天津设施蔬菜土壤重金属积累及风险评价研究

张慧　王晓风　赵会薇　李梦琦　张余良　肖辉

摘    要：为探明天津市设施土壤中重金属累积现状及风险，调查分析了天津市10个涉农区的设施土壤（0～20 cm）中Cd、Pb、As、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni8种重金属的积累及生态风险评价。结果表明：Cd是天津市设施土壤唯一的污染物，平均含量为0.55 mg·kg-1，超过天津市背景值的551%；静海区、西青区2个采样点的Cd超过风险筛选值，超出率为8.46%、37.54%，Cd在西青区表现为中等危害。其余7种重金属在各区均表现为轻度危害。10个区中，东丽区、静海区、蓟州区的综合污染指数为0.72、0.80、0.73，属于警戒级别；西青区的综合污染指数为1.03，轻度污染；其余6区的综合污染指数均在0.7以内，为安全级。10个区的潜在生态风险指数均低于150，表现为轻微生态危害。综上所述，天津市设施种植中要着重注意Cd的富集问题及修复措施。

关键词：设施土壤；重金属；风险评价；天津

中图分类号：X825         文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006－6500.2023.08.012

Accumulation and Risk Assessment of Heavy Metals in Facility Vegetable Soil in Tianjin

ZHANG Hui1， WANG Xiaofeng1， ZHAO Huiwei2， LI Mengqi1， ZHANG Yuliang1， XIAO Hui1

（1. Institute of Agricultural Resources and Environment， Tianjin Academy of Agricultural Sciences， Tianjin 300384， China; 2. The Semi-arid Agriculture Science and Technology Research Center of China， Shijiazhuang， Hebei 050051， China）

Abstract： To explore the accumulation risk of heavy metals in facility soils， the investigation of Cd， Pb， As， Hg， Cr， Cu， Zn and Ni of 10 agricultural districts in Tianjin were analyzed.The results showed that Cd was the only pollutant in the facility soil in Tianjin， with an average of 0.55 mg·kg-1， which exceeded the background value of Tianjin by 551%.Cd in Jinghai and Xiqing district exceeded the risk screening value by 8.46% and 37.54%. Cd in Xiqing district was moderately harmful.The other 7 heavy metals showed less harm in other districts.Among the 10 districts， Nemero composite pollution index of Dongli， Jinghai and Jizhou district was 0.72， 0.80 and 0.73， belonged to the alert level.The Nemero composite pollution index of Xiqing district was 1.03， indicating mild pollution.The Nemero composite pollution index of the other 6 districts was within 0.7， considered as safety.The potential ecological index of the 10 districts was lower than 150， indicating slight ecological harm.In conclusion， Cd enrichment should be cared in Tianjin facility planting.

Key words： facility soil; heavy metals; risk assessment; Tianjin

設施蔬菜生产在承载着人口、资源等多重压力中大力发展起来[1]。我国设施蔬菜约有467万hm2，占到全球覆盖面积的80%以上[2]，是一项解决我国人多地少、制约可持续发展的有效技术工程。另一方面，设施蔬菜存在有机肥、化肥和农药的过量投入，导致酸碱化、质量失衡、重金属积累等一系列土壤退化问题[3]。土壤质量的降低会导致产量受损，而重金属的积累将会影响食品的品质与安全[4]。

