不同使用年限大棚土壤重金属污染评价
2016-02-09李曈，吴荣，李杰，张杰*
李 曈，吴 荣，李 杰，张 杰*
(1.四川农业大学 资源学院，四川 成都 611130； 2.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801)
不同使用年限大棚土壤重金属污染评价
李 曈1，吴 荣2，李 杰2，张 杰2*
(1.四川农业大学 资源学院，四川 成都 611130； 2.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801)
为研究大棚蔬菜种植对土壤重金属含量的影响，选取不同种植年限的蔬菜大棚，分析土壤重金属含量变化特征。结果表明，不同棚龄土壤Cr、Pb、As、Hg含量均随着种植年限的增加而增加;在种植蔬菜1～5 a，土壤Cd、As和Hg的含量分别提高143.5%、51.1%和60.2%；在种植蔬菜6～10 a，土壤Hg含量较1～5 a提高105.5%；棚龄11～15 a土壤重金属Cr的含量较6～10 a提高44.3%;但不同种植年限土壤中重金属含量均未超过《土壤环境质量标准》二级标准以及《温室蔬菜产地环境质量评价标准》。采用综合污染指数法，根据国家土壤环境质量二级标准评价，综合污染指数均小于 0.7，属于清洁水平、安全等级，但土壤重金属含量随种植年限延长而逐渐提高的现象说明重金属存在一定的累积污染风险，对大棚蔬菜生产存在潜在的安全风险。
蔬菜大棚； 种植年限； 土壤； 重金属； 评价
随着我国农业结构的战略性调整，设施栽培已成为我国农业中的新兴产业之一，在农业生产中占有十分重要的地位[1-3]。但由于大棚高温、高湿、高复种指数、无雨水淋溶半封闭的特殊环境，再加上菜农盲目地追求高产，投入大量的畜禽粪肥和农用化学品(化肥、农药、农膜等)，导致了设施土壤中重金属的含量明显增加，这不仅造成了土壤重金属持久性累积，而且可通过“土壤—植物—人体”食物链富集[4-6]对人类健康造成威胁，对食品安全产生严重和持久的危害[7-8]，因此，设施菜地重金属的累积及其安全风险问题已引起人们的关注[9-11]。孙超等[3]研究了设施黄瓜土壤重金属与养分的分异特征及其相关性，结果表明，随着栽培年限的延长重金属有累积程度加重的趋势，其中以Cd的污染情况较为严重。方勇[12]研究浙江大棚土壤 Cr、Pb、Cu、Cd 等重金属元素含量发现，不同棚龄的大棚均比当年新建大棚的土壤重金属含量显著增加，棚龄 8 a 的温室大棚土壤重金属含量均达到或超过污染警戒浓度，其中25%的大棚土壤达轻度污染水平。因此，对蔬菜大棚土壤的重金属污染现状进行调查和评价，具有非常重要的理论和现实意义。但不同地区大棚蔬菜的种植制度和施肥管理措施不同，土壤中重金属的含量变化特征也存在差异。山西省太谷县任村乡蔬菜种植历史长，规模大，是山西典型的蔬菜生产基地。本试验以该地区种植年限不同的蔬菜大棚为研究对象，分析其土壤重金属Cd、Cr、Pb、As、Hg、Cu等累积状况，并采用污染指数法进行评价，旨在为指导设施蔬菜科学管理，提高农产品产量和品质，促进设施蔬菜产业的可持续发展提供科学依据。
1 材料和方法
1.1 研究区概况
任村乡位于山西省太谷县东北，东经112°28′～113°01′，北纬37°12′～37°32′。属温带季风气候，年平均气温9.7 ℃，10 ℃以上积温3 517～3 796 ℃，年降雨量460 mm，土壤属石灰性褐土，是太谷县无公害蔬菜生产基地之一。
1.2 土样采集与处理
选取太谷县任村乡不同种植年限的蔬菜大棚(种植西红柿)，采集1～5、6～10、11～15 a共45个大棚的土样，以附近露地菜田土壤为对照(CK)。以面积为667 m2的大棚为例，一般年施有机肥(鸡粪、猪粪)15 000～20 000 kg、菌肥250～400 kg、过磷酸钙200～300 kg、尿素100～120 kg、硫酸钾40 kg。每个大棚按S形随机采集0～20 cm土层的土壤5～10个点的混合样，装入自封塑料袋密封，编号并注明采样点及采样时间，带回将其置于土样室自然风干；将风干后的土壤用木棍磨细并过0.25 mm尼龙筛，用于重金属含量的测定。
1.3 大棚土壤重金属含量测定方法
Cd：王水-高氯酸消煮，石墨炉原子吸收法；Cr、Cu、Pb：氢氟酸-高氯酸-硝酸消解，ICP-MS测定；As、Hg：硝酸消解，原子荧光分光仪测定。
1.4 土壤重金属污染评价方法
