魯西南地區(qū)有機種養(yǎng)模式下土壤重金屬含量及污染評價

王麗香 梁英 李文文

摘要：

為探討有機種養(yǎng)模式與常規(guī)種植模式對土壤重金屬含量和污染特性的影響，在魯西南曹縣選取典型的不同年限有機種養(yǎng)模式農(nóng)田及附近相似條件的常規(guī)種植地塊，比較了土壤中Cd、Cr、Pb、Cu、Zn 5種重金屬含量的差異，并采用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法對這5種重金屬的污染程度進行評價。結(jié)果表明：所有調(diào)查點土壤重金屬Cd、Pb、Cr、Cu和Zn含量都符合國家土壤質(zhì)量Ⅰ級標準。與常規(guī)種植相比，有機種養(yǎng)模式可以降低土壤重金屬Cd、Pb和Cr的含量，而隨著有機種養(yǎng)模式年限的增加，Cu和Zn元素有積累的趨勢。綜合污染指數(shù)評價結(jié)果顯示，調(diào)查區(qū)污染等級為警戒水平，兩種模式土壤中重金屬的污染水平差異不顯著。潛在生態(tài)危害指數(shù)評價結(jié)果表明，所調(diào)查區(qū)存在輕微潛在生態(tài)危險，有機種養(yǎng)模式減輕了土壤重金屬的潛在生態(tài)危害，但差異不顯著。

關(guān)鍵詞：有機種養(yǎng)模式；常規(guī)種植；土壤重金屬；污染評價

中圖分類號：S158.4+X833文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2016）08-0080-05

AbstractIn order to study the effects of conventional and organic planting and breeding modes on soil heavy metal contents and pollution characteristics， an experiment was conducted in typical organic and conventional wheat fields in Caoxian County， southwest of Shandong Province. The content differences of Cd， Cr， Pb， Cu and Zn in 0～20 cm upper soil layer were compared. In addition， the pollution levels of 5 kinds of heavy metals were assessed using single factor index method， Nemerow comprehensive pollution index method and potential ecological risk index method. The results showed that the contents of Cd， Pb， Cr， Cu and Zn in soil samples all met the national soil quality standard level I. The soil Cd， Pb and Cr contents under organic planting and breeding system were lower than those under conventional planting. Furthermore， the contents of Cu and Zn showed accumulation trends with the grown of organic planting and breeding years. The comprehensive pollution index evaluation results indicated that the heavy metal pollution degree in investigated regions were both in the alert level， and the difference between the two kinds of farming modes was not significant. The potential ecological risk index evaluation results showed that the investigated regions had light potential heavy metal ecological risk， and the organic planting and breeding system owned relatively lower ecological risk， but the difference was not significant .

KeywordsOrganic planting and breeding mode； Conventional planting； Soil heavy metal； Pollution assessment

隨著人們對食品安全、生態(tài)環(huán)境的日益關(guān)注，一種可持續(xù)發(fā)展的有機農(nóng)業(yè)模式逐步發(fā)展起來。有機農(nóng)業(yè)是在遵循自然規(guī)律和生態(tài)學原理的基礎(chǔ)上為人類提供健康、安全的食品，恢復土壤肥力，保護自然環(huán)境，維持生態(tài)平衡的農(nóng)業(yè)體系[1]。有機種植中，土壤培肥是一個重要環(huán)節(jié)，其中施用有機肥是一個重要手段[2]。然而，由于有機肥原料質(zhì)量的差異性較大，一旦重金屬含量高的有機肥在有機農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中大量使用，就可能造成土壤的重金屬污染，這是有機農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中亟需引起高度關(guān)注的問題[3]。

目前對于有機農(nóng)業(yè)和非有機農(nóng)業(yè)土壤重金屬等質(zhì)量環(huán)境有一定研究[3，4]，但對于有機種養(yǎng)模式和常規(guī)種植模式土壤重金屬含量差異的研究鮮有報道。魯西南地區(qū)種植養(yǎng)殖歷史悠久，環(huán)境污染少，從20世紀90年代部分區(qū)域就開始發(fā)展有機種養(yǎng)模式。本研究以魯西南曹縣區(qū)域為代表，選擇4個有機奶牛牧場的有機種養(yǎng)基地及周邊土壤性質(zhì)和種植農(nóng)作物相似的常規(guī)農(nóng)田為調(diào)查點，通過實地調(diào)查取樣，比較了不同種植類型和不同有機種植年限土壤重金屬含量的差異，并采用多種方法進行評價，旨在為有機種養(yǎng)模式中重金屬污染的控制提供參考，促進我國農(nóng)業(yè)有機種養(yǎng)模式的健康發(fā)展。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

