农田土壤中铜的来源分析及控制阈值研究

王 婷，张 倩，杨海雪，黄青青，李圣男，韩丽媛，李花粉，苏德纯，乔玉辉

中国农业大学资源与环境学院 北京100193

农田土壤中铜的来源分析及控制阈值研究

王 婷，张 倩，杨海雪，黄青青，李圣男，韩丽媛，李花粉，苏德纯，乔玉辉*

中国农业大学资源与环境学院 北京100193

农田土壤重金属污染直接危及到生态安全、食品安全和人体健康。从源头上控制农田土壤重金属污染是农业可持续发展和保障农产品质量安全的首要措施。本文采用物质流分析法与情景分析法，以水稻(双季稻、单季稻)、小麦-玉米、蔬菜(叶菜、根菜和果菜)的产地农田生态系统为研究对象，研究农田土壤中重金属铜的输入途径(大气沉降、磷肥、有机肥以及灌溉水)和输出途径(籽粒/可食部位、秸秆/残余物以及地表排水)，并通过文献查阅和采样分析建立数据库，在平衡分析基础上为了保障100年土壤铜累积不超过设定的情景水平，当土壤铜背景值含量分别增加50%，100%和150%时，推导出磷肥、有机肥以及灌溉水的重金属含量安全阈值，磷肥中铜含量应控制在65～175 mg·kg-1范围内；畜禽粪肥中铜含量应控制在35～95 mg·kg-1范围内。灌溉水质标准应控制在40～70 μg·L-1范围内。这将为我国农产品产地安全管理和源头预防控制，保障我国农产品质量安全提供一定的技术指导作用。

重金属铜；来 源；平 衡；农作物；安全阈值

在农业生产上，土壤重金属污染不仅直接破坏土壤的正常功能，使土壤肥力下降，并可通过植物的吸收和食物链的积累，使生产出的农产品质量不符合要求，危害人畜健康，因而具有很大的危害性。铜是人体必需的微量矿质元素，但近年来的研究表明，铜可以在土壤中积累和在作物体内残留，并通过食物链，最终进入人体，使人产生慢性中毒[1-3]，而人体内铜的累积主要源于农产品膳食途径[4]，因此伴随着近年来公众健康意识的增强，农田土壤铜污染问题备受关注。

农田土壤中重金属的主要污染源主要来自畜禽粪便的施用和大气沉降[5-6]，其中农田土壤中69%的铜来自畜禽粪便，有机肥、污灌、污泥等也是不可忽视的重金属来源[7-9]。而当今畜牧业生产中大量使用了各种能促进生长和提高饲料利用率的铜制剂作为饲料添加剂，黄鸿翔等调查发现，仔猪和牲猪饲料中添加硫酸铜达100～250 mg·kg-1[10]。因此开展农田土壤中铜的来源分析与污染源中铜的阈值研究，具有重要的现实意义。有关农田重金属累积的研究，国内外近年来已有大量报道[11-13]，尤其菜地土壤进行了大量的研究[14-17]。目前国内外关于农田土壤重金属铜的累积特征和积累规律的研究较多，但对于农田土壤重金属的来源、累积速率特征和污染控制方面的研究不够。本文通过文献查阅和实地采样分析，建立针对我国农田土壤重金属输入、输出数据库，采用物质流分析法和情景分析法，分析研究农田土壤不同重金属的输入源及比例，通过对农产品产地重金属铜的平衡模型运算，在确保土壤不受污染情景条件下提出农田中各个输入源重金属的安全阈值，这将为农产品产地的重金属铜的污染源控制提供科学依据。

1 方 法(Methods)

1.1 研究边界的确定

本文以水稻(双季稻、单季稻)、小麦-玉米、蔬菜(叶菜、根菜和果菜)的产地农田生态系统为研究对象，研究农田土壤中重金属铜的输入和输出途径。其中，重金属输入途径包括大气沉降、化肥(以磷肥为主)、畜禽粪、商品有机肥和灌溉水。由于化肥的氮、钾肥中重金属含量低，而磷肥含有较多重金属，因此施用磷肥对土壤重金属的累积影响更大，重点考虑磷肥对重金属的带入量。商品有机肥的施用虽然对农田土壤的重金属累积有较大影响，但其主要用于蔬菜地，在水稻和小麦-玉米生产中的施用量较少，在水稻和小麦-玉米研究中不考虑商品有机肥的带入量。污泥是农田土壤中重金属增加的又一途径，我国对污泥农用有严格的限制规定，一般不用于农田粮食生产，因此，污泥农用情况不在本次研究中考虑。对于农药重金属残留，Luo[7]研究结果显示，施用农药引起的土壤重金属含量增加量相对于大气沉降、有机肥、磷肥等的输入量来说非常微小，可忽略不计，因此，在本文中暂不考虑农药使用对土壤重金属含量增加的影响。

