陆良县菜地土壤重金属的污染评价及来源解析*

董达诚 胡梦淩 罗 昱 王 锦 冯凯萍 曾和平

(昆明理工大学环境科学与工程学院，云南 昆明 650500)

土壤资源是人类赖以生存的重要基础，土壤质量直接影响到土壤环境、农产品品质和人类健康[1]。随着经济的发展，工业三废的排放、肥料和农药的不合理使用以及生活垃圾的不合理处置导致土壤重金属污染加剧，严重影响居民的生活健康[2-3]。近年来，云南省大力推进高原特色农业发展，陆良县以其独特的地理、气候优势，在政策推动下快速发展形成大规模蔬菜种植产业基地。因此，对陆良县菜地土壤重金属环境状况调查十分必要。

当前，全国各地针对蔬菜种植基地土壤重金属污染情况的研究较多[4-7]，但针对云南省高原地区不同类型菜地土壤的采样分析、土壤环境质量科学评估的研究仍少有报道。本研究以陆良县蔬菜种植基地为研究对象，分析露地菜地和设施菜地土壤重金属污染情况，采用不同评价方法对土壤重金属污染状况进行评价，同时结合多元统计分析方法对土壤重金属的主要来源进行分析，以期为开展蔬菜安全种植和土壤环境风险防控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

陆良县位于云南省东部，全县总面积1 989.47 km2，坝区面积771.99 km2，占总面积的38.8%，是云南省第一大高原平坝。陆良县属亚热带季风气候，全年平均降雨量798.1 mm，年平均气温15.7 ℃，日照时长2 151.1 h，无霜期270 d。近年来，陆良县蔬菜产业发展迅速，全县蔬菜种植面积达2.3×104hm2，年蔬菜产量达6×105t。

对研究区菜地调查结果显示，菜地种植年限为1～20 a，表层土壤pH在4.63～7.42，平均值为6.89。露地菜地年种植4～5茬，设施菜地年种植8～10茬，由于露地菜地和设施菜地年种植茬数的差异，导致设施菜地年施肥量较大。蔬菜种植过程中主要以有机肥作为底肥，蔬菜生长过程通过喷灌浇水额外施加水溶化肥和叶面肥。陆良县蔬菜种植基地常用有机肥为猪粪和鸡粪，水溶化肥主要包括氮磷钾复合肥、氨基酸水溶肥以及腐殖酸类肥料，叶面肥主要包括甲壳素、海藻肥、氨基酸叶面肥、氮磷钾叶面肥以及微量元素肥料。经统计，露地菜地、设施菜地的有机肥施用量分别为15.5～24.5、30.0～44.5 t/(hm2·a)，水溶化肥施用量分别为7.5～8.5、10.5～11.0 t/(hm2·a)，叶面肥施用量分别为0.1、0.2 t/(hm2·a)。

1.2 样品采集与分析

依据《农田土壤环境质量监测技术规范》(NY/T 395—2012)，在距离道路200 m以外的地方采集土壤样品。采样于2018年12月进行，共选择40个采样点，其中露地菜地12个，设施菜地28个。结合研究区蔬菜种植区的实际状况，采用梅花点法采集表层(0～20 cm)土壤样品，四分法取样1.5 kg混合均匀后装入聚乙烯塑料袋中。蔬菜种植使用的肥料直接从种植户家里收集或到农资销售点购买，每份肥料样品1.5 kg。

土壤样品带回实验室后自然阴干，去除植物残体和石块后研磨过100目筛。采用王水-HClO4对土壤样品进行消解，采用石墨炉原子吸收分光光度法测定Cd、Pb含量，采用火焰原子吸收分光光度法测定Cr、Cu、Zn含量，采用原子荧光光谱法测定As含量。每个样品均设置3个重复与标准样品和空白样品同时测定以保证数据的可靠性。肥料中重金属元素的测定参考《肥料 汞、砷、镉、铅、铬含量的测定》(NY/T 1978—2010)进行消解，Cd、Pb、Cr、Cu和Zn采用原子吸收分光光度法测定，As采用原子荧光光谱法测定。

1.3 评价方法

1.3.1 地累积指数法

地累积指数可用于反映自然变化与人类活动对重金属分布的影响，是评价区域重金属污染的一个重要指数[8]。地累积指数计算见式(1)：

Igeo=log2[Ci/(kBi)]

(1)

式中：Igeo为重金属的地累积指数；Ci为重金属i的实测值，mg/kg；Bi为重金属i的背景值，mg/kg，本研究采用云南省土壤背景值；k为修正系数，一般取值为1.5[9]。

1.3.2 内梅罗综合指数法

内梅罗综合指数是一种常用于土壤重金属污染评价的方法，计算公式见式(2)、式(3)[10]：

Pi=Ci/Si

(2)