土壤重金属是一种重要的潜在污染物，在生物体内富集会造成持久的污染，主要来源有土壤母质、交通、工业、矿采等方面，其中农药、化肥、有机肥的大量施用是设施农业重金属重要的人为污染源[5]。研究表明，鸡粪、秸秆与复合肥的长期施入可导致设施土壤重金属不同程度的积累，产生污染，增加其生态风险[6]。王倩倩[7]研究发现，Cd、Cu、Zn与土壤养分具有较高的同源性，主要受到设施农业种植过程中施肥制度的影响。进一步通过地球化学模型LeachXS模拟显示，有机肥的施用通过提高液相中溶解性有机物和重金属含量提升了土壤重金属的活性[8]，增加农产品的重金属积累风险。多数研究区域的设施蔬菜土壤受到重金属的污染积累影响，一种或几种重金属决定了区域的土壤污染风险水平。山东省设施蔬菜土壤中Cd、Hg、Zn为主要污染物[9]，江苏省土壤中的Pb为主要污染物，且设施土壤全量与有效态Pb、Cr、Cd含量往往高于常规大田土壤[10]。重金属积累常常又与种植年限显著相关[11]。卢维宏等[11]采用线性关系拟合模型预测，碱性土壤中有效态Cu在19年后累积量达到风险限量值，Zn在91年后达到风险限量值。掌握重金属的污染现状，开展多区域调查及评价是保障农资质量与安全的重要工作。

土壤重金属污染评价中广泛应用的有内梅罗综合污染指数法、富集因子法、地累积指数法和潜在生态危害指数法等方法[12]。其中，潜在生态指数法是最常用的重金属污染评价方法。采用单因子和综合污染指数方法评价河北省4个设施蔬菜生产县的重金属，青县 Cd等级为二级（尚清洁），其他均为一级（清洁）[13]。王莉霞等[14]采用潜在生态风险指数评价天水市设施土壤重金属90%以上点位处于安全水平，潜在生态风险为轻微—中度等级，Hg是最大的潜在风险因子。评估长期施肥措施的潜在风险，结果发现，鸡粪、秸秆、K2SO4、生石灰与复合肥处理下土壤的综合污染状况最为严重，20年后污染将加剧[6]。

天津地处华北平原东北部，辖16个行政区，其中涉农区有10个，以种植菠菜、西红柿、芹菜、黄瓜、辣椒等蔬菜为主，是北方地区的重要蔬菜供应区之一。近年来，设施蔬菜种植面积不断扩大[15]，重金属持久性累积，对蔬菜安全生产和蔬菜产业可持续发展及人体健康造成潜在威胁。例如，在天津市武清区的土壤调查中发现，设施菜地比露天菜地表层土壤具有更高的Cu、Zn和Cd，并且浅层土壤比深层土壤更容易聚集Cu、Zn和Cd。分析天津市郊区土壤的污染源，结果发现，Cr和Ni主要为自然源，Cu、Zn、Pb和Cd来自自然源和人为源，As则主要为人为源[16]。本研究以天津涉农区的设施蔬菜土壤为对象，调查分析土壤重金属含量及评价污染风险，旨在为设施农业的可持续发展和农产品的安全供应提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

天津市地处华北平原的北部，海河的下游，总面积11 660 km2，大部分属于冲积平原，以砂性土、壤质土、黏性土为主。温带大陆性季风气候，年平均气温为11.6 ℃，降雨量为500～610 mm。

1.2 试验设计

2021年在天津市的北辰区（BC）、宝坻区（BD）、滨海新区（BH）、东丽区（DL）、静海区（JH）、津南区（JN）、蓟州区（JZ）、宁河区（NH）、武清区（WQ）、西青区（XQ）10个区的设施蔬菜取样，对其进行土壤重金属的调查和评价。依据集中种植设施蔬菜的代表性，共采集66个点，每个采样点3个重复，用不锈钢土钻采样，深度0～20 cm。原子吸收光谱仪测定Cd、Pb、As、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni8种土壤重金属指标[17]。鉴于天津盐碱地土壤pH > 7.5采用GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中“pH > 7.5的其他”作为标准及参考天津市重金属背景值[18]（表1）进行评价。

1.3 土壤重金属污染和风险评价方法

采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对土壤重金属污染进行评价，公式如下：

式中，Pi表示单因子指数，Pi<1表示土壤未收改评价因子污染，Pi>1代表收到重金属污染，Pi值越大，污染越重；Ci表示重金属的实测值；Si表示重金属的评价标准（本研究采用筛选值作为评价标准，表2）；P综合表示内梅罗综合污染指数；Piave表示单因子指数平均值；Pimax表示i采样点重金属污染单项污染指数的最大值。