农田系统的重金属输出途径主要包括收获时籽粒或可食部位以及秸秆的带出量。地表排水的重金属输出情况仅在长江流域及华南沿海双季稻稻区予以考虑。淋溶作为重金属输出的又一途径，通常认为重金属主要在土壤0～20 cm的表层积累，其纵向迁移趋势不明显[18-19]，土壤的淋溶所占的比例很小[20]。通过计算输入和输出的重金属含量，得到我国农田作物生产体系重金属平衡图(图1)。

图1 我国农田作物生产体系重金属平衡图Fig. 1 The balance figure of heavy metals of crop production system in China

1.2 参数来源

对于我国农田生态系统，若要分析其土壤中重金属累积情况，则需明确各输入项的重金属带入量以及各输出项的重金属带出量，因此，具体所需参数应包括大气沉降通量、磷肥、畜禽粪、商品有机肥、灌溉水的使用量和重金属含量；作物籽粒或可食部位和作物秸秆年产量和重金属含量；地表年排水量和重金属含量，各参数的采样时间范围及具体来源途径如表1所示。

数据参数获得的主要途径：(1)查阅文献；(2)课题组已测定数据结果；(3)实地采样调查。文献查阅方式：(1)万方数据库、知网数据库；(2)国家统计局网站；(3)中国农业统计年鉴。文献筛选原则：(1)采样时间为近10年；(2)采样地点以所研究区域为主；(3)采样点应远离工矿企业、交通线路等污染源、无污灌、不用污泥、农田土壤符合我国土壤环境质量标准。

1.3 重金属流的平衡计算模型

根据所获得参数的具体数值经过计算即可得到大气沉降、磷肥、畜禽粪、商品有机肥及灌溉水的重金属带入量，以及作物可食部位、秸秆和地表排水的重金属输出量(表2)。表中Nm畜禽粪使用量；Cm畜禽粪重金属含量；Nc商品有机肥使用量；Cc商品有机肥重金属含量； Np磷肥使用量；Cp磷肥重金属含量；Ni灌溉水使用量；Ci灌溉水重金属含量；Y1作物秸秆/残余物年产量；C1作物秸秆/残余物重金属含量；Y2作物秸秆/残余物年产量；C2作物秸秆/残余物重金属含量；Nw地表年排水量；Cw水中重金属含量。

表1 农田重金属铜输入输出体系中各参数的时间范围及具体来源途径Table 1 Time rang and source of input and output parameters for soil copper

表2 农田重金属各输入输出项计算Table 2 The input and output calculation formulas of heavy metals in farmland soil

模型的计算模块的核心思想是物质守恒，即Cu的土壤累积量=输入总量-输出总量，每年向土壤中净输入量用A表示，输入总量用ITotal表示，输出总量用OTotal表示。A=∑I—∑O=Ia+If+Im+Iw-Oc

式中：Ia-大气沉降带入量；If-为磷肥带入量；Im-为畜禽粪(或商品有机肥)带入量；Iw-为灌溉水带入量；Oc为作物带出量；水稻生产体系包括籽粒、秸秆和灌溉水；小麦玉米体系包括小麦和玉米籽粒带出量；蔬菜生产体系包括蔬菜的带出量。上述各项单位均为g·(hm2·y)-1。

2 结果与分析(Results and analysis )

2.1 农田生态系统重金属流数据统计分析

农产品产地重金属的输入项主要包括大气沉降、肥料(磷肥)、有机肥(畜禽粪便和商品有机肥)和灌溉水这四条主要途径，农产品产地重金属的输出途径主要是包括农产品收获以及地表排水等。通过文献查阅和采样分析，建立了磷肥、畜禽粪(商品有机肥)、污泥、污水重金属含量等农产品产地重金属输入数据库以及水稻和小麦籽粒及秸秆等农产品产地重金属输出数据库。

2.1.1 农田土壤重金属输入项数据分析

Luo等[7]统计了1999～2006年的大气沉降向农田中输入重金属的数据，八种重金属的样本量均为大样本，铜的样本量为148。铜输入量最小值为2.3 g·(hm2·y)-1；最大值为409 g·(hm2·y)-1，均值为108 g·(hm2·y)-1。

