河北省典型蔬菜产区土壤和蔬菜中重金属累积特征研究

茹淑华，耿暖，张国印，孙世友，王凌

河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北 石家庄 050051

河北省典型蔬菜产区土壤和蔬菜中重金属累积特征研究

茹淑华，耿暖，张国印*，孙世友，王凌

河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北 石家庄 050051

采用野外调查和室内分析相结合的方法，以河北省典型蔬菜产区永年、藁城、定州、青县和玉田等5个县为研究对象，调查研究土壤和蔬菜中重金属累积特征，分析不同设施类型和种植年限土壤重金属含量差异，对同一设施类型下土壤重金属含量与种植年限的关系进行分析和模拟。结果表明，与全国和河北省土壤重金属背景值相比，典型蔬菜产区土壤重金属累积明显的是Cd、Cu和Zn。参照农业部绿色食品产地环境质量标准（NY/T391—2000），河北省典型蔬菜产区土壤Cr和Cd的超标率分别为4.72%和6.60%，其它元素均不超标。除Cr外，所有蔬菜可食部位中重金属Cd、Pb、As、Hg均不超标（GB2762—2012）。设施蔬菜土壤中Cd、As、Cu和Zn平均含量均显著高于露地蔬菜。设施蔬菜土壤中Cr、Cd、As、Hg、Cu变异系数均明显高于露地蔬菜，Pb和Zn变异系数均明显低于露地蔬菜。随着种植年限增加，蔬菜土壤中Cd、Pb和Hg含量均呈明显上升趋势，且种植年限分别与土壤Pb和Hg含量呈极显著正相关。根据产地环境质量标准（NY/T391—2000）土壤中Pb和Hg含量限值，推测研究区蔬菜的Pb和Hg安全种植年限分别为239.41 a和64.72 a。

土壤；蔬菜；重金属累积；特征；河北省

RU Shuhua， GENG Nuan， ZHANG Guoyin， SUN Shiyou， WANG Ling. Heavy metals accumulation in soil and vegetable collected from typical vegetable production areas in Hebei Province ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（8）: 1407-1411.

随着生活水平的提高，人们对蔬菜产品逐渐由数量需求转向质量需求，优质、高产、安全蔬菜生产越来越受到社会的关注（汪琳琳等，2009；王钢军等，2008）。由于工业和生活污水的灌溉、污泥和城市垃圾等的填埋，以及肥料、农药等农业化学品的大量施用，导致菜田土壤受到重金属污染。重金属可以通过土壤等途径进入蔬菜，最后通过食物链进入人体，对人们的健康产生潜在的危害（高拯民，1986）。目前，我国大中城市菜田土壤和蔬菜均存在不同程度重金属污染。据报道，与国家土壤质量二级标准相比，中国蔬菜土壤Cd超标较为突出，全国约24.1%的菜地样本超标；其次是Hg，样本超标率为10.3%；As的超标率为9.2%（曾希柏等，2007）。北京市菜地土壤中Cd积累明显，其范围为0.091～0.971 mg·kg-1，其中有两个样点土壤中Cd含量超过《土壤环境质量标准》二级标准，蔬菜中Cd和Pb的超标率分别为0.90%和9.2%（陈同斌等，2006；宋波等，2006）。上海蔬菜土壤中主要超标重金属是Cd、 Hg和Zn（沈根祥等，2006）。天津市郊各类蔬菜中重金属污染的特征类似，都以Cd和As污染为主（师荣光等，2005）。广州市蔬菜主要污染元素为Pb和Cd，其超标率分别达到22.2%和13.9%（秦文淑等，2008）。

河北省环绕京津，是京津两大都市蔬菜市场的主要生产供应基地。河北省蔬菜播种面积1.1579×106hm2，总产7.3843×107t，蔬菜总产量居全国第2位（河北省人民政府办公厅、河北省统计局编，2012）。因此，保证蔬菜质量安全已成为至关重要的问题。