土壤重金属生态风险采用Hakanson提出的潜在生态风险指数法（The potential ecological risk index，RI）评价，计算公式如下：

式中，RI为评价区域土壤的潜在生态危害指数（表2）；Eri为评价区域土壤中某一污染物的潜在生态危害指数；Tri为评价区域内某一污染物的毒性响应系数（Cd=30，Hg=40，As=10，Cr=2，Cu=Ni=Pb=5，Zn=1）[19]；Cri为污染物的污染系数；C测 i   为污染物的实测浓度；Cni为该元素的评价标准。

1.4 数据统计与分析

土壤重金属含量区间差异采用单因子方差分析，利用R 3.5.1 （R Development Core Team）的 “agricolae” 和 “stats”数据包进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 设施蔬菜土壤重金属含量分析

天津10个涉农区的设施蔬菜土壤中，Cd、As、Hg、Cu、Zn平均含量为0.55、10.83、0.12、34.30、107.20 mg·kg-1，比天津背景值高出511%、13%、43%、19%、35%，主要与近几年肥料、农药大量使用和大气沉降增加有关；Pb、Cr、Ni平均含量为19.09、50.41、30.04 mg·kg-1，比天津背景值低9%、40%、10%，重金属的降低主要与植物的重金属转移、富集相关。

统计分析发现，土壤中的Pb、As、Hg、Cr4种重金属的分布存在明显的地域差异性（P< 0.05），而Cd、Cu、Zn、Ni4种重金属的区域差异不明显（表3）。主要污染物为Cd，其中静海区Cd含量为（0.65±0.11）mg·kg-1、西青区Cd含量为（0.83±0.36） mg·kg-1，采样点的Cd含量超过风险筛选值的8.46%、37.54%。这可能会对农产品、土壤环境造成风险，应当加强土壤和农产品的协同监测，采取安全利用措施。其余7种重金属均在风险筛选值范围内，且远低于相应的风险筛选值。

2.2 设施蔬菜土壤重金属污染指数分析

单因子污染指数如表4所示。其中，镉在静海区、西青区的单因子污染指数为1.08、1.38，大于1，代表土壤中存在镉污染，其余地区在标准以内。Pb的单因子污染指数在0.10～0.16，As的单因子污染指数在0.24～0.47，Hg的单因子污染指數在0.01～0.12，Cr的单因子污染指数在0.15～0.34，Cu的单因子污染指数在0.23～0.37，Zn的单因子污染指数在0.29～0.50，Ni的单因子污染指数在0.10～0.12，均在1以下，代表了土壤未受到该重金属的污染。由此计算的内梅罗综合污染指数显示，10个区中，东丽区、静海区、蓟州区的综合污染指数为0.72、0.80、0.73，在指数0.7以上，需要警戒该区域的重金属污染，污染水平为尚清洁；西青区的综合污染指数为1.03，在指数1.0以上，表明该区存在轻度的重金属污染，需要注意产品中的重金属含量。

2.3 设施蔬菜土壤重金属生态风险评价

单一重金属潜在危害指数（表5）显示，Cd在西青区的单一重金属潜在危害指数表现为中等生态危害，数值为41.26，高于40轻微危害标准；Cd在其他9个区表现为轻微危害。Pb在天津10个涉农区的潜在危害指数为0.52～0.79，As的潜在危害指数为2.43～4.70，Hg的潜在危害指数为0.42～4.95，Cr的潜在危害指数为0.29～0.67，Cu的潜在危害指数为1.16～1.87，Zn的潜在危害指数为0.29～0.50，Ni的潜在危害指数为0.50～0.60。这7种重金属的潜在危害指数均在40以下，表现为轻微危害。

土壤重金属潜在区域生态风险评价结果（表5）表明，北辰区、宝坻区、滨海新区、东丽区、静海区、津南区、蓟州区、宁河区、武清区、西青区的生态风险指数，分别为35.66、28.78、34.95、37.78、41.39、33.46、37.20、27.28、30.39、53.68，均在150标准以下，均表现为轻微生态危害。