2010～2011年间，在全国采集159个含磷肥料样品。其中在5个磷矿富集省(云南、贵州、湖北、湖南、四川)采集了85个样品，在其他省份采集了74个样品。采集的肥料样品均为市售且使用普遍的品种，包括国产146个和进口13个。以P2O5计，含磷肥料中重金属铜含量的分布都属于偏态分布(表3)，Cu含量范围、均值以及中位值分别为：Cu痕量～4 881.7 mg·kg-1P2O5，均值258.4 mg·kg-1P2O5，中位值99.8 mg·kg-1P2O5。

畜禽粪和商品有机肥中铜含量数据包含2000-2010年的文献数据和2008-2010年的采样数据，实地采样的范围包括我国山东、河北、北京、河南等13个省市。重金属元素铜含量的分布均属于偏态分布(表3)，其中畜禽粪含量范围是0.800～1 742 mg·kg-1，均值是205 mg·kg-1，中位值为53.0 mg·kg-1；而商品有机肥中铜的含量范围是0.000～1 454 mg·kg-1，均值是98.3 mg·kg-1，中位值为34.2 mg·kg-1；从表中可以看出，商品有机肥的重金属铜含量普遍低于畜禽粪，从重金属的阈值控制来说，如果畜禽粪中的重金属含量能得到控制的话，商品有机肥基本上都能合格，所以在后续重金属铜的输入项中，就直接用了畜禽粪，这里已经包括了商品有机肥的用量。

灌溉水中重金属元素Cu的含量范围是0.015～29.7 μg·L-1，均值是4.22 μg·L-1，中位值为3.44 μg·L-1；华北平原地下水中重金属元素Cu的含量范围是0.0100～120 μg·L-1，均值是5.08 μg·L-1，中位值为0.755 μg·L-1；全国地下灌溉水中重金属元素Cu的含量范围0.0100～990 μg·L-1，均值是29.6 μg·L-1，中位值为1.56 μg·L-1(表3)。

在灌溉水中的铜含量普遍高于华北平原的地下水和全国地下水，从重金属的阈值控制来说，如果地表灌溉水中的重金属含量能得到控制的话，地下水的重金属铜含量基本上都能合格，所以在后续重金属铜的输入项中，就直接用了灌溉水的重金属含量，而不再采用华北或全国的地下水的铜含量。

2.1.2 农田土壤重金属输出项数据分析

以“小麦、水稻、蔬菜，重金属”为关键字在中国知网数据库中检索文献，发表时间设定为2001到2012年。筛选的原则为：采样点远离交通要道、工矿企业等污染源，无污水灌溉，不使用污泥，农田土壤合乎我国土壤环境质量标准，品种为当地广泛种植的品种，且均为成熟期采样。水稻、小麦-玉米和蔬菜中Cu含量的统计结果，如表4。

表3 输入项中Cu各个百分位值含量统计表Table 3 Distribution of Cu of the input

表4 输出项中Cu各个百分位值含量统计表Table 4 Distribution of Cu of the output

2.1.3 农田生态系统各输入输出项用量或产量数据统计分析

表5是不同作物生产中投入物和产量的中位值，在后续平衡计算时将采用该数据。

2.2 农产品产地铜的平衡分析

输入项中大气沉降使用文献数据[7]，因为文中的数据均为城乡郊区的大气沉降数据，因此我们选取了范围中的最低值进行计算分析，磷肥、畜禽粪、商品有机肥、灌溉水输入项均使用中位值。种植以一年一茬计，每年Cu通过大气沉降、磷肥、畜禽粪、商品有机肥以及灌溉水五种途径向土壤中输入，输入项以在单季稻、双季稻、小麦玉米、叶菜类、果菜类、根菜类6种种植体系中总输入量分别达到430 g·(hm2·y)-1、836 g·(hm2·y)-1、435 g·(hm2·y)-1、561 g·(hm2·y)-1、565 g·(hm2·y)-1、563 g·(hm2·y)-1，而总输出量仅为38.6 g·(hm2·y)-1、96.7 g·(hm2·y)-1、119 g·(hm2·y)-1、71.7 g·(hm2·y)-1、251.2 g·(hm2·y)-1、108.3 g·(hm2·y)-1，各个体系的总输入量都大于总输出量，因此，每年土壤中铜元素的增加量分别为391 mg·(kg·y)-1、739 mg·(kg·y)-1、316 mg·(kg·y)-1、489 mg·(kg·y)-1、314 mg·(kg·y)-1、455 mg·(kg-·y)-1(表6)。

以土壤环境质量标准(GB15618-1995)的二级标准作为临界值，则可得到单季稻、双季稻、小麦玉米、叶菜类、果菜类、根菜类六种种植体系的安全年限最小值分别为44年、23年、45年、39年、25年和31年，由此可以看出双季稻区的污染程度相对严重。