曹縣地屬黃河沖積平原，年平均日照時數(shù)2 640 h，無霜期212 d，年降水量708 mm，屬于溫帶季風氣候。選取4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)有機奶牛牧場的有機種養(yǎng)基地及周邊土壤性質(zhì)和種植農(nóng)作物相似的常規(guī)農(nóng)田為調(diào)查點，4個有機種養(yǎng)基地分別為磐石街道辦事處（有機種養(yǎng)模式20年）、大集鄉(xiāng)（有機種養(yǎng)模式5年）、梁堤頭鎮(zhèn)（有機種養(yǎng)模式3年）、倪集鄉(xiāng)（有機種養(yǎng)模式1年）。這4個基地在實施有機種養(yǎng)以前和周圍相鄰常規(guī)種植地塊的土壤性狀、土地利用方式及種植等方面基本一致，普通糧田，壤質(zhì)潮土。調(diào)查點肥料和農(nóng)藥施用情況：有機種養(yǎng)基地牛糞發(fā)酵堆肥每年施15 t/hm2，發(fā)酵沼液75～90 t/hm2，主要用生物農(nóng)藥除蟲菊素等；常規(guī)種植農(nóng)戶每年施三元復合肥750 kg/hm2，尿素300 kg/hm2，農(nóng)藥有毒蚜螨、吡蟲啉、馬拉硫磷和三唑酮等。

1.2研究方法

1.2.1調(diào)查點布置及土壤樣品采集于2015年6月初小麥收獲后根據(jù)每個調(diào)查點的情況進行布點。4個有機種養(yǎng)基地和常規(guī)種植農(nóng)田各取3個區(qū)，每個區(qū)采用S形取樣法采集10～15個點的耕層土壤（0～20 cm），混合成一個樣品，混合樣品按四分法取舍，保留1 kg左右，用塑料自封袋裝好帶回實驗室。土壤樣品經(jīng)自然風干，去除石礫和作物根系殘渣，按要求過2 mm和0.15 mm的尼龍篩，備用。

1.2.2土壤檢測方法土壤pH值采用pH計測定（水土比2.5∶1），土壤中 Cu、Zn、Pb、Cr、Cd的含量用原子吸收儀（ICE3500，USA）測定。土壤樣品在高壓消解罐中用氫氟酸、雙氧水、硝酸進行前處理， 測定過程中采用國家標準土樣 GBW07427進行質(zhì)量監(jiān)控。

1.2.3土壤重金屬污染評價為了準確評價不同種植方式對土壤環(huán)境的影響，本研究評價方法采用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法。

（1）單因子指數(shù)法與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。單因子指數(shù)法（single pollution index，Pi）是目前國內(nèi)通用的一種重金屬污染評價方法[5]，本研究以國家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅰ級標準為依據(jù)[6]。單因子污染指數(shù) Pi≤1，污染等級為清潔，Pi>1 為污染，且 Pi越大，污染越嚴重。為全面反映各重金屬元素對土壤的不同作用，突出高濃度重金屬元素對環(huán)境質(zhì)量的影響，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法（comprehensive pollution index，P）[7]，綜合污染指數(shù)P≤0.7 污染等級為安全，0.7

（2）潛在生態(tài)危害指數(shù)法。潛在生態(tài)風險指數(shù)法（potential ecological riskindex，RI）是由瑞典科學家 Hakanson 提出來的用于評價土壤中重金屬的方法[8]，它不僅反映某一特定環(huán)境中各種污染物的影響，也反映多種污染物的綜合影響，并以定量的方法劃分出潛在危害程度，是一種綜合反映土壤中重金屬對生態(tài)環(huán)境影響潛力的方法[9]。本研究以山東省土壤背景值為參照值，以Hakanson制定的重金屬毒性系數(shù)為依據(jù)，同時參照近年來國內(nèi)外學者對該領(lǐng)域的研究[10]，所評價元素Cd、Pb、Cr、Cu和Zn的毒性響應系數(shù)分別采用了20、5、2、5、1。單項潛在生態(tài)危害系數(shù) Ei<40 屬于輕微生態(tài)危害，40≤Ei<80 屬于中等生態(tài)危害，多種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù) RI<150 處于輕微生態(tài)危害，Ei和RI值越大，生態(tài)危害程度越大。

