天水市蔬菜大棚土壤重金屬污染特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

王莉霞, 柴小琴, 金豆豆, 丁思鐸

(1.天水師范學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 甘肅 天水 741000; 2.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,陜西 西安7101119; 3.天水市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所, 甘肅 天水 741000; 4.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410128)

近30 a來，設(shè)施農(nóng)業(yè)在中國迅猛發(fā)展，已成為設(shè)施栽培面積最大的國家，其中90%以上用于蔬菜生產(chǎn)[1]。2019年設(shè)施蔬菜種植面積達(dá)到4.10×106hm2，還將以每年1.25%的速度增長(zhǎng)[2]。設(shè)施蔬菜栽培受人類活動(dòng)強(qiáng)烈干預(yù)，具有復(fù)種指數(shù)高、水肥及農(nóng)藥施用量大、高溫、高濕、高蒸發(fā)量等特點(diǎn)[3]，隨著栽培面積的擴(kuò)大和年限的增加，其半封閉的栽培模式使棚內(nèi)微生態(tài)環(huán)境發(fā)生了重大變化[4]，不僅出現(xiàn)了次生鹽漬化、酸化、微生物區(qū)系破壞等一系列土壤質(zhì)量退化問題，而且導(dǎo)致氮、磷等農(nóng)業(yè)面源污染問題日趨嚴(yán)重，這些問題的出現(xiàn)不僅影響設(shè)施蔬菜的高產(chǎn)、高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)，還會(huì)誘發(fā)農(nóng)產(chǎn)品健康安全風(fēng)險(xiǎn)。其中設(shè)施菜地土壤重金屬含量超標(biāo)引起的土壤環(huán)境質(zhì)量下降問題尤其受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

重金屬是土壤環(huán)境中有潛在危害的污染物，具有形態(tài)多變、難降解、隱蔽性和通過食物鏈富集等特點(diǎn)，一旦造成土壤污染，短時(shí)間內(nèi)難于修復(fù)[5]。相關(guān)研究表明[6-7]設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤重金屬遷移和富集能力高于一般裸露土壤，其中的重金屬不僅沒有被微生物降解，反而通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康。蔣光月等[8-10]的研究顯示，Cu，Zn，Cd，Pb等重金屬含量隨著栽培年限的增加都有一定程度的增加，垂直剖面上這些重金屬的含量表層高于深層。設(shè)施條件下土壤理化性質(zhì)對(duì)重金屬在土壤中的賦存形態(tài)和富集程度有顯著影響[11]。除土壤母質(zhì)中的重金屬外，污水灌溉，施用含重金屬的農(nóng)藥、化肥和有機(jī)肥也會(huì)導(dǎo)致設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中Cd，Pb，As，Hg等重金屬超標(biāo)[12-13]。多數(shù)研究區(qū)[8-15]設(shè)施菜地土壤重金屬已受到不同程度污染，一種或幾種高濃度的重金屬通常決定整個(gè)區(qū)域土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。設(shè)施土壤重金屬污染事關(guān)農(nóng)產(chǎn)品安全和人體健康風(fēng)險(xiǎn)，有必要開展不同區(qū)域重金屬污染調(diào)查、檢測(cè)以確保設(shè)施農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)。