2.3 农产品产地土壤重金属铜的累积

现对土壤中Cu的累积情况做统计分析：输入途径中的大气沉降使用最小值计算，磷肥由于占重金属总输入量的百分比较低，使用中位值计算；输出项以50%分位值计算；主要调控畜禽粪和灌溉水，即畜禽粪取5%分位值时，灌溉水分别取5%、10%、25%、50%、75%、90%，同理，畜禽粪取10% 、25%、50%、75%、90%。因此，每种重金属元素可以得到36个土壤中Cu累积速率数据。

表5 不同作物种植体系各输入输出项用量或产量Table 5 Application amount of input and production of output

累计速率最大的为双季稻种植体系中为9.12 mg·(kg·y)-1，最小的为叶菜类种植体系中0.0921 mg·(kg·y)-1，表7对土壤中Cu的累积速率进行了频率分析。从表7可以看出，单季稻中Cu累积速率的83%小于2 mg·(kg·y)-1，双季稻中累积速率的83%小于4 mg·(kg·y)-1。小麦玉米中Cu的累积速率中位值为0.258 mg·(kg·y)-1。土壤蔬菜系统叶菜类种植土壤重金属Cu的年增加量变动范围分别为0.0921～5.06 mg·(kg·y)-1；果菜类土壤重金属Cu的年增加量变动范围分别为0.147～7.68 mg·(kg·y)-1；根菜类土壤重金属Cu的年增加量变动范围分别为0.117～6.14 mg·(kg·y)-1。与此同时，Cu的三种累积量分布比较相似，叶菜类、果菜类和根菜类主要集中在1.79 mg·(kg·y)-1、2.00 mg·(kg·y)-1和2.22 mg·(kg·y)-1以下，占到总体的83%、78%和83%。

表6 不同作物种植体系土壤重金属Cu的平衡分析Table 6 The balance analysis between soil heavy metal Cu and different crop planting system

表7 土壤中Cu累积速率统计分析/mg·(kg·y)-1Table 7 The statistical analysis of Cu in the soil accumulation rate /mg·(kg·y)-1

2.4 农产品产地土壤金属铜污染源头控制阈值研究

农田系统重金属的四种主要输入途径，大气沉降、磷肥、畜禽粪以及灌溉水，其中大气沉降这一重金属输入途径主要是由于工业废气及汽车尾气排放所导致，不易调控，因此在反推标准时，只反推磷肥、畜禽粪、灌溉水。进行阈值计算首先获得各个输入项占总输入总量的百分比，为了方便比较与计算，百分比计算采用的元素含量值为50分位值，计算结果见表8。

为了获得不同作物种植体系各投入物重金属阈值，我们设定土壤安全年限100年，根据土壤环境质量标准(GB15618-1995)得到土壤允许输入的重金属量的安全范围值，除以安全年限则可得每年土壤最多允许输入量；输出各项以10%分位值计算，加上每年土壤最多允许输入量则可得大气沉降、磷肥、畜禽粪、商品有机肥、灌溉水每年总共可输入量；以中位值计算的各输入途径重金属输入量占总输入量的百分比为依据，分配磷肥、畜禽粪、商品有机肥、灌溉水分别最多允许输入量；根据磷肥、畜禽粪、灌溉水用量推出三者的标准值。

农田土壤中铜的背景水平75%分位值为27.3 mg·kg-1，假设在背景水平上允许增加的含量变化，设置三个增量水平分别为50%、100%、150%，即将土壤含量水平将达到40.95 mg·kg-1、54.6 mg·kg-1、68.25 mg·kg-1(土壤环境质量标准的二级标准为100 mg·kg-1)，分别进行推算。

因为在反推标准值的计算中，输出项采用的是10%的分位值，因此推出的标准值可以保障至少90%的土壤在设定的安全年限100年的条件下土壤中的铜的累积不超过设定的标准。表9为保障土壤100年安全不同作物种植体系各投入物重金属阈值，从表中整体上可以看出，三种投入物中的重金属铜含量标准值随增量水平增大而增高，所有的种植体系也都有相似规律。

表8 不同作物种植体系各输入项占总输入量的百分比Table 8 The percentage of different cropping system input by total input

表9 不同作物种植体系各投入物重金属阈值反推结果Table 9 Theinverse threshold results of heavy metals of different cropping systems inputs

