山东寿光设施菜地土壤-农产品邻苯二甲酸酯（PAEs）污染特征调查

郑顺安，薛颖昊，李晓华，段青红，高尚宾*

（1.农业部农业生态与资源保护总站农产品产地环境评价中心，北京100125；2.农业部环境保护科研监测所，天津300191）



山东寿光设施菜地土壤-农产品邻苯二甲酸酯（PAEs）污染特征调查

郑顺安1，2，薛颖昊1，李晓华1，2，段青红1，高尚宾1*

（1.农业部农业生态与资源保护总站农产品产地环境评价中心，北京100125；2.农业部环境保护科研监测所，天津300191）

摘要：为探究寿光设施菜地PAEs污染分布特征及在农产品中的富集状况，采集了寿光某镇0～8年棚龄共16个大棚的设施菜地土壤和农产品，采用加速溶剂萃取-高效液相色谱串联质谱技术（LC-MS/MS），对土壤-农产品（黄瓜）中PAEs含量进行了分析，结果显示：在调查的大棚中，土壤中6种优先控制的PAEs总量（∑PAEs）范围为0.453～1.615 mg·kg(-1)，均值±标准差为1.197±0.361 mg·kg(-1)。以邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）和邻苯二甲酸正二丁酯（DBP）为主，其中DEHP占∑PAEs含量的45%～77%，DBP占17%～44%。参照美国优先控制PAEs化合物的控制标准，100%的土壤样品DBP含量超过控制标准，52%的土壤样品DMP含量超过控制标准，表明调查设施菜地土壤已存在一定程度PAEs污染风险。随着种植年限（棚龄）的增长，土壤∑PAEs并非呈现线性增长态势，5年棚龄的大棚土壤∑PAEs含量最高，5年后含量稍许下降，变化比较平稳。∑PAEs与DBP、DEHP、有机质、CEC含量之间存在显著的正相关，与pH之间存在显著的负相关性。调查的农产品（黄瓜）中∑PAEs含量为0.42～1.62 mg·kg(-1)，平均为1.09 mg·kg(-1)，平均富集系数为1.02，以DEHP和DBP为主，两者合计共占PAEs总量的53%～97%。调查的农产品中PAEs含量及各组分含量均低于美国和欧洲的建议摄入标准。

关键词：寿光；邻苯二甲酸酯；设施菜地；污染水平；土壤；农产品

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邻苯二甲酸酯（Phthalate acid esters，PAEs）又名酞酸酯，具有致畸、致癌和致突变性，对人类生殖系统和胚胎毒性极大[1]。近年来，我国设施蔬菜发展迅速，面积跃居世界第一，产量也日益提高。设施菜地大量使用棚膜和地膜，这些农膜中的PAEs在塑料中呈游离状态，仅通过氢键或范德华力连接，化学性质相对独立，在土壤中残留会导致严重的污染[2]。已有研究表明，我国局部地区设施土壤中PAEs含量已经达到了mg·kg-1数量级，污染水平已超过美国环保署（EPA）土壤环境控制标准，健康风险不容忽视[3]。EPA优先控制的6种PAEs化合物，分别为邻苯二甲酸二甲酯（DMP）、邻苯二甲酸二乙酯（DEP）、邻苯二甲酸正二丁酯（DBP）、邻苯二甲酸丁基苄基酯（BBP）、邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）和邻苯二甲酸正二辛酯（DnOP），6种PAEs土壤环境控制标准总量为6.94 mg·kg-1，我国还没有相应的标准[4]。如天津地区的调查结果显示，菜地PAEs含量达到0.05～1.66 mg·kg-1，显著高于撂荒地、果园和大田土壤[5]。珠江三角洲地区（广州、东莞、中山等）的调查表明[6-9]，菜园土壤PAEs含量为3.0～45.67 mg·kg-1，比果园高出三成以上。对杭州附近蔬菜大棚土壤和残膜PAEs的相关性分析表明[10]，设施菜地土壤中PAEs含量为1.9～4.36 mg·kg-1，土壤和残膜中PAEs含量呈现显著正相关。

