北京市菜地土壤重金属现状分析与评价

索琳娜，刘宝存，赵同科，吴 琼，安志装

（北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京 100097）

北京市菜地土壤重金属现状分析与评价

索琳娜，刘宝存，赵同科，吴 琼，安志装※

（北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京 100097）

近年来北京蔬菜种植业得到迅速发展，已成为农业经济的支柱产业之一。为了解北京地区菜地以重金属为主要指标的土壤环境质量现状，采集北京市主要蔬菜生产区表层土壤（0～20cm），测定镉（Cd）、铅（Pb）、铜（Cu）、铬（Cr）、锌（Zn）、镍（Ni）、汞（Hg）含量和基础理化性质。依照《土壤环境质量标准》和《土壤环境监测技术规范》采用单项和综合污染指数法进行评价，结果表明，与土壤背景值相比，大兴、昌平、密云、延庆、房山、顺义、通州区内Cd、Cr明显富集，顺义区、房山区Cd质量分数平均值接近于《食用农产品产地环境质量评价标准》限量值（0.40 mg/kg），但未超过《土壤环境质量标准》中二级限量值（0.60 mg/kg）。Cd、Cu、Zn、Cr单项污染指数平均值处于>0.7～1.0，属于尚清洁（警戒限）水平，且土壤Cd质量分数变异系数极高，40%以上样点存在“轻度”和“中度”污染，设施菜地较裸露菜地相比存在较高Cd污染风险。综上，北京市菜地土壤重金属环境质量指标总体安全，处于非污染状态，但存在一定程度的Cd、Cr、Cu、Zn累积污染风险。

土壤；重金属；污染；北京市；菜地；评价

0 引言

2014年，环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，中国耕地土壤污染点位超标率达19.4%，其中重金属超标点位数占全部超标点位数的82.8%[1]。重金属污染问题已成为中国广泛关注的重大生态环境问题，对现代农业和社会经济的可持续发展、农业生态环境和农产品质量安全构成了严重威胁。随着北京市社会经济的快速发展，耕地资源急剧下降，利用强度增加，化肥、有机肥、农药、农膜等农业生产资料投入持续增加，单位耕地面积环境承载压力增大，而农业土壤环境质量状况直接或间接关系到农产品质量安全、人类和动物健康，影响着北京都市农业的健康发展。开展以重金属为目标的北京市土壤环境质量状况调查十分必要。

关于北京市不同利用方式、不同区域的农业土壤重金属及环境质量评价的研究已有很多，陈同斌等[2]开展了北京市较大范围的土壤调查研究，提出了土壤重金属背景值；2005－2009年间[3-13]，许多科研工作者依据国家环保局和技术监督局联合发布的《土壤环境质量标准（GB15618－1995）》[14]在北京市范围内开展了针对污灌区[15-17]、不同土地利用方式[8, 18-20]以及个别区县[21-22]的土壤环境质量调查和分析。近年来，在北京全市范围内开展的较为系统的调查工作较少[23-28]，针对全市菜地土壤环境质量评价分析的研究更少。本研究基于《土壤环境质量标准》、2004年和2006年国家环境保护总局颁布的三项旨在保护环境和保障人体健康的《土壤环境监测技术规范（HJ/T 166－2004）》、《食用农产品产地环境质量评价标准（HJ/T 332－2006）》以及《温室蔬菜产地环境质量评价标准（HJ/T 333－2006）》[29-31]，开展菜地土壤以重金属为目标的较大规模土壤环境质量更新调查及评价，从而客观了解北京市最新的菜地土壤环境质量状况，并对现有生产模式进行科学评价和指导，为北京都市农业的健康发展提供基础支持。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

本研究采用陈同斌等在系统研究北京市土壤重金属背景值时采用的非均匀布点方法[2]，以蔬菜集中产区为主要调查研究对象，于2011－2013年对北京市菜地土壤进行了较大规模的调查，共采集319个样点（图1）。

图1 北京菜地土壤采样点位置图Fig.1 Location of sampling sites in Beijing

采样点分布于大兴（主要位于长子营镇，共55个点）、丰台（主要位于王佐镇和花乡，共7个点）、昌平（主要位于小汤山镇、南邵镇、百善镇和马池口镇，共92个点）、密云（主要位于李各庄、东邵渠、河南寨，共22个点）、延庆（主要位于旧县镇、延庆镇和东关，共26个点）、房山（主要位于窦店镇、韩村河镇和阎村镇，共86个点）、顺义（主要位于李遂镇，共8个点）、通州（主要位于宋庄镇和潞城镇，共23个点）8个行政区内，采样区土壤基本化学性质如表1所示。

