施用河塘底泥对农田土壤性状的影响及果蔬的重金属风险评价

麦初欢+赵从举+卓志清+徐文娴+宋涛涛+张虹+吴朝正

摘 要：河塘底泥含有丰富的有机质、氮、磷、钾等营养元素，但底泥中重金属的释放易对土壤—植物造成污染，成为底泥资源化利用的限制因素。本研究以南渡江下游塘柳塘底泥为材料，按容积比10%，20%，30%施入沿岸河滩沙地（0～30 cm土层），种植空心菜、苦瓜、丝瓜，探讨不同底泥施用量对土壤性状以及果蔬食品安全的影响。结果表明：（1）施用底泥可以改良土壤结构、提高土壤肥力，但存在中低水平重金属污染风险。（2）除施用20%，30%河塘底泥的样地土壤重金属Cd含量超过国家的限值外，其余样地土壤重金属均在国家限值以内。（3）丝瓜、苦瓜等瓜果类农产品重金属含量小，安全性高；空心菜有可能存在污染风险，而其根茎重金属Cr、As污染风险较大。在底泥重金属污染风险评价基础上，通过果蔬品种选择，可降低风险，确保农产品安全，实现底泥资源化利用。

关键词： 河塘底泥； 资源化利用； 果蔬； 风险评价； 食品安全

中图分类号：S159.2 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.10.005

Abstract： The ponds sediments were rich in N， P， K and organic matter， but the release of heavy metal in sediments had potential risk for soil and plants， and it was the main limiting factor that restricts the resource utilization of pond sediments. In this study， the sediments in Tangliutang River， a typical pond in the lower Nandujiang River， were taken as the experimental material. In order to investigate the effect of pond sediment application on soil properties and food safety of fruits and vegetables， the volume ratios of 10%， 20% and 30% in 0～30 cm depth soil were designed to rebuild soil tillage layer by adding ponds sediments， and Ipomoea aquatica Forsk， balsam pear and Luffa acutangula were planted. The results showed that： （1） The ponds sediments could improve the soil structure and the soil fertility， but it also had the risk of heavy metal pollution in lower-middle level. （2） The contents of heavy metals were lower than the national limits in all experiment plots except that the contents of heavy metal Cd exceeded the national limits in the experiment plots adding 20% and 30% ponds sediment to the soil layer. （3） The heavy metal contents in balsam pear， Luffa acutangula were lower， and the agricultural products were safety. Ipomoea aquatica Forsk had less contamination risk， but its roots had a high risk of heavy metal Cr and As contamination. Based on the risk assessment of heavy metal pollution of river sediments， and through the variety selection of fruits and vegetables， it was possible to reduce risk and ensure the safety of agricultural products， and achieve utilization of sediment.

Key words： river sediments； resource utilization； fruits and vegetables； risk assessment； safety of agricultural products

河湖底泥是黏土、泥沙、有机质及各种矿物的混合物，经过长时间物理、化学和生物等过程及水体传输而沉积于河流、湖泊等水体底部而形成的，是水体生态系统的重要组成部分[1]。底泥中既含有有利于作物生长的N、P、K及有机质等营养成分，也含有危害植物生长的多种有害物质，是营养成分与污染物累积的重要场所[2]。河湖治理产生的大量清淤底泥如若处置不当，不仅会占用大量土地，还会因营养成分淋失，造成资源浪费，甚至可能因其含有的有害成分淋失产生二次污染[3-4]。河湖底泥资源化利用不仅可以解决底泥出路问题，还可以产生经济效益，开展底泥资源化基础理论研究与实践研究，成为一个备受关注的研究领域[5-6]。针对污染较为严重的土壤，通过工程措施改变土壤理化性状，进而防止土壤中污染物进入食物链[7]；对轻微污染土壤，可通过果蔬品种选择，降低风险，确保农产品安全。