山东寿光是我国最大的商品蔬菜生产基地，有“中国蔬菜之乡”之称，全市设施大棚数量超过30万个。已有初步研究表明，寿光地区设施土壤PAEs污染问题不容乐观。王丽霞[11]在2004—2005年调查了寿光地区5个蔬菜基地的土壤样品，分析显示，菜地土壤PAEs含量为7.35～33.39 mg·kg-1，蔬菜中PAEs总量在0.85～2.50 mg·kg-1。该结果与我国其他地区设施菜地土壤相比显著偏高。近年来，土壤及农产品中PAEs的前处理和测定方法大幅度改进，相比传统液相色谱法在精确度和准确度上有显著改善。考虑到寿光蔬菜基地对京津地区蔬菜供应的重要性，为进一步探究设施菜地PAEs污染分布特征及在农产品中的富集状况，本研究采集了寿光某镇1～8年棚龄的设施菜地土壤和农产品，采用加速溶剂萃取-高效液相色谱串联质谱技术（Liquid chromatography tandem mass spectrometry，LC-MS/MS），对6种PAEs含量进行了分析，内容包括两块，一是寿光设施菜地土壤PAEs污染水平及其与土壤理化性质的关系，二是农产品的PAEs污染程度及农产品对土壤PAEs生物富集程度，旨在为本区域设施农业环境管理提供依据。

1　材料与方法

1.1样品采集

2014年3—4月，采集寿光市某蔬菜种植镇内3个蔬菜基地共16个大棚的土壤和蔬菜样品（P1-P16），同时采取邻近露天菜地（种植过程中不使用塑料大棚和地膜覆盖）土壤和农产品作为对照（CK）。蔬菜基地周边均为农田，远离化工等污染企业，塑料大棚为钢架结构。灌溉水来自深层地下水，水质较好。肥料施用以有机肥和复合肥为主，有机肥包括鸡粪和豆粕等，年累计施用量（鲜重）150～225 t·hm-2。所施用的农药多为高效低毒的生物农药或复混农药，有机磷和有机氯等高毒农药已停止施用多年。寿光地区土壤类型主要为潮土，成土母质为弥河冲积物。

土壤样品采用多点采样混合法，在一定面积菜地采集由10个点组成的土壤混合样（0～20 cm），剔除石头、枯枝落叶等杂质后混匀，四分法留取2 kg带回实验室，至阴凉处风干后，过2 mm尼龙筛，储存于棕色广口瓶中，4℃保存备用。农产品种类为黄瓜，与土壤采样点保持一致，每个样品采集3 kg左右，装入布袋迅速带回实验室进行分析测试。调查大棚土壤基本情况见表1。理化性质分析方法参照《土壤农业化学分析方法》[12]。

1.2PAEs测定及质量控制

样品前处理和分析条件参考文献[11]和文献[13]。土壤样品经玛瑙研磨机后过100目尼龙筛，保存于干燥器中。农产品样品用双蒸水冲洗，切碎后用冻干机冻干，玛瑙研钵磨细。称取1.000 0 g土壤样品（农产品样品为3.000 0 g）装入加速溶剂萃取仪的10 mL萃取池中（2.000 0 g硅藻土作为载体），以正己烷作为萃取剂，在10.3 MPa和160℃条件下，静态循环萃取4次，每次12 min；采用60%冲洗体积，用N2吹扫120 s，捕集萃取液于Tenax收集瓶中，将萃取液转入旋转蒸发仪中，在45℃水浴中减压浓缩至1 mL，过0.22 μm滤膜后，进行色谱-质谱分析。实验过程中均使用玻璃仪器，且所有的玻璃制品均先于重铬酸钾和浓硫酸配置的洗液中浸泡24 h，用自来水、超纯水冲洗干净，再于马弗炉400℃下烘6 h，降至室温后用铝箔纸密封，使用前用丙酮清洗。测定过程中，通过添加标准物质，并在样品中添加全程空白、基质空白和加标空白来控制精确度。6种PAEs的添加回收率为77.4%～101.5%，相对标准偏差为1.5%～7.5%，测定方法具有较好的重现性和可靠性。

