不同栽培方式菜田耕層土壤重金屬狀況

黃紹文， 唐繼偉， 李春花

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所, 農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

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不同栽培方式菜田耕層土壤重金屬狀況

黃紹文， 唐繼偉*， 李春花*

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所, 農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

【目的】評(píng)價(jià)不同栽培方式(溫室、大棚和露地)菜田土壤重金屬狀況，為菜田土壤質(zhì)量改善和蔬菜高效安全施肥提供一定的理論依據(jù)?！痉椒ā酷槍?duì)我國(guó)北方3個(gè)區(qū)域(東北、黃淮海、西北地區(qū))和南方4個(gè)區(qū)域(華中、西南、華東、華南地區(qū))主要蔬菜種植區(qū)不同栽培方式的典型菜田耕層土壤展開調(diào)查，選擇的主要菜區(qū)不同栽培方式的菜田均為遠(yuǎn)離城郊的未受到工業(yè)“三廢”、汽車尾氣等污染的農(nóng)村菜田，取樣時(shí)間是2013年作物收獲后或蔬菜施肥前或生長(zhǎng)后期，共采集503個(gè)土壤樣品，對(duì)溫室、大棚和露地三種栽培方式下土壤重金屬狀況進(jìn)行了研究?！窘Y(jié)果】1)采樣區(qū)設(shè)施(溫室和大棚)菜田土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量總體上均高于露地菜田土壤，較露地菜田土壤平均分別高12.2%、21.7%和30.4%。2)隨著種菜年限的增加，菜田土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量呈顯著增加的趨勢(shì)。不同栽培方式菜田土壤中均可能存在幾種重金屬同時(shí)污染的復(fù)合污染現(xiàn)象，土壤Cu、Zn、Cd等之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平。3)采樣區(qū)不同栽培方式菜田土壤Cd的二級(jí)超標(biāo)率在19.2%22.3%之間，溫室、大棚和露地菜田土壤Cd的單項(xiàng)污染指數(shù)平均分別為0.97、0.98和0.70；土壤Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg的二級(jí)超標(biāo)率在014.6%之間，單項(xiàng)污染指數(shù)在0.060.52之間?！窘Y(jié)論】設(shè)施菜田N、P2O5和K2O總量及有機(jī)肥用量均顯著高于露地菜田，可能是造成設(shè)施菜田土壤中重金屬Cu、Zn和Cd積累顯著高于露地菜田的重要原因。采樣區(qū)設(shè)施(溫室和大棚)菜田土壤Cd總體上處于污染警戒級(jí)狀態(tài)，露地菜田土壤總體上未受到Cd的污染；設(shè)施和露地菜田土壤Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg總體上均未構(gòu)成對(duì)土壤的污染。

菜田土壤；栽培方式；重金屬；污染指數(shù)

我國(guó)是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國(guó)，播種面積和產(chǎn)量均占世界的四成多。2014年我國(guó)蔬菜播種面積約為2127萬公頃，總產(chǎn)量約7.58億噸(國(guó)家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系經(jīng)濟(jì)室測(cè)算，內(nèi)部資料)，播種面積僅約占農(nóng)作物總播種面積的1/8，但產(chǎn)值占種植業(yè)總產(chǎn)值的30%以上[1]。近些年我國(guó)設(shè)施蔬菜(溫室和大棚)發(fā)展迅速，1980年設(shè)施蔬菜不足0.7萬公頃，目前已達(dá)到366.7萬公頃，產(chǎn)值占蔬菜總產(chǎn)值的50%以上。設(shè)施蔬菜已成為許多地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)，極大增加了農(nóng)民收入，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。由于設(shè)施蔬菜栽培土壤缺少雨水淋洗，且溫度、濕度、通氣狀況、肥水管理等均與露地栽培有較大差別，加之設(shè)施栽培又長(zhǎng)期處于高度集約化、高復(fù)種指數(shù)、高肥料施用量的生產(chǎn)狀況，其特殊的生態(tài)環(huán)境與不合理的肥水管理措施常導(dǎo)致土壤的次生鹽漬化、酸化、養(yǎng)分比例失調(diào)、土壤重金屬污染等問題[2-3]。

