大棚轮作对土壤重金属污染的修复和控制作用探究

崔向丽 王沛 李啸飞 王储 贾超敏 王春玲 陈玉鹏

摘 要 随着新时代农业的发展，蔬菜大棚在农业产值方面取得了可观的收益，但封闭式大棚内的土壤因使用周期、化肥农药等原因污染越来越严重，为蔬菜食品安全和人类身体健康带来了隐患。基于此，以山西省太谷县周边蔬菜大棚为主要调查对象，采集20多个不同设施大棚中土壤和植物样品，并对其进行镉铜锌重金属元素的含量测定，通过重金属含量、植物富集系数、土壤去除率等评定土壤和农作物现状，比较出不同轮作方式下能够修复和控制土壤中重金属污染的最优轮作方式。

关键词 蔬菜大棚；土壤污染；轮作方式；重金属

中图分类号：X53 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.23.093

1 研究背景

土壤在农业生产中起着重要的作用，其健康指标是衡量人类生存环境的重要指数。但近年来由于过度使用农业化肥、农药以及大棚使用年限的增长等原因，导致我国蔬菜大棚频繁出现土壤重金属污染问题。朱兰保等人指出北京市土壤受Pb、Hg、Cd不同程度的污染，其中Hg污染最为严重[1]。马晓瑾等人也指出太谷县玛钢厂附近的种植田地中，土壤重金属单项污染指数的特征为Cu>Cr>Hg>Zn>Pb>Cd，多半采样点都属于中等以上重金属污染水平[2-3]。土壤中的重金属通过一定的物理化学过程，会形成不同形态的络合物，严重时可导致土壤失去自然生产力，成为不毛之地[4-5]。

重金属在土壤环境中具有一定的相对稳定性，因此治理重金属污染要花费巨大的代价。据测算，在发达国家利用掩埋法清除0.4 hm2土地内的重金属污染，平均需要花费247.11万美元[6]。目前，在清除重金属污染的方法中，如物理化学方法或微生物法不仅具有二次污染，且现场施工过程复杂，难以有效地付诸实施。Ilya Raskin认为植物修复所取得的最大的进步是去除环境中的重金属之后，利用植物去除环境中污染物的植物修复技术备受关注[7]。环境科学家们先从研究超量积累植物起步，到近几年不仅局限于研究超量积累植物，并开始着手研究农业活动用于去除环境中重金属的可能性，在研究范畴与观念上发生了一定的变化，希望探索合理的农业生产活动，以修复、控制土壤中的重金属污染。

2 材料与方法

2.1 试验地点

2016—2018年，在山西省晋中市太谷县周边设施蔬菜大棚及资源与环境试验基地进行了该实验。太谷县位于东经111°28′～111°111′、北纬37°12′～37°32′，属暖温带、温带大陆性气候，年平均气温9.9 ℃，年平均降水量462.9 mm，平均无霜期176 d。

2.2 试验设计

为滿足较高重金属累积的研究需求，本实验通过调查种植年限达5年及以上的大棚，采取轮作方式一年内种植2茬以上且每茬作物种类不一的植物样和土样，并记录大棚内农作物的种植情况、每种植一茬作物所使用化肥的种类、结构、比例以及用量、部分蔬菜水果喷洒农药的种类等情况，具体情况见表1。试验共设3个处理，分别为采样、土壤及植物样处理、重金属测定。

2.3 样品处理与测定

2.3.1 样品处理

将土壤样品倒在A4白纸上，将其中的大石块、落叶等非土壤残落物捡出来，并在A4纸上标记好该土壤所属大棚号，防止混淆，待土壤全部风干后，每一波土壤样均用玛瑙研钵研细，多次过直径为0.2 mm的尼龙筛，完成后保存于聚乙烯袋中密封，做好标记，备用。

植物样用自来水、蒸馏水冲洗干净后，用干净的剪刀或刀子切成片状放于培养皿中，然后把培养皿放入烘箱中，经95 ℃杀青30 min，60 ℃下烘干至恒重，最后用玛瑙研钵研磨碎，备用。

2.3.2 样品测定

各元素所需测定方法不一，按照国家标准对各元素分别进行测定。Cd、Cu根据《食品安全国家标准 食品中镉的测定》GB/T 17141—1997用石墨炉原子吸收分光光度法。Zn根据《食品安全国家标准食品中锌的测定》