南渡江为海南第一大河，下游地区水系发达，河塘遍布。因受水产养殖和生活废水影响，众多河塘淤塞严重，底泥深厚；南渡江中下游干流河段水质为Ⅲ类，而河塘水质大多为Ⅳ～Ⅴ类，水质恶化，严重破坏了生态环境[8]。由国土资源部和财政部批准立项的海口市南渡江流域土地整治重大工程的任务之一是通过土地整理与道路、灌排以及农田防护等基础设施建设，着力解决水土资源不平衡、土层薄、地力低、农田水利设施配套不完善等问题，推进热带现代农业的发展。基于此，本研究依托于海口市南渡江流域2×104 hm2土地整治项目，选取南渡江下游典型河塘塘柳塘为研究对象，采用田间试验的方法，探讨不同施泥处理对土壤性状及所种植果蔬的影响，并对其安全性进行评价，为河塘清淤底泥的处理与应用提供科学依据，为南渡江流域蔬菜瓜果基地的建设提供研究基础与技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料

2013—2014年在海南海口新坡镇塘柳塘开展试验研究，实验区地处南渡江下游冲积平原，土壤为沙土，多开垦为农田，主要种植水稻和蔬菜等作物[9]。土壤容重1.55 g·cm-3，有机质含量为1.59%，pH值5.70，重金属Cr、As、Cd、Pb、Hg含量分别为9.77，0.26，0.05，7.70，0.02 mg·kg-1。塘柳塘河塘底泥有机质含量为0.64%～5.30%，pH值4.72～6.28，重金属Cr、As、Cd、Pb、Hg含量分别为9.79～77.07，0.89～5.04，0.13～0.56，17.30～55.11，0.07～0.46 mg·kg-1。塘柳塘河塘底泥肥力评价与生态风险评估结果表明，南渡江下游河塘底泥有机质丰富，肥力较高，适合构建土壤耕作层；土壤重金属潜在生态风险处于中低水平，需开展相应试验研究，确保施用底泥的土壤生产的果蔬产品安全[10]。试验种植的果蔬有丝瓜（Luffa acutangula）、苦瓜（balsam pear）、空心菜（Ipomoea aquatica）。

1.2 试验设计

田间试验步骤为：土地平整→小区划分→底泥摊平→旋耕混匀→播种；底泥施用量按容积比10%，20%，30% 3个梯度设计（0～30 cm土层），每一梯度（样地）设置3个小区重合。本次试验采用空心菜与苦瓜、丝瓜倒茬，第一、三、五茬种植空心菜、二、四茬分别栽种苦瓜、丝瓜。

1.3 样品采集与处理

从每一样地的3个小区分别采集土壤样品，经预处理后，取等量混合供测试。果蔬样品也按每一样地的3个小区分别采集，田间采集的新鲜果蔬用自来水冲洗2～3遍，再用去离子水反复冲洗，晾干；用粉碎机将苦瓜、丝瓜的可食用部位以及空心菜的茎叶与根分别匀浆，并取等量混合存放在0～4 ℃的恒温箱备用。

1.4 测定方法

采用环刀法测定原位土壤容重；采用重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤的有机质，电位法测定土壤pH值（土液比1∶2.5），联合浸提-比色分析方法测定土壤有效磷、速效钾，碱解扩散法测定土壤碱解氮。采用微波消解与电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定待测样品的Pb、Cd、Cr，原子荧光光度计测定Hg、As。

1.5 数据处理与评价

采用Microsoft Excel 2007对施用底泥的土壤和果蔬测试数据进行统计处理；土壤重金属评价指标及限值依据《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ/T 332—2006），果蔬重金属评价指标及限值依据《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2012）；肥力评价依据全国第二次土壤普查养分分级标准，土壤环境质量等级划分以土壤各单项质量指数为依据，≤0.7为一级/优，0.7～1.0为二级/良，>1.0为三级/不合格。

