延安市蔬菜大棚土壤重金属污染评价及影响因素

祁迎春 王建 黄瑶

摘要：通过对陕西省延安市蔬菜基地大棚土壤中铬（Cr）、镉（Cd）、铅（Pb）、锰（Mn）、镍（Ni）5种重金属含量和土壤基本理化性质的测定，分析土壤重金属污染特征及影响因素，并采用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在生态危害指数法对土壤重金属污染进行评价。结果表明，土壤重金属Cr、Pb、Ni的含量均小于《土壤环境质量标准》的二级限值，单项污染指数均小1，属于清洁水平;Cd含量在0.11～1.08 mg/kg之间，超标样品比率达60%，单项污染指数为1.03，达到轻度污染水平;重金属内梅罗综合污染指数平均值为0.83，属于警戒线水平;5种重金属综合潜在生态风险指数均值为214.05，处于中等潜在生态风险等级，Cd对潜在生态风险的贡献率为92.6%，是最主要的生态风险因子;相关性分析表明，土壤重金属污染与肥料的施用有关，Cd含量与有机质含量、速效磷含量、全氮含量间呈极显著或显著正相关关系。

关键词：蔬菜大棚;土壤重金属;污染特征;影响因素

土壤作为农业生产的重要基础，其质量的优劣直接影响着农作物安全和土壤环境的可持续发展[1]。随着我国农业结构的优化与调整，设施农业得到迅速发展。设施农业土壤常年处于高温、高湿的环境，加之化肥农药的大量使用及土地超强度的利用致使土壤理化性质发生改变，继而出现土壤酸化板结、盐渍化、养分失调、重金属累积、微生物区系改变等一系列问题，尤其是重金属污染问题日益突出。贺小琴等调查结果表明，丽水市水阀工业园区石牛大桥附近蔬菜基地铅（Pb）、镉（Cd）超标10倍[2];楚纯洁等对河南省叶县等地的露天和设施蔬菜地土壤重金属分析得出，菜地土壤已受到不同程度的重金属污染[3]。李曈等研究发现，不同棚龄土壤铬（Cr）、Pb、砷（As）、汞（Hg）含量均随着种植年限的增加而提高，种植蔬菜1～5年，土壤Cd、As、Hg含量分别提高143.5%、51.1%、 60.2%[4]。可见，菜地土壤重金属超标问题已成为威胁人类食品安全的突出环境问题。不同区域、不同种植模式下土壤重金属污染特征、污染评价及影响因素和生态修复等成为学者们研究的热点[5-10]。目前，陕北地区土壤重金属污染方面的研究主要集中在矿区和农田，而对蔬菜大棚土壤重金属污染方面的研究很少。因此，为了解当地土地利用方式和管理模式下蔬菜大棚土壤重金属的污染特征，以陕西省延安市近郊典型的蔬菜生产基地为研究对象，分别测定土壤中Cr、Cd、Pb、锰（Mn）、镍（Ni）5种重金属的含量，采用污染指数法对土壤重金属污染进行评价，并运用统计分析方法研究重金属污染的影响因素，揭示土壤重金属污染特征和土壤环境质量状况，为大棚蔬菜的安全生产和重金属污染修复提供必要的基础数据和理论依据。

1 材料与方法

1.1 土壤样品的采集与处理

以陕西省延安市典型的4个蔬菜生产基地蔬菜大棚为采样地点，每个蔬菜基地分别选取具有代表性的大棚5个，每个大棚采取0～20 cm土层土壤样品3个，就地混合成1个土壤样品，共20个样品，同时用全球定位系统（GPS）记录每个样点的具体坐标。采回的土样经自然风干后，拣出石块和植物残体，研磨并全部通过100目尼龙筛保存供重金属含量的测定。

1.2 测定方法

土壤pH值采用玻璃电极法，水土体积比为2.5 ∶ 1;土壤有机质含量采用总有机碳分析仪测定;碱解氮含量采用碱解扩散法测定;速效钾含量采用醋酸铵-火焰光度计法测定;速效磷含量采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法测定;全氮含量采用凯氏定氮法测定;重金属全量采用盐酸-氢佛酸-硝酸-高氯酸体系消解原子吸收分光光度法测定。

1.3 评价标准与方法

1.3.1 评价标准 以陕西省土壤背景值和GB 15618—1995《土壤环境质量标准》中的二级标准值为依据进行评价，具体标准见表3。

内梅罗综合污染指数能够反映重金属共同作用对土壤的污染程度，1号基地土壤内梅罗综合污染指数均小于1，土壤处于安全等级;2号、3号、4号基地部分采样点土壤内梅罗综合污染指数大于1。总体来看，研究区蔬菜基地土壤平均内梅罗综合污染指数为0.83，处于警戒线水平。其中，30%的采样点土壤综合污染指数小于0.7，处于安全等级;35%的采样点土壤內梅罗综合污染指数在0.7～1.0之间，处于警戒级水平;35%的采样点土壤其值在1.0～2.0之间，处于轻度污染水平，不存在中度污染水平土壤和重度污染水平土壤。

