城郊设施农业土壤重金属含量特征及评价分析

李广文 鲍锋 胡有宁 王亚妮

(西安文理学院生物与环境工程学院，陕西 西安 710065)

改革开放以来，我国居民生活水平逐步提高，为了更好地满足居民们的需求，居民利用大棚种植果蔬的方式改变了传统露地果蔬种植，大大提高了效益。但达到自然和经济效益的同时，人们对于果蔬大棚中的蔬菜品质和质量安全也提出了更高要求。由于国内环境问题越来越突出，日益威胁着自然生态系统和社会生态系统，而土壤是生态系统重要的组成部分，因此土壤环境质量问题也就相应的成为人们关注的焦点。近年来，反季节果蔬的需求日益升高，其中大棚蔬菜栽培占了较大比重，人们通过人工提供内环境，赋予了果蔬新的生长环境，使土壤长期处于高温、高湿、高施肥量、高强度利用等条件下，一种高度集约化的利用方式，以满足人们基本的日常需求。但在此过程中土壤结构和理化性质发生变化，也产生了一系列问题，如土壤盐渍化、土壤酸化、土壤养分失衡、重金属累积、微生物区系改变等，尤其是重金属污染问题日益突出。因此，为了保证果蔬的质量和人们的健康安全，探究土壤污染的主要因素，重金属污染主要因子等已经成为亟待解决的问题。对此，许多学者做出了大量研究，我国菜地土壤重金属含量与全国土壤背景值相比出现了明显的富集累积现象[1]。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1～5a，土壤Cd、As、Hg含量分别提高143.5%、51.1%、60.2%[2]。井永平[3]重金属累积主要污染因子，研究了不同种植年限的大棚土壤速效氮磷钾含量、有机质含量、pH值及重金属累积量的变化，表明随种植年限延长，土壤速效氮磷钾、有机质含量均大量累积，速效氮磷、钾含量显著提高可见，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。

本文以陕西省长安区城郊地带设施农业土壤为研究对象，测定土壤中As、Cd、Pb、Zn、Ni、Cu 6种重金属的含量，通过与国家背景值、陕西省土壤背景值和国家土壤标准二级指标比对，采用单项污染指数法、内梅罗综合污染指数法对土壤重金属污染进行评价,探究土壤重金属污染特征、主导因子和土壤环境质量状况，为果蔬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 研究区概况

西安市长安区位于E108°38′～109°14′，N33°47′～34°18′。长安属于暖温带半湿润大陆性季风气候区，雨量适中，四季分明，雨热同期，有利于农作物生长。受地形影响，长安全年多东北风，年平均风速为1.3～2.6m·s-1。长安区地势为东原、南山、西部川，最低海拔384.7m，最高海拔2886.7m。地势南高北低，东高西低，南北最长处55km，东西最宽处52km。东部为黄土台原与川道沟壑，西为渭河冲积平原，南为秦岭山地，北为渭河断陷谷地冲积平原区，近邻西安市区。

1.2 样点布设与采集

根据本文的研究要求，所采土样主要是针对设施农业果蔬大棚土壤，将样点设置在长安区环山路、子午大道路南路北一带。采集大棚为草莓种植园，种植年限2～6a。采集样本0～20cm土壤。每个样点用清洗干净的铝盒装样1个，压实密封，做上编号带回备用。

1.3 研究方法与数据处理

土壤重金属的测定采用便捷式重金属检测仪X-MET8000仪器测定各重金属含量。所有试验数据均采用Excel 2003软件和SPSS 18软件进行统计学分析统计分析。

1.4 土壤环境质量评价标准与方法

1.4.1 土壤环境质量评价标准

土壤重金属含量比对土壤重金属陕西省背景值、国家背景值和国家二级指标进行分析。

《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB15618-2018)》风险筛选值的限值要求。

1.4.2 土壤环境质量评价方法

重金属污染的作用因素既可能是单一的，也可能是多元的。所以采用单项污染指数法和综合污染指数法相结合进行评价(表1)。

表1 单项污染指数和内梅罗综合污染指数评价标准

单项污染指数评价采用以下公式：

式中，Pi为元素i的单项污染指数；Ci为元素i在土壤中的实测值(mg·kg-1)；Si为污染物的国家二级指标标准值(mg·kg-1)。

综合土壤环境质量评价采用内梅罗指数综合指数法。内梅罗综合指数是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数，其在加权过程中避免了人为主观因素的影响，因此评价结果比较客观，能够全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，强调主导因子的影响作用，但在求均值过程中弱化或强化一些因素作用。

