城市近郊菜地土壤和蔬菜重金属含量分析与研究

苏琪娇，王 济，陆晓辉，戴凌骏

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550001；2.贵州省山地资源与环境遥感应用重点实验室，贵州 贵阳 550001)



城市近郊菜地土壤和蔬菜重金属含量分析与研究

苏琪娇1,2，王 济1*，陆晓辉1，戴凌骏1

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550001；2.贵州省山地资源与环境遥感应用重点实验室，贵州 贵阳 550001)

为了解城市近郊菜地土壤、蔬菜中Zn、Cd、Pb、Cu含量间的关系，选取贵阳市花溪区为研究区，采集研究区菜地土壤样本46个，蔬菜样本22个，分别测出土壤、蔬菜中重金属Zn、Cd、Pb、Cu的含量。结果表明：1)菜地土壤、蔬菜中4种重金属含量偏离均值，空间分布差异较大；2)菜地土壤中Zn、Cd元素来源可能相同；蔬菜中Cu与Zn元素相关性达极显著水平，Cu与Pb元素相关性达显著水平；3)蔬菜中的Zn、Cu主要来源于土壤；4)菜地土壤中4种重金属出现了不同程度的污染，其中受Zn元素影响较为明显。蔬菜受Cd、Pb元素污染相对严重。

土壤；蔬菜；重金属含量

0 引言

土壤中的重金属在蔬菜生长过程中进入蔬菜，最后通过食物链进入人体，对人们产生潜在的健康危险[1]。目前，有些地区已研究发现城市近郊土壤和蔬菜受到了重金属的污染[2-5]。对贵阳市土壤研究发现：该地区土壤已经遭受不同程度重金属污染，而污染最严重的重金属为Cr和Hg[6]，其中永乐乡等地出现砷由无污染向中度污染变化的趋势[7]。近年来关于重金属的相关研究多侧重于污染问题，而对重金属元素之间的相关性分析较少。城市近郊是整个城市的食物来源地之一，蔬菜问题不仅是食品安全问题，它与经济的发展，社会和谐有着密不可分的关系，因此对城市近郊菜地土壤与蔬菜中重金属含量的研究具有一定的重要性。

通过选择以种植蔬菜为主的花溪区为研究区域，以该区域的菜地土壤和蔬菜为研究对象，结合3S技术中的GPS的优势[8]。研究菜地土壤及蔬菜中重金属Zn、Cd、Pb、Cu的含量，分析各重金属含量之间的相关性，土壤与蔬菜中各重金属之间的关系；并采用单因子污染指数对菜地土壤重金属进行污染评价，以《食品安全国家标准 食品中污染物限量(GB2762-2012)》为依据，分析蔬菜重金属含量超标情况。

1 材料与方法

1.1 区域概况

花溪区位于贵阳市南郊，离市中心17km。该区属于高原季风湿润气候，雨量充沛，年平均降水量为1 178.3mm，年平均温度为14.9℃。土壤类型以水稻土、黄壤、石灰土为主。土地利用类型以林地、耕地、草地为主，其中耕地面积占总面积的30%以上。2015年花溪区蔬菜种植面积达168.60km2，比上年增长4.1%。蔬菜产量达405 865t，比2014年增长4.0%。贵阳市蔬菜基地主要布局在花溪青岩、燕楼、湖潮等，沿思潜河流域的花溪青岩、黔陶建10km2(主要品种为瓜果类、姜、葱类和豆类)蔬菜基地。花溪在贵阳市蔬菜区域布局中具有重要地位。因此，对花溪区菜地土壤和蔬菜重金属的研究对保障贵阳市400多万人口的食物安全有着重要的意义。研究区地理位置如图1所示。

图1 研究区地理位置图Fig.1 The location of the study area

1.2 材料

1.2.1 土壤样品采集

对研究区蔬菜基地和零散菜地进行采样。蔬菜基地土壤采样方法：按照蔬菜基地的大小分为2个或3个采样单元，选用蛇形采样法在每个采样单元内采集10个子样品，采样深度为(0～20cm)，将10个子样品充分混合后，挑出样品中的杂物，按“四分法”弃至1kg左右作为该采样点的样品[9]。把样品放入自封袋中，利用GPS测出相应的地理信息，并在自封袋上记下采样点编号、经纬度、高程等相关信息。零散菜地土壤采集方法：由于零散蔬菜地有分布不均匀及面积大小不一、数目众多等特点，采样时需根据菜地面积大小进行。只对菜地面积在200m2以上的零散菜地进行采集，采集方法与蔬菜基地土壤采样方法相同。在研究区域内共采集46个土壤样品，采样分布如图2(a)所示。