1.4.1 土壤评价标准 采用太谷县自然土壤背景值[13](表1)和《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)[14](表2)以及《温室蔬菜产地环境质量评价标准》(HJ 333—2006)[15]作为评价标准。由于供试土壤的pH值介于7.5～8.0，故采用《土壤环境质量标准》二级标准和《温室蔬菜产地环境质量评价标准》pH值>7.5的标准限值。
表1 太谷县土壤重金属背景值 mg/kg
表2 土壤环境质量标准 mg/kg
1.4.2 土壤评价方法 采用单因子污染指数法和综合污染指数法相结合进行评价[16-17]。
(1)单因子指数评价方法
采用单因子指数法[17]进行评价，其计算公式为:Pi=Ci/Si。式中，Pi为土壤中污染物i的环境质量指数；Ci为污染物i的实测值(mg/kg)；Si为污染物的评价标准(mg/kg)。Pi>1表示污染，Pi≤1表示未污染，Pi值越大，则污染越严重。
(2) 内梅罗综合污染指数(P综)评价方法
表3 土壤污染分级标准
1.5 数据处理
试验数据采用SAS 9.2进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 不同使用年限蔬菜大棚土壤重金属含量的变化
由表4可知，大棚种植土壤重金属含量显著高于露地蔬菜土壤，同时随着大棚种植年限的延长土壤重金属Cr、Pb、As和Hg含量均表现为增加的趋势，在11～15 a达到最大，比露地菜田土壤分别增加了95.1%、29.9%、116.4%和277.1%。而土壤Cd和Cu含量则是在6～10 a达到最大，比露地蔬菜土壤分别增加了200.0%和62.4%。
表4 不同使用年限蔬菜大棚土壤重金属元素含量 mg/kg
注：同列不同小写字母表示不同年限间差异显著(P<0.05)；标准限值来源于《温室蔬菜产地环境质量评价标准》(HJ 333—2006)。
从不同棚龄土壤重金属含量以5 a为时段的相对变化来看(图1)，在种植蔬菜1～5 a，土壤Cd含量从CK的0.108 mg/kg增长到0.263 mg/kg，提高幅度达143.5%，是所检测的土壤重金属中含量提高幅度最大的元素。其次，土壤As和Hg含量5 a内分别提高51.1%和60.2%。在种植蔬菜6～10 a，土壤Hg含量从0.091 mg/kg增长到0.187 mg/kg，提高幅度最大，达105.5%，其次，土壤Cd和Cu 含量分别提高23.2%和27.9%。而种植蔬菜11～15 a土壤重金属Cr含量提高幅度最大，达44.3%。
蔬菜大棚使用1～10 a，除Cd和6～10 a Hg含量超过土壤环境质量一级标准(表2)最高限值外，土壤Cr、Pb、As含量均未超标；与《土壤环境质量标准》二级标准(pH值>7.5)(表2)和《温室蔬菜产地环境质量评价标准》(HJ 333—2006)限值(表4)比较，蔬菜大棚使用1～15 a，6种重金属含量均未超过标准限值。与该地区土壤环境背景值(表1)相比，露地土壤Pb和Hg含量高于背景值，特别是Pb含量比背景值高出了44.4%。蔬菜大棚使用1～15 a内，除Cu外，其他5种重金属元素均高于背景值，使用11～15 a的大棚土壤Hg含量比土壤背景值增加了338.78%。Cu含量在大棚使用6～10 a时稍高于背景值，而在1～5 a和11～15 a均未超过背景值。由此说明，不同使用年限蔬菜大棚土壤重金属含量变化受到人类不同栽培耕作方式等活动的干扰，其呈现的变化规律已经远远不同于受成土母质影响为主的自然土壤背景[18]。
2.2 不同使用年限蔬菜大棚土壤重金属污染评价
2.2.1 单因子指数法 表5为以土壤背景值和《土壤环境质量标准》二级标准为评价标准进行土壤重金属含量评价的结果。由表5可知，以土壤背景值为评价标准，蔬菜大棚使用6～10 a时，Cu的污染指数达1.06，表示有一定程度的污染，其他年限的介于0.83～0.87；其他5种元素，在蔬菜大棚使用1～15 a 污染指数均大于1，表示被污染，其中使用6～10 a和11～15 a的大棚，Hg的污染指数达到了3.82和4.38，污染比较严重。以《土壤环境质量标准》二级标准为评价标准，污染指数都小于1，表示未被污染，且除使用6～10 a的Cd污染指数为0.54和11～15 a的As污染指数为0.62，其余均小于0.5。
表5 不同使用年限蔬菜大棚土壤重金属单因子污染指数
注：表中P1、P2分别为与该地区土壤背景值、土壤环境质量二级标准比较的污染指数。