1.3数据处理

使用Minitab 15.0对数据进行K-S test正态统计分析，对土壤理化性质与土壤PAEs各组分和总量进行简单相关分析，以Pearson系数评价其相关性。平行样的测定用平均值表示，低于分析方法检出限的测定值以“nd（＜检出限）”表示，参加统计时按照二分之一最低检出限计算，在计算检出率时，按未检出统计。

表1　调查大棚土壤基本情况Table 1 Basic properties of vegetable soils studied

2　结果与讨论

2.1设施菜地土壤PAEs污染水平

调查的17个大棚土壤中PAEs分布特征见图1（在所有土壤样品中均未检出DEP），土壤∑PAEs范围为0.453～1.615 mg·kg-1，均值±标准差为1.197± 0.361 mg·kg-1。在6种调查的PAEs中各单体的检出率和均值见表2，从结果可以看出，调查大棚土壤PAEs以DEHP和DBP为主，其中DEHP占∑PAEs 的45%～77%，DBP占17%～44%，其余4种PAEs含量较低。参照美国PAEs化合物的控制标准和治理标准[14]（表3），本次调查的大棚土壤样品中，100%土壤样品DBP含量超过控制标准的0.08 mg·kg-1，52%的样品DMP含量超过控制标准的0.02 mg·kg-1，其余PAEs组分含量未超过控制标准。

表2　调查大棚土壤中各PAEs单体的检出率和均值Table 2 Detection rates and mean values of PAEs in greenhouse soils with different cultivation years

DEHP是一种最常用的塑化剂，约占邻苯二甲酸酯市场总产量的一半，在塑料制品中邻苯二甲酸酯含量为10%～60%[15]。陈永山等的调查表明[10]，在浙江杭州地区，设施菜地土壤PAEs组分浓度与残膜中PAEs组分浓度之间有良好的相关性，尤其是设施菜地土壤中DEHP浓度与当地农膜特别是地膜消耗量之间存在显著的相关性。DBP也是塑料中一种常见的增塑剂。还有研究指出[2，16-17]，肥料尤其是畜禽粪便等有机肥料的大量施用会增加设施土壤中PAEs含量，各类杀菌剂、杀虫剂也可能有部分贡献。这些报道表明，农膜、农药、肥料等农业投入品大量使用是设施土壤PAEs污染的重要原因。农膜使用或降解、肥料或农药的分解过程中，会释放出PAEs，部分被土壤所固定，进而使PAEs含量升高。此外，相对于自然环境，设施菜地大棚内由于温室效应，常年处于高温高湿环境，雾水汽的浸沥作用，棚膜中的PAEs也可进入土壤中，释放尤其剧烈[2，14，18]。

本研究调查的设施菜地土壤PAEs总量（以6种计）与天津[5]、广州[6]、杭州[10]等菜地相近，但与王丽霞[11]的调查相比数值差距较大。王丽霞调查了4种PAEs在寿光设施菜地土壤的分布，同样是DEHP和DBP在所有土壤样品中均被检出，含量分别高达1.86～25.12 mg·kg-1和2.27～20.54 mg·kg-1（其调查未给出所有土壤样本的均值）；DMP和DEP的含量较低，绝大部分在1.0 mg·kg-1以下。调查数值差别较大的原因除了采样地点、覆膜方式、样品分析手段不同外，也可能与近年来寿光在重点蔬菜大镇推广使用加厚易回收地膜有关。为防治农田残膜白色污染问题，2008年以来，寿光在蔬菜生产大镇试点推广使用加厚地膜（0.01 mm以上，普通地膜一般在0.005～0.008 mm，容易破裂），并对加厚地膜使用、回收加工利用给予补贴，加厚地膜覆膜效果更好，且容易回收重复利用，明显减少了残膜在土壤中的残留率。