土壤样品采集和预处理参照《土壤环境监测技术规范》进行[31]。土壤全氮采用H2SO4-H2O2消煮，凯氏法测定；有效磷采用钼锑抗分光光度法；速效钾采用火焰原子吸收光谱法；pH值采用MP-511型pH计测定，水土比为2.5:1（mL/g）；全盐量采用称质量法测定[29-31]。用于测定重金属质量分数的土壤样品采用美国国家环保局（USEPA）推荐的HNO3-H2O2法消煮，镉（Cd）、铅（Pb）采用石墨炉原子吸收分光光度法，铜（Cu）、铬（Cr）、锌（Zn）、镍（Ni）采用火焰原子吸收分光光度法，汞（Hg）采用冷原子吸收法，砷（As）采用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法测定[31]。分析过程均加入国家土壤标准物质（GSS-1）用于质量控制，分析中Cd回收率为87%～104%（国标为85%～110%）、Hg回收率为80%～105%（国标为75%～110%）、As回收率为89%～101%（国标为85%～105%）、Cu回收率为92%～103%（国标为90%～105%）、Pb回收率为90%～102%（国标为85%～110%）、Cr回收率为87%～104%（国标为85%～110%）、Zn回收率为92%～103%（国标为85%～110%）、Ni回收率为86%～104%（国标为85%～110%）[31]。

表1 采样区土壤基本化学性质Table 1 Basic chemical properties of sampling area

数据统计分析采用SPSS19.0和Excel2010，采样点分布图采用ArcGis10.2软件完成。

1.2 土壤环境质量评价标准与方法

为便于与前人研究结果进行对照分析，本文调查评价分析采用《土壤环境质量标准》进行。该标准把土壤环境质量分为3个等级。其中一级标准是保护区域自然生态，维持自然背景的土壤环境质量限制值；二级标准是保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值；三级标准为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值[14]。超出二级标准就意味着已经对农业生产和人类健康构成潜在威胁[32]。

重金属污染既可能是单一因素作用的结果，也可能是多因素共同作用的结果，故采用单项污染指数法和综合污染指数法相结合进行评价[19,33]。

单项污染指数评价采用以下公式

式中Pi为第i种污染物的单因子指数；Ci为第i种污染物的测定值：C1、C2、C3分别为国家土壤环境质量标准中一级、二级和三级标准值[14]。

综合土壤环境质量评价采用内梅罗综合指数法

式中P综为综合评价指数；Pi为第i种污染物的单因子指数；avePi为土壤中各污染指数的平均值；(Pi)max为土壤中最大污染物的单因子指数。采样区菜地土壤污染等级采用《土壤环境监测技术规范》进行评定[31]。

同时，为了对比分析不同种植类型（裸露和设施）对于菜地土壤环境质量的影响，本文还采用《食用农产品产地环境质量评价标准》以及《温室蔬菜产地环境质量评价标准》作为另一评价依据[29-30]。《温室蔬菜产地环境质量评价标准》中根据污染指标的毒理学特性和蔬菜吸收、富集能力将评价指标分为严格控制指标（Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu）和一般控制指标（Zn、Ni、全盐量）两类。严格控制指标依据各单项质量指数进行评价，一般控制指标依据环境要素综合质量指数评定。

2 结果与分析

2.1 菜地土壤中重金属质量分数统计分析

土壤重金属质量分数统计分析结果如表2所示。除Pb、Ni以外，采样区菜地土壤中Cd、Cr、As、Hg、Cu、Zn的质量分数均高于土壤背景值。所调查的8种金属质量分数的变异系数差异较大，其中Cu和Ni变异系数均小于20%，属于较低程度变异；Zn和Pb变异系数介于21%～50%之间，属于中等程度变异；Cr、As和Hg变异系数介于51%～100%之间，属于高度变异；而Cd的变异系数则超过100%，呈现极高程度的变异[34]。由此可见，北京市菜地土壤中重金属Cr、As、Hg受到外源因子干扰影响较大，而Cd则受到外源因子的影响非常大[35]。

表2 菜地土壤重金属基本参数统计描述Table 2 Descriptive statistics parameters of heavy metals for farmland of vegetables production