天水市是中國北方最優(yōu)的果蔬生產(chǎn)基地之一，也是重要的西菜東調(diào)和高原夏菜基地[16]。蔬菜栽培主要分布在渭河干流和支流的河谷川道及淺山源臺(tái)區(qū)，栽培方式以塑料大棚和露地栽培為主。經(jīng)過多年發(fā)展，天水蔬菜產(chǎn)業(yè)已成為促進(jìn)群眾脫貧致富、壯大市域經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)和特色產(chǎn)業(yè)，形成以武山、甘谷渭河河谷川道區(qū)為主的早春大棚蔬菜生產(chǎn)基地，以秦州、麥積為主的菜藍(lán)子基地，以張川、清水為主的高原夏菜基地和以中灘國家高新技術(shù)園為中心的航天蔬菜基地。但近些年來不少菜農(nóng)盲目追求高產(chǎn)出、高利潤(rùn)，往往會(huì)過量施用禽畜糞便、化肥和農(nóng)藥，造成大棚土壤重金屬持久性積累，對(duì)蔬菜安全生產(chǎn)和蔬菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及人體健康造成潛在威脅。本研究以渭河干流及支流海拔1 400 m以下的河谷川道及淺山源臺(tái)區(qū)大棚蔬菜種植示范區(qū)土壤為研究對(duì)象，采用單因素污染指數(shù)、內(nèi)梅羅指數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對(duì)土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析天水市典型大棚菜地土壤重金屬含量變化特征及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，探討重金屬來源，以期為設(shè)施蔬菜環(huán)境下土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)控制和農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天水市位于甘肅省東南部，轄武山、甘谷、秦安、清水、張家川回族自治縣5縣和秦州、麥積兩區(qū)，是甘肅省最大的蔬菜生產(chǎn)基地。蔬菜栽培主要分布在渭河干流和支流(藉河、葫蘆河、牛頭河、清水河)海拔1 400 m以下的河谷川道及淺山源臺(tái)區(qū)，該地區(qū)地勢(shì)平坦，土壤肥沃，得天獨(dú)厚的自然資源優(yōu)勢(shì)和便捷的交通條件，使其成為高效優(yōu)質(zhì)蔬菜生產(chǎn)基地。栽培品種涵蓋茄科、十字花科、百合科、葫蘆科、豆科等14個(gè)科126個(gè)品種，主栽品種有辣椒、韭菜、番茄、茄子、菜豆、甘藍(lán)、花椰菜、西葫蘆、大蔥、大蒜等26個(gè)。2019年全市蔬菜種植面積9.00×104hm2，其中大棚蔬菜占栽培面積的20.64%，提供了56%的蔬菜產(chǎn)量和 64%的產(chǎn)值。

1.2 樣品采集與測(cè)定

結(jié)合前期調(diào)研情況，于2018年7月至2019年8月完成樣品采集。在武山、甘谷、清水渭河干流及支流河谷川道，秦州區(qū)楊家寺和牡丹鎮(zhèn)科技示范區(qū)，麥積區(qū)中灘高新農(nóng)業(yè)示范區(qū)及城郊附近布設(shè)樣點(diǎn)，張家川回族自治縣大棚蔬菜規(guī)模小、種植年限短且分散，樣點(diǎn)分布少；秦安縣因大棚蔬菜少且分散未設(shè)置樣點(diǎn)。按照等量和多點(diǎn)混合的原則，結(jié)合大棚蔬菜種植種類，以大棚為樣點(diǎn)，用梅花形布設(shè)3處子采樣點(diǎn)，用不銹鋼筒土鉆垂直地面采樣，采樣深度為0—20，20—40 cm，用GPS記錄采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度。采集3個(gè)樣點(diǎn)的相同土層土樣，分別混合后再按四分法分出0—20，20—40 cm兩份混合樣，共采集土壤樣品362份，土樣基本情況見表1，每份1.0 kg左右。采集的土壤樣品裝入樣品袋并標(biāo)明采樣編號(hào)，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室在室溫下自然風(fēng)干。土樣風(fēng)干后去除較大的植物根系、石塊等雜物，用瑪瑙研缽研磨，過孔徑0.149 mm尼龍篩。

表1 天水市蔬菜大棚土壤采樣點(diǎn)情況

本研究選取對(duì)土壤環(huán)境及人體健康危害較大的7種重(類)金屬(As，Ni，Cu，Zn，Cd，Pb，Hg)進(jìn)行分析。采用微波消解法進(jìn)行土樣前處理：稱取試樣0.100 0 g，加入5 mlHNO3，1 ml HF和1 ml H2O2，放入微波消解儀(TOPEX+)消解。通過ICP-MS(德國ThermoFisher ICAP-RQ01 441)同時(shí)測(cè)定As，Ni，Cu，Zn，Cd，Pb和Hg的濃度。在測(cè)定過程中采用國家土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品(GBW07405)進(jìn)行質(zhì)量控制，加標(biāo)回收率控制在91.5%～104.5%之間，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3平行樣，7種元素的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.8%～8.2%。

1.3 研究方法

1.3.1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是通過單因子污染指數(shù)求得的綜合污染指數(shù)，該方法能綜合測(cè)度多種污染物對(duì)土壤的污染狀況程度，計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[17]。單因子和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法既可以反映單個(gè)重(類)金屬的污染水平，也可以反映所有重(類)金屬污染的聯(lián)合效應(yīng)，該方法綜合考慮了多元素的濃度、毒性水平、生態(tài)敏感性以及協(xié)同作用，是一種應(yīng)用相對(duì)廣泛的評(píng)價(jià)沉積物重(類)金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的方法[18]，其計(jì)算公式為：