環(huán)境污染方面所指的重金屬主要是指生物毒性顯著的汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pd)、鉻(Cr)以及類金屬砷(As)，還包括具有毒性的鋅(Zn)、銅(Cu)、鈷(Co)、鎳(Ni)、錫(Sn)、釩( V)等污染物。土壤重金屬污染可導(dǎo)致作物產(chǎn)量和質(zhì)量的下降，作物積累的重金屬可通過食物鏈進(jìn)入人體而給人類健康帶來高毒危害性，如Cd污染可造成貧血、高血壓、骨痛病等疾病。土壤重金屬污染形成的直接形式可以歸納為大氣沉降、農(nóng)業(yè)投入品攜帶(化肥、畜禽糞便、農(nóng)藥等)、污水灌溉等幾類。設(shè)施菜田土壤一般不存在大氣沉降和污水灌溉這兩種形式，而以農(nóng)業(yè)投入品攜帶為主。由于設(shè)施蔬菜生產(chǎn)對(duì)農(nóng)藥使用的限制越來越嚴(yán)格，土壤中重金屬主要來源于施用的化肥和畜禽糞便有機(jī)肥。由于原料、礦石本身所含的雜質(zhì)以及生產(chǎn)工藝流程的污染，磷肥或其它化學(xué)肥料中含有一定量的重金屬Cd、Zn等[4-5]，化肥尤其是磷肥長(zhǎng)期過量施入土壤后，可發(fā)生一定程度Cd、Zn等積累。我國(guó)農(nóng)民在蔬菜尤其是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中大量使用雞糞、豬糞等畜禽糞便，而畜禽糞便中Cu、Zn、Cd等重金屬含量較高[6]。在動(dòng)物飼料中添加的Cu、Zn等對(duì)畜禽生長(zhǎng)發(fā)育、生殖等有重要作用，Cd與Zn伴生，而畜禽對(duì)重金屬元素利用率低，絕大部分隨畜禽糞便排出體外，如長(zhǎng)期大量使用畜禽糞便，會(huì)顯著增加土壤中Zn、Cu、Cd等重金屬含量[7-8]。

蔬菜對(duì)重金屬有較強(qiáng)的富集能力，其施肥量一般遠(yuǎn)高于糧食作物，因此，與糧食作物相比，長(zhǎng)期過量施肥(尤其是磷肥和有機(jī)肥)造成蔬菜尤其是設(shè)施蔬菜遭受重金屬污染的潛在威脅更為突出。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)城市郊區(qū)、污水灌溉區(qū)、交通繁忙區(qū)、受工礦活動(dòng)影響區(qū)的菜田土壤重金屬積累乃至超標(biāo)問題進(jìn)行了大量研究[9-14]。一些研究表明，我國(guó)一些城市和城郊菜區(qū)蔬菜中Cd、Hg、Cr、As、Pb等中一種或幾種重金屬元素含量超標(biāo)，局部地區(qū)污染嚴(yán)重；不同城市和城郊菜區(qū)蔬菜重金屬污染的程度、重金屬種類及成因有所不同[15-16]。我國(guó)有關(guān)設(shè)施菜田土壤這類相對(duì)封閉的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中重金屬積累方面也有許多報(bào)道。李瑞琴等[17]研究指出，武威市涼州區(qū)設(shè)施菜田土壤As和Hg呈現(xiàn)明顯累積，分別高出露地農(nóng)田土壤3.1和8.7倍。一些研究顯示，設(shè)施菜田土壤中Cu、Zn、Cd等含量均隨種植年限的增加出現(xiàn)了明顯的積累，以Cd污染較為突出[18-21]。劉蘋等[22]研究表明，壽光市設(shè)施菜田土壤存在重金屬積累的現(xiàn)象；按照溫室蔬菜土壤重金屬含量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，土壤Cd的樣本超標(biāo)率為15.4%。設(shè)施菜田是繼工礦/污灌菜田之后重金屬積累較為嚴(yán)重的菜田栽培方式類型[23]，土壤重金屬積累已成為制約設(shè)施蔬菜高效安全生產(chǎn)的一個(gè)重要障礙因子。

了解菜田土壤重金屬狀況是蔬菜安全高效施肥的基礎(chǔ)。然而，目前有關(guān)全國(guó)農(nóng)村不同栽培方式菜田土壤重金屬狀況方面較為系統(tǒng)的研究鮮見報(bào)道。為此，2013年國(guó)家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系開展了全國(guó)菜田土壤重金屬狀況的普查工作，為全國(guó)菜田土壤質(zhì)量改善和蔬菜安全高效施肥提供一定的理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1土壤樣品采集

