基于输入输出平衡的重庆地区城郊菜地土壤铅的通量研究

熊安琪，陈玉成，代勇，侯建浩，易廷辉

(1.西南大学附属中学，重庆 400700；2.西南大学资源环境学院，重庆 400716；3.重庆市农业环境监测站，重庆 401121)



基于输入输出平衡的重庆地区城郊菜地土壤铅的通量研究

熊安琪1，陈玉成2，代勇2，侯建浩1，易廷辉3

(1.西南大学附属中学，重庆 400700；2.西南大学资源环境学院，重庆 400716；3.重庆市农业环境监测站，重庆 401121)

通过两季原位观测，分析了重庆市城郊菜地土壤Pb的输入通量、输出通量及平衡量。结果表明，重庆城郊菜地土壤Pb的年输入、年输出通量分别为628.41 g/hm2、169.32 g/hm2，年积累量为459.09 g/hm2。大气干湿沉降是Pb输入的主要来源，其年输入量510.18 g/hm2，贡献率为81.19%；其次是化肥，贡献率为17.28%，而灌溉水、种子的贡献率极低。在Pb输出途径中，输出比例为地下渗流(54.70%)>地表径流(30.01%)>蔬菜残茬(8.03%)>蔬菜收获物(5.51%)>除草(1.75%)。

菜地土壤；铅；输入；输出；通量

已有很多研究表明，重庆局部地区菜地土壤铅污染超标[1-2]。探索这些土壤中铅的来源，并制订切实可行的控制措施，逐渐成为土壤污染防治领域的紧要任务之一。物质平衡通量法是一种土壤重金属源解析的方法，通过定时定点的实际观测，考察土壤重金属的输入、输出状况，核算其输入通量、输出通量和平衡通量。国内外学者曾对澳大利亚、土耳其、巴西、珠江三角洲等地的土壤重金属进行了输入、输出通量的观测。针对目前物质平衡通量法存在的输入、输出途径不明的状况，本文以重庆地区城郊蔬菜基地为对象，通过两季蔬菜的原位观测，分析了重庆市城郊菜地土壤铅的输入通量、输出通量及平衡量，为菜地土壤铅的源解析提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验选择在重庆市九龙坡区已连续种植7年的某蔬菜基地，地块相对平整，四周开沟，前茬为小白菜[BrassicacampestrisL.ssp.chinensisMakino (var.communisTsen et Lee)]，土壤为紫色土，pH值为6.31，有机质含量为21.83 g/kg，全Pb含量为22.93 mg/kg，有效Pb含量为1.46 mg/kg。

植物为青梗菜(BrassicacampestrisL.ssp.chinensisvar.)，其种子购自北京万隆裕丰种子有限公司的华夏冠王。

化肥为史丹利复合肥，未使用农药和农家肥，本文予以忽略。

1.2 试验方法

1.2.1 收支平衡系统的建立

本研究建立的菜地土壤Pb收支平衡系统见图1。

图1 菜地土壤Pb收支平衡系统Fig.1 System graph of balanced Pb in vegetable-based soil

1.2.2 样品采集

蔬菜种植两季，分别为60 d和56 d。每季试验设3个重复观测小区，长宽分别为8 m和5 m，面积为40 m2，地面坡度<5°。每个小区各设置1个降尘缸、降水缸、径流池和地下渗流采样器。

菜地土壤Pb输入-输出样品的采集方法见表1，其中降尘缸直径30 cm、高60 cm；降水缸直径40 cm、高60 cm；地块坡底下端设置径流池，长宽高分别为150 cm×50 cm×5 cm；预埋的地下渗流采样器为50 cm×5 cm采集板，用蠕动泵抽取。

表1 菜地土壤Pb输入-输出样品的采集

1.2.3 测定方法

大气降尘、化肥、蔬菜收获物、蔬菜残茬、杂草、土壤等固态样品采用王水-HClO4消煮，大气降水、灌溉水、地表径流、地下渗流等液态样品采用水浴105℃浓缩，HNO3-HClO4消煮。消煮后均用原子吸收分光光度法测定其中的Pb含量。

