园区的15个采样点，采集花椰菜样本15个及蔬菜周围0～5cm、5～10cm、10～15cm土壤样本共45份带回实验室。花椰菜分为可食部分、叶、根三部分称量湿重，烘干后称量干重，获得含水率，再过60目尼龙筛。土样置于40℃烘箱烘干研磨后，将土壤过120目尼龙筛（＜125μm）。

3. 理化性质测量

各种土壤理化性质的检测对土样粒径大小要求不同。称量蔬菜干样质量以获得含水率，将烘干土样过10目尼龙筛，采用电位法进行pH值检测；过120目筛的土壤用重铬酸钾容量法进行有机质检测。

4. 土壤、蔬菜重金属含量的测定

对土壤和花椰菜样本采用HNO3-HClO4-HF消煮法[7]消解后，使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES）测定Cr、Cd的含量。

三、实验结果与讨论

1. 土壤与花椰菜中Cd、Cr含量

从实验结果来看，土壤pH值范围在7.73～9.35之间，平均为8.31；有机质含量为1.69%～0.82%，平均为1.19%。

图2 土壤、花椰菜中Cd、Cr含量

根据上海市土壤环境背景值上限值和HJ332-2006中对食用农产品产地环境质量的评价标准，当土壤环境pH＞7.5时，Cd限值应小于0.60mg/kg，Cr应小于250mg/ kg。由图2可以看出，研究区土壤中Cd含量普遍超标；Cr含量在不同深度土层内也超出背景值，但总体上达到用农产品产地环境质量评价标准。孙超[8]等对崇明岛土壤重金属含量所做的空间差值也可以反映出，现代农业园区及附近地区Cd含量出现峰值，Cr含量也相对偏高。

2. 花椰菜对土壤中Cd、Cr的富集作用

对花椰菜与土壤中Cd、Cr含量进行相关性分析，结果如表1所示，花椰菜的球茎、叶、根中Cd、Cr含量与不同深度土壤中的Cd、Cr含量之间没有明显的相关关系，即使是与土壤接触最多的根系也没有明显相关关系。由此可推断花椰菜可通过自身生理过程调节对重金属的吸收，不存在被动富集。

表1 花椰菜与土壤中Cd、Cr含量相关分析表

富集系数反映土壤中重金属向花椰菜中重金属含量的转化率（公式1），对15个实验数据分别计算富集系数后得到表2，其中土壤重金属含量为0-20cm混合土样，花椰菜各个部分中Cd的富集程度相对于花椰菜各个部分中Cr的富集程度较高，因此可以说明花椰菜对Cd的吸收能力较强、对Cr的抵抗能力较强，建议不要在土壤Cd含量较高的地方种植花椰菜。

表2 Cd、Cr富集系数范围

3. 主成分分析结果

利用主成分分析，对上海崇明现代农业园区进行Cd生态安全分析。第一主成分与表层土有机质呈现较好的正相关性，与表层土壤Cd含量、表层土pH值呈现较强负相关性，因此认为第一主成分代表了表层土壤的养分累积。第二主成分与花椰菜球茎有正相关性，因此代表花椰菜中的重金属含量。第三、第四主成分分别代表中层和下层土壤中Cd含量。

表3 Cd含量主成分分析表

利用主成分分析，对于现代农业园区进行Cr生态安全分析，第一主成分与表层和中层土壤有机质呈现较强正相关性，与花椰菜根部Cr含量呈现较强负相关性，因此认为第一主成分代表了土壤有机质含量与花椰菜根部Cr含量的关系。第二主成分与花椰菜球茎有正相关性，与表层土Cr含量呈负相关性，则可代表二者关系。第三主成分与中层土Cr含量呈负相关性，与下层土pH值呈正相关性，可代表二者关系。第四主成分与花椰菜叶子Cr含量呈负相关性，与下层土有机质含量呈正相关性，可代表二者关系。第五主成分与下层土Cr含量呈正相关性，可代表下层土Cr含量。

表4 Cr含量主成分分析表

通过上述分析可以看出，土壤由于长期翻耕，各个深度的Cd、Cr含量基本相同，但花椰菜各个部位的Cd、Cr含量相差较大，土壤中Cd、Cr的含量不依赖于土壤有机质的累积，花椰菜不同组织中Cd、Cr的含量也不依赖于土壤中Cd、Cr以及有机质含量的变化，而且Cd与Cr在花椰菜中的迁移转化方式也不尽相同。