調(diào)查范圍包括北方3個(gè)區(qū)域(東北、黃淮海和西北地區(qū))和南方4個(gè)區(qū)域(華中、西南、華東和華南地區(qū))。調(diào)查對(duì)象為溫室(有后墻)、大棚(無后墻)和露地菜田3種栽培方式。選擇的主要菜區(qū)不同栽培方式菜田均為遠(yuǎn)離城郊的未受到工業(yè)“三廢”、汽車尾氣等污染的農(nóng)村菜田。土壤樣品由國(guó)家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系34個(gè)綜合試驗(yàn)站負(fù)責(zé)采取，從每個(gè)示范基地縣選擇代表性栽培方式和栽培制度下34個(gè)典型菜田作為取樣地塊(每個(gè)綜合試驗(yàn)站35個(gè)示范基地縣，1個(gè)地塊采集1個(gè)混合樣)，每個(gè)試驗(yàn)站采集15個(gè)左右耕層土壤樣品。取樣時(shí)間是作物收獲后、蔬菜施肥前或生長(zhǎng)后期。取樣方法是在地塊內(nèi)按“S”形布點(diǎn)或“梅花形”布點(diǎn)(要避開路邊、田埂、溝邊、肥堆等特殊部位)，用不銹鋼、木質(zhì)或塑料工具采取耕層0—20 cm土壤樣品。從全國(guó)主要菜區(qū)共采取503個(gè)耕層土壤樣品，其中溫室、大棚和露地菜田土壤樣品數(shù)分別為112、157和234個(gè)；不同栽培方式下各區(qū)域土壤樣品數(shù)目見表1。

表1　不同菜區(qū)土壤樣品數(shù)目

1.2肥料使用情況調(diào)查

收集上述所有取樣區(qū)域的種菜歷史，20112013年蔬菜種類、栽培制度、化肥和有機(jī)肥投入等資料。

1.3土壤樣品分析

土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、磨碎、過篩(0.149 mm)，用于土壤重金屬含量測(cè)定。

土壤Cu、Zn、Pb、Cr、Cd總量測(cè)定土樣經(jīng)王水-高氯酸法消煮[24]后，土壤Cu、Zn、Pb、Cr在原子吸收分光光度計(jì)上采用火焰原子光譜法測(cè)定，土壤Cd用ICP-MS法測(cè)定。

土壤As和Hg總量測(cè)定土樣經(jīng)1+1王水(王水 ∶水=1 ∶1)法消煮[25]后，土壤As和Hg均在雙道原子熒光光度計(jì)上測(cè)定。

分析過程中加入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GBW08301河流沉積物、GBW08302西藏土壤和GBW07430珠江三角洲土壤)和空白對(duì)照進(jìn)行質(zhì)量控制，所用水為超純水，試劑采用優(yōu)級(jí)純。

1.4土壤重金屬狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

土壤重金屬狀況評(píng)價(jià)采用GB15618-2008土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)把土壤環(huán)境質(zhì)量分為3個(gè)等級(jí)。其中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)人體健康的土壤臨界值。超出了二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)就意味著已經(jīng)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類健康構(gòu)成潛在威脅。本文選取二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)菜田土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體指標(biāo)見表2。土壤重金屬二級(jí)超標(biāo)率(%)指所取樣本中重金屬含量超過GB 15618-2008中規(guī)定的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的樣本的百分?jǐn)?shù)。

表2　GB15618-2008土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(修訂)菜地

1.5土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法

重金屬污染既可能是單一因素作用的結(jié)果，也可能是多元素共同作用的結(jié)果。土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法采用單項(xiàng)污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法。

1.5.1 單項(xiàng)污染指數(shù)法單項(xiàng)污染指數(shù)定義為：

Pi=Ci/Si

(1)

式中，Pi為土壤重金屬元素i的污染指數(shù)，Ci為土壤重金屬元素i的實(shí)測(cè)濃度，Si為土壤重金屬元素i的限量標(biāo)準(zhǔn)值(表1中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn))；當(dāng)Pi≤1時(shí)，表示土壤未受污染；Pi>1時(shí)，表示土壤受到污染，且Pi越大則污染越嚴(yán)重[26-27]。土壤重金屬單項(xiàng)污染評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

1.5.2 綜合污染指數(shù)法為全面反映各重金屬對(duì)土壤的作用，并突出高濃度重金屬元素對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其定義為：

(2)

1.6數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003 和SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表3　土壤重金屬單項(xiàng)污染評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2　結(jié)果與分析

2.1不同栽培方式菜田土壤重金屬含量

表4和表5表明，采樣區(qū)設(shè)施(溫室和大棚)菜田土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量總體上均高于露地菜田土壤，較露地菜田土壤平均分別高12.2%、21.7%和30.4%，其中北方采樣區(qū)設(shè)施菜田土壤Cu、Zn和Cd總量較露地菜田土壤的增幅明顯高于南方土壤。

按全國(guó)不同栽培方式菜田統(tǒng)計(jì)，與露地菜田土壤相比，設(shè)施(溫室和大棚)菜田土壤Cu、Zn和Cd總量均有升高的趨勢(shì)，其中溫室土壤Cu總量顯著高于露地土壤，設(shè)施土壤Zn總量顯著高于露地土壤，大棚土壤Cd總量顯著高于露地土壤。與露地菜田土壤相比，溫室和大棚土壤Cu分別升高15.6%和8.7%，Zn分別升高17.6%和25.8%，Cd分別升高21.4%和39.3%(表4)。

