鲁西南地区有机种养模式下土壤重金属含量及污染评价

王丽香 梁英 李文文

摘要：

为探讨有机种养模式与常规种植模式对土壤重金属含量和污染特性的影响，在鲁西南曹县选取典型的不同年限有机种养模式农田及附近相似条件的常规种植地块，比较了土壤中Cd、Cr、Pb、Cu、Zn 5种重金属含量的差异，并采用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态危害指数法对这5种重金属的污染程度进行评价。结果表明：所有调查点土壤重金属Cd、Pb、Cr、Cu和Zn含量都符合国家土壤质量Ⅰ级标准。与常规种植相比，有机种养模式可以降低土壤重金属Cd、Pb和Cr的含量，而随着有机种养模式年限的增加，Cu和Zn元素有积累的趋势。综合污染指数评价结果显示，调查区污染等级为警戒水平，两种模式土壤中重金属的污染水平差异不显著。潜在生态危害指数评价结果表明，所调查区存在轻微潜在生态危险，有机种养模式减轻了土壤重金属的潜在生态危害，但差异不显著。

关键词：有机种养模式；常规种植；土壤重金属；污染评价

中图分类号：S158.4+X833文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）08-0080-05

AbstractIn order to study the effects of conventional and organic planting and breeding modes on soil heavy metal contents and pollution characteristics， an experiment was conducted in typical organic and conventional wheat fields in Caoxian County， southwest of Shandong Province. The content differences of Cd， Cr， Pb， Cu and Zn in 0～20 cm upper soil layer were compared. In addition， the pollution levels of 5 kinds of heavy metals were assessed using single factor index method， Nemerow comprehensive pollution index method and potential ecological risk index method. The results showed that the contents of Cd， Pb， Cr， Cu and Zn in soil samples all met the national soil quality standard level I. The soil Cd， Pb and Cr contents under organic planting and breeding system were lower than those under conventional planting. Furthermore， the contents of Cu and Zn showed accumulation trends with the grown of organic planting and breeding years. The comprehensive pollution index evaluation results indicated that the heavy metal pollution degree in investigated regions were both in the alert level， and the difference between the two kinds of farming modes was not significant. The potential ecological risk index evaluation results showed that the investigated regions had light potential heavy metal ecological risk， and the organic planting and breeding system owned relatively lower ecological risk， but the difference was not significant .

KeywordsOrganic planting and breeding mode； Conventional planting； Soil heavy metal； Pollution assessment

随着人们对食品安全、生态环境的日益关注，一种可持续发展的有机农业模式逐步发展起来。有机农业是在遵循自然规律和生态学原理的基础上为人类提供健康、安全的食品，恢复土壤肥力，保护自然环境，维持生态平衡的农业体系[1]。有机种植中，土壤培肥是一个重要环节，其中施用有机肥是一个重要手段[2]。然而，由于有机肥原料质量的差异性较大，一旦重金属含量高的有机肥在有机农业生产体系中大量使用，就可能造成土壤的重金属污染，这是有机农业发展过程中亟需引起高度关注的问题[3]。

目前对于有机农业和非有机农业土壤重金属等质量环境有一定研究[3，4]，但对于有机种养模式和常规种植模式土壤重金属含量差异的研究鲜有报道。鲁西南地区种植养殖历史悠久，环境污染少，从20世纪90年代部分区域就开始发展有机种养模式。本研究以鲁西南曹县区域为代表，选择4个有机奶牛牧场的有机种养基地及周边土壤性质和种植农作物相似的常规农田为调查点，通过实地调查取样，比较了不同种植类型和不同有机种植年限土壤重金属含量的差异，并采用多种方法进行评价，旨在为有机种养模式中重金属污染的控制提供参考，促进我国农业有机种养模式的健康发展。

1材料与方法

1.1研究区概况

曹县地属黄河冲积平原，年平均日照时数2 640 h，无霜期212 d，年降水量708 mm，属于温带季风气候。选取4个乡镇有机奶牛牧场的有机种养基地及周边土壤性质和种植农作物相似的常规农田为调查点，4个有机种养基地分别为磐石街道办事处（有机种养模式20年）、大集乡（有机种养模式5年）、梁堤头镇（有机种养模式3年）、倪集乡（有机种养模式1年）。这4个基地在实施有机种养以前和周围相邻常规种植地块的土壤性状、土地利用方式及种植等方面基本一致，普通粮田，壤质潮土。调查点肥料和农药施用情况：有机种养基地牛粪发酵堆肥每年施15 t/hm2，发酵沼液75～90 t/hm2，主要用生物农药除虫菊素等；常规种植农户每年施三元复合肥750 kg/hm2，尿素300 kg/hm2，农药有毒蚜螨、吡虫啉、马拉硫磷和三唑酮等。