本研究在河北省典型蔬菜产区开展土壤和蔬菜重金属污染特征研究，对保护菜田生态环境和推动蔬菜产业的可持续发展具有重要意义。

1　材料与方法

1.1研究区概况

河北省地处北纬36°03′～42°40′，东经113°27′～119°50′，属于温带大陆性季风气候，全年平均气温介于-0.5～14.2 ℃之间，年日照时数在2400～3100 h之间，年无霜期120～200 d，年均降水量300～800 mm。本研究于2015年在河北省的典型蔬菜产区永年、藁城、定州、青县、玉田等5个县分别进行问卷调查和样品采集。调查内容主要包括施肥、灌水和农药施用状况。调查结果表明设施蔬菜施肥量大，施肥次数多，其中底肥以有机肥和化肥为主。有机肥包括鸡粪、猪粪、牛粪等畜禽粪便，施用量在4～12 t·hm-2；化肥主要是复合肥，施用量在300～750 kg·hm-2。生育期追肥主要包括三元复合肥、腐殖酸类水溶肥等，最大施用量为7.2 t·hm-2·a-1。露地蔬菜施肥量相对较小，以追施复合肥或单质肥为主，最大施用量为2.5 t·hm-2·a-1。

1.2样品采集与重金属测定

根据当地设施类型（设施、露地），选取了不同种植年限（0～5、5～10、10～20、20～30、≥30 a）蔬菜田，采用GPS定位，采集具有代表性的0～20 cm土壤样品106个。每个土壤样品按照S形取样方法多点取样，混匀并妥善保存，每个样品鲜重为0.5～1.0 kg。同时采集相应的蔬菜样品，蔬菜主要涉及叶菜类、果菜类、花菜类和根菜类。将采集的新鲜样品用塑料袋密封后带回实验室风干，剔除杂质，研磨，分别过2 mm和0.25 mm筛，于塑料密封袋中保存备用。样品的前处理和土壤养分指标的分析测定由河北省农林科学院农业资源环境研究所实验室完成。样品重金属的分析测定委托河北省地矿中心实验室完成。土壤样品Cu、Zn、Cd、Pb和Cr测定参照DD2005-01进行样品预处理，用电感耦合等离子体质谱仪（Agilent 7700X ICP-MS）进行分析；As和Hg测定参照DZ/T0167—2006进行样品预处理，用原子荧光分光光度计（AFS-3000）进行分析。蔬菜重金属Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、As和Hg测定参照DD2005-03进行样品预处理，用电感耦合等离子体质谱仪（Agilent 7700X ICP-MS）进行分析。

1.3数据处理

数据处理及图表分析应用Excel、IBM SPSS Statistics 20和SAS 6.12软件。

表1　河北省典型蔬菜产区土壤重金属含量特征Table 1　Soil heavy metal contents in typical vegetable production areas in Hebei province

表2　土壤中各重金属的限量标准Table 2　The limitation of heavy metals in the arable soil

2　结果与分析

2.1河北省典型蔬菜产区土壤重金属含量特征

表1为河北省典型蔬菜产区土壤重金属含量特征。由于土壤Pb和Hg符合正态分布，平均质量分数采用算术均值进行描述；As和Cu符合偏态分布，平均质量分数采用中位值进行描述；土壤Cr、Cd和Zn符合对数正态分布，平均质量分数采用几何平均值进行描述。因此，土壤Cr、Cd、Pb、As、Hg、Cu和Zn平均质量分数分别为69.38、0.207、23.05、8.98、0.059、31.35、98.31 mg·kg-1。河北省典型蔬菜产区土壤Cr、Cd、Cu和Zn平均质量分数分别比全国土壤背景值（Cr、Cd、Pb、As、Hg、Cu和Zn分别为61.00、0.097、26.00、11.20、0.065、22.60、72.40 mg·kg-1）高出15.24%、56.70%、40.26%和29.46%，土壤Cr、Cd、Pb、Hg、Cu和Zn平均质量分数分别比河北省土壤重金属背景值（Cr、Cd、Pb、Hg、Cu和Zn分别为68.3、0.090、21.5、0.036、21.8、78.4 mg·kg-1）高出5.37%、148.89%、7.21%、63.89%、73.53%和30.92%，土壤As平均质量分数比河北省土壤重金属背景值（As为13.6 mg·kg-1）低29.78%。可见，河北省典型蔬菜产区土壤重金属累积明显的是Cd、Hg、Cu和Zn元素。参照农业部绿色食品产地环境质量标准（NY/T391—2000）土壤中各项重金属限量标准（见表2），河北省典型蔬菜产区土壤Cr和Cd超标率分别为4.72%和6.60%，其它元素均不超标。从土壤重金属元素的变异系数来看，Cd＞Hg＞Cu＞Zn＞Cr＞AS＞Pb。7种重金属元素在菜地土壤中的变异系数，反映了菜地土壤元素空间的分异特征。CV小于25%为均匀分布；在25%～50%之间属于弱分异型；在50%～75%之间属分异型；大于75%属于强分异型。可以看出，土壤Cd、Hg、Cu、Zn和Cr 等5种元素为弱分异型，As和Pb属于均匀分布，这说明河北省典型蔬菜产区土壤Cd、Hg、Cu、Zn和Cr离散程度较高，受人为影响较大，其中Cd受人为影响最大。