2 结果与分析

2.1 菜地土壤Pb的季输入-输出通量

菜地土壤中，各种输入、输出途径的活动强度和Pb含量(浓度)见表2。

各种途径的输入或输出通量为：

Qi=Wi·Ci·λi

(1)

式中，Qi为Pb的第i个输入或输出途径的通量，mg/hm2；Wi为第i个输入或输出途径的活动强度，g/缸(或L/缸或L/区或g/区或kg/区)；Ci为第i个输入或输出介质的Pb含量，mg/kg或mg/L，λi为第i个输入或输出途径的折算系数[3-4](不同途径系数不尽一致)。

根据公式(1)，可以计算出Pb的第i个输入或输出途径的通量，然后将相同途径的通量相加，得到各种输入-输出途径的Pb通量，并以此计算各种输入-输出途径的Pb通量的贡献率(见表3)。

由表3可以看出，第1季Pb的平均输入通量为177.26g/hm2，平均输出通量为57.91g/hm2，当季土壤积累量为11.95 g/hm2；第2季Pb的平均输入通量为84.38 g/hm2，平均输出通量为13.32 g/hm2，当季土壤积累量为71.07 g/hm2。

在输入通量中，来自大气降水的Pb输入量为43.11～123.06 g/hm2，贡献率为51.07%～69.41%；其次是化肥，输入量为30.83～31.23 g/hm2，贡献率为17.62%～36.54%。再次是大气降尘，输入量为9.46～18.46g/hm2，贡献率为10.43%～11.22%。而来自灌溉水、种子的贡献率极低[5]。

在输出通量中，地下渗流输出量为1.84～34.60 g/hm2，贡献率为13.84%～59.76%；其次是地表径流，输出量为2.18～17.82 g/hm2，贡献率为16.35%～30.78%；再次是蔬菜残茬，Pb输出量为2.94～4.82 g/hm2，贡献率为5.07%～36.24%；蔬菜收获物的输出量为1.37～3.96 g/hm2，贡献率为2.36%～29.76%；而杂草输出比率极低，只有2.03%～3.815%。

2.2 菜地土壤Pb的年输入-输出通量

本试验考察了2个蔬菜生长季节Pb的输入-输出通量状况，积累时间分别为60 d和56 d，合计116 d。要计算全年Pb的输入-输出通量，必须予以适当校正[6]。

大气降尘：两季116 d来自大气降尘的Pb积累输入量为18.46+9.46=27.92 g/hm2，全年为87.85 g/hm2。

大气降水：两季116 d收集11次降水，收集雨量

表2 各种输入-输出途径的活动强度和Pb含量

表3 各种输入-输出途径的Pb通量及其贡献率

为432.80 mm，重庆市多年平均降雨量为1 100 mm，全年来自大气降水的Pb积累输入量为(123.06+43.11)/432.80×1 100=422.33 g/hm2。

