轮作模式下设施菜地主要重金属元素空间分布特征

2016-12-17孙凯宁王克安杨宁

山东农业科学 2016年11期

孙凯宁+王克安+杨宁

摘要：选取代表性日光温室，以设施菜地中主要重金属元素（Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni）为研究对象，对两种种植模式（连作、轮作）条件下6种重金属元素在土体中的空间分布特征进行调查研究。结果表明：连作模式条件下，土壤中Cd、Pb、Cr、Cu含量具有表聚的趋势，0～20 cm耕作层为主要分布区，且土层越深含量越低，As、Ni含量在0～60 cm土层范围内则呈现先降后升的趋势。参照HJ 333—2006《温室蔬菜产地环境质量评价标准》发现，连作模式0～20 cm土层中Cd、As分别超出限量值220%、15.6%；而轮作模式可显著降低0～20 cm耕作层Cd、As含量降幅分别达37.5%、6.2%；与连作相比，轮作增加了6种重金属元素在20～40 cm土层中的含量。综上所述，在设施菜地遭受重金属污染后，采用轮作模式可以减少主要重金属元素在土壤耕作层的积聚，使其往下层土壤迁移，从而减轻了设施农产品对耕作层中重金属污染物的吸收。

关键词：轮作；日光温室；重金属；污染

中图分类号：S153 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2016）11-0081-04

Abstract Selecting typical greenhouses as research objects， the spatial distribution features of Cd， As， Pb， Cr， Cu and Ni under two planting patterns （continuous cropping and crop rotation） were investigated and studied. The results showed that under the condition of continuous cropping， the contents of Cd， Pb， Cr， Cu in the soil had surface aggregation tendency， and 0～20 cm plow layer was the main distribution area. Meanwhile， the deeper the soil layer， the lower the contents. The As， Ni contents showed the trend of firstly increased and then decreased within the 0～60 cm soil layer. According to HJ 333—2006 “greenhouse vegetable production environment quality assessment standards”， the Cd， As contents in the 0～20 cm soil layer under continuous cropping pattern exceeded the limited value of 220% and 15.6%， respectively. The rotation mode could significantly decrease the contents of Cd and As in 0～20 cm plow layer by 37.5% and 6.2%， respectively. Compared with the continuous cropping， the crop rotation increased the contents of 6 kinds of heavy metal elements in 20～40 cm soil layer. In summary， the rotation mode could reduce the heavy metals accumulation in plow layer after greenhouse suffered heavy metal pollution， and make them move down to the subsoil to reduce the absorption of agricultural products to heavy metal pollutants.

Keywords Rotation； Greenhouse； Heavy metal； Pollution

随着经济高速发展，人们的物质生活水平逐年提高，居民对蔬菜种类、产地和蔬菜安全的要求越来越高[1]。土壤是农业生产的物质基础[2]，但随着工业化、城市化的迅猛发展，矿产开采、污水灌溉、肥料和农药的不合理施用等致使重金属污染物通过多种途径进入土壤圈，进而通过食物链危及人们健康。

设施环境常年处于封闭、半封闭状态，温度高、湿度大、复种指数高、无雨水淋洗，为片面追求产量，过量使用化肥和杀虫剂（含重金属）[3]，极易造成设施菜地重金属污染[4]。有调查表明，北京市蔬菜和土壤中的铅、镉等积累明显，对部分人群存在一定的健康风险[5-10]。与麦田相比，寿光蔬菜大棚产地土壤重金属Hg、Cd、Zn含量明显高于自然背景值，部分地块蔬菜大棚土壤Cd的样本超标率为15.4%[11]；有报道称河南新乡市郊区大棚设施菜地土壤重金属处于高风险状态[12]；通过对不同种植年限的蔬菜大棚土壤重金属含量调查发现，土壤重金属含量随着大棚使用年限的增加呈增加趋势[13]。有关菜地土壤重金属的研究，一般多偏重于常规蔬菜种植模式[14-16]，关于轮作对设施菜地土壤重金属影响的研究较少。前人关于轮作模式的研究多侧重于对改善土壤肥力、土壤酶活性、微生物多样性和提高耕地效益方面[17]，而有关该种植制度下设施菜地重金属含量空间变动情况却鲜见研究报道。本试验以北方典型设施类型——日光温室为代表，研究两种种植模式（连作、轮作）条件下菜地土壤重金属分布现状，以期为设施菜地质量管理提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计

选取济阳县曲堤镇两个相同棚龄（10年）的代表性日光温室，其中一个为连作温室（对照，CK），另一个为采用“稻菜轮作”模式6年的日光温室（JL）。采用“水稻—黄瓜”水旱轮作模式，即在日光温室夏季休闲时段（7-9月）种植水稻，到10月上中旬水稻收获之后种植黄瓜，到第二年6月水稻种植前拉秧。水稻种植行距15 cm，株距10 cm，黄瓜定植时行距50 cm，株距30 cm。各处理施肥量均保持一致，水稻种植时尿素（46% N）施用量为225 kg/hm2。后茬黄瓜整个生育期复合肥（N-P-K=15-6-21）施用量为1 125 kg/hm2。除水稻种植外，两日光温室黄瓜田间管理模式保持一致。于2015年6月份对温室内0～20、20～40、40～60 cm土层进行多点随机取样，土壤风干保存，以备检测。