GB 5009.14—2017用火焰原子吸收分光光度法。

2.4 数据处理分析

2.4.1 富集系数

富集系数指植物某一部位的元素含量与土壤中相应元素含量之比，反映植物中元素迁移的难易程度，其公式为：

BCF=C植物/C土壤 （1）

C植物指第二茬植物重金属Cd的浓度，C土壤指采集第二茬植物时所对应的土壤的重金属Cd的浓度。

2.4.2 去除率

去除率指通过不同的轮作方式使土壤中重金属含量降低的比率，其公式为：

η=（C2-C1）/C1 （2）

C1指第一茬作物后土壤重金属浓度，C2指第二茬作物后土壤重金属浓度。结果处理采用Excel进行统计分析、计算及作图。

3 结果与分析

3.1 太谷县主要设施大棚内土壤重金属污染情况

结合表2、表3、表4对太谷县所采集蔬菜大棚内土壤受重金属污染程度进行对比分析，可以得出只有一处大棚内土壤重金属Cd超过国家一级环境质量标准，其数值为0.243 mg·kg-1，但并未超过国家二级指标，几近无污染。对于重金属Cu、Zn来说，其土壤浓度近一半均超过国家一级土壤环境质量标准，却并未超过国家二级指标，尚在安全范围之内。

3.2 太谷县主要设施蔬菜Cd、Zn、Cu富集的能力

不同种类蔬菜植物对重金属的富集能力不同，可以利用其性质修复和控制土壤中的重金属污染。本实验中蔬菜种类可分为叶菜类（油麦菜、生菜、白菜、空心菜）、茄科类（茄子、西红柿、辣椒、菜椒）、瓜果类（甜瓜、西葫芦、黄瓜）、根茎类（西芹）、目豆类（豆角）、葱属类（葱、韭菜）和菊科类（莴苣），其对于Cd、Zn、Cu的吸收富集能力如图1所示。从中可以明显看出，整体来说对重金属富集能力最强的是叶菜类植物，如油菜、空心菜、生菜。而单从重金属Cd来说，其富集程度呈叶菜类>葱属类>茄科类>根茎类>瓜类>目豆科和菊科；观察植物对Cu的富集能力趋势，不难看出其与Cd的吸收富集具有极大的相似性。因此，我们可以利用其富集特性，用叶菜类或葱属类植物与其它作物交叉种植来修复土壤中的Cd及Cu污染。对于重金属Zn，图1中反映的植物种类对Zn的富集能力相差不大，但富集能力最大的仍为生菜，其次为菜椒，这说明植物在对Zn的富集能力上，叶菜类>茄科类。

3.3 不同轮作方式对土壤Cd、Cu、Zn含量及去除率的影响

不同的轮作方式，会对土壤中的重金属含量产生不同的影响，从表5整体来看，90%的轮作方式都对土壤中的Cd具有较好的去除效果。相反，对于Cu、Zn来说，则一半轮作方式可去除，一半轮作方式反而使之含量升高，所以采取一定的轮作方式控制土壤中重金属含量尤为重要。

当前茬作物均为茄子时，后茬作物种植西芹较种植西红柿使土壤中Cd去除率高，与Cu、Zn则相反。同样，当前茬作物均为甜瓜时，甜瓜-西葫芦的轮作方式较甜瓜-西红柿、甜瓜-豆角的种植方式去除Cd效果好，而对于Zn、Cu，则是甜瓜-豆角去除效果最佳。前茬作物均为西红柿时，后茬作物无论为何种作物均对重金属Cd具有一定的去除效果，但对于Cu、Zn来说较好的轮作方式是西红柿-韭菜、西红柿-葱。如若采用根茎-叶菜类轮作方式，则西芹-油麦菜对Cd去除效果好，而西芹-生菜则对Zn、Cu去除效果好。对于同一轮作方式对Cd、Cu、Zn产生结果的差异，其原因可能是植物对于农家肥、复合肥及动物粪便的吸收较多，而这其中含有较多的Cu、Zn元素，但Cd多来源于工业及自然环境。

4 讨论

4.1 大棚使用年限对重金属元素的影响

方勇、李德成、李忠佩的研究均表明，设施蔬菜大棚中重金属的堆积与棚龄的增长呈正相关关系，长达5年以上的大棚，其土壤重金属含量随着使用年限的增加而不断增加[8-9]。在受污染的设施蔬菜大棚中，其年限超过5年及5年以上的土壤中重金属含量要大于年限小于5年的大棚，同时大棚内土壤所受Zn、Cu污染程度远远大于Cd，可能是因为菜农经常施用带有大量Cu、Zn元素的农家肥、菌肥以及动物粪便的原因。

4.2 蔬菜重金属的富集特性

由于重金属在土壤中的迁移性较强，且植物对重金属的吸收能力强，何江华在其文献中指出，叶菜类对重金属的吸收富集较其他种类蔬菜更高[10]，本试验也有相同的结论。但关于植物对Zn、Cu、Cd吸收的差异，原因可能是植物对前两种元素有生理需求，但含量过高也会影响蔬菜品质。因此太谷县居民可多种植叶菜类植物去除土壤中的有毒重金属，不可食用。