1.3數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件進行分析。

2結(jié)果與分析

2.1調(diào)查點土壤重金屬含量特征

表層土壤重金屬積累的變化受成土母質(zhì)和人為資源輸入的影響極大，而且重金屬累積是目前很受關(guān)注的土壤污染之一。本研究取樣點土壤pH值在8.1～8.5，屬于堿性土。測定的土壤中 5種主要重金屬污染物的含量見表1，各調(diào)查點土壤重金屬Cd、Pb、Cr、Cu和Zn含量均未超過土壤環(huán)境質(zhì)量國家Ⅰ級標準，都符合國家農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境標準的要求。

由表1可以看出，不同有機種養(yǎng)基地和常規(guī)種植農(nóng)田重金屬含量的高低表現(xiàn)不一致。Cd、Pb、Cr含量為常規(guī)農(nóng)田高于有機種養(yǎng)基地，其中Cr含量在4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)兩種模式差異不顯著，而磐石有機種養(yǎng)基地（20年）顯著降低了重金屬Cd和Pb含量，分別降低了25.00%、27.68%；Cu含量為倪集、梁堤頭、大集這3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)有機種養(yǎng)基地小于常規(guī)種植農(nóng)田，但差異不顯著，而磐石有機種養(yǎng)基地Cu含量顯著高于常規(guī)種植農(nóng)田。Zn含量表現(xiàn)為倪集和梁堤頭呈現(xiàn)常規(guī)種植含量高于有機種養(yǎng)基地，而大集和磐石表現(xiàn)為有機種養(yǎng)基地顯著高于常規(guī)農(nóng)田。整體來看，隨著種養(yǎng)年限的延長，有機種養(yǎng)模式顯著降低了土壤Cd和Pb含量，而顯著增加了Cu和Zn含量，對Cr含量的影響不大?？梢?，隨著有機種養(yǎng)時間的延長，Cu和Zn有一定的累積污染風險。

2.2不同種植模式土壤重金屬污染評價

2.2.1單因子指數(shù)法與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法從表2可以看出，兩種類型土壤5種重金屬單因子污染指數(shù)大小為Zn>Cu>Cd>Cr>Pb。其中Cd、Pb和Cr的單因子污染指數(shù)為常規(guī)種植>有機種養(yǎng)基地；Cu和Zn的單因子污染指數(shù)為有機種養(yǎng)基地>常規(guī)種植，但差異都不顯著。兩種種植模式綜合污染指數(shù)P差異不顯著，都在0.7

2.2.2潛在生態(tài)危害指數(shù)法從表3可以看出，兩種類型土壤5種重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)Ei大小為Cd>Cu>Zn>Pb>Cr，因為Cd元素的毒性響應系數(shù)最大，故其潛在生態(tài)危害系數(shù)最大。5種重金屬Ei都小于40，均屬于輕微生態(tài)危害水平。Cd、Pb和Cr的生態(tài)危害系數(shù)表現(xiàn)為常規(guī)種植>有機種養(yǎng)基地；Cu和Zn的生態(tài)危害系數(shù)為有機種養(yǎng)基地>常規(guī)種植，但差異不顯著，這和單因子污染指數(shù)的趨勢相同。潛在生態(tài)危害指數(shù) RI 可以表征重金屬元素對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的影響， 可以反映總的污染造成的生態(tài)風險。5種重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)RI<150，處于輕微生態(tài)危害水平。比較兩種種植模式，有機種養(yǎng)基地RI小于常規(guī)種植，降低9.58%，但兩者差異不顯著。

2.3不同有機種植年限土壤重金屬污染評價

從圖1顯示，土壤重金屬綜合污染指數(shù)不同年限有機種養(yǎng)與常規(guī)種植表現(xiàn)不同，有機種養(yǎng)1年的倪集鄉(xiāng)、有機種養(yǎng)3年的梁堤頭鎮(zhèn)土壤重金屬污染指數(shù)是有機種養(yǎng)基地<常規(guī)種植，分別比對應的常規(guī)種植降低8.64%和6.02%；而有機種養(yǎng)5年的大集鄉(xiāng)和有機種養(yǎng)20年的磐石表現(xiàn)為有機種養(yǎng)基地>常規(guī)種植，分別增加6.49%和11.00%。雖然各年限兩種模式土壤重金屬綜合污染指數(shù)差異不顯著，但長時間使用有機肥，由于Cu和Zn元素的積累，種養(yǎng)結(jié)合土壤重金屬污染指數(shù)比常規(guī)種植有增加的趨勢。

