南京市3种果园土壤重金属分布特征及污染评价

2018-03-02景金泉毛久庚马建宏

江西农业学报 2018年2期

黄莹，景金泉，毛久庚，马建宏，杜娟，肖旭*

随着社会经济的发展，特别是工业“三废”的排放以及含重金属农药和化肥的大量施用，土壤中重金属含量不断增加，严重危害了土壤和农产品的质量安全。同时，生活水平的提高促使人们更加关注果品的质量问题，对果品质量安全的要求不断提高，越来越重视绿色食品和无公害果品土壤环境质量的监测与评价。果园土壤环境是果树生长的载体，土壤重金属含量是绿色食品产地环境监测中的一项重要指标［1］。重金属积累到一定程度不仅会污染果园土壤，影响果树生长发育和果品品质，并且会通过食物链对人体健康造成危害。目前，国内外对果园土壤的可持续发展已有研究。据报道，国外许多果园土壤的铜积累现象严重［2－5］，如法国葡萄园中全铜含量达到100～1000 mg／kg［6］，我国果园土壤的重金属已发生不同程度的积累，如重庆市金果园中，葡萄园和桃园表层土壤中重金属Cd污染达到轻度污染，梨园土壤的Cd和桃园的Pb含量则处于警戒水平［7］。因此，监测和评价果园土壤重金属污染状况，对于果园合理管理、发展优质高效的果园安全生产非常重要。

我国工业化、城市化、农业集约化将持续快速发展，不同来源的含重金属污染物质还将不断进入土壤环境。因此，除了有效遏制土壤重金属污染，对土壤重金属污染进行评价以确定污染风险，可为重金属污染土壤的修复提供管理依据［8］。在美国重金属污染监测已被纳入果园的营养管理。为此，从1995年开始，中国农业部首次颁布了《GB 15168—1995土壤环境质量标准》。张彩云等［9］以《GB 15168—1995土壤环境质量标准》中对重金属含量的限定值作为依据，对不同种植年限（20年和60年）果园土壤环境质量进行评价，结果表明：2种果园土壤环境质量均为清洁。2008年，《GB 15168—1995土壤环境质量标准》第一次修订为《GB 15168—2008土壤环境质量标准》，GB 15168—1995标准同时被废止。苏亚勋等［10］根据《GB 15168—2008 土壤环境质量标准》对天津市不同园区果园土壤环境质量进行评价，发现部分园区果园土壤镉属于轻度污染。

按照现代农业发展的要求，南京加快农业产业结构调整，2009年果品、茶叶等高附加值作物的产值占种植业产值比重由2005年的66.3%增加到2009年的74.3%。然而，对于南京市不同地区果园土壤重金属分布特征和污染的风险评价研究却鲜见报道。因此，本文结合《GB 15618—2008土壤环境质量标准》二级标准和《NY／T 391—2013绿色食品产地环境质量标准》，采用单因子污染指数法和内梅罗污染指数法综合评价南京市果园土壤（桃园、梨园和葡萄园）重金属（Cu、Pb、Cr、Hg、As、Cd）含量水平，从总体上掌握南京市不同果园土壤重金属的分布特征，以期为南京市果品可持续发展和果园生态系统环境质量的改善提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 土样采集与制备

选择南京市为研究区域，于2011年4月～2013年5月采集116个代表性果园（桃园、梨园和葡萄园）的0～20 cm表层土壤。调查区气候属北亚热带季风气候，全年平均降水量1077 mm，年均气温16.8～17.0℃。据实地调查，所选不同园区土地作为桃园、梨园和葡萄园的用途未曾改变。3个园区位于山区平坦的塬面，远离公路，没有酸雨、工业废弃物以及汽车尾气污染问题。用GPS定位，在样点附近以“S”法采取表层土壤（0～20 cm）混合样。为避免污染，采样过程中使用木铲等工具，采样时根据不同果园的面积和地形，决定采样点的数量和分布。每个果园选择代表性果园土壤，设置6～8个采样点，将各采样点的土样混合均匀，用四分法弃取至各混合土样保留1 kg左右。土样经风干、磨碎分别过20目和100目筛备用。

1.2 测定方法

土壤中 6 种重金属元素（Cu、Pb、Cd、Hg、As、Cr）含量具体方法为：称取过100目筛土壤样品0.5 g，经盐酸－氢氟酸－高氯酸－硝酸消煮，采用等离子体原子发射光谱仪（ICP－AES）测定土壤 Cu、Pb、Cd、Hg、As、Cr的含量。