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬分布特征

2.1.1 重金屬元素的描述性統(tǒng)計(jì)分析 天水市典型蔬菜大棚耕層土壤中Ni，Cu，Zn，Cd，Pb，As，Hg 7種元素的描述統(tǒng)計(jì)指標(biāo)見表3。與甘肅省土壤背景值比較，耕層土壤中除As與Ni外， Cu，Zn，Cd，Pb，Hg 5種元素的平均值均超過甘肅省背景值，分別是背景值的1.9，1.4，3.1，1.3，5.2倍，超背景值比率分別為90.16%，80.32%，100%，100%和96.72%，說明這5種元素在耕作層出現(xiàn)不同程度的積累效應(yīng)，5種重金屬的富集程度排序?yàn)镠g>Cd>Cu>Zn>Pb。與《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)風(fēng)險(xiǎn)篩選值(pH>7.5)相比，7種重金屬元素的平均值均低于篩選值，但有5.9%的樣點(diǎn)Cd超標(biāo)，13.2%的樣點(diǎn)Cu超標(biāo)，超標(biāo)樣品主要分布在武山縣洛門鎮(zhèn)、甘谷縣磐安鎮(zhèn)和清水縣紅堡鎮(zhèn)，這里已有10～20 a的大棚種植歷史，含量超標(biāo)是由重金屬在土壤中持久性積累引起的。Cd和Cu的最大值分別是篩選值的2.9，1.8倍，表明研究區(qū)耕作層土壤中存在Cd和Cu重金屬的局部超標(biāo)情況。變異系數(shù)可表征重金屬元素在各采樣點(diǎn)含量的差異并反映人為活動(dòng)的影響[20]，根據(jù)Wilding對(duì)變異程度的分類，Ni，As(8.71%，12.92%)為弱變異(CV<15%)，Zn，Pb(32.48%，18.94%)為中等變異(15%36%)，變異系數(shù)遠(yuǎn)超過其他元素，說明這3種元素空間分布不均勻，可能受較多人為活動(dòng)的干擾。7種重金屬元素空間變異性排序?yàn)椋篐g>Cd>Cu>Zn>Pb>As>Ni。

表3 天水市蔬菜大棚耕層土壤(0-20 cm)重金屬含量描述性統(tǒng)計(jì)

2.1.2 土壤重金屬垂直分布 重金屬含量在垂直剖面上的變化反映不同深度的累積狀況。結(jié)合調(diào)研情況和已有研究[5]，選取0—20 cm和20—40 cm兩個(gè)深度的土層進(jìn)行研究(表4)。

由表4可知，Ni和As在垂直剖面上的變化趨勢(shì)一致，隨著土層深度的加深其含量稍有增加，可能是因灌溉淋溶作用引起土層深處的積累。Pb，Hg，Cu，Zn和Cd5種元素在垂直剖面上變化趨勢(shì)一致，含量隨著土層深度的加深而降低，表明這5種重金屬在土壤耕層發(fā)生累積。剖面土壤中Cu和Zn的含量隨著深度的增加而降低且變率比較大。已有研究表明畜禽糞便中Cu和Zn的含量較高且存在一定程度的積累[13]，在實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)卮迕耖L(zhǎng)期施用畜禽糞便，這可能是表層土壤Cu和Zn富集的主要原因。Cd在表層富集，一方面是因?yàn)镃d的表面地球性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，能較快發(fā)生沉淀；另一方面則是人為污染所致，施用畜禽糞便和氮磷鉀等化肥有可能帶來Cd的富集。

2.1.3 不同種植年限大棚土壤重金屬分布 天水市各區(qū)縣大棚蔬菜種植年限差異較大，為探討耕作年限對(duì)土壤重金屬含量積累狀況的影響，選取武山縣洛門鎮(zhèn)(20 a)、甘谷磐安鎮(zhèn)(15 a)、清水縣紅堡鎮(zhèn)(10 a)和秦州區(qū)牡丹鎮(zhèn)(2～3 a)大棚樣地作比較分析。由圖1可知，隨著耕作年限的延長(zhǎng)，重金屬含量除Pb出現(xiàn)波動(dòng)變化外，Ni，Cu，Zn，Cd，As和Hg 6種元素含量均表現(xiàn)出隨種植年限的延長(zhǎng)而增加的趨勢(shì)，這與已有研究結(jié)果一致[4]。從不同種植年限重金屬含量以5 a為時(shí)段的相對(duì)變化來看(圖2)，在種植6～10 a里，土壤Cu含量從29.35 mg/kg增長(zhǎng)到55.28 mg/kg，提高幅度(87.2%)最大；其次為Cd和Hg，含量分別提高了47.1%和33.3%。種植15～20 a的土壤，Hg含量從0.05 mg/kg增長(zhǎng)到0.12 mg/kg，提高幅度最大(140%)。在種植年限1～20 a里， Hg，Cu，Cd含量比土壤背景值分別增加了500%，150%和133%，Zn，Pb含量稍高于背景值。通過以上分析可知，不同種植年限蔬菜大棚土壤重金屬含量積累與大棚栽培導(dǎo)致的高復(fù)種、噴灑農(nóng)藥、過量施肥和不注重輪作有關(guān)。