將北方和南方分開統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)設(shè)施(溫室和大棚)菜田土壤Cu、Zn和Cd總量亦均有較露地菜田土壤高的趨勢(shì)，其中北方主要菜區(qū)采樣區(qū)溫室土壤Cu總量顯著高于露地土壤，溫室和大棚土壤Zn總量顯著高于露地土壤，大棚土壤Cd總量顯著高于露地土壤；南方主要菜區(qū)采樣區(qū)大棚土壤Zn總量顯著高于露地土壤。北方主要菜區(qū)采樣區(qū)，與露地土壤相比，溫室和大棚土壤Cu分別升高44.3%和21.7%，Zn總量分別升高43.0%和35.5%，Cd分別升高38.5%和61.5%。南方主要菜區(qū)采樣區(qū)大棚土壤Cu、Cd、Pb、Cr、As、Hg總量與露地土壤差異不顯著，大棚土壤Zn總量較露地土壤升高了23.5%(表5)。

表4　不同栽培方式菜田土壤重金屬含量

注(Note): 同行數(shù)據(jù)后不同字母表示不同栽培方式間在P<0.05水平差異顯著Values followed by different letters in a row are significantly different atP<0.05 for different land use patterns.

從表4、表5可看出，按全國(guó)和按北方、南方分開統(tǒng)計(jì)的不同栽培方式菜田土壤Pb的變化趨勢(shì)有所不同。按北方和南方主要菜區(qū)采樣區(qū)分開統(tǒng)計(jì)的不同栽培方式菜田土壤Pb總量差異不顯著，而按全國(guó)主要菜區(qū)采樣區(qū)統(tǒng)計(jì)的溫室土壤Pb總量顯著低于大棚和露地土壤，主要原因是南方主要菜區(qū)采樣區(qū)大棚和露地土壤Pb總量(南方溫室土壤樣品數(shù)僅11個(gè)，代表性較差，未作統(tǒng)計(jì))明顯高于北方，導(dǎo)致按全國(guó)主要菜區(qū)采樣區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)溫室土壤Pb總量明顯偏低。在南方主要菜區(qū)采樣區(qū)溫室土壤Pb總量樣本數(shù)較少的情況下，按北方和南方分開統(tǒng)計(jì)有利于正確評(píng)價(jià)不同栽培方式菜田土壤Pb含量狀況。

表5　按北方和南方主要菜區(qū)采樣區(qū)分別統(tǒng)計(jì)的不同栽培方式菜田土壤重金屬含量(mg/kg)

注(Note): GH—Greenhouse. 同行數(shù)據(jù)后不同字母表示不同栽培方式間在P<0.05水平差異顯著(北方和南方分別作顯著性檢驗(yàn))Values followed by different letters in a row are significantly different atP<0.05 for different land use patterns (Data were analyzed by northern and southern China, respectively). 對(duì)南方溫室菜田的各測(cè)試項(xiàng)目不作統(tǒng)計(jì)(土壤樣品數(shù)小于30個(gè))Data was not calculated for soil samples below 30.

表4和表5顯示，按全國(guó)和按北方和南方分開統(tǒng)計(jì)的不同栽培方式菜田土壤Cr、As和Hg總量的趨勢(shì)基本一致，溫室、大棚和露地土壤Cr、As和Hg總量總體上差異均不明顯。

2.2種菜歷史對(duì)不同栽培方式菜田土壤重金屬含量的影響

由表6可見，隨著種菜年限的增加，菜田土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量顯著增加，種菜年限1020年和>20年的土壤重金屬(Cu、Zn和Cd)總量較種菜年限≤10年的增加幅度平均分別在12.8%33.3%和28.7%59.3%之間。種菜年限1020年和>20年的土壤Cu總量較種菜年限≤10年的平均分別增加13.1%和34.4%，其中溫室土壤Cu總量平均分別增加14.2%和32.0%，大棚土壤Cu總量平均分別增加19.5%和48.7%，露地土壤Cu總量平均分別增加8.5%和29.6%；種菜年限1020年和>20年的土壤Zn總量較種菜年限≤10年的平均分別增加12.8%和28.7%，其中溫室土壤Zn總量平均分別增加14.2%和33.4%，大棚土壤Zn總量平均分別增加11.9%和26.4%，露地土壤Zn總量平均分別增加12.1%和34.9%；種菜年限1020年和>20年的土壤Cd總量較種菜年限≤10年的平均分別增加33.3%和59.3%，其中溫室土壤Cd總量平均分別增加33.3%和50.0%，大棚土壤Cd總量平均分別增加43.8%和56.3%，露地土壤Cd總量平均分別增加42.9%和81.0%。