1.3 污染评价标准与方法

1.3.1 污染评价标准参考《GB 15618—2008土壤环境质量》（表 1）和《NY／T 391—2013绿色食品产地环境质量标准》（表2）中“土壤中各项污染物的含量限值”为评价标准，评价南京市果园土壤重金属的污染现状。

表1 GB 15168—2008土壤环境质量标准的二级标准限值 mg／kg

表2 NY／T 391—2013绿色食品产地土壤环境质量标准限值 mg／kg

1.3.2 污染评价方法（1）单因子污染指数评价法：

式中：Pi为土壤重金属i的污染指数；Ci为重金属i的实测含量；Si为重金属i的含量限值。

（2）内梅罗污染指数法：

式中：PN为内梅罗污染指数；Pimax为土壤重金属的最大污染分指数；Pi为各污染分指数的算术平均值。

内梅罗污染指数法与单因子污染指数法采用相同的评价分级标准：当Pi≤0.7，土壤环境处于清洁状态；0.7＜Pi≤1.0，土壤重金属含量不超标，属尚清洁，不影响作物的正常生长发育，但污染已处于安全警戒状态；Pi＞1.0，土壤重金属含量超标，对作物的生长发育有影响，其中 1.0＜Pi≤2.0为轻度污染，2.0＜Pi≤3.0为中度污染，Pi≥3.0为重度污染。

2 结果与分析

2.1 南京市果园土壤重金属含量的差异

对南京市茶园土壤重金属含量的检测结果见表3。由表3可知，2011～2013年间南京市地区不同果园土壤中 Cu、Pb、Cr、Hg、As、Cd 平均含量均低于《无公害食品产地环境条件》和《绿色食品产地环境条件》中无公害和绿色果园土壤环境质量标准限量要求。6种重金属在不同园区的含量存在显著差异，不同果园土壤重金属 Cu含量为11.2～52.0 mg／kg，均值为27.4 mg／kg。重金属Cu的平均含量表现为桃园＞梨园＞葡萄园，其中葡萄园土壤的Cu含量样本之间差异最大，变异系数为39.9%。As含量为1.8～15.1 mg／kg，均值为 8.2 mg／kg；桃园、梨园、葡萄园中重金属 As平均含量分别为 8.2、8.2、7.9 mg／kg，差异不是很显著，但是桃园土壤的As含量样本差异最大，变异系数为42.5%。 Cr含量为 23.4～158.9 mg／kg，均值为62.7 mg／kg，桃园、梨园、葡萄园中重金属 Cr平均含量分别为74.0、55.0和59.2 mg／kg。3个果园中以桃园土壤重金属Cu和Cr平均含量的最高，这可能与桃园肥料、农药的施用有关。鸡粪是桃园施加的主要有机肥，而鸡粪中Cr的含量一般较高。因此，桃园土壤Cr平均含量较高。重金属Pb含量1.2～28.9 mg／kg，均值为17.2 mg／kg，其中，最高含量为最低含量的24.1倍；Pb的平均含量表现为葡萄园＞梨园＞桃园，其中以桃园土壤的Pb含量样本之间差异较大，变异系数为41.1%。Cd含量为0.03～0.26 mg／kg，均值为0.10 mg／kg，桃园、梨园、葡萄园中重金属 Cd平均含量分别为0.10、0.08和0.12 mg／kg，差异不是很显著，3种果园土壤的Cd含量变异系数在43.7%～47.5%，样本之间差异较大。总体来看，3个果园Hg含量为0.02～0.21 mg／kg，均值为 0.06 mg／kg，桃园、梨园、葡萄园中重金属Hg平均含量分别为0.06、0.05和0.08 mg／kg，差异不是很显著，但3个果园的样本之间差异较大，变异系数在55.9%～62.5%。3个果园Cu、Pb、Cr、Hg、As、Cd 的平均值分别为 24.2～30.5、15.8～18.6、0.08～0.12、0.05～0.08、7.9～8.2、55.0～74.0 mg／kg，梨园的Cd含量以及梨园、桃园和葡萄园的Cu含量超过江苏省土壤背景值，说明Cu在3个果园的土壤均有一定程度的积累，Cd在梨园土壤的积累现象较明显。