表3　不同设施类型土壤重金属含量特征Table 3　Characteristics of soil heavy metal contents under different cultivating patterns

表4　不同种植年限菜地土壤重金属含量特征Table 4　Characteristics of soil heavy metal content under different vegetable plantation years

2.2不同设施类型对土壤重金属含量的影响

由表3可知，露地蔬菜土壤Cr、Cd、Pb、As、Hg、Cu和Zn平均质量分数分别为67.10、0.188、23.38、8.63、0.058、29.30、91.19 mg·kg-1；设施蔬菜土壤Cr、Cd、Pb、As、Hg、Cu和Zn平均质量分数分别为74.57、0.244、22.87、10.03、0.060、42.41、108.77 mg·kg-1。可见，不同设施类型土壤重金属含量有明显差异，设施蔬菜土壤中Cd、As、Cu和Zn平均质量分数均显著高于露地蔬菜（P＜0.05）。露地蔬菜土壤Cd、Hg、Cu和Zn的变异系数均在25%～50%之间，设施蔬菜土壤Cd、Hg、Cu、Zn、Cr、As的变异系数均在25%～50%之间，属于弱分异型，受人为影响较大。菜地土壤Cr、Cd、As、Hg、Cu和Zn质量分数的最大值分别为141.18、0.840、15.47、0.142、84.52、286.03 mg·kg-1，均出现在设施蔬菜田。土壤Pb质量分数的最大值为29.04 mg·kg-1，出现在露地蔬菜田。设施蔬菜土壤Cr、Cd、As、Hg、Cu变异系数均明显高于露地蔬菜，露地蔬菜土壤Pb和Zn变异系数均明显高于设施蔬菜。

2.3不同种植年限对土壤重金属含量的影响

由表4可知，随着种植年限增加，土壤Cd、Pb、Hg质量分数均呈明显上升的趋势。种植年限为10～20 a和5～10 a的土壤Cr平均质量分数显著高于种植0～5 a（P＜0.05）。种植年限≥30 a的土壤Pb质量分数显著高于10～20、20～30、5～10、0～5 a（P＜0.05）。种植年限10～20 a的土壤Pb质量分数显著高于5～10、0～5 a（P＜0.05）。种植年限≥30 a的土壤Hg质量分数显著高于10～20、5～10、20～30、0～5 a（P＜0.05）。种植年限10～20 a的土壤Pb质量分数显著高于20～30、0～5 a（P＜0.05）。种植年限≥30 a的土壤Cu质量分数显著低于0～5、5～10、10～20 a（P＜0.05）。蔬菜种植5～10 a和10～20 a的土壤Zn质量分数显著高于0～5 a（P＜0.05）。不同种植年限间土壤Cd和As质量分数均没有显著差异。对种植年限与土壤重金属进行回归分析，发现种植年限与土壤铅含量呈极显著线性正相关关系（y=0.1208x+21.079，r=0.439**，P＜0.01）。以农业部绿色食品产地环境质量标准（NY/T391—2000）土壤中Pb质量分数50 mg·kg-1为限值，推测出蔬菜土壤铅含量达到限值时，蔬菜的安全种植年限为239.41 a。种植年限与蔬菜土壤汞质量分数呈极显著线性正相关关系（y=0.001x+0.0428，r=0.440**，P＜0.01），以农业部绿色食品产地环境质量标准（NY/T391—2000）土壤中汞质量分数0.35 mg·kg-1为限值，推测出蔬菜土壤汞质量分数达到限值时，蔬菜的安全种植年限为64.72 a。