2.3不同栽培方式菜田土壤重金屬含量之間的關(guān)系

本研究選擇的主要菜區(qū)不同栽培方式菜田均為遠(yuǎn)離城郊的未受到工業(yè)“三廢”、汽車尾氣等污染的農(nóng)村菜田，且蔬菜生產(chǎn)對(duì)農(nóng)藥使用的限制越來越嚴(yán)格，土壤中重金屬可能主要來源于施用的化肥和畜禽糞便有機(jī)肥。從表7可看到，不同栽培方式菜田土壤中均可能存在幾種重金屬同時(shí)污染的復(fù)合污染現(xiàn)象，其中菜田不同栽培方式對(duì)其含量影響較大的Cu、Zn、Cd等元素之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平。

2.4不同栽培方式菜田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

采樣區(qū)設(shè)施(溫室和大棚)菜田土壤Cd總體上處于污染警戒級(jí)狀況，露地菜田土壤總體上未受到Cd的污染；采樣區(qū)設(shè)施和露地菜田土壤Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg總體上均未構(gòu)成對(duì)土壤的污染(表8)。采樣區(qū)不同栽培方式菜田土壤Cd的二級(jí)超標(biāo)率及單項(xiàng)污染指數(shù)均較高，溫室、大棚和露地土壤Cd的二級(jí)超標(biāo)率分別達(dá)到22.3%、20.4%和19.2%，單項(xiàng)污染指數(shù)分別為0.97、0.98和0.70，按土壤重金屬單項(xiàng)污染評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)施菜田土壤Cd總體上處于污染警戒級(jí)(尚清潔水平)狀況，露地菜田土壤Cd總體上居安全級(jí)(清潔水平)。

表6　不同種菜歷史下不同栽培方式菜田土壤重金屬含量(mg/kg)

注(Note): GH—Greenhouse. 種菜歷史≤10年的溫室、大棚和露地土壤樣品數(shù)分別為62、109和141個(gè)，種菜歷史1020年的溫室、大棚和露地土壤樣品數(shù)分別為35、27和60個(gè)，種菜歷史>20年的溫室、大棚和露地土壤樣品數(shù)分別為15、21和33個(gè) Soil samples collected from the vegetable fields of greenhouse with wall, the vegetable fields of greenhouse without wall, and the open vegetable fields were respectively 62, 109 and 141 for vegetable production history below ten years, 35, 27 and 60 for vegetable production history ranging from ten to twenty years, and 15, 21 and 33 for vegetable production history above twenty years.

不同栽培方式菜田土壤Hg的單項(xiàng)污染指數(shù)均低于污染警戒級(jí)水平，表明土壤總體上未受到Hg的污染，但大棚和露地菜田土壤Hg的二級(jí)超標(biāo)率也達(dá)到了一定比例，分別為14.6%和12.8%，對(duì)大棚和露地菜田土壤Hg的污染問題應(yīng)引起重視。

采樣區(qū)不同栽培方式菜田土壤Cu、Zn、Pb、Cr和As的二級(jí)超標(biāo)率及單項(xiàng)污染指數(shù)均較低，三種栽培方式下二級(jí)超標(biāo)率在07.6%之間，單項(xiàng)污染指數(shù)在0.060.52之間，顯示設(shè)施菜田和露地菜田土壤Cu、Zn、Pb、Cr和As均處于安全級(jí)，暫未構(gòu)成對(duì)土壤和蔬菜的威脅。

采樣區(qū)設(shè)施菜田土壤重金屬綜合污染指數(shù)高于露地菜田土壤，溫室、大棚和露地土壤重金屬綜合污染指數(shù)分別為0.75、0.81和0.56，按照土壤重金屬綜合污染評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)施菜田土壤重金屬處于污染警戒級(jí)狀況，露地菜田土壤重金屬居安全級(jí)。

3　討論

3.1設(shè)施菜田土壤重金屬含量變化特征

本研究表明，采樣區(qū)設(shè)施(溫室和大棚)菜田土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量總體上均高于露地菜田土壤；隨著種菜年限的增加，土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量顯著增加，這主要與設(shè)施菜田長(zhǎng)期過量施肥有關(guān)。本研究選擇的不同栽培方式菜田均為遠(yuǎn)離城郊的未受到工業(yè)“三廢”、汽車尾氣等污染的農(nóng)村菜田。磷肥、復(fù)合肥等化肥中含有一定量的重金屬，有機(jī)肥中Zn、Cu、Cd等重金屬含量較高，過量施肥會(huì)造成菜田土壤中重金屬積累。由表9可以看出，不同栽培方式菜田肥料使用差異很大，設(shè)施菜田的N、P2O5和K2O總量及有機(jī)肥用量均顯著高于露地菜田， N、P2O5和K2O總量平均分別高44.1%、92.0%和1.46倍，其中有機(jī)肥中N、P2O5和K2O用量平均分別高1.31、1.44和1.39倍。

表7　不同栽培方式菜田土壤重金屬之間的相關(guān)性(r)

注(Note): *—P<0.05；**—P<0.01.