表3 南京市果园土壤重金属含量状况 mg／kg

2.2 果园土壤重金属污染评价

2.2.1 无公害果园产地土壤重金属污染评价以土壤环境质量标准（按GB 15618—2008二级标准执行）为评价标准，有一项单项污染指数大于1，即可判定为土壤不合格。评价结果表明（表4），南京地区不同果园土壤重金属污染程度分别为：桃园Cr＞Cd＞As＞Cu＞Hg＞Pb；梨园 Cr＞As＞Cu＞Hg＞Cd＞Pb；葡萄园 Cd＞Cr＞As＞Hg＞Cu＞Pb。不同果园土壤 6 种重金属单项污染指数平均值均小于0.7，桃园、梨园和葡萄园土壤重金属综合污染指数分别为0.58、0.42和0.66（图1），土壤环境质量评价均为清洁。

表4 以“土壤环境质量标准”为评价标准的单项污染指数

图1 南京市不同果园土壤重金属污染程度

2.2.2 绿色食品产地土壤重金属污染评价以绿色食品产地土壤环境质量标准（按NY／T 391—2013二级标准执行）为评价标准，有一项单项污染指数大于1，即可判定为土壤不合格。评价结果表明（表5），南京地区不同果园土壤重金属污染程度分别为：桃园Cr＞Cu＞As＞Pb＞Hg＞Cd；梨园 Cu＞Cr＞As＞Pb＞Cd＞Hg；葡萄园 Cr＞Cu＞Cd＞Pb＞As＞Hg。不同果园土壤 6 种重金属单项污染指数平均值均小于0.7，说明南京市果园土壤环境中的重金属含量水平符合绿色食品生产的要求。3个果园土壤重金属Cu、葡萄园土壤的Cd、Hg和Cr以及桃园土壤的As单项污染指数大于0.7，但小于1，已接近绿色食品产地土壤污染警戒线。个别桃园土壤的Cr积累比较严重，Cr的单项污染指数为1.32，Cr单项污染指数在1以上的果园占样品的12%。因而，南京市桃园土壤Cr的污染现状，应引起有关部门的高度重视，否则会对桃园的建设和发展造成不良后果。从综合污染指数来看，南京市桃园、梨园和葡萄园土壤重金属综合污染指数分别为0.98、0.70和0.71（图1），土壤环境质量评价分别为尚清洁、清洁和尚清洁。

3 讨论

本研究表明，桃园、梨园和葡萄园土壤的Cu含量均超过江苏省土壤背景值，说明南京市桃园、梨园和葡萄园的Cu在土壤中有一定程度的积累。重金属污染是我国重要的土壤环境污染问题。果园土壤重金属污染物的输入途径主要有污水灌溉、化肥农药的不合理使用、城镇垃圾等。其中，果园土壤铜外界输入的主要途径主要有喷施含铜杀菌剂和有机肥施用［12－15］。波尔多液等含铜杀菌剂是在果园中的使用不仅频繁而且用量大，造成铜在果园土壤中逐步积累；此外，果园中养殖粪便施用量增多，而饲料添加剂中铜的使用由于增加了粪便中铜的含量，从而进一步加重果园土壤铜的积累。因此，喷施含铜杀菌剂以及畜禽粪便施用量的增加是南京市不同地区果园土壤环境中的重金属Cu积累的主要原因，这与卢树昌等［16］对天津市郊区果园土壤重金属Cu积累的原因分析一致。同一地区，果园土壤重金属积累主要与区域和管理措施有关。如表5所示，南京市葡萄园土壤的Cd、Hg和Cr以及桃园土壤的As含量均接近绿色食品产地土壤污染警戒线，这一方面是由于果农向果园中施入了含Cd、Hg和As的化肥及农药，造成土壤中重金属的累积。刘子龙等［17］对石河子葡萄主产区土壤的Cd含量进行测定，发现由于含Cd叶面肥、化肥及农药的施用造成土壤中Cd的积累，Cd含量超过《绿色食品土壤环境质量条件》的限定值，单因子污染指数接近1。说明施用含重金属的肥料或农药是造成目前果园土壤重金属积累的主要原因；另一方面，则与农民施用铵态氮肥有关。据调查，铵态氮肥是加速土壤酸化的一个重要原因［18］，在酸性环境下，致酸离子与土壤胶体吸附的重金属离子发生交换，造成土壤中被固定的重金属发生淋溶，从而使土壤中重金属含量增加［7］，南京市不同地区的果农普遍重施铵态氮肥是导致重金属Cd生物有效性提高的可能原因之一。此外，本研究结果显示，不同果园以葡萄园土壤中的Pb含量最高。这与不同园区种植的树种不同，化肥农药的施加量存在差异有关［19］，南京市葡萄园区由于长期使用磷肥和有机肥，提高了Pb的生物有效性［20］，因此Pb含量高于其他果园。汤民等［7］对重庆市金果园区土壤的重金属含量进行调查，发现桃园的Pb和Cd含量均达到警戒水平，他们认为一方面由于磷肥中含有较多的Cd、Pb，另一方面由于重庆市属于酸雨重污染区，随着土壤酸度增加，重金属离子的溶解度逐渐增大，从而导致重金属含量增加。本研究的采样区域位于山区，不存在酸雨污染现象，并且周边没有工厂污染物，因此葡萄园土壤Pb含量较高主要与施肥种类有关。