设施菜地土壤∑PAEs显著高于对照（P＜0.05，下同），但随着种植年限（棚龄）的增长，∑PAEs并非呈现线性增长态势，5年棚龄的大棚土壤∑PAEs含量最高，5年后含量稍许下降，变化比较平稳。王丽霞[11]的调查中，棚龄与PAEs含量并无显著相关性，Chai 等[19]的调查显示，棚龄与土壤∑16PAEs含量之间的相关性达到显著性水平，但相关系数不高（0.294）。不同棚龄设施菜地中PAEs含量变化受诸多因素的影响，一方面PAEs在土壤中存在累积的过程，但另一方面，在氧化条件下土壤中PAEs也可以通过生物作用而降解，如Shanker等[20]指出，DMP和DBP的降解速度高于DEHP。此外，棚膜种类、覆膜方式、蔬菜种类、管理方式、通风条件等也会影响大棚体系中PAEs的分布[4，17]。因此，定量化研究棚龄对土壤和蔬菜中PAEs含量的影响，需要在固定的大棚上连续多年使用相对固定的棚膜，种植蔬菜种类、管理方式等也需要保持一致，这方面的研究还有待进一步开展。

表3　优先控制的PAEs环境参数及美国环境参考标准[14]Table 3 Main environmental parameters of priority PAE compounds and their allowable concentrations and cleanup goals in USA

图1　调查大棚土壤PAEs污染特征Figure 1 Fractions of PAEs in greenhouse soils with different cultivation years

2.2设施土壤PAEs含量与土壤理化性质的关系

本次调查的设施菜地中，邻苯二甲酸酯主要由DEHP和DBP组成，因此邻苯二甲酸酯总量（∑PAEs）与DBP和DEHP存在显著的正相关性（表4）。相关分析还表明，pH、CEC、有机质和全P分别与∑PAEs含量之间存在显著的相关性，其中pH为负相关，其余为正相关（表3）。Mohan等[21]研究表明，随着pH的升高，PAEs在土壤中的吸附量减少。pH对疏水性有机化合物（PAEs即属于疏水性有机物）的吸附机理可能是化合物疏水性、扩散效应及腐植酸结构变化等共同作用的结果，随着PAEs的中酯化羟基链的长度增加，PAEs的极性减弱，疏水性依次为：DEHP ＞DBP＞DEP＞DMP。当pH值为中性时，吸附可能是因碳表面和PAEs的非极性烷基间的疏水性位置发生作用；在酸性条件下，表面官能团的质子化效应传递了正电荷到土壤表面，中和了土壤表面的部分负电荷，导致相对极性的PAEs在土壤中吸附增加。当pH上升至碱性时，有机质中的羟基和羧基大量离解，所形成的负电荷相互排斥，有机质构型伸展，亲水性强，因趋于溶解而不利于有机物分子在土壤表面的吸附。当PAEs分子被土壤中粘土矿物、氧化铁等吸附质子化后，以阳离子形式存在时，可与粘土矿物发生阳离子交换吸附，此时CEC的大小将直接影响PAEs的吸附[22]。在大多数情况下，土壤对有机化合物的吸附作用与可交换阳离子的性质有关，不同交换性阳离子对所吸附的有机化合物的释放程度的影响不同，而在粘土矿物的表面上，阴离子型或中性的有机化合物极性不足以与水争夺粘土矿物上的吸附点[23]。

另一方面，有机质是影响有机污染物环境化学行为的主要因素之一，有机质与疏水性有机物（如PAEs、有机氯农药、多环芳烃等）之间的相关性已在多个研究中得到证实[23-25]，Kd=Koc×foc=（Kow×0.411）×foc[26]，其中Kd为有机物土水分配系数，是表征有机物在土水界面迁移的重要参数；Kow是有机物的辛醇-水分配系数，Koc是有机物的有机碳分配系数，foc为有机碳分数。可以看出，有机污染物在土壤中的滞留性显著受土壤有机质含量的影响，可能是邻苯二甲酸酯物质与土壤有机质的部分基团相结合，增加了在土壤中的粘滞性。DEHP和DBP的Koc较其他PAEs组分大2～4个数量级[14]，因此在土壤中更具有持久性，相关性显著高于其他PAEs组分。Cousina等[27]研究表明，大分子量的PAEs组分易与土壤中的不溶性有机碳结合，与本研究的结果一致。

表4　土壤理化性质与PAEs含量之间的相关性分析Table 4 Simple correlation between soil physic-chemical properties and PAEs