1.2.2 蔬菜样品采集

采集蔬菜样品时没有区分蔬菜基地和零散菜地，对于一个采样单元，随机采取4个相同品种的子样品，混合后装入自封袋里，并在自封袋上记下采样点编号、经纬度、高程等相关信息。共采集22个蔬菜样品，分别为大蒜、香菜、莲花白、生菜、韭菜、菠菜、芹菜、鱼腥草、蚕豆、豌豆、小瓜11种类型，其中有16个蔬菜样本与土壤样本的位置相对应。采样点空间分布如图2(b)所示。

1.3 分析测试方法

1.3.1 样品处理

土壤样品处理：将样本带回实验室风干，充分混合后，用“四分法”把样品分为两份，一份入库保存，一份进行研磨。研磨的样本再用“四分法”分成两份，对其中的一份用研钵或木棒进行研压，磨细之后过60目尼龙筛(孔径为0.25mm)为测土壤pH值备用；另一份磨细之后过100目尼龙筛(孔径为0.149mm)为土壤重金属含量分析用。

(a)土壤样点分布图 (b)蔬菜样点分布图图2 样点分布图Fig.2 The location of soil samples (a), and the location of vegetable samples (b)

蔬菜样品处理：摘除蔬菜不可食部分，清洗蔬菜可食部分2～3遍，再放入烘干器里，设置温度为60℃，烘12h之后磨细，过40目筛(孔径为0.425mm)放入自封袋里待测[10]。

1.3.2 分析测试方法

Zn、Cd、Pb、Cu含量测定采用“HCl-HNO3-HF-HClO3”消解体系，以上4种元素的含量使用美国Perkins-Elmer公司生产的原子吸收光谱仪AA-800测定[11]。为保证测定结果的可靠度，抽取20%样品进行平行双样测定，采用国家土壤标准土壤物质GSS-1，GSS-2进行控制，结果符合质量控制要求。

2 结果与分析

2.1 菜地土壤重金属含量分析

2.1.1 统计分析

菜地土壤中4种重金属平均含量分别是Zn：248.069mg/kg，Cd：0.244mg/kg，Pb：31.598mg/kg，Cu：36.767mg/kg(如表1所示，表中的背景值指的是贵阳市土壤背景值[6])。土壤中的微量金属主要来自于母质，而且它们在平均含量上具有一定的一致性[12]。总体样本中各采样点的平均变异程度是由变异系数来反映的，研究区内重金属含量的变异大小，可以反映该区域内重金属元素的污染程度和分布差异[13]。花溪区菜地土壤中Zn、Cd、Pb、Cu的变异系数分别是0.625、0.922、2.117、1.853(如表1所示)，4种重金属的变异系数较大，表明土壤重金属含量偏离均值的程度较大，即它们的含量在空间分布上有很大的差异。

表1 菜地土壤重金属含量统计结果

2.1.2 相关系数分析

土壤重金属含量之间的相关性与母质有很大关系[14]，研究土壤中重金属的相关性可以推测重金属来源是否相同，若重金属含量有显著的相关性，说明其来源相同的可能性较大，反之则来源相同的可能性较小[15]。计算研究区表层土壤重金属含量之间的Pearson相关系数(表2)。当n=46时，ra=0.05=0.291，ra=0.01=0.376。研究表明：Zn与Cd元素相关性达到极显著水平(P<0.01)，表明Zn与Cd元素具有相同来源的可能性较大，土壤中其余重金属之间相关性较差。Zn与Cd元素显著相关是因为地球上没有单独的Cd矿，Cd矿常与Zn矿共生，一般以CdS和CdCO3的形式存在Zn矿中[16]。