对于磷肥来说，在相同增量水平下，对于不同的种植体系，磷肥中以P2O5计的重金属铜含量标准值小麦玉米>水稻>蔬菜，除小麦玉米的阈值范围较为宽泛外，其他两类作物的磷肥中铜的阈值范围都较低。从投入物目前的铜含量来看，只有50%的磷肥可以在土壤铜含量在背景值基础上增加50%时施用，75%的磷肥可以在土壤铜含量增加150%时施用。

对于畜禽粪来说，在相同增量水平下，对于不同的种植体系，重金属铜含量标准值差异不大，畜禽粪中铜的阈值基本上在36～53 mg·kg-1(50%增量)、66～92 mg·kg-1(100%增量)和96～132 mg·kg-1(150%增量)的范围内；从投入物目前的铜含量来看，只有25%的畜禽粪可以在土壤铜含量增加50%时施用，75%的畜禽粪可以在土壤铜含量增加150%时施用。

同样，对于灌溉水来说，在相同增量水平下，对于不同的种植体系，重金属铜含量标准值总的趋势是果菜>根菜=小麦-玉米>叶菜>单季稻>双季稻，也就是说双季稻对灌溉水中的铜含量要求最为严格。当土壤中铜含量增加50%时，除双季稻外(43.7 μg·L-1)，单季稻和叶菜类对灌溉水质要求铜的阈值基本上在80 μg·L-1左右；根菜和小麦-玉米在160 μg·L-1左右；果菜要求最低，为350 μg·L-1左右；当土壤中铜含量增加背景值的50%时，也基本上是这样的趋势，不过其要求的阈值扩大。从投入物目前的铜含量来看，基本上95%的地下水都可以达到这个限量标准。

将反推的标准阈值跟我国相关标准进行比较，目前我国肥料、有机肥的标准分别为GB/T23349-2009、NY525-2012；但在这两项标准中，并没有铜的标准限量。在我国农用污泥中污染物控制标准(GB4284-84)中规定，在酸性土壤上(pH<6.5)，污泥中铜的限量标准是250 mg·kg-1；在pH>6.5的土壤上，污泥中铜的限量标准是500 mg·kg-1。而按照我们目前所计算的阈值来看，要比污泥的限量标准严格。

在我国农田灌溉水质标准GB5084-2005中规定，对于水作和部分旱田作物来说，灌溉水中铜的限量标准是500 μg·L-1，而对于旱作和蔬菜生产中的限量标准是1000 μg·L-1，这些标准比我们所推导出来的阈值要宽泛一些。

3 讨 论(Discussion)

(1)土壤中Cu的输入途径主要有大气沉降、化肥、畜禽粪、商品有机肥以及灌溉水，其中畜禽粪的施用对土壤中Cu的累积贡献率最大。为了保障100年土壤铜累积不超过设定的情景水平，当土壤铜背景值含量分别增加50%，100%和150%时，磷肥中铜含量应分别控制在67.5 mg·kg-1、122 mg·kg-1和177 mg·kg-1以内；畜禽粪肥中铜含量应分别控制在36.4 mg·kg-1、66.1 mg·kg-1、95.8 mg·kg-1以内。灌溉水质标准应控制在43.7 μg·L-1、58.2 μg·L-1、72.8 μg·L-1以内。

(2)在反推标准中，我们主要使用输入项权重系数来分配各个输入项，通过本文计算得到的输入源比例有一定的代表性，但是作为反推输入源分配比例来说，可能会有考虑欠缺的情况，会对反推输入项阈值的时候造成误差，因此这一点在今后阈值推算中需要多方面考虑，并在实际种植中进行验证。

(3)为保证土壤的重金属含量安全和蔬菜的品质安全，在输入源上需要平衡各个输入项的重金属输入量，从源头控制重金属的输入，把握“源”输入，尤其是在畜禽有机肥的输入。大量的重金属在土壤中积累，势必影响作物的质量和品质，摄入过多的话将威胁到人体的安全，并将导致严重的生态风险。因此，在大规模施用畜禽粪有机肥时，应加强畜禽粪品质和用量分析。

[1] Lowndes S A, Harris A L. The role of copper in tumor angiogenesis [J]. Journal of Mammary Gland Biology and Neoplasia, 2005, 10(4): 299-310

[2] 尚爱安, 党 志. 土壤中重金属的生物有效性研究进展[J]. 土 壤, 2000, 32(6): 294-300

[3] 张 颖, 李 秀. 微量元素铜锌硒与肺癌的关系探讨[J]. 微量元素与健康研究, 2000, 17(3): 15-17

[4] 谢正苗, 李 静, 陈建军, 等. 中国蔬菜地土壤重金属健康风险基准的研究[J]. 生态毒理学报, 2006, 1(2): 172-179

Xie Z M, Li J, Chen J J, et al. Study on guidelines for health risk to heavy metals in vegetable plantation soils in China [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2006, 1(2): 172-179 (in Chinese)