設(shè)施栽培條件下，種植戶為了追求設(shè)施利用率及蔬菜高產(chǎn)，通常都在棚室內(nèi)進(jìn)行連續(xù)種植，蔬菜復(fù)種指數(shù)高且肥料投入量大，化肥和有機(jī)肥的投入量遠(yuǎn)高于露地蔬菜栽培，并大大超過蔬菜養(yǎng)分需求量。山東省惠民設(shè)施蔬菜產(chǎn)區(qū)氮(N)、磷(P2O5)和鉀(K2O)年均施入量分別為4670、1409和1916 kg/hm2，分別相當(dāng)于對(duì)照農(nóng)田的7.0、12.8和18.6倍，超過蔬菜需要量的數(shù)倍[29]。余海英等[30]對(duì)山東壽光溫室蔬菜種植情況調(diào)查顯示，有機(jī)肥以雞糞和豬糞為主，56%的溫室全部用高濃度復(fù)合肥(N-P2O5-K2O為15-15-15)，溫室栽培每年N、P2O5和K2O的平均投入量分別達(dá)到4088、3656和3438 kg/hm2。Huang和Jin[31]對(duì)北京市、天津市、河北省和山東省4個(gè)省市10個(gè)區(qū)市縣的肥料使用情況進(jìn)行調(diào)查表明，設(shè)施蔬菜和露地蔬菜的總施肥量(養(yǎng)分)分別為糧食作物的5.2倍和2.5倍。徐勇賢等[32]對(duì)長(zhǎng)三角無錫市城鄉(xiāng)交錯(cuò)區(qū)蔬菜基地土壤重金屬平衡的研究顯示，有機(jī)肥施用是生產(chǎn)系統(tǒng)重金屬輸入的主要來源，占輸入量的89%，土壤Cu、Zn、Cd等存在積累的趨勢(shì)。李樹輝[33]通過在甘肅武威開展的兩年田間定位試驗(yàn)研究的結(jié)果表明，設(shè)施蔬菜種植過程中重金屬的輸入途徑主要來自化肥和有機(jī)肥，其中有機(jī)肥對(duì)設(shè)施菜田重金屬的輸入通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過化肥。黃霞等[34]報(bào)道，我國(guó)農(nóng)民在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中大量使用雞糞、豬糞等畜禽糞便，年用量高的在153.9240.0 t/hm2之間。曾希柏等[35]調(diào)查指出，山東壽光市設(shè)施蔬菜有機(jī)肥年用量平均為207.2 t/hm2，最高施用量達(dá)到493.8 t/hm2。陳碧華等[21]對(duì)河南新鄉(xiāng)市無公害蔬菜生產(chǎn)基地的調(diào)查顯示，設(shè)施蔬菜和露地蔬菜有機(jī)肥年施用量分別平均達(dá)到150和100 t/hm2。因此，我國(guó)設(shè)施菜田長(zhǎng)期過量施肥尤其是有機(jī)肥造成了土壤中重金屬Cu、Zn、Cd等逐漸積累，遭受重金屬污染的潛在威脅較露地菜田更為突出；隨著種菜年限的增加，土壤中重金屬積累會(huì)越多。

表8　不同栽培方式菜田土壤重金屬的二級(jí)超標(biāo)率、單項(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)

注(Note): PSS-SS-SEQ—Percentage of soil samples beyond the 2ndcriteria of Environmental Quality Standard for Soils; SPI-SS-SEQ —The single-factor pollution index based on the 2ndcriterion of Environmental Quality Standard for Soils； CPI-SS-SEQ —The comprehensive pollution index of 7 heavy metals based on the 2ndcriterion of Environmental Quality Standard for Soils, respectively. 同行數(shù)據(jù)后不同字母表示不同栽培方式間在P<0.05水平差異顯著Values followed by different letters in a row are significantly different atP<0.05 for different land use patterns.