4.3 轮作方式控制土壤重金属

植物修复土壤的影响因子较复杂，包括施撒农药化肥的浓度及污染时间、土壤pH值、水分及有机质等，不同植物之间种植存在对重金属积累程度上较明显的差异。

局述云发现，麦季间作伴矿景天可有效降低后茬茄子对重金属的吸收，并使土壤重金属浓度比对照降低24.3%，达到了较好的修复效果[11]。文典、李富荣也在菜稻菜轮作模式的实验中发现，水稻对重金属Cd的富集能力远大于蔬菜，而菜稻菜轮作可有效避免水稻中Cd的富集[12]。由此可见，合理的轮作方式不仅可以控制土壤中的重金属污染，还能控制植物中可食部位的Cd含量。試验针对不同元素有其合理的轮作方式，但对于同一种轮作方式下对土壤中Cd含量升高，Cu、Zn含量降低的原因，如甜瓜-豆角轮作，可能是因为Cu、Zn作为植物必要的微量元素，本身会被植物吸收富集，导致土壤中Cu、Zn含量降低，进而会影响土壤的去除率。因此，针对此情况还需大量的实验得出控制土壤中Cu、Zn含量的最佳方式。

5 结论

1）太谷县所采集大棚内土壤重金属Cd、Zn、Cu均未超标（指标超过国家二级标准水平），土壤环境安全，部分可能含量较高，应采取一定的控制措施。2）通过对不同种类蔬菜的富集系数进行比较，叶菜类植物对重金属的富集能力最强，因此可采用叶菜类植物的种植去除土壤重金属，但不可食用，以免危害人类健康。3）对于Cd来说，避免采用甜瓜-豆角、甜瓜-西红柿、西葫芦-西红柿的轮作方式，其余轮作方式无较大影响；而对于Zn、Cu来说，则多采用西红柿-葱、西芹-生菜、甜瓜-豆角的轮作方式。

6 研究展望与不足

本试验初步探讨了在不同的轮作方式下，轮作种类对土壤中重金属Cd、Zn、Cu含量的影响。因工作量与时间的关系，该试验只选择了两茬作物，要在普通作物当中找出对重金属具吸收能力的轮作方式，还需对其他方面进行深入研究。在利用植物对重金属进行修复的实验中应避免对环境造成“二次污染”，多增加空白对照实验，以提高实验的准确性。此外，该试验并未深入研究土壤的物理性质，如施肥、农药种类、农药浓度等对土壤及植物重金属形态之间的关系，且试验只研究了作物可食部位的重金属含量，各个器官的生长品质以及对重金属的吸收还有待进一步验证。

参考文献：

[1] 朱兰保，盛蒂.重金属污染土壤生物修复技术研究进展[J].工业安全与环保，2011（2）：24-25.

[2] 马晓瑾，刘子姣.太谷县玛钢厂周边蔬菜地土壤重金属污染现状及生态风险评价[J].山西科技，2017，32（6）：92-96.

[3] 马晓瑾，刘子姣.太谷县不同年限大棚土壤性质及养分含量变化特征[J].山西农业科学，2017，45（10）：1638-1642.

[4] 姚冬而.水稻田的锌毒害及其防治措施[J].浙江农业科学，1997（3）：127-128.

[5] 蒋玉根.农艺措施对降低污染土壤重金属活性的影响[J].土壤，2002（3）：145-148.

[6] Ilya Raskin，Robert D Smith，David E Salt.Phytoremediation of Metals：Using Plants to Remove Pollutants from the Environment[J].Current Opinion in Biotechnology，1997，8（2）：221-226.

[7] 桑伟莲，孔繁翔.植物修复研究进展[J].环境科学展，1999，7（3）：40-44.

[8] 方勇.不同棚龄土壤重金属含量变化及污染评价[J].山西果树，2012（1）：58-61.

[9] 李德成，花建明，李忠佩，等.不同利用年限蔬菜大棚土壤中微量元素含量的演变[J].土壤，2003，35（6）：495-499.

[10] 何江华，柳勇，王少毅，等.蔬菜对重金属富集能力的研究——以广州蔬菜生产基地为例[J].重庆环境科学，2003，25（12）：4-6.

[11] 居述云，汪洁，宓彦彦，等.重金属污染土壤的伴矿景天/小麦-茄子间作和轮作修复[J].生态学杂志，2015，34（8）：2181-2186.

[12] 文典，李富荣，赵洁，等.菜稻菜轮作模式对土壤Cd形态分布的影响研究[J].热带作物学报，2014，35（7）：1272-1277.

（责任编辑：赵中正）