表5 以绿色食品产地环境质量标准为评价标准的单项污染指数

由于生活水平的提高，食品安全性已成为当今社会评价食品质量的重要内容。绿色食品是指无污染的安全、优质、营养食品。由于产地的土壤环境质量是影响绿色食品质量的最基础因素之一，因此科学评价土壤环境质量是绿色食品生产中一个重要环节。《NY／T 391—2003绿色食品产地环境质量标准》相比《土壤环境标准》，其分级标准更加符合绿色食品产地土壤环境质量综合评价的实际要求，因此可对绿色食品产地的土壤环境质量进行科学合理的评价［21］。刘云霞等［22］对利用土壤质量环境标准和绿色食品产地土壤环境质量标准同时对陕西长武县苹果园地土壤环境质量进行评价，发现，二者的综合污染指数均小于0.7，土壤环境质量均为清洁。有研究对石河子葡萄主产区51个果园的土壤重金属含量进行污染评价，发现 Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、As含量均未超高土壤环境质量标准的限值，但是49.02%果园土壤的Cd含量以及所有果园的Pb含量均超过了绿色食品土壤环境质量标准的限定值，因此，石河子葡萄主产区果园土壤环境质量只符合土壤环境质量标准［17］。本研究中，以土壤环境质量标准的限定值为依据，不同果园土壤6种重金属单项污染指数平均值均小于0.7，桃园、梨园和葡萄园土壤重金属综合污染指数分别为0.58、0.42和0.66（图1），土壤环境质量评价均为清洁。以绿色食品产地土壤环境质量标准的限定值为依据，从综合污染指数来看，南京市桃园、梨园和葡萄园土壤环境质量评价分别为尚清洁、清洁和尚清洁。但个别桃园土壤的Cr积累情况较严重，Cr单项污染指数在1以上的果园占样品的12%，不符合绿色食品产地土壤环境质量标准，应引起相关部门的重视，采取防范措施，以预防为主，科学施加农药和肥料。

4 结论

（1）在监测的116个样品中，6种重金属（Cu、Pb、Cr、Hg、As、Cd）的含量都未超过无公害食品和绿色食品产地环境条件土壤重金属含量限值。

（2）从应用绿色食品产地环境技术条件土壤质量标准的评价结果来看，桃园、梨园和葡萄园土壤重金属Cu、葡萄园土壤的Cd、Hg和Cr以及桃园土壤的As已接近绿色食品产地土壤污染警戒线。个别桃园土壤Cr单项污染指数为1.32，Cr单项污染指数在1以上的果园占样品的12%。从综合污染指数来看，南京市桃园、梨园和葡萄园土壤环境质量评价分别为尚清洁、清洁和尚清洁。

（3）从应用无公害食品产地环境技术条件土壤质量标准的评价结果来看，116个样品中重金属（Cu、Pb、Cr、Hg、As、Cd）的含量水平均符合无公害食品产地环境质量标准。

为了果园用地的土壤安全，确保长期生产安全、优质、绿色果品，今后应严禁施用重金属超标的肥料和农药，控制或消除果园土壤重金属污染和累积，监测和控制土壤重金属Cu、Cd、Hg和 As的含量，重点控制重金属Cr的含量。

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