表9　不同栽培方式菜田20112013年肥料使用情況[kg/(hm2·season)]

本研究還表明，采樣區(qū)設(shè)施(溫室和大棚)菜田土壤Cd總體上處于污染警戒級(jí)狀況，露地菜田土壤總體上未受到Cd的污染；采樣區(qū)設(shè)施和露地土壤Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg均未構(gòu)成對(duì)土壤的污染。施用有機(jī)肥是蔬菜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和養(yǎng)分循環(huán)利用不可缺少的重要措施，但有機(jī)肥是土壤中重金屬積累的主要來源。盡管目前采樣區(qū)設(shè)施菜田土壤Cd總體上處于污染警戒級(jí)狀況，但逐漸積累的趨勢(shì)勢(shì)必加重土壤Cd的危險(xiǎn)性。值得指出的是，本研究局部地區(qū)設(shè)施菜田土壤Cd處于輕污染級(jí)狀況，對(duì)于這類處于輕度污染的設(shè)施菜田土壤，可以利用間/套作等的栽培制度，在保證設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的同時(shí)修復(fù)被污染的土壤。更為重要的是，如何合理施用肥料尤其是畜禽糞便有機(jī)肥，是設(shè)施蔬菜安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。

3.2菜田土壤重金屬之間的關(guān)系

土壤中的重金屬污染往往是以某一重金屬元素為主，但大多是幾種重金屬元素同時(shí)污染的復(fù)合污染。研究土壤重金屬元素之間的相關(guān)性，有利于對(duì)它們分布情況的掌握和了解，進(jìn)而確定它們是否來自相同污染源，以分析復(fù)合污染產(chǎn)生原因。重金屬復(fù)合污染不僅在工礦區(qū)、污灌區(qū)和城區(qū)的土壤中發(fā)生，而且在城郊的菜田土壤中也普遍存在[23]。彭曉春等[36]報(bào)道，長(zhǎng)沙-株洲-湘潭(長(zhǎng)株潭) 城市群的土壤Cd、Cu、Ni、Pb、Zn兩兩之間均存在極顯著的相關(guān)性，表明這些元素具有相似的來源，這可能與湖南湘江流域的有色礦業(yè)Pb、Zn、Cd冶煉活動(dòng)密集、工業(yè)廢水無序排放密切相關(guān)。冉延平[37]研究表明，某城市土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的空間相關(guān)性顯著，存在8種重金屬元素共生混合污染的潛在危害，污染源具有多源性，Cr、Ni污染可能與工業(yè)區(qū)有關(guān)，Zn、Pb、Cd、As主要來源于汽車尾氣的排放、燃料及潤(rùn)滑油的泄漏以及輪胎和機(jī)械部件的磨損，Hg、Cu的污染主要來自生活污染和公園綠地農(nóng)藥化肥污染。關(guān)共湊等[38]研究顯示，佛山市郊主要菜地土壤Cu、Zn、Ni、Pb和Cr之間存在極顯著或顯著正相關(guān)關(guān)系，它們主要來自污水灌溉，具有明顯的同源關(guān)系，并呈現(xiàn)復(fù)合污染的趨勢(shì)。而本研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)農(nóng)村主要菜區(qū)土壤中也存在多種重金屬同時(shí)污染的復(fù)合污染現(xiàn)象，其中不同栽培方式影響較大的元素Cu、Zn、Cd等之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平，證實(shí)了農(nóng)村不同栽培方式菜田土壤重金屬復(fù)合污染具有同源性。主要原因是本研究選擇的主要菜區(qū)不同栽培方式菜田均為遠(yuǎn)離城郊的未受到工業(yè)“三廢”、汽車尾氣等污染的農(nóng)村菜田，土壤中重金屬主要來源于施用的化肥和畜禽糞便有機(jī)肥。而磷肥、復(fù)合肥等化肥中含有一定量的Cd、Zn等重金屬，有機(jī)肥中Cu、Zn、Cd等重金屬含量較高，因此，我國(guó)主要菜區(qū)不同栽培方式菜田長(zhǎng)期過量施肥尤其是大量使用畜禽糞便造成了土壤中Cu、Zn、Cd等重金屬同步積累的趨勢(shì)。

4　結(jié)論

1)采樣區(qū)設(shè)施(溫室和大棚)菜田土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量總體上均高于露地菜田土壤，較露地菜田土壤平均分別為高12.2%、21.7%和30.4%。由于本研究選擇的主要菜區(qū)不同栽培方式菜田均為遠(yuǎn)離城郊的未受到工業(yè)“三廢”、汽車尾氣等污染的農(nóng)村菜田，設(shè)施菜田長(zhǎng)期過量施肥尤其是有機(jī)肥可能是土壤中重金屬Cu、Zn、Cd等逐漸積累的主要原因，因此設(shè)施菜田遭受重金屬污染的潛在威脅較露地菜田更為突出。