1.2研究方法

1.2.1调查点布置及土壤样品采集于2015年6月初小麦收获后根据每个调查点的情况进行布点。4个有机种养基地和常规种植农田各取3个区，每个区采用S形取样法采集10～15个点的耕层土壤（0～20 cm），混合成一个样品，混合样品按四分法取舍，保留1 kg左右，用塑料自封袋装好带回实验室。土壤样品经自然风干，去除石砾和作物根系残渣，按要求过2 mm和0.15 mm的尼龙筛，备用。

1.2.2土壤检测方法土壤pH值采用pH计测定（水土比2.5∶1），土壤中 Cu、Zn、Pb、Cr、Cd的含量用原子吸收仪（ICE3500，USA）测定。土壤样品在高压消解罐中用氢氟酸、双氧水、硝酸进行前处理， 测定过程中采用国家标准土样 GBW07427进行质量监控。

1.2.3土壤重金属污染评价为了准确评价不同种植方式对土壤环境的影响，本研究评价方法采用单因子指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态危害指数法。

（1）单因子指数法与内梅罗综合污染指数法。单因子指数法（single pollution index，Pi）是目前国内通用的一种重金属污染评价方法[5]，本研究以国家土壤环境质量Ⅰ级标准为依据[6]。单因子污染指数 Pi≤1，污染等级为清洁，Pi>1 为污染，且 Pi越大，污染越严重。为全面反映各重金属元素对土壤的不同作用，突出高浓度重金属元素对环境质量的影响，采用内梅罗综合污染指数法（comprehensive pollution index，P）[7]，综合污染指数P≤0.7 污染等级为安全，0.7

（2）潜在生态危害指数法。潜在生态风险指数法（potential ecological riskindex，RI）是由瑞典科学家 Hakanson 提出来的用于评价土壤中重金属的方法[8]，它不仅反映某一特定环境中各种污染物的影响，也反映多种污染物的综合影响，并以定量的方法划分出潜在危害程度，是一种综合反映土壤中重金属对生态环境影响潜力的方法[9]。本研究以山东省土壤背景值为参照值，以Hakanson制定的重金属毒性系数为依据，同时参照近年来国内外学者对该领域的研究[10]，所评价元素Cd、Pb、Cr、Cu和Zn的毒性响应系数分别采用了20、5、2、5、1。单项潜在生态危害系数 Ei<40 属于轻微生态危害，40≤Ei<80 属于中等生态危害，多种重金属潜在生态危害指数 RI<150 处于轻微生态危害，Ei和RI值越大，生态危害程度越大。

1.3数据处理

试验数据用SPSS 18.0统计软件进行分析。

2结果与分析

2.1调查点土壤重金属含量特征

表层土壤重金属积累的变化受成土母质和人为资源输入的影响极大，而且重金属累积是目前很受关注的土壤污染之一。本研究取样点土壤pH值在8.1～8.5，属于碱性土。测定的土壤中 5种主要重金属污染物的含量见表1，各调查点土壤重金属Cd、Pb、Cr、Cu和Zn含量均未超过土壤环境质量国家Ⅰ级标准，都符合国家农产品产地环境标准的要求。

由表1可以看出，不同有机种养基地和常规种植农田重金属含量的高低表现不一致。Cd、Pb、Cr含量为常规农田高于有机种养基地，其中Cr含量在4个乡镇两种模式差异不显著，而磐石有机种养基地（20年）显著降低了重金属Cd和Pb含量，分别降低了25.00%、27.68%；Cu含量为倪集、梁堤头、大集这3个乡镇有机种养基地小于常规种植农田，但差异不显著，而磐石有机种养基地Cu含量显著高于常规种植农田。Zn含量表现为倪集和梁堤头呈现常规种植含量高于有机种养基地，而大集和磐石表现为有机种养基地显著高于常规农田。整体来看，随着种养年限的延长，有机种养模式显著降低了土壤Cd和Pb含量，而显著增加了Cu和Zn含量，对Cr含量的影响不大。可见，随着有机种养时间的延长，Cu和Zn有一定的累积污染风险。

2.2不同种植模式土壤重金属污染评价

2.2.1单因子指数法与内梅罗综合污染指数法从表2可以看出，两种类型土壤5种重金属单因子污染指数大小为Zn>Cu>Cd>Cr>Pb。其中Cd、Pb和Cr的单因子污染指数为常规种植>有机种养基地；Cu和Zn的单因子污染指数为有机种养基地>常规种植，但差异都不显著。两种种植模式综合污染指数P差异不显著，都在0.7