2.1.3 菜地土壤重金属环境评价

用单因子污染指数法评价研究区菜地土壤重金属Zn、Cu、Pb、Cu污染情况，采用贵阳市重金属Zn、Cu、Pb、Cu背景值及土壤环境质量二级标准值为依据进行评价。国家《土壤环境质量标准》(GB 15618-2008)。如表3所示。

表2 菜地土壤中重金属含量之间的Pearson相关系数

*相关性达显著水平(P<0.05)；**相关性达极显著水平(P<0.01)

表3 土壤环境质量第二级标准值 (mg/kg)

目前我国还没有规定土壤重金属元素污染评价的统一分级标准，通过查阅相关文献，采用宁晓波等在《贵阳花溪区石灰林地土壤重金属含量特征及其污染评价》文中提出的单因子污染指数法分级标准[17]。

评价结果如表4所示，以国家二级标准作为评价标准，清洁土壤样品占总样品的百分比大小排序为：Cu(93.478%)>Pb(86.957%)>Zn(82.609%)=Cd(82.609%)。其中Zn达中度污染的样品有2个，重度污染的样品有6个；Cd达轻度污染的样品有5个，中度污染的样品有1个，重度污染的样品2个；Pb达轻度污染的样品有6个；Cu达中度污染的样品有3个。以贵阳市土壤背景值为评价标准，清洁土壤样品占总样品的百分比大小排序为：Cd(80.435%)>Zn(78.261%)>Pb(69.565%)>Cu(45.652%)。其中其中Zn达中度污染的样品有3个，中度污染的样品有1个，重度污染的有6个；Cd达轻度污染的样品有4个，中度污染的样品有3个，重度污染的样品有2个；Pb达轻度污染的样品有14个；Cu达轻度污染的样品有23个。表明研究区菜地土壤中4种重金属出现了不同程度的污染，其中受Zn元素影响较为明显。

表4 菜地土壤重金属单因子污染指数法(Pi)评价结果表/%

2.2 蔬菜重金属含量分析

2.2.1 统计分析

对蔬菜中重金属含量进行分析表明：蔬菜中4中重金属元素平均含量分别是Zn：28.079mg/kg，Cd：0.177mg/kg，Pb：0.161mg/kg，Cu：8.308mg/kg；变异系数分别是1.710，1.612，0.623，1.937(如表5所示)。表明蔬菜中重金属含量偏离均值的程度较大，它们的含量在蔬菜中的分布有很大的差异。

2.2.2 相关性分析

计算蔬菜中各重金属元素之间的Pearson相关系数(如表6所示)。表明蔬菜中各种重金属之间存在一定的相关性。当n=22时，ra=0.05=0.423，ra=0.01=0.492。研究表明，Cu与Zn元素之间达到极显著水平(P<0.01)，蔬菜中Cu含量的增加会导致Zn含量增加；Cu与Pb元素之间达到显著水平(P<0.05)，蔬菜中的Cu含量增加，Pb元素也会随之增加。

表5 蔬菜中重金属含量统计结果

表6 蔬菜重金属含量之间的Pearson相关系数

*相关性达显著水平(P<0.01)；**相关性达极显著水平(P<0.01)

2.2.3 蔬菜安全评价

蔬菜安全评价采用《食品安全国家标准 食品中污染物限量(GB2762-2012)》中限量值(如表5所示)。

研究区不同蔬菜中重金属Cd，Pb平均含量与食品中污染物限量做比值分析，结果如图3所示。研究区的香菜、生菜、韭菜、菠菜、芹菜、鱼腥草、豌豆、小瓜中Cd含量均超标，超标率为72%，其中豌豆中Cd含量则为限量的2.3倍；香菜、菠菜、芹菜、小瓜中的Pb含量均超标，超标率为36%，其中菠菜中Pb含量为限量为的2.4倍。反映不同蔬菜对不同重金属元素的吸收情况不一致，Pb在菠菜中的富集程度大于其他品种的蔬菜，而Cd在豌豆中的富集程度较高。

表7 食品安全国家标准 食品中污染物限量

图3 蔬菜中Pb、Cd含量与食品中Pd、Cd限量比值图Fig.3 Contents of Pb, Cd in the vegetables ratio limit the quantity of Pb ,Cd to the food