圖1 天水市蔬菜大棚不同種植年限重金屬含量變化

圖2 天水市蔬菜大棚不同種植年限重金屬含量相對(duì)提高率

2.1.4 不同菜品土壤重金屬分析 本研究將采集的土壤樣品分為果菜(黃瓜、辣椒、西紅柿、白皮瓜、西瓜)和葉菜(芹菜、卷心菜、香菜、生菜)兩種類型。研究發(fā)現(xiàn)，不同菜品土壤重金屬含量呈現(xiàn)出多樣性特征(表5)。果菜和葉菜地中，除Ni和As外，Cu，Zn，Cd，Pb，Hg 5種元素的平均值均超過甘肅省土壤背景值。果菜土壤中，Cu，Zn，Cd，Pb，Hg分別是背景值的1.6，1.5，4.2，1.2，9倍；葉菜土壤中，Cu，Zn，Cd，Pb，Hg分別是背景值的3.0，1.3，4.4，1.5，4.9倍。果菜和葉菜土壤中，Hg和Cd的富集較嚴(yán)重。已有研究表明[13]，土壤中Hg主要是農(nóng)藥殘留引起的污染。采樣調(diào)查中了解到，在蔬菜的生長(zhǎng)期內(nèi)，果菜的農(nóng)藥施用量大于葉菜。在不同果菜土壤中，Hg含量高低順序?yàn)椋狐S瓜>西紅柿>西瓜>白皮瓜>辣椒。在有病死的黃瓜和辣椒地土壤中檢測(cè)到的7種重金屬含量均高于正常生長(zhǎng)地，且Hg含量高出的程度最大。從不同菜地7種元素平均含量的比較來看，Cu和Pb含量葉菜高于果菜，Zn和Hg含量果菜高于葉菜，Cd含量?jī)烧卟町惒淮?。從變異系?shù)可以看出，果菜類樣品中Cd和Hg屬于高度變異，葉菜類樣品中，Cu，Cd，Pb和Hg這4種元素均屬于高度變異，說明Cu，Cd，Pb和Hg元素空間分布較不均勻，受人為活動(dòng)干擾較大。

表5 天水市蔬菜大棚果菜類/葉菜類重金屬含量參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2 天水市大棚蔬菜土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.2.1 土壤重金屬污染評(píng)價(jià) 利用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)對(duì)天水市大棚蔬菜的土壤重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表6。由表6可知，天水市大棚蔬菜的土壤單因子污染指數(shù)除Cu和Cd外，其余5種元素均小于1，為清潔水平。其中Cu的單項(xiàng)污染指數(shù)在0.18～1.81，有3.3%的點(diǎn)位處于輕微污染，Cd的單項(xiàng)污染指數(shù)在0.22～2.91，有3.3%，3.7%的點(diǎn)位數(shù)處于輕微和中度污染。7種重金屬單因子污染指數(shù)平均值依次為：Cd>As>Cu>Zn>Ni>Pb>Hg，天水市大棚蔬菜的部分土壤中存在Cd和Cu的中、輕度污染。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均值為0.51，綜合污染指數(shù)中輕微污染和中度污染的點(diǎn)位數(shù)占9.9%，表明天水市大棚蔬菜的超90%的土壤重金屬無污染。再結(jié)合圖3可以看出，大棚蔬菜種植年限長(zhǎng)、范圍廣、人口較為稠密的武山縣和甘谷縣的渭河河谷區(qū)處于輕度污染和中度污染；武山縣漳河河谷、秦州區(qū)楊家寺和牡丹鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)高新園區(qū)、清水縣白駝河、后川河河谷區(qū)處于警戒線，這些地區(qū)一定要加強(qiáng)防范管理，以免出現(xiàn)重金屬富集，造成土壤污染。