2.2.2潜在生态危害指数法从表3可以看出，两种类型土壤5种重金属潜在生态危害系数Ei大小为Cd>Cu>Zn>Pb>Cr，因为Cd元素的毒性响应系数最大，故其潜在生态危害系数最大。5种重金属Ei都小于40，均属于轻微生态危害水平。Cd、Pb和Cr的生态危害系数表现为常规种植>有机种养基地；Cu和Zn的生态危害系数为有机种养基地>常规种植，但差异不显著，这和单因子污染指数的趋势相同。潜在生态危害指数 RI 可以表征重金属元素对当地生态系统的影响， 可以反映总的污染造成的生态风险。5种重金属潜在生态危害指数RI<150，处于轻微生态危害水平。比较两种种植模式，有机种养基地RI小于常规种植，降低9.58%，但两者差异不显著。

2.3不同有机种植年限土壤重金属污染评价

从图1显示，土壤重金属综合污染指数不同年限有机种养与常规种植表现不同，有机种养1年的倪集乡、有机种养3年的梁堤头镇土壤重金属污染指数是有机种养基地<常规种植，分别比对应的常规种植降低8.64%和6.02%；而有机种养5年的大集乡和有机种养20年的磐石表现为有机种养基地>常规种植，分别增加6.49%和11.00%。虽然各年限两种模式土壤重金属综合污染指数差异不显著，但长时间使用有机肥，由于Cu和Zn元素的积累，种养结合土壤重金属污染指数比常规种植有增加的趋势。

从图2可以看出，不同有机种养年限土壤重金属生态危害指数与常规种植相比规律是一致的，都表现为常规种植>有机基地，有机种养基地土壤重金属潜在生态危害指数在不同年限（1、3、5、20年）比对应的常规种植模式分别降低8.64%、11.62%、9.70%和8.49%，但差异不显著。

3讨论

从土壤重金属检测数据来看，鲁西南曹县有机种养基地和相邻常规种植农田土壤Cd、Pb、Cr、Cu和Zn这5类重金属含量均达国家Ⅰ级土壤标准，表明这几个基地及附近都具有良好的自然生态环境条件。其中Cd、 Pb和Cr含量有机种养基地低于常规种植，与卢东等[3]的研究结果一致。有机基地这几种重金属含量低的主要原因是不用化学农药和化肥，减少了这类重金属进入土壤的来源。黄青青等[11]调查了我国磷肥中重金属含量， 发现磷肥中Cd含量较高， 一些磷肥中Pb含量最大值达181.7 mg/kg，接近限量值200 mg/kg。陈海燕等[12]测试了市场中常售化肥中的各重金属含量， 结果表明复合肥中含有大量 Cr， 平均含量高达 84.2 mg/kg。大量施用的化肥是土壤中 Cd 、Pb和 Cr 的重要来源。

有机种养基地土壤Cu和Zn的含量随着有机种植年限的延长有积累的风险，尤其是有机种养20年的磐石基地显著高于常规种植农田，这与徐明岗[13]、卢东[3]等研究结果一致，主要原因是禽畜粪便有机肥中这些微量元素残留量大，含量较高。牧场养殖中饲料添加剂中矿物质的添加会带来一定的重金属，尤其是Cu和Zn元素[14]，虽然适量重金属元素能够促进禽畜生长，但这些重金属大部分不能被动物吸收而排出，重金属随粪尿进入到有机肥和沼液中，最终进入农田。采用不同评价方法对两种种植模式土壤中重金属进行评价，有机种植降低了Cd、Pb和Cr的单因子污染指数和潜在生态危害系数，增加了Cu和Zn的单因子污染指数和潜在生态危害系数，但整体来看，两种模式土壤重金属综合污染指数和潜在生态危害指数差异不显著。

鉴于有机种养模式中Cu和Zn的积累风险，我们要从多方面来控制，促进有机种养循环健康发展：一是需要严格控制饲料添加剂中重金属含量，严格遵守卫生部的《饲料、饲料添加剂卫生指标（GB 13078-2001）》对重金属含量的限制；二是采用多种方法（如化学沉淀法、生物吸附法等）降低有机肥和沼液中重金属的含量或生物有效性；三是对种养结合中有机农田有机肥和沼液的消纳等问题进行研究，合理科学的利用有机牧场的牛粪尿资源。

4结论

调查点土壤重金属Cd、Pb、Cr、Cu和Zn含量都符合国家土壤质量Ⅰ级标准。与常规种植相比，有机种养模式可以降低土壤重金属Cd、Pb和Cr的含量，而随着种养年限的增加，Cu和Zn元素有积累的趋势。两种评价方法结果表明，有机种植降低了Cd、Pb和Cr的单因子污染指数和潜在生态危害系数，增加了Cu和Zn的单因子污染指数和潜在生态危害系数，但整体来看，两种模式土壤重金属综合污染指数和潜在生态危害指数差异不显著。

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