灌溉水：重庆地区平均蔬菜基地平均复种指数为350%，全年来自灌溉水的Pb积累输入量为(4.50+0.98)/2×3.5=9.61 g/hm2。

种子：考虑到复种指数为350%，全年来自种子的Pb积累输入量为(0.83+0.79)/2×3.5=2.84 mg/hm2。

化肥：考虑到复种指数为350%，全年来自化肥的Pb积累输入量为(31.23+30.83)/2×3.5=108.62 g/hm2。

蔬菜收获物：考虑到复种指数为350%，全年蔬菜收获物的Pb积累输出量为(1.37+3.96)/2×3.5=9.33 g/hm2。

蔬菜残茬：考虑到复种指数为350%，全年蔬菜残茬的Pb积累输出量为(2.94+4 824.00)/2×3.5=13.59 g/hm2。

除草：考虑到复种指数为350%，全年除草的Pb积累输出量为(1.19+0.51)/2×3.5=2.96 g/hm2。

地表径流：参照降水校正系数，全年地表径流的Pb积累输出量为(17.82+2.18)/432.80×1 100=50.82 g/hm2。

地下渗流：参照降水校正系数，全年地下渗流的Pb积累输出量为(34.60+1.84)/432.80×1 100=92.61 g/hm2。

将上述校正后的Pb的年输入-输出通量汇入表4。

由表4可以看出，Pb的年输入通量为628.42 g/hm2，年输出通量为169.32 g/hm2，土壤年积累量为459.10 g/hm2，表明土壤Pb有逐年积累的风险，必须予以控制。

在年输入通量中，大气降水的年贡献率为67.21%；其次是化肥贡献率17.28%，再次是大气降尘贡献率13.98%。而来自灌溉水、种子的贡献率极低。大气干湿沉降的年输入通量为510.18 g/hm2，贡献率为81.19%。

在年输出通量中，地下渗流贡献率为54.70%，其次是地表径流贡献率为30.01%；再次是蔬菜残茬与蔬菜收获物，贡献率分别为8.03%、5.51%；而除草输出比率不到2%。

表4 Pb的年输入-输出通量及其贡献率

3 讨论

侯佳渝调查了天津市郊区2个蔬菜基地土壤中Pb的输入输出特征，发现大气干湿沉降是重金属主要的输入途径，Pb的大气输入占90%以上[7]，与本文结果较为接近。吴香尧总结了成都经济区不同输入途径中，Pb年输入通量近地表大气降尘、化肥、灌溉水分别为71.16%、12.04%、16.35%[8]，与本文存在一些差异。徐勇贤在没有考虑大气沉降时，认为有机肥施用是重金属的主要来源，占输入量的88.5%以上。本研究若不考虑大气沉降，则化肥Pb的贡献率为91.87%[9-11]，与上述结果类似。

因此，可以得出这样的结论，大气干湿沉降乃重庆地区某城郊菜地土壤Pb的主要来源。将本文结果与部分前人结果进行比较发现(见表5)，就总输入量和总输出量以及积累量而言，重庆城郊菜地均高于已经报道的地区。在大气沉降输入量中，重庆城郊菜地也仅次于北京原平农区，而高于其他地区，表明重庆地区菜地土壤Pb风险来自大气干湿沉降的可能性较大。

4 结论

重庆某城郊菜地土壤Pb的年输入通量为628.41 g/hm2，年输出通量为169.32 g/hm2，土壤年积累量为459.09 g/hm2，土壤Pb有逐年积累的风险。

大气干湿沉降是重庆城郊菜地土壤Pb输入的主要来源，其年输入通量为510.18 g/hm2，贡献率为81.19%，其次是化肥贡献率17.28%，而灌溉水、种子的贡献率极低。

表5 本试验与部分研究结果的比较

在重庆城郊菜地土壤Pb的输出途径中，输出比率依次为地下渗流(54.70%)>地表径流(30.01%)>蔬菜残茬(8.03%)>蔬菜收获物(5.51%)，而除草的输出比率极低。

[1] 何晶晶. 重庆市菜地土壤化学物质的分布特征及其调控[D]. 重庆: 西南大学, 2014.

[2] 张石棋. 北碚区菜地土壤重金属含量分析与环境质量评价[D]. 重庆: 西南大学, 2013.

[3] Gary CW, Mclaren RG, Roberts AHC. Atmospheric accessions of heavy metals to some New Zealand pastoral soils [J]. Science of The Environment, 2003, 305(13): 105- 115.

[4] Moolenaar SW, Lexmond TM. Heavy-metal balances. Part I. General aspects of cadmium, copper, zinc, and lead balance studies in agro-ecosystems [J]. Ind Ecol, 1999, 2: 45- 60.

[5] 代勇. 重庆市土壤-蔬菜重金属赋存现状及其源解析研究[D]. 重庆: 西南大学, 2015.