[5] Nicholson F A, Smith S R, Alloway B J, et al. An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales [J]. The Science of the Total Environment, 2003, 311(1-3): 205-219

[6] 邵学新, 吴 明, 蒋科毅. 土壤重金属污染来源及其解析研究进展[J]. 广东微量元素科学, 2007, 14(4): 1-6

[7] Luo L, Ma Y, Zhang S, et al. An inventory of trace element inputs to agricultural soils in China [J]. Journal of Environmental Management, 2009, 90(8): 2524-2530

[8] 王立群, 罗 磊, 马义兵, 等. 重金属污染土壤原位钝化修复研究进展[J]. 应用生态学报, 2009, 20(5): 1214-1222

[9] Franklin R E. Trace element content of selected fertilizers and micro nutrient source materials [J]. Communications in Soil Science & Plant Analysis, 2005, 36(11-12): 1591-1609

[10] 黄鸿翔, 李书田, 李向林, 等. 我国有机肥的现状与发展前景分析[J]. 土壤肥料, 2006, (1): 3-8

[11] Khairiah T, Zalifah M K, Yin Y H, et al. The uptake of heavy metals by fruit type vegetables grown in selected agricultural areas [J]. Pakistan Journal of Biological Sciences, 2004, 7(8): 1438-1442.

[12] Chojnacha K, Chojnacki A, Gorecka H, et al. Bioavailability of heavy metals from polluted soils to plants [J]. Science of the Total Environment, 2005, 337(1-3): 175-182

[13] Alexander P D, Alloway B J, Dourado A M. Genotypic variations in the accumulation of Cd, Cu, Pb and Zn exhibited by six commonly grown vegetables [J]. Environment Pollution, 2006, 144: 736-745

[14] Culbard E B, Thornton I, Watt J, et al. Metal contamination in British suburban dusts and soils [J]. Journal of Environmental Quality, 1988, 17: 226-234

[15] Mapanda F, Mangwayana E N, Nyamangara J, et al. The effect of long-term irrigation using wastewater on heavy metal contents of soils under vegetables in Harare, Zimbabwe [J]. Agriculture Ecosystem Environment, 2005, 107: 151-165

[16] George K A, Singh B. Heavy metals contamination in vegetables grown in urban and metals melter contaminated sites in Australia [J]. Water, Air, Soil Pollution, 2006, 169: 101-123

[17] Huang B, Shi X, Yu D, et al. Environmental assessment of small-scale vegetable farming systems in peri-urban areas of the Yangtze River Delta Region, China [J]. Agriculture Ecosystem Environment, 2006, 112: 391-402

[18] Barry G A, Chudek P J, Best E K, et al. Estimating sludge application rates to land based on heavy metal and phosphorus sorption characteristics of soil [J]. Water Research, 1995, 29(9): 2031-2034

[19] 夏增禄, 李森照, 穆从如, 等. 北京地区重金属在土壤中的纵向分布和迁移[J]. 环境科学学报, 1985, 5(1): 105-112

[20] Anddersson A, Gustafson A, Torstensson G. Removal of trace elements from arable land by leaching [D]. Ekohydrologi: Swedish University of Agricultural Sciences, 1988

[21] 张福锁, 陈新平, 陈 清, 等. 中国主要作物施肥指南[M]. 北京: 中国农业大学出版社, 2009, 10-15.

[22] 李红莉, 张卫峰, 张福锁, 等. 中国主要粮食作物化肥施用量与效率变化分析[J]. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(5): 1136-1143

[23] 李忠芳. 长期施肥下我国典型农田作物产量演变特征和机制[D]. 北京: 中国农业科学院,2009

[24] 王昌全, 谢德体, 李 冰, 等. 不同有机肥种类及用量对芹菜产量和品质的影响[J]. 中国农业科学报, 2005, 21(1): 192-195

Wang C Q, Xie D T, Li B, et al. Effect of different kinds and dosage of organic manure on the yield and quality of celery [J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2005, 21(1): 192-195 (in Chinese)