表6 天水市蔬菜大棚土壤重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果

圖3 天水市蔬菜大棚土壤內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)及污染等級(jí)空間分布

2.2.2 土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 研究區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果見表7。7種重金屬的平均潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)由強(qiáng)到弱依次為：Hg>Cd>As>Cu>Pb>Ni>Zn。其中Ni，Cu，Zn，Pb，As均處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；Cd大部分(68.8%)點(diǎn)位數(shù)處于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平；Hg 36.9%點(diǎn)位數(shù)處于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，31.1%點(diǎn)位數(shù)處于強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，14.8%點(diǎn)位數(shù)處于很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，13.9%點(diǎn)位數(shù)處于極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(RI)平均值為289.1，其中輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平點(diǎn)位數(shù)占23.7%，中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平點(diǎn)位數(shù)占46.8%，強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平點(diǎn)位數(shù)占19.7%，很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平點(diǎn)位數(shù)占9.8%，表明天水市大棚蔬菜土壤重金屬主要處于中—強(qiáng)度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。不同重金屬對(duì)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的貢獻(xiàn)率等于某種重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)與RI比值。Ni，Cu，Zn，Cd，Pb，As和Hg 7種重金屬對(duì)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的貢獻(xiàn)率分別為1.6%，2.9%，0.4%，28.6%，2.2%，3.1%和61.3%，其中Hg對(duì)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的貢獻(xiàn)率最高，表明Hg是潛在的風(fēng)險(xiǎn)因子。從圖4可以看出，中、強(qiáng)度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)主要分布在人口密度大、交通便捷、種植規(guī)模大、種植年限長(zhǎng)的武山縣鴛鴦、城關(guān)鎮(zhèn)、洛門鎮(zhèn)，甘谷縣磐安鎮(zhèn)、六峰鎮(zhèn)，清水縣紅堡鎮(zhèn)。

圖4 天水市蔬菜大棚土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)空間分布特征

表7 天水市蔬菜大棚土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3 天水市大棚蔬菜土壤重金屬來源分析

土壤重金屬主要受成土母質(zhì)及地質(zhì)活動(dòng)等自然作用和人類活動(dòng)的影響，設(shè)施栽培過程受人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干預(yù)。為了更有效地監(jiān)測(cè)、防控土壤重金屬污染，需要識(shí)別污染物來源。元素間的相關(guān)性能夠反映它們是否具有同源性，高相關(guān)性元素可能具有相同的來源[21]。為了確定天水市蔬菜大棚土壤中重金屬的來源，對(duì)數(shù)據(jù)做K-S檢驗(yàn)(Z為0.494，P為0.862(大于0.05)，數(shù)據(jù)呈近似正態(tài)分布)的基礎(chǔ)上對(duì)土壤重金屬元素間的相關(guān)性進(jìn)行分析，相關(guān)分析表明(表8)，Ni-Pb，Ni-As，Cd-Pb之間具有顯著的正相關(guān)性，說明Ni，Pb，As和Cd，Pb可能具有同源性。Ni，Cu，Zn，Cd，Hg與其他元素間的相關(guān)系數(shù)均小于0.3，相關(guān)性較弱且不顯著，這些元素之間的聯(lián)系和來源可以進(jìn)一步通過主成分分析進(jìn)行判別。

表8 研究區(qū)土壤重金屬間的相關(guān)系數(shù)