2)隨著種菜年限的增加，菜田土壤重金屬Cu、Zn和Cd總量顯著增加，種菜年限1020年和>20年的土壤重金屬(Cu、Zn和Cd)總量較種菜年限≤10年的增幅平均分別在12.8%33.3%和28.7%59.3%之間。不同栽培方式菜田土壤中均存在幾種重金屬同時(shí)污染的復(fù)合污染現(xiàn)象，其中菜田不同栽培方式對(duì)土壤重金屬含量影響較大的Cu、Zn、Cd等之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平，相關(guān)系數(shù)在0.2220.767之間。

3)采樣區(qū)不同栽培方式菜田土壤Cd的二級(jí)超標(biāo)率在19.2%22.3%之間，設(shè)施(溫室和大棚)菜田土壤Cd總體上處于污染警戒級(jí)狀況，露地菜田土壤總體上未受到Cd的污染；全國(guó)不同栽培方式菜田土壤Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg的二級(jí)超標(biāo)率在014.6%之間，設(shè)施和露地土壤Cu、Zn、Pb、Cr、As和Hg總體上均未構(gòu)成對(duì)土壤的污染。按照土壤重金屬綜合污染評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采樣區(qū)設(shè)施菜田土壤重金屬處于污染警戒級(jí)狀況，露地菜田土壤重金屬居安全級(jí)。

致謝： 土壤樣品采集由國(guó)家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系各綜合試驗(yàn)站站長(zhǎng)負(fù)責(zé)，其他崗位專家參與并給予了指導(dǎo)，在此一并感謝。

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Status of heavy metals in vegetable soils under different patterns of land use

HUANG Shao-wen, TANG Ji-wei*, LI Chun-hua*

(InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences/KeyLaboratoryofPlantNutritionandFertilizer,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China)

【Objectives】 A national vegetable soil survey on total heavy metal concentrations under three patterns of land use (greenhouses with wall or without wall, open field) was evaluated to provide a scientific basis for vegetable soil quality improvement, and high-efficiency and safe fertilizer recommendation. 【Methods】 More than five hundreds of representative soil samples at depth of 0-20 cm were collected from the main vegetable production regions in China (Northeastern, Huanghuaihai, Northwestern, Southwestern, Central China, East China, and South China) located in rural areas away from suburbs of their cities, and not affected by the waste air, water and residue from industry and the tail gases emitted by automobiles etc. The sampling periods comprised after harvest, prior to fertilization, or at late stage of growth in 2013，and the total heavy metal concentrations under the three patterns of land use were investigated in this study. 【Results】 1) The total Cu, Zn and Cd concentrations in the vegetable soils inside the greenhouses (with wall and without wall) are significantly higher than those in open vegetable soils, with average increases of 12.2%, 21.7% and 30.4%, respectively. 2) The total Cu, Zn and Cd concentrations in the vegetable soils are significantly increased with the elongation of vegetable production history. Co-contamination of several heavy metals often might occur synchronously in the vegetable soils under different land use patterns. Significant correlation relationships exist between soil heavy metals (Cu, Zn, Cd, etc.). 3) The total Cd concentrations in 19.2%-22.3% of soil samples under different land use patterns are beyond the 2ndcriterion according to the Soil Environmental Quality Standard for Vegetable Fields (GB15618-2008), and Cd pollution indices of the vegetable soils for greenhouse with wall, the vegetable soils for greenhouse without wall, and the open vegetable soils are 0.97, 0.98 and 0.70 respectively. In 0-14.6% of soil samples, the total Cu, Zn, Pb, Cr, As and Hg concentrations are beyond the 2ndcriterion according to the Soil Environmental Quality Standard for Vegetable Fields, and the single-factor pollution indies of soil heavy metals are in the range from 0.06 to 0.52. 【Conclusions】 There are significant higher accumulations of soil Cu, Zn and Cd for the greenhouse vegetable field compared with the open vegetable field in this study, which is probably caused by the corresponding higher application rates of chemical fertilizers and organic manures, especially organic manures. The vegetable soils for greenhouses with wall and greenhouses without wall in sampling areas are at the warning level of Cd pollution, and the soils from the open vegetable fields are not generally contaminated with Cd. All the vegetable soils from different land use patterns are not in danger of contamination of Cu, Zn, Pb, Cr, As and Hg.

vegetable soil; land use pattern; heavy metals; pollution index

2014-04-30接受日期： 2015-03-23網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2015-07-21

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-25-C-11)； 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203095)資助。

黃紹文(1964—)，男，湖南桃源人，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事蔬菜營(yíng)養(yǎng)與高效安全施肥研究。

Tel: 010-82108662, E-mail: huangshaowen@caas.cn

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1008-505X(2016)03-0707-12