设施菜地土壤重金属污染状况评估——以山西省中南部为例

范 远，刘李硕，宋凯悦，张丽春，秦 洁，李 华，程芳琴

（1.山西大学资源与环境工程研究所，国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点实验室，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西省土壤环境与养分资源重点实验室，山西太原030031；3.山西大学环境与资源学院，山西太原030006）

设施菜地土壤重金属污染状况评估
——以山西省中南部为例

范 远1，2，刘李硕1，3，宋凯悦1，3，张丽春1，3，秦 洁1，3，李 华1，3，程芳琴1

（1.山西大学资源与环境工程研究所，国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点实验室，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西省土壤环境与养分资源重点实验室，山西太原030031；3.山西大学环境与资源学院，山西太原030006）

选取山西省中南部4个典型地区（太原市、晋中市、长治市、临汾市）的设施菜地作为研究对象，分析了土壤中7种重金属（As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn）的含量特征，并对重金属污染和潜在生态风险进行了评估。结果表明，4个典型设施菜地土壤重金属含量均超过了山西省土壤背景值，Cd，Pb和Ni含量超过国家土壤质量二级标准（GB15618—2008）；Cd与Cr，Ni无显著相关性，Pb与其他重金属呈负相关，其余重金属（As，Cu，Zn）之间均呈正相关关系，表明这些重金属具有相同的污染源；4个地区重金属潜在生态风险系数大小排序为太原市＞晋中市＞长治市＞临汾市，整体风险等级在中等以上，其中，Cd，Pb呈中等以上污染水平，潜在生态风险水平很高，是研究区主要的重金属污染源。因此，需注意Cd，Pb带来的重金属污染风险。

设施菜地；土壤重金属；潜在生态风险；污染指数

随着种植业结构的优化与调整，设施蔬菜产业得到长足发展。据统计，截至2008年，我国的设施菜地面积超过270万hm2，占世界设施菜地面积的80%以上[1]；目前仍以每年10%左右的速度在增长[2]。设施菜地作为一种集约化生产形式，在保障蔬菜市场供应的同时，其封闭的栽培模式和不合理的管理方式，也会导致一系列土壤生态环境问题，不仅影响设施蔬菜的高产、高效及优质生产，而且影响蔬菜的质量安全。其中因多种原因引起的土壤重金属含量超标问题尤其受到国内外学者的广泛关注[3-6]。

山西省是全国主要的蔬菜生产基地之一[7]，又是煤炭产出大省。煤炭开采及其相关产业所带来的重金属污染已引起多位学者的关注。另外，城市机动车的尾气排放、农业上化肥农药的过量施用、以及不合理的栽培管理措施等均会导致严重的土壤重金属污染[8]。因此，探究山西省典型设施菜地土壤重金属含量变化特征及其潜在生态风险，对于保障蔬菜安全和人类健康具有重要的意义。

本研究通过采集山西省4个典型地区（太原市、晋中市、长治市、临汾市）的设施菜地土壤，探究不同地区土壤的重金属累积特征，并揭示潜在的重金属生态风险，从而为山西省设施菜地的种植栽培和重金属污染防控提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 采样区概况

山西省地处黄土高原东部，年平均降水量为400～650 mm，年平均气温-4～14℃。设施菜地样品采集主要选择太原市、晋中市、长治市和临汾市4个地区。太原市城郊设施菜地主要种植辣椒、胡萝卜、白菜等。晋中市（E112°29′50″，N37°27′43″），是山西省粮食、蔬菜的主要产区，主要种植番茄、黄瓜等。长治市（E112°55′57″，N36°29′45″），煤化工产业发达，主要种植黄瓜、辣椒、番茄等。临汾市（E111°44′49″，N35°44′58″）是晋南工业重镇，设施菜地主要种植番茄、黄瓜等。

1.2 样品的采集

采用GPS定位，于2015年9月30日进行调研和土壤样品采集。同时根据设施菜地面积、土壤类型等，每个地区分别布设了6个采样基地，每个基地采集5次土壤样品，样品统一采集后带回实验室进行风干，研磨后备用。

1.3 分析测试方法

1.3.1 土壤理化性质 将土壤按照土水比为1∶2.5进行浸提，利用pH计测量土壤溶液pH值。利用重铬酸钾外加热法[9]测定土壤有机质含量。

1.3.2 土壤重金属含量 将土壤样品进行微波消解前处理（HF-HNO3-HCl消化），用ICP-6300测定土壤样品中As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn的含量。