3 讨论与结论

自20世纪90年代以来，我国设施蔬菜种植取得了重大成就，保障了周年生产及均衡供应，同时也面临着诸多问题，投入高、土壤质量退化问题突出。设施蔬菜的土壤重金属富集能力高于一般露天蔬菜。调查发现，设施蔬菜中化肥、有机肥的投入是露天蔬菜的2.77倍、1.25倍[20]。随着种植年限的增长，土壤中重金属的全量和有效量含量呈明显累积趋势。种植年限超过15年的土壤中全量Cu、Zn和Cd 达到了露天的1.57倍、2.16倍、1.67倍，与土壤有机质间关系显著，表现为来源上的高度相似性[2]。李树辉[21]调查北方典型区域的设施菜地的研究表明，重金属的输入途径主要来自于化肥和有机肥，其中有机肥对设施菜地重金属的输入量远远超过化肥，氮肥和钾肥对土壤重金属累积的影响较小。任顺荣等[22]发现，长期施用尿素对土壤中Cd、Cr、As和Hg影响较小，但要注意磷肥对土壤Cd积累的显著影响[23]。进一步对鸡粪、猪粪、牛粪、羊粪、农作秸秆、菜籽饼、味精下脚料、糠醛渣和造纸废弃物的重金属含量分析发现，这些有机物和废弃物是造成不同的重金属污染的重要来源，同时均存在Cd含量超标问题[24]，尤以猪粪中重金属超标最为严重，说明Cd污染面源广、风险大。

本研究分析了8种重金属，同样发现Cd为天津设施蔬菜的唯一重要污染物，设施土壤的平均Cd含量为0.55 mg·kg-1，超过天津市背景值的551%；静海区、西青区采样点的Cd超过风险筛选值的8.46%、37.54%，Cd仅在西青区的潜在危害指数表现为中等生态危害，其他区表现均表现为轻微生态危害。Cd在山东、河南、吉林、甘肃设施蔬菜土壤的每年积累速率分别为0.033、0.001、0.035、0.025 mg·kg-1，参考以上4个地方的每年平均积累速率0.023 mg·kg-1[21]，天津设施土壤将在2.17年后超过污染筛选值，对农产品质量具有很大的潜在风险。Cd是农业活动的标志元素，常作为农药的有效成分被广泛使用，易挥发和迁移[25]。设施土壤Cd污染主要来源于大量施用的有机肥、化肥、农药，以及灌溉用水。

综合评价来看，东丽区、静海区、蓟州区的综合污染指数属于警戒级别；西青区的综合污染指数在指数1.0以上，存在轻度污染；其余6个区的综合污染指数为安全级。10个区的潜在区域生态风险评价结果均表现为轻微生态危害，表明天津地区设施蔬菜土壤重金属污染整体生态危害较小。西青区、静海区是天津蔬菜的重要产区，具有特色的国家地理标志产品，尤其是萝卜、西瓜、小枣种植面积大，肥力和水力投入较大，具有广泛的潜在污染源。刘雅明等[26]运用相关性矩阵分析发现，西青区、静海区的重金属铬、镉、铅、汞存在极显著关系，变化存在极显著的协同性，存在同源污染。宇妍[16]发现，天津设施蔬菜土壤Cd的来源主要为人为源，而Ni、As、Cd 和 Pb 更多的主要源于成土母质，表明化肥、农药、有机肥和污水灌溉等人为活动在重金属积累中贡献最大，在重金属的治理降污中应先从这几个方面入手。