2 结果与分析

2.1 不同底泥施用量的土壤性状

2.1.1 土壤物理性状 土壤容重是土壤重要的物理性状，是衡量土壤的肥力、保水性、通透性的重要指标。砂土容重多在1.4～1.7之间，孔隙多，通气透水性强，蓄水和保肥性能差。如表1所示，施用底泥后，试验样地的土壤容重由之前的1.55 g·cm-3，下降到1.43～1.50 g·cm-3，并呈现出随底泥施用量增加而降低的趋势。可见，施用底泥对土壤结构具有一定改善作用。

2.1.2 土壤化学性状 如表1所示，施用底泥后，样地1、样地2、样地3土壤pH值略有降低，分别为5.63，5.46，5.32，属于酸性微酸性土壤。样地1、样地2、样地3的土壤有机质含量分别增加到17.31，18.72，20.14 g·kg-1，分属四级/缺乏、四级/缺乏、三级/中等等级；样地1、样地2、样地3全氮含量分别为0.96，1.06，1.11 g·kg-1，分属四级/缺乏、三级/中等、三级/中等等级；样地1、样地2、样地3全磷含量分别为0.68，0.63，0.71 g·kg-1，均属三级/中等等级；样地1、样地2、样地3全钾含量分别为10.33，12.98，12.77 g·kg-1，均属四级/缺乏等级。除全磷外，其他土壤养分有随底泥施用量增加而上升的趋势，表明施用底泥对提高土壤肥力有较大帮助；而全磷含量变化特征不明显，这可能与试验布置之前的本底有关。

2.2 不同底泥施用量的土壤重金属

2.2.1 土壤重金属含量 河塘底泥具有较高的土壤肥力，有较好的利用价值，也具有一定的风险，处理不当，会使土壤产生重金属污染。如表2所示，塘柳塘河塘底泥重金属Cr、As未发现超标现象，有少量样品重金属Pb超标，而重金属Cd和Hg超标普遍，但超标倍数不超过1倍，塘柳塘河塘底泥生态风险处于中低水平。与食用农产品产地环境质量评价标准相比，施用底泥的土壤重金属Cr、As、Pb、Hg含量不超标，而施用底泥容积比20%、30%的样地2、样地3土壤重金属Cd超标。

2.2.2 重金属污染评价 如表2、表3所示，施用10%，20%，30%河塘底泥的样地1、2、3的土壤重金属Cr、As、Pb的含量都符合国家一级评价标准，而且含量远远低于国家限值。样地1重金属Cd的含量符合国家二级评价标准，而样地2、3的含量超过国家二级评价标准，属于三级，但其绝对含量超标并不严重；样地3重金属Hg符合国家二级评价标准，但低于国家的限值。

施用一定量底泥后，土壤肥力增加，土壤性状得到改善；同时，部分土壤重金属出现超过国家限值现象，造成轻微污染。因而，需要通过果蔬品种试验与选择，降低风险，确保农产品安全。

2.3 农产品安全评价

2.3.1 果蔬农产品重金属含量 不同栽种时间样地1、2、3的果蔬的重金属含量基本呈依底泥施用量增加而增大的趋势，与其栽培土壤的重金属含量趋势一致（表2、图1、图2）。不同栽种时间的空心菜茎叶的重金属含量差异较大；其中，第三茬空心菜茎叶的重金属Cr、Cd、Pb、As、Hg最小，而第五茬空心菜茎叶的重金属Cr、Cd、Pb、As、Hg含量最大。表明空心菜茎叶的重金属含量季节变化较大，这可能与其生长时期的土壤水环境与气温高低有关。

空心菜不同部位的重金属含量差异较大。其中，空心菜根的重金属含量较茎叶的重金属含量要大。第五茬3块样地空心菜根部的重金属Cr、Cd、Pb、As、Hg平均含量分别为茎叶的1.4，1.9，3.5，8.0倍和1.1倍。这表明，空心菜根部对As的吸收能力大于其地上部分，而对Hg的吸收能力与其地上部分差别不明显。