1.2 测定项目与方法

每小区土样采集选用‘S形多点取样，然后混样、风干、过筛，去除肉眼可见的有机残体等。选取对土壤环境及人体健康危害较大的6种重金属元素（Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni）进行测试分析。其中Cd、Pb依据CB/T 17141—1997测定，As依据GB 17134—1997测定，Cr和Ni分别依据GB/T 17137—1997和GB/T 17139—1997测定，Cu依据GB/T 17138—1997测定。参照HJ 333—2006《温室蔬菜产地环境质量评价标准》，按其中土壤质量评价指标限制中各重金属元素的限量标准进行分析。

1.3 数据统计

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0对数据进行处理和统计分析，差异显著性检验方法采用Duncans法，显著水平均设在0.05水平。

2 结果与分析

2.1 两种种植模式条件下Cd的空间分布

由图1可知，0～20 cm耕作层连作处理（CK）的Cd含量达到0.96 mg/kg，远高于0.3 mg/kg的限量值，超出220%，轮作处理JL为0.60 mg/kg，较CK低37.5%，差异达显著水平（P<0.05）。20～40 cm与40～60 cm土层的趋势相近，表现为JL高于CK，增加幅度分别为18.5%和113.0%。说明连作使Cd在耕层聚集，而轮作可降低日光温室耕层中Cd含量，促进其在土体中向下迁移。

2.2 两种种植模式条件下As的空间分布

由图2可知，随着土层深度的增加，连作CK与轮作JL两处理As含量呈现先降后升的趋势，20～40 cm土层的As含量最低，两处理基本接近。就0～20 cm土层而言，JL较CK低6.2%，40～60 cm土层JL则较CK低10.2%，差异达显著水平（P<0.05）。HJ 333—2006《温室蔬菜产地环境质量评价标准》中规定As的限量值为25 mg/kg，本试验0～20 cm和40～60 cm土层中各处理As含量均高于该标准，但轮作处理JL较连作CK处理明显降低了As含量。

2.3 两种种植模式条件下Pb的空间分布

由图3可知，在各土层中各两处理的Pb含量均低于50 mg/kg的限量值；0～20 cm土层，JL与CK两处理的Pb含量相同，均为21.9 mg/kg，而20～40 cm和40～60 cm土层，JL处理较CK有所上升，具体原因有待进一步研究。

2.4 两种种植模式条件下Cr的空间分布

由图4可知，在各土层中两处理的Cr含量均低于200 mg/kg的限量值；0～20 cm土层，轮作处理JL 的Cr含量为52.1 mg/kg，较连作CK低3.3%；20～40 cm和40～60 cm土层，JL处理则均高于CK，分别高23.3%和3.4%。说明轮作可以降低耕层土壤中的Cr含量，促进Cr向土层下部迁移，表现出与Cd相似的变化趋势。

2.5 两种种植模式条件下Cu的空间分布

由图5可知，各土层中两种处理的Cu含量均远低于100 mg/kg的限量值；随着土层深度的增加，JL与CK处理均表现为逐渐降低的趋势；0～20 cm土层，JL处理Cu含量为33.4 mg/kg，较CK低5.1%；而20～40 cm土层和40～60 cm土层，JL处理分别较CK高16.8%和16.1%，差异均达到显著水平（P﹤0.05）。说明轮作促进了Cu向土层深处迁移。

2.6 两种种植模式条件下Ni的空间分布

由图6可知，在各土层中两处理的Ni含量均低于50 mg/kg的限量值；就0～20 cm土层而言，JL处理Ni含量为22.6 mg/kg，较CK低3.8%，差异不显著（P>0.05）；20～40 cm土层，JL处理Ni含量为23.6 mg/kg，较CK高11.8%，差异达显著水平（P<0.05）；40～60 cm土层，JL较CK低7.9%。说明轮作处理可以减少土壤耕层中Ni的含量，同时促进了Ni向土层深处迁移。

3 讨论与结论

重金属通过大气沉降、污泥农用、污水灌溉、化肥和农药的施用等途径进入农田并在土壤中积累，具有很大的生态和健康风险，受到广泛关注[18]。土壤剖面中的重金属含量分布状况反映土壤受污染的程度和重金属在土壤中的迁移状况，一般情况下，土壤重金属含量随土层深度增加而降低表明土壤受到人类活动的污染[19]。本试验中，连作模式（CK）条件下，土壤中Cd、Pb、Cr、Cu含量随着土层深度的增加而逐渐降低，As、Ni含量在0～60 cm土层范围内呈现先降后升的趋势。轮作模式（JL）条件下，各元素变动较大，其中Cd、Pb、Cr、Ni在20～40 cm土层含量升高，对减少这些主要重金属元素在土壤耕层（0～20 cm）中富集具有较好效果；Cu含量随着土层深度的增加而逐渐降低；As含量呈先降后升的趋势。

本次选取的为连续种植10年的日光温室，在该地区具有较好的代表性，通过分析可知， Pb、Cr、Cu、Ni在本试验选取的温室土层范围内均符合相关限量标准。但Cd和As则超出限量值，表现为：连作模式下，Cd在0～20、20～40 cm土层中分别超出限量值达220%、170%，As在0～20、20～40、40～60 cm土层中分别超出限量值达15.6%、0.8%、21.6%；轮作模式可显著降低0～20 cm耕作层Cd含量，降幅达37.5%，As降幅为6.2%。说明轮作模式对减轻耕层中Cd、As的富集具有较好效果，这对设施安全生产具有重要意义。但为了设施农产品安全，建议以污染源防控为重点，以轮作模式为辅助，采取多种措施，共同杜绝设施菜地重金属超标问题。

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