天津地处海河下游，东临渤海湾，地下水位高，土壤盐渍化程度严重，土壤肥力低下，导致该地设施农田对有机肥、改良剂需求量高[15]，因此带来的重金属积累风险较大。寻求合理的改良办法是保证盐碱地设施农业可持续健康发展的重要途径。化学与生物方法是目前常用重金属修复措施，例如：合理施用石灰、生物炭、腐植酸、海泡石等化學钝化修复物质，调节土壤 pH、有机质等来降低土壤重金属生物有效性[27]，以达到缓解其造成的环境胁迫效应、降低在蔬菜可食用部分中的累积量和健康风险。添加园林腐熟物以及复合改良剂都可以降低有效铁、有效锰、有效铜含量。羟基磷灰石和生物炭组合可以有效降低58.44%土壤有效态Cd[28]。利用微生物的吸附和转化作用可以降低土壤重金属，Tunali等[29]报道头孢菌能够有效吸附Pb，吸附量随着pH变化。为更好地改善土壤性质，绿肥种植对土壤肥力及土壤重金属有效性等有着重要影响。种植豆科绿肥在显著改善土壤养分、提高土壤质量的同时，能够降低土壤有效Cd含量[30]。种植C/N较高的褐皮山黧豆显著降低土壤As有效性，对Cd、As富集能力较高[31]。

天津市的设施蔬菜保障了周边城市供应，同时也存在土壤质量问题的不确定性。本研究调查了天津10个涉农区设施土壤Cd、Pb、As、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni8种重金属。通过评价发现，Cd平均含量为0.55 mg·kg-1，超过天津市背景值的551%；静海区、西青区2个采样点的Cd超过风险筛选值，超出率为8.46%、37.54%，是天津市唯一的重要污染物，Cd在西青区表现为中等危害。其余7种重金属在各区均表现为轻度危害。东丽区、静海区、蓟州区的综合污染指数属于警戒级别；西青区的综合污染指数为轻度污染；其余6区的综合污染指数为安全级。10个区的潜在生态风险指数均表现为轻微生态危害。通过本次调查，未来在设施蔬菜种植中要着重注意Cd的富集问题及寻求良好的修复措施。

参考文献：

[1] PASTERNAK D， RAPPEPORT E. Use of alternative energy sources in protected agriculture[J]. Outlook on Agriculture， 1982， 11（1）： 16-20.

[2] 卢维宏， 刘娟， 张乃明， 等. 设施菜地土壤重金属累积及影响因素研究[J]. 中国环境科学， 2022， 42（6）： 2744-2753.

[3] 刘兆辉， 江丽华， 张文君， 等. 山东省设施蔬菜施肥量演变及土壤养分变化规律[J]. 土壤学报， 2008， 45（2）： 296-303.

[4] 苑学霞， 方丽萍， 张太平， 等. 不同年限设施菜地土壤中重金属和抗生素污染特征[J]. 生态环境学报， 2020， 29（8）： 1669-1674.

[5] 张又文. 天津市不同土地利用类型土壤重金属的积累特征及污染评价[D]. 沈阳： 沈阳农业大学， 2019.

[6] 沃惜慧， 杨丽娟， 曹庭悦， 等. 长期定位施肥下设施土壤重金属积累及生态风险的研究[J]. 农业环境科学学报， 2019， 38（10）： 2319-2327.

[7] 王倩倩. 天津典型设施菜地土壤-蔬菜中重金属分布特征及生态风险[D]. 天津： 天津师范大学， 2018.

[8] 徐岩， 李静， 方文. 有机肥连续施用对菜田重金属行为的影响——基于地球化学模型研究[J]. 生态学报， 2022， 42（4）： 1512-1526.

[9] 井永苹， 李彦， 薄录吉， 等. 不同种植年限设施菜地土壤养分、重金属含量变化及主导污染因子解析[J]. 山东农业科学， 2016， 48（4）： 66-71.

[10] 姚荣江， 杨劲松， 谢文萍， 等. 江苏沿海某设施农区土壤重金属累积特点及生态风险评价[J]. 农业环境科学学报， 2016， 35（8）： 1498-1506.

[11] 卢维宏， 刘娟， 张乃明， 等. 中国典型设施栽培土壤Cu、Zn累积特征及风险预测[J]. 农业工程学报， 2021， 37（11）： 189-196.

[12] 王玉军， 吴同亮， 周东美， 等. 农田土壤重金属污染评价研究进展[J]. 农业环境科学学报， 2017， 36（12）： 2365-2378.