空心菜、苦瓜、丝瓜3种农产品之间的重金属含量差异较大，其所含重金属Cr、Cd、Pb、As、Hg的总量由多到少排列依次为空心菜根、丝瓜、空心菜茎叶、苦瓜。苦瓜所含重金属Cr、Cd、Pb、As、Hg的总量最少，空心菜根、丝瓜以及空心菜茎叶的重金属Cr、Cd、Pb、As、Hg总量分别为苦瓜的23.9倍、5.9倍和4.6倍。

2.3.2 农产品食用安全评价 以食品安全国家标准食品中Cr、Cd、Pb、As、Hg等重金属的限量为评价标准，如图1、图2、表4所示，评价实验区种植的空心菜、苦瓜、丝瓜等农产品之食品安全。

苦瓜样品重金属Cr、Cd、Pb、As、Hg的超标率为0，其重金属含量都符合并且远远低于标准限值；其中3号样地的苦瓜重金属Pb的相对含量最高，也仅为0.023 mg·kg-1，约为标准限值的1/5。

所有样地丝瓜的重金属Cr、Cd、Pb、As、Hg均不超标，除As外，其余4种重金属含量远低于标准限值。样地1、2、3丝瓜的重金属As含量分别为0.165，0.323，0.408 mg·kg-1，其中3号样地的丝瓜重金属As的含量最高，约为标准限值的4/5。

所有样地的三茬空心菜茎叶的重金属Cr、Cd、Pb、As、Hg均不超标。第三茬空心菜茎叶的重金属含量最小，第五茬空心菜茎叶的重金属含量最大。其中样地1、2、3第五茬Cr平均量较大，分别为0.400，0.434，0.419 mg·kg-1，约为其标准限值的80%，其余重金属含量均不足标准限值的1/5。表明空心菜茎叶存在重金属Cr污染风险。

第5茬空心菜根的重金属Cr、Cd、Pb、As、Hg总量最高，约为茎叶的2.8倍；其中，样地2和样地3重金属Cr超标，分别为0.814，0.599 mg·kg-1；样地1、2、3重金属As均超标，分别为0.675，0.849，1.228 mg·kg-1，样地3重金属As是标准限值的2.5倍。表明空心菜根的重金属Cr和As污染风险较大。

3 结 论

（1） 施用过底泥的土壤容重、土壤有机质以及N、P、K等土壤养分有随底泥施用量增加而降低的趋势。可见，施用底泥对改良土壤结构、提高土壤肥力、培肥土壤等具有重要作用。

（2） 南渡江下游河塘底泥具有较高的土壤肥力，但存在重金属污染风险；研究区河塘底泥重金属Cr、As不超标，少量样品Pb超标，而Cd和Hg超标普遍，但超标倍数不超过1倍，生态风险处于中低水平。

（3） 施用10%，20%，30%河塘底泥的土壤重金属Cr、As、Pb的含量符合国家土壤环境一级评价标准；施用20%、30%河塘底泥的土壤重金属Cd的土壤环境质量分级属于三级，但其绝对含量超标并不严重；施用30%河塘底泥土壤重金属Hg的土壤环境质量分级属于二级，其绝对含量低于国家的限值。可见，底泥施用量超过20%，部分土壤重金属出现超过国家限值现象，造成轻微污染。

（4）空心菜、苦瓜、丝瓜3种果蔬产品食用部分所含重金属Cr、Cd、Pb、As、Hg的总量由多到少排列依次为空心菜根、丝瓜、空心菜茎叶、苦瓜。施用底泥样地空心菜根重金属As均超标，底泥施用量超过20%的样地的空心菜根重金属Cr超标。施用底泥后，样地空心菜茎叶重金属Cr含量比较接近标准限值，存在污染风险；而丝瓜、苦瓜等瓜果类的农产品重金属含量小，安全性高。可见，对轻微污染土壤也可通过果蔬品种选择，降低风险，确保农产品安全。

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