(3)

地累积指数与内梅罗综合指数的等级划分标准见表1。

根据罗曼·英伽登的观点，文学作品分为四个独立又相互关联的层次，在文本的这四个层次里，有大量的“未定点”或“空白”。也就是说《综合英语》系列教材文本作为一种“意向性客体”的文学作品形式之一，本身存在着大量的“未定点”或“空白”，这些“空白”存在于文本以下四个相对独立且相互关联的层次中。

表1 地累积指数与内梅罗综合指数的等级划分

2 结果与讨论

2.1 土壤重金属含量特征

陆良县菜地土壤重金属质量浓度统计结果见表2。由表2可知，研究区采样点Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As的平均值均高于云南省土壤背景值，分别为土壤背景值的1.54、1.63、1.03、1.64、1.25、1.60倍，说明研究区菜地土壤6种重金属存不同程度的富集现象。根据土壤样品平均pH所对应的重金属风险筛选值，除Cd的平均值超过了GB 15618—2018中的风险筛选值外，其他5种重金属的平均值均低于风险筛选值。40个采样点中，Cd的超标率最高(67.5%)，其余依次为As、Cu、Pb、Zn，超标率分别为20.0%、15.0%、7.5%、2.5%，Cr未超标。由于云南省土壤中重金属的背景值整体偏高，为区分土壤原生污染和次生污染的问题，对研究区土壤重金属的变异系数进行分析，Cr、Cu的变异系数为21.3%、20.2%，介于15%～36%[11]，属于中等变异，其他4种重金属变异系数均大于36%，属于高度变异，其中Pb变异系数最大，受外界影响最大。

表2 陆良县菜地土壤重金属质量浓度统计

研究区露地菜地和设施菜地土壤重金属质量浓度箱线图见图1。显著性分析结果表明，露地菜地和设施菜地Cd、Pb、Cr、Cu、As含量无显著差异，而Zn含量有显著差异。露地菜地Cd、Pb存在极端点，设施菜地Pb、Cr、Zn、As均有极端点，可以推测研究区设施菜地重金属至少受两种不同因素影响[12]。

图1 菜地土壤重金属质量浓度箱线图Fig.1 Box plot of heavy metals mass concentration in vegetable soil

2.2 土壤重金属污染评价

综合利用地累积指数法和内梅罗综合指数法评价蔬菜种植区土壤重金属污染状况。地累积指数法评价结果见表3。露地菜地6种重金属的Igeo平均值都小于0，表明露地菜地土壤处于无污染水平；但设施菜地Cu、As处于轻度污染水平，其余4种重金属处于无污染水平；此外，设施菜地和露地菜地相比Igeo更高，说明设施菜地6种重金属的污染程度较露地菜地严重。张怀志等[13]对潍坊市菜地土壤重金属污染情况调查结果也显示设施菜地重金属污染程度比露地菜地严重。YI等[14]对湖南农田土壤重金属污染源调查表明农田土壤污染与牲畜粪便重金属输入量较大有关，而李发等[15]对有机肥中重金属的研究也表明牲畜粪便有机肥中Cu、As存在超标现象。

表3 菜地土壤重金属地累积指数及污染等级

研究区菜地土壤内梅罗综合指数评价结果见表4。由表4可见，土壤样品有15.00%处于安全水平，40.00%处于警戒线水平，处于轻度污染、中度污染的土壤样品分别占40.00%、5.00%，说明研究区菜地土壤受污染比例达45.00%。其中，露地菜地受轻度污染和中度污染的比例分别为25.00%、8.33%，而设施菜地受轻度污染和中度污染的比例分别为46.43%、3.57%，总体来看设施菜地受污染程度更高，需要得到重点关注。

2.3 施肥过程对土壤重金属的输入

通常来说，大气沉降和牲畜粪便是重金属进入农田土壤的主要途径[16]，但重金属的大气沉降主要发生在人口集中和工矿业较为发达的地区[17-19]，云南省地处我国西南地区，工业发展较为落后，陆良县作为农业大县受工矿业影响较小，因此重点关注施肥对菜地重金属的输入情况。研究区菜地所施肥料中的重金属质量浓度见表5。总体看来，有机肥中6种重金属含量均较高，其中鸡粪有机肥中Pb、Cu、Zn、As质量浓度分别高达335.15、285.03、82.21、75.15 mg/kg，这可能与鸡饲料存在不同程度的重金属超标有关[20]。不同类型肥料中，氨基酸叶面肥中Cd质量浓度最高(9.00 mg/kg)，可能与氨基酸叶面肥制作原料中Cd含量偏高有关[21]。