2.2.2 内梅罗综合污染指数法 分别以太谷土壤背景值和《土壤环境质量标准》二级标准为评价标准进行评价，结果见表6。由表6可知，以该地土壤背景值为标准，露地土壤和不同使用年限大棚土壤综合污染指数为11～15 a>6～10 a>1～5 a>露地，露地菜田土壤和种植1～5 a的大棚土壤综合污染指数为1
表6 不同使用年限蔬菜大棚土壤重金属综合污染指数
注：P综1、P综2分别是以该地区土壤背景值、土壤环境质量二级标准为标准的综合污染指数。
3 结论与讨论
本研究中不同使用年限蔬菜大棚土壤重金属 Cd、Cr、Pb、As、Hg、Cu含量的平均值均未超过《土壤环境质量标准》二级标准(GB 15618—1995) 和《温室蔬菜产地环境质量评价标准》的标准限值，达到无公害蔬菜生产基地土壤环境质量的要求。但土壤重金属Cr、Pb、As和Hg含量随着种植年限的增加均呈现不同程度的增加趋势，而Cd、Cu在6～10 a达到最大。李树辉[19]调查了1、5、8、11 a棚龄蔬菜大棚土壤中重金属元素As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Fe、Mn、Mo、Ni、Pb和Zn的含量，结果表明：与棚外土壤相比，除1 a棚龄的土壤外，多数土壤重金属含量随大棚使用年限的延长而有所增加。白玲玉等[18]研究不同农业利用方式对土壤重金属的影响表明，土地利用方式对Cr、Ni、Cu、As、Cd、Zn的累积具有显著影响，其中以设施菜地累积较显著。李见云等[20-21]通过对沈阳郊区和山东寿光设施土壤的研究发现，设施土壤中重金属Cu、Zn、Pb随着种植年限的增加均有不同程度的累积趋势，其含量与种植年限间呈现极显著正相关，与当地土壤背景值进行比较，则发现温室土壤中Cu、Zn、Cd、Pb含量均有所增加，其中Cu、Zn增加幅度较大[19]。从已有的研究结果来看，我国各地的设施土壤重金属均呈现明显的累积趋势[22-24]，与本研究所得规律基本一致。本研究区蔬菜大棚集约化程度高，大量施用畜禽粪和化学农用品[19]。已有研究表明，磷肥、有机肥过多施用是导致土壤重金属污染的主要原因[25-27]。磷肥的原料和产品以及有机肥特别是畜禽粪肥含有较多的重金属，是造成土壤重金属含量提高的重要因素之一[1,2,28]。王效琴等[29]研究表明，日光温室蔬菜生产系统中引起土壤毒性的主要来源是肥料中的重金属，其对土壤潜在毒性贡献率为93.39%。可能设施菜地中重金属的累积与其特殊的生产方式紧密相关。
通过对蔬菜大棚土壤重金属的污染评价结果来看，本研究区不同棚龄蔬菜大棚土壤重金属Cd、Cr、Pb、As和Hg平均含量均高于土壤背景值，其中土壤Cd、Pb和Hg的累积相对较强。但所监测的重金属含量均低于《土壤环境质量标准》二级标准(GB 15618—1995)(pH值>7.5)和《温室蔬菜产地环境质量评价标准》(HJ 333—2006)(pH值>7.5)的限量标准。以《土壤环境质量标准》二级标准为评价标准，采用单因子污染指数和综合污染指数评价[5]，单因子污染指数均<1，表示未被污染，该地区不同棚龄(除11～15 a外)土壤重金属综合污染指数均在0.5以下，符合无公害蔬菜产地土壤环境质量的要求。但投入条件的改变可能会破坏这一动态安全水平，再加上大棚蔬菜地的特殊性，土壤中重金属含量随种植年限递增累积到一定程度，将对植物、人类造成危害，在今后蔬菜大棚的生产和发展中需引起重视。
综上，不同使用年限蔬菜大棚土壤重金属Cr、Pb、As和Hg含量随着棚龄增加呈增加的趋势，表现为不同程度的累积，存在一定的累积风险。大棚种植土壤重金属含量与露地菜地土壤相比存在显著差异，Cd、Cr、Pb、As和Hg平均含量均高于太谷土壤背景值，但均未超过《土壤环境质量标准》二级标准限值和《温室蔬菜产地环境质量评价标准》土壤质量标准限值。蔬菜大棚使用1～15 a土壤中重金属含量与背景值比较，Cu的单因子污染指数除6～10 a为1.06外，其余均小于1，属于未污染的等级，不存在污染风险；Cd、Cr、Pb、As、Hg污染指数均大于1，属于污染等级，污染指数越大污染越严重。以《土壤环境质量标准》二级标准为评价标准，土壤重金属污染指数均小于1，表示未被污染。但土壤重金属含量随蔬菜种植年限的增加而提高，依然存在农产品安全生产的潜在风险，需要在今后的蔬菜生产中加以关注。