2.3 菜地土壤与蔬菜中各重金属含量之间的相关性分析

研究区土壤重金属与蔬菜重金属含量相关性如表8所示。当n=16时，ra=0.05=0.497，ra=0.01=0.623。结果表明土壤中Cb、Pb两种重金属含量分别与土壤中Cb、Pb含量呈负相关，而蔬菜中的Zn、Cu含量分别与土壤中Zn、Cu呈正相关。其中，蔬菜中的Zn、Cu含量与分别土壤中的Zn、Cu含量相关性达到到显著水平(P<0.05)。表明随着土壤中Cd、Pd含量增加，蔬菜中的Cd、Pd含量反而下降；蔬菜中的Zn、Cu主要来源与土壤。

表8 土壤、蔬菜各重金属含量之间Pearson相关系数

*相关性达显著水平(P<0.01)；**相关性达极显著水平(P<0.01)

3 结论

1)菜地土壤重金属含量偏离均值程度较大，在空间分布存在较大的差异；蔬菜中4种重金属含量在空间上分布有一定的差异。

2)土壤中Zn与Cd元素之间显著相关，有相同来源的可能性较大；蔬菜中Cu与 Zn、Cu与Pb之间呈显著相关，来源相同的可能性较大；土壤与蔬菜中的Zn、Cu元素含量相关性达到显著水平，其余元素之间的相关性较小。蔬菜中Zn、Cu元素主要来源于土壤，除此之外还来源于大气沉降、污灌等。

3)菜地土壤中4种重金属出现了不同程度的污染，其中受Zn元素影响较为明显。蔬菜受Cd、Pb元素污染相对严重，如豌豆中Cd含量为中国食品安全卫生标准限量的2.3倍，菠菜中Pb含量为2.4倍。

受地质背景与人类活动的影响导致重金属含量在空间分布上存在一定的差异，不同重金属之间的相关性进一步影响它们含量在空间上分布，同时也影响着植株体中重金属含量。城市近郊是食物的主要来源地之一，近郊土壤、蔬菜中重金属含量关系着城市的发展。为了减少重金属对城市近郊菜地的污染，可以采取一定的措施。首先减少种植对重金属富集较高的蔬菜，比如菠菜，芹菜等；选择种植区时尽量远离工厂等；此外可以在重金属富集较高的地方进行植物修复，实现生态农业。

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Analysis and study on heavy metal content in the suburban vegetable garden soil and vegetable

SU Qijiao1,2,WANG Ji1*,LU Xiaohui1,DAI Lingjun1

(1.School of Geographic and Environmental Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang, Guizhou 550001, China;2. Guizhou Mountain Resources and Environmental Remote Sensing Application Laboratory, Guiyang, Guizhou 550001, China)

In order to determine the relationships among Zn, Cd, Pb and Cu contents in garden soil and vegetables in the suburbs, we collect 46 samples of garden soil samples and 22 samples of vegetables from Huaxi District of Guiyang city to measure the content of heavy metal Zn, Cd, Pb, and Cu in garden soil and vegetables. The results are as follows: 1) 4 kinds of heavy metal content are deviation from the mean and spatial distribution differences in garden soil and vegetables. 2) Zn and Cd in garden soil may have the same source. For vegetables, the correlation between Cu and Zn reaches a very significant level, and the levels of Cu and Pb are significant. 3) Zn and Cu of vegetables come mainly from garden soil. 4) 4 kinds of heavy metal contents in garden soil showed varying degrees of contamination, affected by Zn element of which is obvious. Vegetables polluted by Cd, Pb element is relatively severe.

soil; vegetable; heavy metal content

1004—5570(2016)06-0027-06

2016-07-25

国家十二五科技支撑计划项目(2012BAD14B02-6)；贵州省科学技术基金重点项目(黔科合JZ字[2014]2012号)；大学生创新训练计划项目(201310663015)联合资助；贵州省社发项目(黔科合SY字[2012]3042)

苏琪娇(1991-)，女，研究方向：地理信息系统应用，E-mail: feierjoy@foxmail.com.

*通讯作者：王 济(1975-)，男，博士，教授，研究方向：土壤中重金属污染，E-mail: wangji@gznu.edu.cn.

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