由图2中各区菜地土壤重金属统计分析结果可知，5种环境毒性及生理毒性较强的重金属中除Cr外，Cd、As、Hg和Pb在不同区菜地土壤中的质量分数存在差异性，各区5种有毒重金属的质量分数均未超过《土壤环境质量标准》中二级标准限量值。顺义区菜地土壤中Cd的质量分数为0.39 mg/kg，显著高于除密云、房山外的其他各区，房山区菜地土壤Cd的质量分数为0.34 mg/kg，也较高，且均接近于《食用农产品产地环境质量评价标准》和《温室蔬菜产地环境质量评价标准》中蔬菜产地土壤Cd限量值（0.40 mg/kg），丰台区菜地土壤Cd质量分数最低（0.14 mg/kg）接近于土壤背景值（0.12 mg/kg）。Cr质量分数在各区间无显著性差异，各区菜地土壤中Cr质量分数均超过背景值2 倍以上，但均未超过食用农产品和温室蔬菜标准中的限量值。各区中除丰台和昌平两区外，其他区菜地土壤As质量分数接近于背景值（7.09 mg/kg），丰台区菜地土壤As的质量分数为19.94 mg/kg，显著高于其他区，超过背景值近两倍，且接近于食用农产品和温室蔬菜标准中的限量值（20.00 mg/kg）；各区中除丰台、昌平和大兴三区外，其他五个被调查区菜地土壤中Hg质量分数均低于或等于背景值（0.07 mg/kg），丰台区菜地土壤Hg的质量分数为0.33 mg/kg，显著高于其他区，超过背景值近4倍，且接近于食用农产品和温室蔬菜标准中的限量值（0.35 mg/kg）；各区中除昌平和密云外，其他被调查区菜地土壤中Pb质量分数均低于背景值（24.60 mg/kg），且所有被调查区菜地土壤中Pb质量分数均远低于食用农产品和温室蔬菜标准中的限量值（50.00 mg/kg）。

各区均存在土壤Cr或Cd累积现象。王斌武等对1985－2006年间北京市耕地土壤重金属时空变化特征研究表明，北京市土壤中Cr质量分数年际变化不大，分布较均匀，一般在40～70 mg/kg，此时期土壤Cr受人为活动控制程度较小，其变化主要受岩石风化和侵蚀的影响；高于70 mg/kg的区域主要在密云、通州和平谷，特别是密云水库周围是北京市土壤Cr积累最严重的地区，应控制人类活动，避免其质量分数继续增加[36]。本研究中，各区菜地土壤Cr质量分数均高于60 mg/kg，通州、密云、房山三区土壤Cr质量分数超过80 mg/kg，较2006年呈现较大程度的累积现象。农业土壤Cr主要来自于化肥尤其是磷肥的施用和污水灌溉，而作为有机肥主要原料之一的鸡粪中也含有较高含量的Cr[37-39]，这一点在菜地土壤有机肥施用时也应给予特别关注。

图2 各区菜地土壤重金属质量分数统计分析Fig.2 Descriptive statistics for heavy metal mass fraction in agricultural soil of vegetable field in Beijing

顺义区菜地土壤重金属Cd还存在较严重的污染风险，韩平等[33]对顺义区农业土壤重金属的调查评价与风险评估也表明，该区菜地土壤中Cd质量分数高于其他利用方式土壤，且已成为该区土壤重金属生态风险主要来源之一。研究表明农田土壤中的Cd主要来源于肥料和畜禽养殖废水、粪便污染，54%～58%来自于磷肥施用，30%来自于有机肥料，11%来自于畜禽粪便[12,33]。统计数据表明，大兴、通州、顺义为北京市蔬菜主产区，三区蔬菜播种面积占全市蔬菜总播种面积的67.07%，因此顺义区菜地土壤Cd污染的现状应特别给予关注。

2.2 菜地土壤环境质量评价

依《土壤环境质量标准》和《土壤环境监测技术规范》，对菜地土壤重金属质量分数评价结果表明，所调查的重金属单项污染指数平均值由高到低依次为：Cd>Cu>Zn>Cr>Pb>Ni>As>Hg，且均<1.0，处于I和II级水平，属于“清洁（安全）”和“尚清洁（警戒限）”的等级[31,33]（表3）。