1.4 潜在生态风险评价

采用瑞典科学家HAKANSON的潜在风险指数法[10]（The Potential Ecological Risk Index），评估重金属在土壤中的潜在生态风险[11-12]。根据该方法，某一区域沉积物中第i种金属潜在生态风险系数（Eir）及沉积物中多种重金属的潜在生态风险指数（RI）可分别表示如下。

式中，Cif为重金属i相对于沉积物背景值的污染系数，Cis为表层沉积物重金属i的实测含量，Cin为沉积物中重金属i的背景参考值[13]，Cd为重金属的综合污染程度，Tir为重金属i的毒性响应系数（表1）。Cif，Cd，Eir，RI相对应的污染程度及潜在生态风险程度参照王莹等[14]、陈峰等[15]、贾振邦等[16]的方法（表2）。

1.5 数据处理

表1 毒性响应系数

表2 潜在生态危害指数评价标准

采用Excel 2010进行数据处理，SPSS 19.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值、有机质和重金属含量分析

从表3可以看出，山西省设施菜地土壤pH值范围为6.95～8.52，整体呈中性偏碱性。有机质含量范围为6.22～90.88 mg/g，与山西省农田土壤有机质含量[17]相比偏高。设施菜地重金属含量排序依次为Pb＞Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞As＞Cd，7种重金属含量均高于山西省土壤背景值，Pb，Cd超标最为严重，分别达到背景值的66.8倍和10倍。参照国家土壤环境质量二级标准（GB 15618—1995），Cd，Pb和Ni超标，分别超出标准值1.68倍、2.8倍、1.29倍，由此可见，山西省重金属Pb超标最为严重。李巍等[18]研究表明，山西省设施菜地主要超标重金属为Ni和Hg，与本研究结果不一致。这主要是因为研究时间和地区差异，导致山西省设施菜地重金属累积随时间变化出现差异。

就各个区域来说，太原市的Pb，Cd含量高于背景值和国家环境质量二级标准，分别超出标准值6.4倍和1.3倍，根据崔军等[19-20]的研究推测出，可能是由于设施菜地位于太原郊区，居民和饭店燃煤及各耗石油的机器、车辆工作过程中排放产生的含有Pb的浮尘通过降水在土壤中富集。晋中市的设施菜地主要表现为Pb，Cd含量超标，超出国家土壤环境质量二级标准5.6倍和1.9倍，就地区特征来说，土壤中的Pb可能来源于农业生产中化肥和农药的不当使用。长治市设施菜地Cd含量超出国家土壤质量二级标准1.9倍，由地区主产业推断Cd污染可能来源于采矿活动和农药化肥的不当使用[21-22]。临汾市Ni，Cd的含量超标，根据LUO等[23-24]的研究可推测，Ni超标可能是因为畜禽粪便、肥料的不合理使用。以上各地区的重金属污染源头根据当地实地情况推测，具体的污染源确定需要后续进一步调查研究。

表3 土壤重金属含量、pH值和有机质含量

2.2 土壤重金属相关性分析

土壤不同重金属元素及其与pH值、有机质之间的相关性分析结果列于表4。除Cd与Cr，Ni之间无显著相关性外，其余金属之间均呈显著相关，由此可以推断，这些金属具有相同的污染源头[25-26]。Cr和Ni的相关性达到0.996，呈极显著相关，可能存在复合污染风险[27]。另外，Pb和其他重金属之间均呈负相关，与pH呈正相关，与有机质呈负相关。这表明Pb和其他重金属的污染源不同，并且Pb污染与土壤pH值升高有关。除Pb以外的重金属与土壤pH值呈负相关，表明土壤pH增大，重金属含量降低[28]，由此推测，这些重金属的污染会导致土壤pH值降低，可能与化肥、农药的不当使用有关，过量化肥、农药的施用，导致土壤pH值降低和重金属含量增加。但是有文献证实，当土壤pH值越高时，土壤中各种重金属元素在固相上的吸附量和吸附能力越强[29-30]，这与本试验的结果相反，说明土壤重金属含量不单单受酸碱度的影响，也受其他因素的影响。RAM等[31]研究表明，土壤中大部分重金属都以金属-有机物络合的形式存在，有机质影响土壤中重金属的迁移转化，进而影响土壤重金属含量。