内梅罗指数综合指数评价采用以下公式：

式中，P综合为综合评价指数；P平均为土壤中各污染指数的平均值；Pmax为土壤中最大污染物的单因子指数。

2 结果与讨论

2.1 室内土壤重金属含量特征分析

国家土壤背景值看，重金属元素Zn在1、3、4、5样点中超出了背景值，Ni含量在一个样点中达标，其它样点均超标；其它3种重金属元素Pb、As、Cu在所测的区域内全都已经超出了国家土壤背景值。Ni和Cu在6号样地中超标最为严重，分别达到了最大值118mg·kg-1和95mg·kg-1。

陕西省的土壤背景值低于国家土壤背景值，意味着对土壤的质量要求会更加严格。从表2可以看出，只有2、9、11、12、13和14号样地中Zn元素含量在要求范围内，其它土壤均受到了Pb、As、Ni和Cu的污染。

表2 土壤重金属含量实测值及背景值

依据土壤环境质量国家二级标准，Pb、Cu、Zn都在该标准之下，未受到污染。As、Ni部分样点超出了标准值。As元素的均值是17mg·kg-1，最大值29mg·kg-1，说明只有局部地区受到了污染，而且污染程度并不严重。Ni元素的均值是68mg·kg-1，最大值118mg·kg-1，最小值37mg·kg-1，此元素的平均值已经高出了标准值，大部分地区已经受到了Ni元素的影响。

在所测重金属里，Cd重金属含量远超过背景值、国家二级指标，且超标倍数达23～240倍，污染严重。这一结果与庞妍[4]对关中地区研究结果一致。井永苹[3]对山东省寿光市设施蔬菜种植研究表明，Cd超标现象严重，说明在设施农业中Cd超标已成为普遍现象。

一般认为，土壤重金属来源于工业“三废”、城市生活垃圾、农用化学品的投入及大气沉降等[5]，设施菜地土壤重金属的来源与露天菜地类似，但设施菜地更加追求经济效益，复种指数高，肥料投入大，从而增大了重金属的输入量。研究表明，肥料投入是设施菜地土壤重金属的重要来源[6]，其中磷肥是土壤中Cd的最大来源[7]。有机肥中的有机质可以对重金属离子产生络合作用，合理施用有机肥可以增强土壤对重金属的吸附能力，但有机肥的投入也会带来一定的重金属污染。乔德波[8]研究表明，设施菜地土壤Zn和Cd的全量随着有机肥施用量的增加而增大，长期施用有机肥可明显增加土壤有效态重金属在表土层的积累。

2.2 土壤重金属污染评价

各重金属单项污染指数和内梅罗综合污染指数见表3。单因子指数评价显示，果蔬大棚土壤Zn、Pb、Cu的单项污染指数均小于1，处于未受到污染，而Ni单项污染指数在0.74～2.36，大部分在2以下；As单项污染指数在0.44～1.16，达到轻度污染水平，属于潜在的污染因子。污染指数最高的为Cd，平均达98.57,为重度污染。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。不考虑Cd元素情况下，研究区大棚果蔬土壤平均内梅罗综合污染指数都是轻度污染土壤。最低污染指数是0.6,最高的污染指数1.77。考虑全部所测重金属，做内梅罗综合污染指数分析，结果显示本区域设施农业土壤重污染土壤。内梅罗综合指数二者对比，更加说明当地设施农业Cd污染的严重性。

表3 单因子污染指数评价和内梅罗综合指数评价

3 结论

Zn、Pb和Cu含量均低于《土壤环境质量标准》的二级限值。As元素在部分样区出现超标现象，大部分地区已经受到了Ni元素的影响。国家土壤背景值看，室内重金属元素Zn分别在1、3、4、5区域中超出了背景值，而其它室内重金属元素Pb、As、Ni、Cu在所测的区域内都已经超出了国家土壤背景值。在当地设施农业土壤中，Cd污染严重。

通过土壤重金属单因子污染指数评价和内梅罗综合指数评价，Zn、Pb、Cu的单项污染指数均小于1，处于未受到污染水平，Ni单项污染指数在0.28～1.97，As单项污染指数在0.44～1.16，达到轻度污染水平。不考虑Cd重金属，内梅罗综合指数在0.6～1.77，各个样地处于警戒至轻度污染，需加强观测与治理。