Cd、Cu、Zn、Cr四种重金属单项污染指数平均值介于>0.7～1.0之间，属于“尚清洁（警戒限）”，存在污染风险（表3）[31,33]。调查区菜地土壤内梅罗污染指数为0.65，处于I级水平（≤0.7），属于“清洁（安全）”等级。存在III级（>1.0～2.0）“轻度污染”水平位点的重金属中占比最高的是Cd为39.35%，其次为Zn（19.14%）和Cr（17.04%）。另外As和Cd还存在个别（2.20%和1.61%）处于IV级（>2.0～3.0）“中度污染”水平的点位，有必要进行跟踪调查。

表3 菜地土壤环境质量评价Table 3 Assessment of soil environmental quality of vegetable field in Beijing

分别依《食用农产品产地环境质量评价标准》和《温室蔬菜产地环境质量评价标准》对调查区内露地和设施菜地土壤进行评价，结果如表4所示。裸露和设施菜地各评价指标单项质量指数以及两种种植类型菜地土壤综合质量指数均≤0.7，环境质量等级均处于“I级，清洁”水平。各项评价指标中，两种种植类型菜地土壤Cd和Pb的单项质量指数和分担率均高于其他指标，单项质量指数高说明北京市菜地土壤中这两种重金属存在积累风险，而单项分担率越大则该指标影响越大，可以为土壤环境修复治理决策提供一定的参考依据。严格控制指标中设施菜地重金属Cd的单项质量指数（0.64）临近于1级界线值（≤0.7），应特别注意该重金属的污染风险。两种种植类型之间，除Hg和全盐量外，其他评价指标单项质量指数以及综合质量指数在设施菜地中均略高于或等于裸露菜地，说明设施菜地的土壤环境污染风险略高于裸露菜地。

表4 不同种植类型菜地土壤环境质量评价Table 4 Assessment of soil environmental quality of different types of vegetable field in Beijing

3 结论

通过对北京市8个行政区内蔬菜集中产地土壤样品进行较大规模的调查统计分析和土壤环境质量评价，结果表明：

1）调查区菜地土壤Cd、Cr、As、Hg质量分数均处于高或极高的变异程度，平均质量分数均高于背景值，但均未超过《土壤环境质量标准》中二级限量值。从采样各区来看，菜地土壤Cd、As、Hg和Pb质量分数存在显著的差异性；与21世纪初北京市农业土壤重金属质量分数时空变化相比，顺义区、房山区存在明显Cd积累现象，所有采样区存在Cr积累现象。合理施肥特别是有机肥的合理施用是有效防止菜田土壤Cd、Cr积累的重要措施。

2）依据《土壤环境质量标准》和《土壤环境监测技术规范》，对菜地样点Cd、Cu、Zn、Cr、Pb、Ni、As、Hg质量分数应用单项和综合污染指数法评价结果来看，属于“清洁”和“尚清洁”的等级，但Cd、Cu、Zn、Cr单项污染指数平均值介于>0.7～1.0之间，属于“警戒级”，存在污染风险，重金属Cd存在III级（>1.0～2.0）“轻度污染”和IV级（>2.0～3.0）“中度污染”水平的样点百分比为40.96%。

3）依据《食用农产品产地环境质量评价标准》和《温室蔬菜产地环境质量评价标准》，对“裸露”和“设施”两种种植类型菜地土壤进行环境质量评价，虽然综合来看北京市菜地土壤当前处于“I级，清洁”水平，但是应该特别注意重金属Cd和Pb可能存在的累积风险，尤其是重金属Cd当前已经临近“警戒限”，应特别给予关注。

随着北京市农业发展方式的转变，采用动态监测和检测技术手段分析不同种植模式下土壤重金属含量的时空变化规律，对于研究有效的重金属污染防治措施、保障农产品质量安全、提升农业土壤环境质量以及促进北京都市生态休闲农业的健康发展都具有十分重要的现实意义。

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Evaluation and analysis of heavy metals in vegetable field of Beijing

Suo Linna, Liu Baocun, Zhao Tongke, Wu Qiong, An Zhizhuang※
(Institute of Plant Nutrition and Resources, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China)