造成土壤Cd污染的原因是多途径的。含Cd“三废”是环境中Cd污染的主要来源，对农田施加磷肥也会使得Cd含量上升。使用含Cd的水灌溉植物及蔬菜，会使植被从土壤中吸收养分的同时也吸收部分重金属并累积在植被体内。实验结果也反映了Cd含量分布的相似规律。Cr污染的来源既有自然因素也有人为因素，土壤中通常以难溶形式存在。由于风化作用进入土壤的Cr元素，容易氧化成可溶性的复合阴离子，通过淋溶作用再转移到地面水或地下水系统中，从而进入土壤中或附着于蔬菜表面。人为污染主要以工业生产过程中加入的铬酸盐为主，以废水、废气、废渣的形式排入环境中，也因此较难富集于蔬菜当中。

4. 研究区土壤和花椰菜中Cd、Cr含量的空间异质性

变异函数的形状反映自然现象空间分布结构或空间相关的类型，本文采用不同模型对土壤重金属进行变异函数分析，用基底效应（块金值与基台值之比）描述样本间的空间变异程度，比值越大，样本间的变异受随机因素影响就越大。当基底效应小于0.25，表示变量的空间变异以结构性变异为主，具有较高的空间相关性；介于0.25-0.75之间为中等程度空间相关；大于0.75时以随机因素为主，为空间弱相关。

表5 变异函数拟合参数表

由表可知，遵循球状模型时，中层土壤的Cd、Cr含量及下层土Cd含量存在高度空间相关，表层土Cd含量存在中等空间相关，表层土与下层土受随机因素影响较大；遵循高斯模型时，中、下层土壤Cd含量存在较强空间相关性，表层土Cd含量与中层土Cr含量存在中等空间相关性，说明其空间变异主要是母质、土壤类型等结构性因素引起。表层土与下层土Cr含量受随机因素影响较大。其中Cd从变程来看，中、下层土壤Cd变程较小，变异性较大，说明可能受到人为活动的随机因素的影响较大，其余变程较大，说明在较大范围内存在相关关系，变异性较小，反映出结构因素对其影响较大。总体结果与申广荣[9]在崇明岛的研究结果相近。

四、对策与建议

自然环境中的重金属可以通过食物链的富集作用或蓄积作用在某些食品中达到很高的浓度，从而威胁人体健康。本研究结果显示，上海崇明现代农业园区内土壤及花椰菜所含Cd、Cr元素污染来源不同；土壤Cd含量较高，可能与Cd元素环境本底值较高有关，Cd的空间变异性小，Cr的空间变异性大；园区生产的花椰菜Cd、Cr浓度较高。对于这一情况，从农业生产者角度，可以采取多种预防措施，如农作物轮作，降低蔬菜对重金属的富集。另外也可以根据不同蔬菜对重金属的富集程度，合理安排种植区域。[10]

从环境背景角度来说，虽然崇明现代农业园区位于崇明岛东北部，距工业区较远，但废气可通过大气环流迁移，建议通过控制附近工业“三废”、特别是废气的排放减少重金属沉降。同时，也应继续加强对容易富集Cd、Cr元素的食品进行监测，开展人体摄入Cd、Cr的危险性评估，加大对崇明现代农业园区及周边污染物的治理，为公众提供良好的食品卫生环境。

[1] Omgbu J A, Kokogbo MA. Determination of Zn, Pb, Cu and Hg in soils of Ekpan Nigeria[J].Environment International,1993,19:611-612.

[2] Hussein H, Farag S, Kandil K, et al. Tolerance and uptake of heavy metals by Pseudomonads[J]. Process of Biochemistry, 2005, 40: 955- 961.

[3] Granero S, Domingo J L. Levels of metals in soils of Alcaa de Henares, Spain: human health risks [J]. Environment International, 2002, 28:159- 164.

[4] 李学德,花日茂,岳永德等.合肥市蔬菜中铬、铅、镉和铜污染现状评价[J].安徽农业大学学报. 2004.31(2):143-147.

[5] 陈红亮,龙黔,谭红.贵州北部菜地土壤Cd含量与蔬菜Cd污染的关系[J].四川农业大学学报.2011.29(3):342-452.

[6] 白红娟.太原市蔬菜中铅、铬和镉含量分析及安全性评价[J].中国安全科学学报.2004,14(12):78-81.

[7] 陈怀满.环境土壤学[M].北京:科学出版社,2005.

[8] 孙超,陈振楼,毕春娟等.上海市崇明岛农田土壤重金属的环境质量评价[J].地理学报.2009,64(5):619-628.

[9] 申广荣,卢德俊,钱振华等.上海崇明岛土壤重金属含量空间变异特征研究[J].上海交通大学学报(农业科学版).2010,28(4):349-354.

[10] 吕保玉,白海强,喻泽斌.蔬菜重金属污染的研究现状与防治措施[J].安徽农业科学.2008,36(4):1566-1568.

（责任编校：冉蓉）