[6] Rbhling A. A European survey of atmospheric heavy metal deposition in 2000-2001 [J]. Environ. Pollut., 2002, 120: 23- 25.

[7] 侯佳渝, 申燕, 曹淑萍, 等. 天津市郊区菜地土壤重金属通量的研究[J]. 安徽农业科学, 2013, 41(13): 5764- 5773.

[8] 吴香尧. 耕地土壤污染与修复[M]. 成都: 西南财经大学出版社, 2013: 67- 70.

[9] 徐勇贤, 黄标, 史学争, 等. 典型农业型城乡交错区小型蔬菜生产系统重金属平衡的研究[J]. 土壤, 2008, 40(2): 249- 256.

[10] 徐勇贤, 王洪杰, 黄标, 等. 长三角工业型城乡交错区蔬菜生产系统重金属平衡及健康风险[J]. 土壤, 2009, 41(4): 548- 555.

[11] 徐勇贤. 长江三角洲典型城乡交错区土壤重金属平衡及生态效应[D]. 南京: 南京农业大学, 2007.

[12] 麻万诸, 章明奎. 浙江省典型茶园生态系统中重金属流及其平衡分析[J]. 茶叶科学, 2011, 31(4): 362- 370.

[13] 汤奇峰, 杨忠芳, 张本仁, 等. 成都经济区农业生态系统土壤镉通量研究[J]. 地学前缘, 2007, 26(7): 869- 877.

[14] 龚香宜, 祁士华, 吕春玲, 等. 福建省兴化湾大气重金属的干湿沉降[J]. 环境科学研究, 2006, 19(6): 321- 34.

[15] 赖木收, 杨忠芳, 王洪翠, 等. 太原盆地农田区大气降尘对土壤重金属元素积累的影响及其来源探讨[J]. 地质通报, 2008, 27(2): 240- 245.

[16] 黄春雷, 宋金秋, 潘卫丰. 浙东沿海某地区大气干湿沉降对土壤重金属元素含量的影响[J]. 地质通报, 2011, 30(9): 1534- 1441.

[17] 杨忠平, 卢文喜, 龙玉桥. 长春市城区重金属大气干湿沉降特征[J]. 环境科学研究, 2009, 22(1): 28- 34.

Study on Lead Flux in Vegetable-based Soil in Chongqing Suburb Based on Heavy Metals Flow

XIONG An-qi1, CHEN Yu-cheng2, DAI Yong2, Hou Jian-hao1, YI Ting-hui3

(1.High School Affiliated To Southwest University, Chongqing 400700, China;2.College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China; 3.Chongqing Station of Agricultural Environment Monitoring, Chongqing 401121, China)

The situ observation of two consecutive quarters was conducted to determine the soil lead input flux, output flux, and balance amount in Chongqing suburb. The results showed that the Pb annual input and output flux were 628.41 g/hm2and 169.32 g/hm2, respectively, and the annual accumulation was 459.09 g/hm2. Atmospheric dry deposition was the main source of Pb input, with the annual input of 510.18 g/hm2, and the contribution rate of 81.19%; it was followed by chemical fertilizers, with the contribution rate of 17.28%, whereas the contribution rates of irrigation water and seed were very low. In the pathway of Pb output, the ratio was ordered as follows: the subsurface flow (54.7%)>the surface runoff (30.01%)>the vegetable residue (8.03%)>the vegetable harvest (5.51%)>the weeding (1.75%).

vegetable-based soil; lead; input; output; flux

2016-09-18

重庆市科技攻关重点项目(CSTC2011AC101)，重庆市农业委员会2014年行业技术支撑项目。

熊安琪(2000—)，女，重庆北碚人，雏鹰计划学员，E-mail：535942051 @qq.com

陈玉成(1965—)，男，湖北监利人，教授，博士，主要从事环境污染防治研究，E-mail：chenyucheng@swu.edu.cn

10.14068/j.ceia.2016.06.022

X53

A

2095-6444(2016)06-0092-05