2.3 不同蔬菜基地土壤重金属潜在生态风险评价

以陕西省土壤背景值作为参比值，分别计算单一重金属潜在生态风险指数和综合潜在生态风险指数，分析结果见图1、图2。从图1可以看出，5种重金属的平均潜在生态风险指数由强到弱依次为Cd>Pb>Ni>Cr>Mn，Cd潜在生态风险指数为198.10，对潜在生态风险的贡献率为92.6%，是最主要的生态风险因子;Pb、Ni、Cr和Mn的潜在生态风险指数均小于40，处于轻微的潜在风险水平。从图2可以看出，1号基地土壤综合潜在风险指数最低，平均值为 128.57，处于轻微潜在风险水平;2号基地土壤综合潜在风险指数最高，平均值为283.06，处于中等及较强潜在风险水平;3号、4号基地土壤综合潜在风险指数平均值分别为222.43、222.14，除个别采样点外，土壤基本上都处于中等潜在风险水平。重金属综合潜在生态风险指数在48.40～359.04之间，平均值为214.05，处于中等潜在生态风险等级。

对研究区土壤潜在的生态风险进行分级评价，结果见表9：从单一重金属潜在的风险等级来看，Cd的生态风险等级最高，90%采样点处于较强及以上潜在风险等级，55%采样点处于很强潜在风险等级，5%采样点处于极强潜在风险等级。Pb、Ni、Cr、Mn均处于轻度潜在风险等级。从重金属综合潜在风险等级来看，75%采样点属于中等及以下综合潜在生态风险等级，25%采样点属于较强的综合潜在生态风险等级，表明研究区土壤Cd污染存在较强的潜在生态风险。

2.4 不同蔬菜基地土壤重金属含量与土壤理化性质间相关分析

土壤中重金属含量的高低与土壤理化性质间具有一定的相关性，从表10可以看出，Cd含量与有机质含量、速效磷含量、全氮含量间呈极显著或显著正相关关系，相关系数分别为 0.694、0.557、0.501;Pb含量与速效磷含量间呈极显著正相关，相关系数为0.546;Cr与速效钾含量间呈显著负相关;Mn含量与速效磷含量和全氮含量间呈极显著正相关，其他重金属与土壤理化性质间相关关系不明显。说明重金属含量与有机质、氮、磷含量间存在极显著相关关系。表明有机肥使用能使重金属在土壤中富集[14];段永蕙等研究发现，长期大量施用肥料和农药是菜地重金属元素含量偏高的主要原因之一[15];史静等研究发现，不同来源的化肥、有机肥及农药的施用对土壤中重金属的影响不容忽视[16]。可见土壤肥料施用对重金属累计具有一定的影响，他们之间的关系除了与肥料的性质有关外，还与土壤性质和种植蔬菜种类有关，相关关系还需进一步研究阐明。

3 结论与讨论

本研究结果表明，蔬菜基地土壤中Cr、Pb、Ni、Mn含量均低于《土壤环境质量标准》的二级限值，单项污染指数均小于1，潜在生态風险系数均小于40，处于清洁水平和轻微的潜在生态风险，而Cd含量在0.11～1.08 mg/kg之间，超标样品比例达到60%，单项污染指数和潜在生态风险指数分别为1.03和198.10，达到轻度污染水平，具有很强的潜在生态风险;重金属综合潜在生态风险指数平均值为214.05，处于中等潜在生态风险等级，其中Cd对潜在生态风险的贡献率为92.6%，是最主要的生态风险因子。相关研究表明，磷肥中Cd含量普遍较高，随着磷肥和复合肥的大量施用，土壤Cd含量都有所增加[17];茹淑华等研究指出，Cu、Cd一般来源于施入农田的含铜和镉的农业化学物质和大气沉降[18-19]。研究区土壤为设施农业，大气沉降带来的污染相对较小，另外， 根据试验区土壤理化性状可以看出，研究区土壤氮（N）、磷（P）、钾（K）的含量普遍偏高，因此，造成研究区Cd污染严重的主要原因可能与化肥的过量使用有关。

相关性分析结果表明，Cd与有机质含量、速效磷含量和全氮含量，Pb与速效磷含量，Mn与速效磷含量、全氮含量间呈极显著或显著正相关，关共凑等在对佛山市郊菜地土壤重金属污染研究中发现土壤有机质含量与重金属含量呈中等正相关关系[20]，这与本研究得出的结果一致。但是，王岩等研究发现，土壤中重金属元素含量与土壤中有机质含量并无固定的相关性[21];段永惠等研究发现，有机质含量、pH值和速效磷含量对蔬菜地重金属的影响较大，而速效氮、速效钾的影响均较小[15]。可以看出，土壤重金属含量与土壤理化性状间的关系比较复杂，加上采集的土壤样品有限，很难准确反映出它们之间的关系。此外，土壤中重金属污染的来源多且复杂，重金属含量的高低受到土壤pH值、土壤质地、活性有机质、土壤肥力等多种因素共同作用的影响，因此，对于土壤重金属含量与土壤理化性状之间的相关关系还需要进一步研究。

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