2.3设施蔬菜PAEs累积状况分析

调查的黄瓜中PAEs分布特征见图2（在所有土壤样品中均未检出DEP）。∑PAEs含量范围为0.42～1.62 mg·kg-1，均值±标准差为1.09±0.39 mg·kg-1。不同PAEs组分含量差异较大，见表5。本次调查的黄瓜中∑PAEs含量低于王丽霞的调查（2.02～2.50 mg·kg-1）[11]，与周明华课题组对天津污灌区菜地中黄瓜的PAEs总量相一致（＜0.96 mg·kg-1）[28]。黄瓜中PAEs组分同样以DEHP和DBP为主，两者合计占PAEs总量的53%～97%，与设施土壤中PAEs含量特征是一致的，也与之前的研究者在天津[28]、苏南地区[29]以及广东省[30]等地设施菜地的调查一致。DBP和DEHP分子量大，水溶性较低，辛醇-水分配系数较大，容易在土壤中累积而被植物吸收。DMP、DEP等短链PAEs化合物由于水溶性较高，辛醇-水分配系数较小，容易发生生物降解，难以在作物体内存留，故在农产品中含量较低[14，23，31]。当前国内外尚无食品中PAEs含量的限制标准，根据广东出入境检验检疫局编译的《世界各国食品中化学污染物限量规定》[32]，欧共体食品科学委员会指出，人体每日对PAEs的摄入总量不得超过0.3 mg·kg-1体质量。美国环保署（EPA）提出人体经口摄入的DBP最大参考剂量为每日0.01 mg·kg-1体质量，美国环境健康危害评估实验室（OEHHA）建议人体每日允许的DEHP最大摄入量为0.05 mg·kg-1体质量。以成年人平均体重60 kg计算，每人每天摄入农产品0.5 kg，则调查的寿光设施菜地黄瓜中PAEs、DBP和DEHP均低于建议标准，仍然是安全的。

已有研究表明[33-36]，植物对PAEs污染物的吸收并不局限于茎叶或者根系，吸收根、叶片气孔和茎表皮细胞都是PAEs进入植物体的有效通道。在气相PAEs污染严重的环境下，PAEs可以通过气孔等通道优先进入植物体，但也不能排除根系将同时吸收土壤中的PAEs污染物，而在土壤PAEs污染严重的环境下，植物（尤其是浅根性的农作物）主要通过根系吸收耕层土壤中的PAEs污染物。由于PAEs分子量较大，结构复杂，属于疏水性有机物，进入植物体内后，不易被代谢分解，表现出较强的生物富集性，本研究利用生物富集系数（BCF，为农产品可食部分PAEs含量均值/土壤中对应PAEs含量）表征PAEs从土壤到农产品中的迁移及富集的难易程度，结果显示：DMP的BCF为nd～2.48，DBP为nd～2.32，BBP为nd～9.50，DEHP为nd～1.01，DnOP为nd～10.67，∑PAEs为 0.37～1.5，∑PAEs的平均富集系数为1.02。由于PAEs单体化合物的侧链长度（烷基链长度）、理化性质（分子量、辛醇-水分配系数等）和来源（空气或土壤）不同，其在植物中的富集系数存在差异[37-38]。本研究中，黄瓜对PAEs单体化合物的富集系数差异较大，对∑PAEs的平均富集系数为1.02，表明黄瓜对PAEs具有较高的富集能力，进入食物链后对人体健康存在风险。从已有的报道来看[39]，作物对PAEs化合物的吸收、累积和分配存在显著种间遗传差异，不同类型蔬菜中，叶菜类对DEHP的累积最大，果菜类次之，根茎类累积量最小，其中十字花科蔬菜较其他科属的蔬菜作物对PAEs具有更强的累积性，可能与该类作物有较宽大的叶面积结构、能从空气中吸收较多的PAEs有关。PAEs被根茎类（如萝卜）和果菜类（茄子、黄瓜）蔬菜作物吸收之后主要积累于表皮部分，在肉质部的累积量相对较小[14，23，31]。

图2　调查大棚中黄瓜PAEs含量（干基重）Figure 2 Fractions of PAEs in cucumbers cultivated in greenhouse of different years（Dry weight）