2.4河北省典型蔬菜产区蔬菜重金属含量特征

由表5可知，参照食品安全国家标准（GB2762—2012），所有蔬菜中Cr、Cd、Pb、As、Hg、Cu和Zn均不超标。不同类型蔬菜重金属含量差异显著（P≤0.05）。其中叶菜类蔬菜重金属Cd、Pb、As平均质量分数最高，分别为0.019、0.022、0.011 mg·kg-1。根茎类疏菜Cr、Hg、Cu和Zn平均质量分数最高，分别为0.546、0.001、0.475和2.92 mg·kg-1。根茎类蔬菜Cr平均质量分数显著高于其他3类（P≤0.05），叶菜类蔬菜Cd平均质量分数显著高于果菜类（P≤0.05），果菜类蔬菜Pb、As和Zn平均质量分数显著低于其他类蔬菜（P≤0.05），根茎类和叶菜类蔬菜Hg平均质量分数显著高于果菜类和花菜类蔬菜（P≤0.05）。参照食品安全国家标准（GB2762—2012），根茎类蔬菜Cr超标率为63.64%，叶菜类蔬菜Cr超标率为2.50%，其他类蔬菜Cr均不超标。除Cr外，所有蔬菜重金属Cd、Pb、As、Hg均不超标。

表5　不同蔬菜类型重金属含量特征Table 5　Content of heavy metal in different type of vegetable

3　讨论

农药、化肥、塑料薄膜等农用化学品以及有机肥料的使用，均可能是土壤中重金属的重要输入源。据估计，人类活动对土壤Cd的贡献中，磷肥占54%～58%（何振立，1998）。尽管中国磷肥中重金属含量普遍低于发达国家，但长期大量施用也可能会带来土壤重金属的累积（林忠辉等，2000）。黄青青等（2014）调查了我国磷肥中重金属含量，发现磷肥尤其是进口磷肥中重金属Cd含量较高，大量施用化肥是土壤中Cd和Cr的重要来源。陈海燕等（2006）测定了市场上常售的化肥中各重金属含量，研究表明复合肥中含有大量Cr，平均质量分数高达84.2 mg·kg-1。对规模化养殖场畜禽粪便中重金属含量的调查结果均表明畜禽粪便中Cu、Zn、As等元素残留量非常高（张树清等，2005；刘荣乐等，2005；陈丽娜等，2008）。此外，农用薄膜生产应用的热稳定剂中往往含有Cd，在大量使用塑料薄膜的温室大棚和保护地中，如果不及时清除残留在土壤中的薄膜（或农膜），亦可能会使其中的重金属进入土壤并形成累积。本研究中，河北省典型蔬菜产区土壤Cd、Hg、Cu、Zn和Cr离散程度较高，表明菜田土壤受人为活动影响较大。对不同设施类型土壤重金属含量特征研究表明，设施蔬菜土壤中Cd、As、Cu和Zn平均含量均显著高于露地蔬菜（P＜0.05），这也进一步表明农药、化肥、有机肥、农用薄膜等农用品过量投入可能是导致设施蔬菜土壤重金属积累的重要原因之一。

研究表明设施菜地土壤重金属含量随种植年限增加呈明显上升的趋势。随种植年限延长，设施菜地土壤Cd、Cu、Zn质量分数显著升高（井永苹等，2016）。温室中土壤Zn质量分数与种植年限呈极显著正相关（王俊等，2009）。大棚菜田土壤中Zn、Pb、Cu质量分数和种植年限呈极显著相关，Cd质量分数和种植年限呈显著相关（陈碧华等，2012）。本研究中，随着种植年限增加，蔬菜土壤Cd、Pb、Hg质量分数均呈明显上升趋势，且种植年限与土壤Pb和Hg质量分数呈极显著正相关。由此可见，种植年限对不同区域菜地土壤重金属元素积累的影响也存在差异。