[13] 赵会薇， 杨风霞， 霍立勇， 等. 河北省4个设施蔬菜生产县域重金属含量特征及质量评价[J]. 山西农业科学， 2018， 46（2）： 240-245.

[14] 王莉霞， 柴小琴， 金豆豆， 等. 天水市蔬菜大棚土壤重金属污染特征及生态风险评价[J]. 水土保持通报， 2021， 41（3）： 110-117.

[15] 高贤彪， 肖辉. 天津滨海盐渍土壤发展设施农业可行性分析[J]. 天津农业科学， 2020， 26（1）： 1-4.

[16] 宇妍. 天津市近郊叶菜类蔬菜和菜地土壤重金属含量调查及风险评估[D]. 杨凌： 西北农林科技大学， 2013.

[17] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京： 中国农业出版社， 1981.

[18] 中国环境监测总站. 中国土壤元素背景值[M]. 北京： 中国环境科学出版社， 1990： 330-497.

[19] 徐争启， 倪师军， 庹先国， 等. 潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算[J]. 环境科学与技术， 2008， 31（2）： 112-115.

[20] 杨治平， 张建杰， 张强， 等. 山西省保护地蔬菜长期施肥对土壤环境质量的影响[J]. 农业环境科学学报， 2007， 26（2）： 667-671.

[21] 李树辉. 北方设施菜地重金属的累积特征及防控对策研究[D]. 北京： 中国农业科学院， 2011.

[22] 任顺荣， 邵玉翠， 高宝岩， 等. 长期定位施肥对土壤重金属含量的影响[J]. 水土保持学报， 2005， 19（4）： 96-99.

[23] 马榕. 重视磷肥中重金属镉的危害[J]. 磷肥与复肥， 2002， 17（6）： 5-6.

[24] 刘荣乐， 李书田， 王秀斌， 等. 我国商品有机肥料和有机废弃物中重金属的含量状况与分析[J]. 农业环境科学学报， 2005， 24（2）： 392-397.

[25] 陈林， 马琨， 马建军， 等. 宁夏引黄灌区农田土壤重金属生态风险评价及来源解析[J]. 环境科学， 2023， 44（1）： 356-366.

[26] 刘雅明， 王祖伟， 王子璐， 等. 长期种植对设施菜地土壤中重金属分布的影响及生态风险评估[J]. 天津师范大学学报（自然科学版）， 2020， 40（6）： 54-61， 80.

[27] 袁興超， 李博， 朱仁凤， 等. 不同钝化剂对铅锌矿区周边农田镉铅污染钝化修复研究[J]. 农业环境科学学报， 2019， 38（4）： 807-817.

[28] 乔建晨. 钝化材料对设施土壤镉稳定性和盐基离子动态变化的影响研究[D]. 保定： 河北大学， 2020.

[29] TUNALI S， AKAR T， ？魻ZCAN AS， et al. Equilibrium and kinetics of biosorption of lead（II） from aqueous solutions by Cephalosporium aphidicola[J]. Separation and Purification Technology， 2006， 47（3）： 105-112.

[30] 王赟， 付利波， 梁海， 等. 绿肥作物对云南旱地土壤镉有效性的影响[J]. 农业环境科学学报， 2021， 40（10）： 2124-2133.

[31] 吕本春， 王应学， 杨伟， 等. 豆科绿肥作物对云南碱性土壤镉砷有效性的影响及其对镉砷富集能力[J]. 农业环境科学学报， 2022， 41（10）： 2212-2222.

收稿日期：2022-11-16

基金项目：河北省创新能力提升计划项目（19244010D）；天津市农业科学院青年科技创新项目（2021008）；天津市创新平台专项（19PTZWHZ00040）

作者简介：张慧（1987—），女，山东济南人，助理研究员，博士，从事土壤生态学研究。

通讯作者简介：肖辉（1981—），男，山东泰安人，副研究员，硕士，从事土壤生态学研究。