表5　调查大棚黄瓜中各个PAEs单体的检出率、最高值和均值Table 5 Detection rates and maximum and mean values of PAEs in cucumbers cultivated in greenhouse of different years

3　结论

（1）在调查的17个棚龄为1～8年的大棚中，土壤∑PAEs范围为0.453～1.615 mg·kg-1，均值±标准差为1.197±0.361 mg·kg-1。6种属于美国优先控制的PAEs中，以DEHP和DBP为主，其中DEHP占∑PAEs含量的45%～77%，DBP占17%～44%。参照美国优先控制PAEs化合物的控制标准，100%的土壤样品DBP含量超过控制标准，52%的土壤样品DMP含量超过控制标准，表明调查区域土壤已受到一定程度PAEs污染。

（2）随着种植年限（棚龄）的增长，土壤∑PAEs并非呈线性增长态势，5年棚龄的大棚土壤∑PAEs含量最高，5年后含量稍许下降，变化比较平稳。∑PAEs与DBP、DEHP、有机质、CEC和全P含量之间存在显著的正相关性，与pH之间存在显著的负相关性。

（3）调查的农产品（黄瓜）中∑PAEs含量为0.42～1.62 mg·kg-1，平均为1.09 mg·kg-1，平均富集系数为1.02，以DEHP和DBP为主，两者合计占PAEs总量的53%～97%。调查的农产品中PAEs含量及各组分含量均低于美国和欧洲的建议摄入标准，总体是安全的。

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Phthalate acid esters（PAEs）pollution in soils and agricultural products of vegetable greenhouses in Shouguang City, Shandong Province

ZHENG Shun-an1,2, XUE Ying-hao1, LI Xiao-hua1,2, DUAN Qing-hong1, GAO Shang-bin1*
（1.Rural Energy & Environment Agency, Ministry of Agriculture, Centre for Farmland Environmental Assessment for Agricultural Products, Beijing 100125, China; 2.Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China）

Abstract：Phthalate acid esters（PAEs）are extensively used as plasticizers of plastic products. Therefore, these PAEs have accumulated in greenhouse soils. This study was conducted to understand PAEs pollution in soils and their enrichment in agricultural products from vegetable greenhouses in Shouguang City, Shandong Province. Soil and agricultural product（cucumber）samples from 17 vegetable greenhouses were collected, and content of 6 PAE compounds as priority pollutants were determined by LC- MS/MS. The total content of these 6 PAEs（∑PAEs）in soils ranged from 0.453 to 1.615 mg·kg(-1), and the mean value was 1.197±0.361 mg·kg(-1). DEHP and DBP were the main components of PAEs in the soils. DEHP accounted for 45%～77% of∑PAEs, and DBP for 17%～44%. Based on the control standards of priority pollutants of PAEs（U. S. EPA）, DBP content in all soil samples and DMP in 52% soil samples exceeded the control standards, implying that these soils had certain pollution risks.∑PAEs content in soils did not show significant correlation with age of vegetable greenhouses.book=493,ebook=91The∑PAEs content was the highest in the fifth year of planting, and changed little after that.∑PAEs had a significant positive correlation with DBP, DEHP, organic matter and CEC content, but significantly negatively correlated with pH.∑PAEs content in cucumbers ranged from 0.42 to 1.62 mg·kg(-1), averaging 1.09 mg·kg(-1). The mean enrichment coefficient was 1.02. DEHP and DBP were the main components in cucumbers, accounting for 53%～97% of∑PAEs. Generally, the levels of PAEs in agricultural products were lower than the suggested standards in USA and Europe, implying a comparatively low health risk.

Keywords：Shouguang; phthalate acid esters（PAEs）; vegetable greenhouse; pollution; soil; agricultural products

*通信作者：高尚宾E-mail：stzzpjzx@163.com

作者简介：郑顺安（1981—），男，高级工程师，博士，从事产地环境监测评价、土壤污染防治等研究。E-mail：zhengshunan@cae.org.cn

基金项目：农业部农业生态环境保护专项（2110402）；国家自然科学基金项目（41203084）

收稿日期：2015-11-03

中图分类号：X503.231

文献标志码：A

文章编号：1672-2043（2016）03-0492-08

doi:10.11654/jaes.2016.03.012