[25] 任顺荣, 邵玉翠, 王正祥. 利用畜禽废弃物生产的商品有机肥重金属含量分析[J].农业环境科学学报,2005, 24(增刊) : 216-218

[26] 张晓旦. 我国畜禽粪便中重金属含量特征及生物有效性与控制阈值的研究[D]. 北京: 中国农业大学, 2010

[27] 董占荣. 猪粪中的重金属对菜园土壤和蔬菜重金属积累的影响[D]. 杭州: 浙江大学, 2006

[28] 王淑芬, 张喜英, 裴 冬. 不同供水条件对冬小麦根系分布, 产量及水分利用效率的影响[J]. 农业工程学报, 2006, 22(2): 27-32

Wang S F, Zhang X Y, Pei D. Impacts of different water supplied conditions on root distribution, yield and water utilization efficiency of winter wheat [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2006, 22(2): 27-32 (in Chinese)

[29] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会. GB5084-2005.农田灌溉水质标准[S]. 北京: 中国标准出版社, 2005

[30] 刘 进. 安徽淮北平原浅层地下水地球化学特征研究[D]. 淮南市: 安徽理工大学, 2010

[31] 刘卫东, 李峰, 孙伟. 金川矿区尾矿库排水对地下水水质影响现状及预测分析[J]. 冰川冻土, 2012, (1): 114-119

[32] 陈 干. 南淝河流域地下水水化学特征及硝酸盐污染源解析[D]. 合肥: 合肥工业大学,2009

[33] 张 华, 鲁梦胜, 李功振, 等. 徐州市北郊工业区浅层地下水重金属污染研究[J]. 安徽农业科学, 2009, 37(9): 4179-4180

Zhang H, Lu M S, Li G Z, et al. Pollution assessment of heavy metals in shallow groundwater in the northern suburb of Xuzhou city [J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2009, 37(9): 4179-4180 (in Chinese)

[34] 陆 琴, 梅祖明. 上海某厂区土壤和地下水环境质量评估[J]. 上海地质, 2005, (4): 25-29

Lu Q, Mei Z M. The evaluation for environment quality of soil and groundwater in an old manufactory [J]. Shanghai Geology, 2005, (4): 25-29 (in Chinese)

[35] 王铁军, 查学芳, 熊威娜, 等. 贵州遵义高坪水源地岩溶地下水重金属污染健康风险初步评价[J]. 环境科学研究, 2008, (1): 46-50

Wang T J, Zha X F, Xiong W N, et al. Primary study of health risk assessment of heavy metals in karst groundwater in Gaoping area in Zunyi city, Guizhou Province [J]. Research of Environmental Sciences, 2008, (1): 46-50 (in Chinese)

[36] 吴健华, 李培月, 宋宝德, 等. 基于熵权的TOPSIS方法用于地下水质量综合评价[J]. 宁夏工程技术, 2010, (4): 326-329

Wu J H, Li P Y, Song D B, et al. Application of entropy weighted TOPSIS method in groundwater quality assessment [J]. Ningxia Engingeering Technology, 2010, (4): 326-329 (in Chinese)

[37] 余 彬. 泾惠渠灌区浅层地下水中重金属的健康风险评价[D]. 长安: 长安大学, 2010

[38] 赵兴敏. 典型重金属在包气带和含水层中的迁移转化特征[D]. 长春: 吉林大学, 2008

[39] 周海红, 张志杰. 关中清灌区农田生态系统污染现状研究[J]. 环境污染与防治, 2001, (6): 309-311

Zhou H H, Zhang Z J. Research on agro-ecosystem pollution in Guanzhong irrigation district [J]. Environmental Pollution and Control, 2001, (6): 309-311 (in Chinese)

[40] 丁昊天, 袁兴中, 曾光明, 等. 基于模糊化的长株潭地区地下水重金属健康风险评价[J]. 环境科学研究, 2009, 22(11): 1323-1328

Ding H T, Yuan X Z, Zeng G M, et al. Healty risk assessment from heavy metals in groundwater of Changsha Zhuzhou Xiangtan district based on fuzzy theory [J]. Research of Environmental Sciences, 2009, 22(11): 1323-1328 (in Chinese)

[41] 中国农业年鉴编辑委员会. 中国农业年鉴2001-2010[M]. 北京: 中国农业出版社

[42] 徐德利, 周 玲, 杜 永, 等. 连云港市水稻主产区土壤和灌溉水重金属含量分析及在稻米中的累积效应[J]. 中国土壤与肥料, 2008, (4): 60-64

Xu D L, Zhou L, Du Y, et al. Analysis on soil and water heavy metal content and accumulation effect in rice grains in major rice producing areas in Lianyungang [J]. Soil and Fertilizers Sciences in China, 2008, (4): 60-64 (in Chinese)

[43] 杨晓艳, 杜钰娉. ICP-AES测定水稻不同部位12种元素的含量[J]. 光谱实验室，2011， 28(4): 1963-1965.