4　结论

与全国和河北省土壤重金属背景值相比，河北省典型蔬菜产区土壤重金属累积明显的是Cd、Cu和Zn。参照农业部绿色食品产地环境质量标准（NY/T391—2000），河北省典型蔬菜产区土壤Cr和Cd的超标率分别为4.72%和6.60%，其他元素均不超标。设施蔬菜土壤Cd、As、Cu和Zn平均质量分数均显著高于露地蔬菜。随着种植年限增加，蔬菜土壤Cd、Pb、Hg质量分数均呈明显上升趋势，种植年限分别与土壤Pb和Hg质量分数呈极显著正相关。

不同类型蔬菜重金属含量差异明显。叶菜类蔬菜重金属Cd、Pb、As平均质量分数最高，根茎菜Cr、Hg、Cu和Zn平均质量分数最高。参照食品安全国家标准（GB2762—2012）规定的食品中污染物限量，根茎类蔬菜Cr超标率为63.64%，叶菜类蔬菜Cr超标率为2.50%。除Cr外，所有蔬菜重金属Cd、Pb、As、Hg均不超标。

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Heavy Metals Accumulation in Soil and Vegetable Collected from Typical Vegetable Production Areas in Hebei Province

RU Shuhua， GENG Nuan， ZHANG Guoyin， SUN Shiyou， WANG Ling
Institute of Agricultural Resources and Environment， Hebei Academy of Agriculture and Forestry Science， Shijiazhuang 050051， China

The study was conducted in five counties Yongnian， Gaocheng， Dingzhou， Qingxian， Yutian， located in the typical vegetable production areas in Hebei Province. By field investigation and laboratory analysis， accumulation characteristics of heavy metals in soil and vegetable； the difference of soil heavy metal accumulation under different cultivating patterns and plantation years；and the relationship between soil heavy metal and plantation years were investigated. Results showed that Cd， Cu and Zn concentrated higher in the soils collected from Hebei Province compared with the background values of soil heavy metals in China. In contrast to the criteria set by the Environmental Quality Evaluation Standard for Farmland in Greenhouse Vegetable Production（NY/T391—2000）， the exceeding rates of the soil Cr and Cd content in typical vegetable areas of Hebei Province were 4.72% and 6.60%， respectively. The content of other heavy metals did not exceed the criteria. In addition to Cr， heavy metal Cd， Pb， As， Hg in all the vegetables did not exceed maximum level of contaminants in foods in existing standard （GB2762—2012）. The mean content of soil Cd， As， Cu and Zn contents in protected vegetable were significantly higher than those in the open field. Coefficient variation of Cr， Cd， As， Hg and Cu in protected vegetable soil was higher compared with that in open fields. Coefficient variation of Cr， Cd， As，Hg and Cu in protected vegetable soil was smaller compared with that in open fields. Furthermore， the degrees of soil heavy metals Cd，Pb and Hg accumulation increased with the increasing of plantation years in vegetable fields. There were significantly positive correlation relations between cultivating years and soil Pb and Hg content in vegetable fields， respectively. By the criteria of soil Pb of 50 mg·kg-1and soil Hg of 0.35 mg·kg-1， the cultivating years of predicted security were 239.41 and 64.72 years， respectively.

soil； vegetable； heavy metal accumulation； characteristics； Hebei Province

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.08.023

X144

A

1674-5906（2016）08-1407-05

河北省科技支撑计划（15227511D）；河北省农林科学院项目（A2015130301）；国家科技支撑计划项目（2012BAD15B02-2）

茹淑华（1973年生），女，研究员，硕士，主要从事施肥与农业环境方面的研究。E-mail: shuhuaru@163.com.

∗张国印（1962年生），男，研究员，主要从事施肥与农业环境方面的研究

2016-06-15

引用格式：茹淑华， 耿暖， 张国印， 孙世友， 王凌. 河北省典型蔬菜产区土壤和蔬菜中重金属累积特征研究［J］. 生态环境学报，2016， 25（8）: 1407-1411.