從圖2可以看出，不同有機種養(yǎng)年限土壤重金屬生態(tài)危害指數(shù)與常規(guī)種植相比規(guī)律是一致的，都表現(xiàn)為常規(guī)種植>有機基地，有機種養(yǎng)基地土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)在不同年限（1、3、5、20年）比對應的常規(guī)種植模式分別降低8.64%、11.62%、9.70%和8.49%，但差異不顯著。

3討論

從土壤重金屬檢測數(shù)據(jù)來看，魯西南曹縣有機種養(yǎng)基地和相鄰常規(guī)種植農(nóng)田土壤Cd、Pb、Cr、Cu和Zn這5類重金屬含量均達國家Ⅰ級土壤標準，表明這幾個基地及附近都具有良好的自然生態(tài)環(huán)境條件。其中Cd、 Pb和Cr含量有機種養(yǎng)基地低于常規(guī)種植，與盧東等[3]的研究結(jié)果一致。有機基地這幾種重金屬含量低的主要原因是不用化學農(nóng)藥和化肥，減少了這類重金屬進入土壤的來源。黃青青等[11]調(diào)查了我國磷肥中重金屬含量， 發(fā)現(xiàn)磷肥中Cd含量較高， 一些磷肥中Pb含量最大值達181.7 mg/kg，接近限量值200 mg/kg。陳海燕等[12]測試了市場中常售化肥中的各重金屬含量， 結(jié)果表明復合肥中含有大量 Cr， 平均含量高達 84.2 mg/kg。大量施用的化肥是土壤中 Cd 、Pb和 Cr 的重要來源。

有機種養(yǎng)基地土壤Cu和Zn的含量隨著有機種植年限的延長有積累的風險，尤其是有機種養(yǎng)20年的磐石基地顯著高于常規(guī)種植農(nóng)田，這與徐明崗[13]、盧東[3]等研究結(jié)果一致，主要原因是禽畜糞便有機肥中這些微量元素殘留量大，含量較高。牧場養(yǎng)殖中飼料添加劑中礦物質(zhì)的添加會帶來一定的重金屬，尤其是Cu和Zn元素[14]，雖然適量重金屬元素能夠促進禽畜生長，但這些重金屬大部分不能被動物吸收而排出，重金屬隨糞尿進入到有機肥和沼液中，最終進入農(nóng)田。采用不同評價方法對兩種種植模式土壤中重金屬進行評價，有機種植降低了Cd、Pb和Cr的單因子污染指數(shù)和潛在生態(tài)危害系數(shù)，增加了Cu和Zn的單因子污染指數(shù)和潛在生態(tài)危害系數(shù)，但整體來看，兩種模式土壤重金屬綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)差異不顯著。

鑒于有機種養(yǎng)模式中Cu和Zn的積累風險，我們要從多方面來控制，促進有機種養(yǎng)循環(huán)健康發(fā)展：一是需要嚴格控制飼料添加劑中重金屬含量，嚴格遵守衛(wèi)生部的《飼料、飼料添加劑衛(wèi)生指標（GB 13078-2001）》對重金屬含量的限制；二是采用多種方法（如化學沉淀法、生物吸附法等）降低有機肥和沼液中重金屬的含量或生物有效性；三是對種養(yǎng)結(jié)合中有機農(nóng)田有機肥和沼液的消納等問題進行研究，合理科學的利用有機牧場的牛糞尿資源。

4結(jié)論

調(diào)查點土壤重金屬Cd、Pb、Cr、Cu和Zn含量都符合國家土壤質(zhì)量Ⅰ級標準。與常規(guī)種植相比，有機種養(yǎng)模式可以降低土壤重金屬Cd、Pb和Cr的含量，而隨著種養(yǎng)年限的增加，Cu和Zn元素有積累的趨勢。兩種評價方法結(jié)果表明，有機種植降低了Cd、Pb和Cr的單因子污染指數(shù)和潛在生態(tài)危害系數(shù)，增加了Cu和Zn的單因子污染指數(shù)和潛在生態(tài)危害系數(shù)，但整體來看，兩種模式土壤重金屬綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)差異不顯著。

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