表4 土壤重金属、pH值、有机质相关性分析

2.3 重金属综合污染程度

研究区设施菜地潜在生态风险评估结果列于表5，参照重金属污染程度标准（表2）可知，研究区整体污染等级呈较高以上；从重金属平均单项污染系数来看，研究区Pb，Cd污染程度很高。就单个区域分析，4个地区污染程度排序依次为太原市＞晋中市＞长治市＞临汾市，太原市、晋中市的Pb对各自综合污染系数的贡献率分别高达92%，89%，是这2个地区的主要污染物；长治市、临汾市的Pb，Cd是主要污染物，对综合污染系数的贡献率相当，共占62%，65%。以上证明，土壤中的Cd，Pb污染是研究区设施菜地土壤污染的重要原因[32-33]，故Cd，Pb污染的治理尤为重要。

表5 重金属综合污染程度

2.4 重金属潜在生态风险评价

由表6可知，研究区风险等级在中等以上，各地区排序为太原市＞晋中市＞长治市＞临汾市。就各区域分析，太原市、晋中市设施菜地土壤重金属污染的风险等级均为很高，从重金属单项潜在生态风险指数看，Pb的生态风险很高，Pb对综合潜在生态风险的贡献率分别达81%，73%；长治市设施菜地土壤重金属污染的风险等级较高，其中Cd的生态风险中等，对综合潜在生态风险的贡献率达到68%。临汾市设施菜地土壤重金属为中度污染，其中Cd的生态风险贡献较高，Cd的主要污染源是不合理的农业活动导致土壤中重金属一定程度的累积[34-35]。

表6 重金属潜在生态风险评价

3 结论

本试验结果表明，研究区土壤中7种重金属As，Cd，Cr，Ni，Pb，Zn，Cu元素均有不同程度的累积，Cd，Pb含量超过国家土壤环境质量二级标准，Cd超标率为96.6%，Pb超标率为37.9%。4个地区重金属含量排序依次为：太原市＞晋中市＞长治市＞临汾市。

7种重金属之间除Cd与Cr，Ni之间无显著相关性外，其余金属之间均呈显著相关，除Pb以外的重金属（As，Cd，Cr，Ni，Zn，Cu）与Pb均呈负相关，与pH值呈负相关，与有机质呈正相关。

研究的4个地区污染程度依次为：太原市＞晋中市＞长治市＞临汾市，研究区整体污染等级呈较高以上。研究区重金属潜在生态风险系数大小依次为太原市＞晋中市＞长治市＞临汾市，研究区整体风险等级在中等以上，其中，Pb，Cd的潜在生态风险等级分别为较高和中等，对总体潜在生态风险的贡献率分别为62.5%，31.7%。

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Assessment of Soil Heavy Metal Pollution in Greenhouse Vegetable Land—Taking Central and Southern Shanxi Province as an Example

FANYuan1，2，LIULishuo1，3，SONGKaiyue1，3，ZHANGLichun1，3，QINJie1，3，LI Hua1，3，CHENGFangqin1
（1.Institute ofResources and Environmental Engineering，Shanxi University，State Environmental Protection KeyLaboratory ofEfficient Utilization TechnologyofCoal Waste Resources，Taiyuan 030006，China；2.Institute ofAgricultural Environment＆Resources，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，KeyLaboratoryofSoil Environment and Nutrient Resources ofShanxi Province，Taiyuan 030031，China；3.College ofEnvironmental and Resource Sciences，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

In the research,four typical greenhouse vegetable bases in Shanxi province（Taiyuan,Jinzhong,Changzhi,Linfen）were chosen to analyze the contents of soil heavy metals（As,Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn）,and assess the heavy metal pollution and potential ecological risk.The results showed that the contents of soil heavy metal all exceeded the background values in Shanxi province.And the contents of Cd,Pb and Ni were more than that of national standard of soil quality（GB 15618-2008）.The correlation analysis indicated that Cd had no significant correlation with Cr and Ni.Pb was negatively correlated with other heavy metals.There were markedly positive relation between As and Cu,Zn.This indicated that these heavy metals had the same source of pollution.The potential ecological risk of soil heavy metals was in the order:Taiyuan＞Jinzhong＞Changzhi＞Linfen.The overall risk of heavy metals was at moderate level.Cd, Pb showed a above moderate pollution level and high potential ecological risk.And they were the main pollutant source in the research area.Thus,there is a need topayattention tothe pollution risk ofCd and Pb in greenhouse soils.

greenhouse vegetable land;soil heavymetal;potential ecological risk;pollution index

X53

：A

：1002-2481（2017）01-0093-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.01.24

2016-12-14

山西省土壤环境与养分资源重点实验室开放基金项目（2004004）；山西大学科研训练项目（2016014347）

范 远（1984-），女，山西长治人，讲师，主要从事土壤修复研究工作。程芳琴为通信作者。