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Evaluation of Soil Heavy Metal Pollution in Greenhouses with Different Planting Years
LI Tong1,WU Rong2,LI Jie2,ZHANG Jie2*
(1.College of Resources,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China;2. College of Resources and Environment,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,China)
To study the impact of greenhouse vegetable planting on heavy metals contained in soil,vegetable greenhouses with different planting years were chosen,and the variation characteristics of heavy metal content in soil were analyzed.The results showed that the contents of Cr,Pb,As,Hg in soil all increased with the increase of planting years.Within 5 years,the contents of Cd,As and Hg increased by 143.5%,51.1% and 60.2% respectively.Compared with 1—5 years,the content of Hg in 6—10 years increased by 105.5%,and compared with 6—10 years,the content of Cr in 11—15 years increased by 44.3%.But all the heavy metal contents in different planting years did not exceed the secondary standard of Soil Environmental Quality Standards and the Environmental Quality Evaluation Standards for Farmland of Greenhouse Vegetables Production.Using comprehensive pollution index, the pollution index was below 0.7 according to the secondary standard of national soil environmental quality,which showed that the soil was at cleaning and security level.But the heavy metal contents in soil gradually increased with the increase of planting years,which indicated that heavy metals run risk of accumulation and had potential security risk for producing greenhouse vegetables.
vegetable greenhouse； planting years； soil； heavy metal； evaluation
2016-07-20
李 曈(1994-)，女，山西太谷人，在读本科生，研究方向：地理信息系统。E-mail:tonglidu@163.com
*通讯作者：张 杰(1983-)，男，山西长治人，讲师，硕士，主要从事农业资源利用研究。
时间：2016-11-25 14:24:32
X833;X820.4
A
1004-3268(2016)12-0062-05
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/41.1092.S.20161125.1424.001.html