借助SPSS軟件首先對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)做KMO和Bartlett球形檢驗(yàn)，KMO為0.53，Bartlett為173.119，P<0.05，說明該數(shù)據(jù)可以做主成分分析。選取特征值大于1的前3個(gè)主成分(表9)，其累積方差貢獻(xiàn)率為80.73%，可以保留7種重金屬含量的大部分信息。Ni和As在第1主成分上有較高載荷，分別為0.839，0.864，其平均含量均低于甘肅省土壤背景值，表明這兩種重金屬主要受成土母質(zhì)的影響，可以判斷第1主成分為土壤母質(zhì)源，任曉輝等的研究也得出了相同的結(jié)論[17]；Cu，Zn，Cd和Pb在第2主成分上有較高的載荷，大量施用復(fù)合肥會(huì)引發(fā)土壤中Zn，Cd和Pb的積累[22]，同時(shí)污水灌溉也會(huì)帶來Cd和Pb的風(fēng)險(xiǎn)[12]，有機(jī)肥的施用引起土壤中Zn和Cu的富集[23]。調(diào)查中了解到，研究區(qū)大棚蔬菜主要用地下水灌溉，可以排除污水灌溉源；研究區(qū)大棚栽培施肥量大，施肥次數(shù)多現(xiàn)象普遍，菜農(nóng)在栽培前施底肥以有機(jī)肥(雞糞、豬糞)和氮磷鉀復(fù)合肥為主，各樣點(diǎn)有機(jī)肥的施用量平均約22.5～32.5 t/(hm2·a)，復(fù)合肥約0.75～2.25 t/(hm2·a)，追肥以復(fù)合肥和水溶肥為主，用量約6.5～12.5 t/(hm2·a)?；时旧砗休^高的Cd，Zn，Pb等重金屬，長(zhǎng)期密集施用化肥是造成大棚蔬菜Cd，Cu，Zn和Pb含量積累的重要原因，因此可將第二主成分確定為肥料源。Hg和Cu在第3主成分上有較高的載荷，殺蟲劑中含有Hg和Cu[13]，因此第三主成分為農(nóng)藥源。綜上所述，研究區(qū)土壤重金屬富集主要是化肥、有機(jī)肥和農(nóng)藥的不合理使用引起的。

表9 研究區(qū)土壤重金屬主成分分析結(jié)果

3 討 論

王倩倩[5]、張石棋[11]的研究表明，土壤重金屬含量高低與土壤質(zhì)地、pH值、活性有機(jī)質(zhì)、氮磷及Ca2+等鹽離子有密切關(guān)聯(lián)，對(duì)于土壤理化性狀與土壤重金屬形態(tài)及含量間的關(guān)系在后續(xù)研究中將逐一開展。此外，本研究對(duì)于重金屬的來源的分析是結(jié)合已有研究和實(shí)地調(diào)研做出的可能性推斷，并未對(duì)肥料和農(nóng)藥的成分進(jìn)行測(cè)試分析，也未對(duì)肥料及農(nóng)藥中的各類重金屬含量與土壤中重金屬含量的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，今后還需進(jìn)一步深入開展研究。與中、東部地區(qū)同類研究相比，天水市蔬菜大棚土壤重金屬環(huán)境總體良好，污染比重低，污染程度輕，符合設(shè)施蔬菜土壤種植要求，但是隨著栽培年限的增加，高復(fù)種、高化肥農(nóng)藥投入已經(jīng)對(duì)土壤環(huán)境造成的潛在污染風(fēng)險(xiǎn)依然存在。因此，對(duì)于設(shè)施環(huán)境下土壤重金屬污染需要長(zhǎng)期關(guān)注并加以防控。

4 結(jié) 論

(1) 天水市蔬菜大棚耕層土壤中As，Ni，Cu，Zn，Cd，Pb和Hg這7種元素的平均含量均未超出《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)風(fēng)險(xiǎn)篩選值；但與甘肅省土壤背景值相比，Cu，Zn，Cd，Pb和Hg積累普遍，分別是背景值的1.9，1.4，3.1，1.3，5.2倍。在垂直剖面上Pb，Hg，Cu，Zn和Cd這5種元素在土壤耕層發(fā)生累積。隨著耕作年限的延長(zhǎng)，除Pb外的其余6種元素含量隨著耕作年限的增長(zhǎng)而增加。果菜和葉菜土壤中，Hg和Cd的富集較嚴(yán)重。

(2) 單因子污染指數(shù)除Cd有6.99%點(diǎn)位數(shù)的輕、中度污染，Cu有3.27%點(diǎn)位數(shù)的輕度污染外，其余5種重金屬均處于清潔水平。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均值為0.508，90%以上點(diǎn)位處于安全水平，9.9%的點(diǎn)位出現(xiàn)了輕度和中度污染，污染點(diǎn)位出現(xiàn)在清水縣紅堡鎮(zhèn)和武山縣城關(guān)鎮(zhèn)。

(3) 多金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的平均值為289，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為輕微—中度等級(jí)，Hg是最大的潛在風(fēng)險(xiǎn)因子。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)、極強(qiáng)的點(diǎn)位較為集中的分布與耕作年限高、人口密集的城鎮(zhèn)和交通沿線。

(4) 7種元素被識(shí)別出3個(gè)主成分。As，Ni主要與成土母質(zhì)有關(guān)，Cd，Cu，Zn和Pb主要來源于化肥和有機(jī)肥，農(nóng)藥引起土壤中Hg的積累，同時(shí)也要注意重金屬來源的復(fù)雜性。