[44] 郭明慧, 裴自友, 温辉芹, 等. 普通小麦品种籽粒矿质元素含量分析[J]. 中国农学通报, 2011, 27(18): 41-44

Guo M H, Pei Z Y, Wen H Q, et al. Mineral elements concentration analysis on major wheat cultivars [J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2011, 27(18): 41-44 (in Chinese)

[45] 姜丽娜, 郑冬云, 蒿宝珍, 等. 氮肥对小麦不同品种籽粒微量元素含量的影响[J]. 西北农业学报, 2009, 18(6): 97-102

Jiang L N, Zheng D Y, Hao B Z, et al. Effects of Nitrogen on micronutrient concentration and accumulation in grains of wheat [J]. ACTA Agricultural Boreali-occidentalis Sinica, 2009, 18(6): 97-102 (in Chinese)

[46] 吴传星. 不同玉米品种对重金属吸收累积特性研究[D]. 雅安市: 四川农业大学, 2010

[47] 徐勇贤, 黄 标, 史学正, 等. 典型农业型城乡交错区小型蔬菜生产系统重金属平衡的研究[J]. 土 壤, 2008,40(2): 249-256

Xu Y X, Huang B, Shi X Z, et al. Budget of heavy metals in small-sizes vegetable farming system in a typical peri-urban agricultural area [J]. Soils, 2008, 40(2): 249-256 (in Chinese)

[48] 谢正苗, 李静, 王碧玲, 等. 基于地统计学和 GIS 的土壤和蔬菜重金属的环境质量评价[J]. 环境科学, 2006, 27(10): 2110-2116.

Xie Z M, Li J, Wang B L, et al. Evaluation on environmental quality of heavy metals in soils and vegetables based on geostatistics and GIS [J]. Chinese Journal of environmental Science, 2006, 27(10): 2110-2116 (in Chinese)

[49] 余青. 不同灌溉方式对水稻产量及水分利用率的影响[J]. 贵州农业科学, 2010, 38(8): 37-39

Yu Q. Effects of different irrigation patterns on yield and water utilization rate of rice [J]. Guizhou Agricultural Scirnces, 2010, 38(8): 37-39 (in Chinese)

◆

AnalysisofCopperSourceinFarmlandSoilandThresholdStudyforSoilPollutionControl

Wang Ting, Zhang Qian, Yang Haixue, Huang Qingqing, Li Shengnan, Han Liyuan, Li Huafen, Su Dechun, QiaoYuhui*

China Agricultural University, College of Resource and Environment Science, Beijing100193, China

27 May 2014accepted20 August 2014

Heavy metal pollution of farmland soil directly threatens the ecological system, food safety and human health. Controlling the source of heavy metal pollution in farmland ecosystems is a priority to guarantee the quality and safety of agricultural products. Using material flow and scenario methods, both input pathways (atmospheric deposition, phosphate fertilizer, organic fertilizer and irrigation water) and output pathways (grain/edible part, straw/crop residue and surface drainage) were studied to track copper movement and accumulation in soils used for the crop production of rice, wheat-corn and vegetables. A database was created to quantify the input and output of copper in farmland. A safety threshold of the amounts of copper found in phosphate fertilizer, organic fertilizer and irrigation water was calculated based on balance analysis and 100-year guarantee for pollution free of copper with the scenario of 50%, 100% and 150% increase of soil copper background value. The copper content in phosphate fertilizer should be less than 65～175 mg·kg-1, copper content in manure should be controlled within 35～95 mg·kg-1, the copper content in the irrigation water should be controlled within 40～70 μg·L-1. This manuscript provides a technical guidance for farmland management of the heavy metal copper and will help to protect the quality and safety of Chinese agricultural products.

heavy metals copper; source; balance; crops; safety threshold

2014-05-27录用日期：2014-08-20

1673-5897(2014)4-774-11

： X171.5

： A

乔玉辉(1970—)，女，生态学理学博士，副教授，主要研究方向为土壤生态、污染生态。

公益性行业(农业)科研专项 (200903015) ；国家科技支撑项目(2014BAK19B05)

王婷(1988-)，女，硕士，研究方向为污染生态学，E-mail: wangtingmy@163.com

*通讯作者(Corresponding author)，E-mail: qiaoyh@cau.edu.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20140527004

王 婷，张 倩，杨海雪，等. 农田土壤中铜的来源分析及控制阈值研究[J]. 生态毒理学报, 2014, 9(4): 774-784

Wang T, Zhang Q, Yang H X, et al. Analysis of copper source in farmland soil and threshold study for soil pollution control [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2014, 9(4): 774-784 (in Chinese)