表5 肥料中重金属的质量浓度

结合采样过程中对研究区蔬菜施肥状况的调查，可推算出施肥过程对菜地重金属的输入情况，结果见表6。两种种植模式下，土壤重金属均主要来源于有机肥， Pb、Cu、Zn和As的输入量均较大，Cd、Cr输入量相对较小。由于设施菜地的复种率高，有机肥施用量大，所以对设施菜地土壤中重金属的输入量更大。

表6 肥料对土壤重金属年输入量

2.4 土壤重金属同源性分析

2.4.1 土壤重金属相关性分析

表7 研究区菜地土壤重金属相关性分析1)

2.4.2 土壤重金属主成分分析

为进一步研究菜地土壤6种重金属的污染来源，利用SPSS 22软件对重金属含量数据进行主成分分析，结果见表8。根据特征值大于1的原则，露地菜地筛选出两个主成分，累积方差贡献率为79.8%，设施菜地筛选出3个主成分，累积方差贡献率为78.3%，都可以解释6种重金属含量数据的大部分信息。

由表8可知，露地菜地第1主成分中Cd、Cr、Cu、Zn和As具有较高载荷，而第2主成分中Pb和Zn具有较高载荷，其中Zn在两个主成分中均有较高的富集信息，说明Zn可能存在两种不同来源[24]。设施菜地第1主成分中Cd、Pb和Zn具有较高载荷，第2主成分中Cr、As具有较高载荷，第3主成分中仅Cu载荷较高，说明研究区种植模式的不同导致重金属污染来源的差异性。

表8 菜地土壤重金属主成分分析

2.5 土壤重金属来源解析

根据研究区菜地种植情况，结合重金属间的相关性和主成分分析，对菜地土壤重金属的来源进行解析[25-26]。露地菜地第1主成分的贡献率为55.1%，并且Cd、Cr、Cu、Zn和As的载荷均大于0.6，说明5种重金属间存在较高的同源性。土壤重金属污染主要受人类活动和自然因素影响，研究区域内没有大型工矿企业，主要从事农业种植，农业种植的过程中大量肥料的施用造成土壤中重金属的输入，因此露地菜地第1主成分可认定为肥料施用。Pb和Zn在露地菜地第2主成分中有较大载荷，大气环境中Pb、Zn通常具有相似的来源[27]，均是机动车污染的标志性元素[28]，因此第2主成分可认定为交通污染。Zn在第1主成分和第2主成分上载荷都比较高，认为具有两种来源，说明露地菜地土壤中Zn受肥料施用和交通污染两种来源的影响。

研究区设施菜地土壤重金属主成分分析结果显示，第1主成分中Cd、Pb、Zn载荷较高，分别为0.736、0.783、0.786，主要反映了Cd、Pb和Zn的富集特征。设施菜地高复种率和高肥的种植模式将鸡粪和猪粪等有机肥中的Pb和Zn大量带入农田土壤中，因此设施菜地第1主成分是肥料施用。第2主成分的贡献率为21.1%，主要贡献元素为Cr和As，这两种重金属含量平均值明显低于筛选值，表明污染风险比较低，可认为主要受自然因素(成土母质)影响[29]。由于设施菜地中Pb和As存在显著相关性(见表7)，并且鸡粪和猪粪等有机肥对Pb和As的输入量都比较大，说明设施菜地土壤中As还可能来源于肥料施用。第3主成分的贡献率为17.3%，其中Cu具有较高载荷，设施菜地Cu与其他重金属的相关性不明显，但在土壤中存在轻度污染的累积效应，有一定的生态风险。含铜农药是蔬菜病害防治中的常用杀菌剂，是农业土壤铜污染的主要来源[30]，因此第3主成分可以代表农药使用。

3 结 论

(1) 陆良县菜地土壤中仅Cd的平均值超过GB 15618—2018中土壤污染风险筛选值，且Cd超标率高达67.5%，其余5种重金属平均值都低于筛选值；地累积指数法评价结果表明，露地菜地土壤中6种重金属均未出现污染，设施菜地Cu、As处于轻度污染水平；菜地土壤重金属内梅罗综合指数法评价结果显示，研究区菜地土壤整体处于轻度污染和中度污染，设施菜地受污染采样点占50.00%，高于露地菜地的33.33%。

(2) 由于设施菜地的复种率高，有机肥施用量大，因此对设施菜地土壤中重金属的输入量更大。

(3) 菜地土壤重金属来源解析结果表明，露地菜地中Cd、Cu、Cr和As主要与肥料施用有关，Pb主要来源于交通污染，Zn受肥料施用和交通污染两种来源的影响；设施菜地中Cd、Pb、Zn主要来源于肥料施用，Cr主要受成土母质影响，As受成土母质和肥料施用两种因素影响，Cu主要来源于农药使用。