Over the last decades, large-scale greenhouse vegetable production has been widely developed in the suburban areas of Beijing. However, a lot of agricultural production materials (such as fertilizers, organic fertilizers, pesticides, and agricultural films) are always input into greenhouse conditions to achieve high vegetable production. Therefore, soil contamination problem especially heavy metal pollution has emerged gradually. Due to the direct or indirect threat to food safety, human health, and its detrimental effects on ecosystem, heavy metal pollution in fields has become an important frontier in environmental research and drawn more and more attentions. There have been several studies on the quality of the agricultural soils, concerning about soil fertility, soil enzyme activities, and available microelements. However, there is little discussion on the present heavy metal condition of vegetable field in Beijing. A survey was conducted to analyze and assess the soil heavy metals’ environmental quality of vegetable field in Beijing. During 2011-2013, a total of 319 topsoil (0-20 cm depth) samples were collected from the main vegetable planting areas in Beijing, which included 8 districts. The sampling sites were randomly collected based on the distribution of local agricultural land use. Soil pH value ranged from 6.11 to 9.03. Most of the soil samples were alkaline, and 80.50% of the samples had the pH value of above 7.50. The mean values of the heavy metal concentrations were (0.24±0.28), (75.71±47.21), (7.71±4.50), (0.08±0.06), (23.80±6.09), (23.48±3.91), (24.96±4.68), and (89.92±27.96) mg/kg for cadmium (Cd), chromium (Cr), arsenic (As), mercury (Hg), lead (Pb), nickel (Ni), copper (Cu), and zinc (Zn), respectively. In addition, the background values of heavy metals in Beijing were also listed for reference (0.12, 29.80, 7.09, 0.07, 24.60, 26.80, 18.70 and 57.50 mg/kg for Cd, Cr, As, Hg, Pb, Ni, Cu and Zn). The concentrations of Zn, Cu, As and Pb, especially those of Cr and Cd in the study area exceeded the background values in Beijing. The coefficient of variation (CV) was calculated by standard deviation divided by mean of each kind of heavy metal. A modified version of the ranking for CV suggested by Phil-Eze (2010) was used in this study: CV≤20%, low variability; 21%≤CV≤50%, moderate variability; 51%≤CV≤100%, high variability; CV≥100%, exceptionally high variability. The CV values varied from 16.75% (for Ni) to 114.11% (for Cd), which decreased in the order of Cd > Hg > Cr > As > Zn > Pb > Cu > Ni. The CV values of Cd, Hg, Cr and As (from 114.11% to 58.37%) were extremely higher than the other elements, suggesting that they had the greatest variation among the studied metals and showed a higher possibility of being influenced by extrinsic factors, such as human activities, agronomic practices, automobile exhaust, and deposition of aerosol particle. Among the studied districts, soil Cd and Cr were enriched in Daxing, Changping, Miyun, Yanqing, Fangshan, Shunyi and Tongzhou. According to Environmental quality standard for soils and Farmland environmental quality evaluation standards for edible agricultural products, the data were analyzed with the single factor index and Nemerow index for the soil environmental quality assessments. Single factor analysis indicated that in some areas (such as Shunyi and Fangshan District), the soil Cd concentrations reached the limited value (0.40 mg/kg) of Farmland environmental quality evaluation standards for edible agricultural products, but below the Ⅱ grade standard (0.60 mg/kg) of soil environmental quality assessment classification. Average single pollution index of Cd, Cr, Cu and Zn in the investigation area was between 0.7 and 1.0, which was at the “relatively clean (alert)” level. Average Nemerow index of the investigation area was 0.65, which reached the I grade standard(≤0.7) of soil environmental quality assessment classification. It is concluded that the soil heavy metals’ environment quality of vegetable field in Beijing is relatively safe, but the potential ecological risk of soil Cd accumulated in greenhouse vegetable field should be paid more attentions.

soils; heavy metal; pollution; Beijing; vegetable field; assessment

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.025

X825

A

1002-6819(2016)-09-0179-08

索琳娜，刘宝存，赵同科，吴 琼，安志装. 北京市菜地土壤重金属现状分析与评价[J]. 农业工程学报，2016，32(9)：179－186.

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.025 http://www.tcsae.org

Suo Linna, Liu Baocun, Zhao Tongke, Wu Qiong, An Zhizhuang. Evaluation and analysis of heavy metals in vegetable field of Beijing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(9): 179－186. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.025 http://www.tcsae.org

2016-01-14

2016-03-11

“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAD15B01）；北京市农林科学院科技创新能力建设专项（KJCX20150704）。

索琳娜，女，河北省石家庄市人，助理研究员，博士，主要从事农业土壤重金属污染修复治理等方面的研究。北京 北京市农林科学院植物营养与资源研究所，100097。Email：suolinna@163.com

※通信作者：安志装，男，副研究员，博士，主要研究方向：农业面源污染及土壤重金属修复治理。北京 北京市农林科学院植物营养与资源研究所，100097。Email：baafsyzs@163.com