設(shè)施菜地土壤重金屬累積及影響因素研究

盧維宏,劉 娟,張乃明*,張玉娟,郝康偉,任利娟,于 暢,侯 紅

設(shè)施菜地土壤重金屬累積及影響因素研究

盧維宏1,2,3,劉 娟1,2,張乃明1,2*,張玉娟1,2,郝康偉1,2,任利娟1,2,于 暢1,2,侯 紅4

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650201；2.云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650201；3.宿州學(xué)院環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院,安徽宿州 234099；4.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012)

為了解設(shè)施菜地土壤重金屬累積規(guī)律及影響因,通過(guò)在全國(guó)8個(gè)省具有代表性的設(shè)施蔬菜產(chǎn)區(qū)采集土壤和肥料樣品,系統(tǒng)研究了設(shè)施栽培年限、肥料施用、土壤性質(zhì)對(duì)設(shè)施菜地土壤重金屬Cu、Zn、Cd累積量及活度的影響.結(jié)果表明:與露天栽培相比,設(shè)施條件下隨著栽培年限的延長(zhǎng),土壤Cu、Zn和Cd的全量和有效態(tài)濃度均呈明顯的累積趨勢(shì),栽培年限>15a時(shí)的設(shè)施土壤Cu、Zn和Cd的全量和有效態(tài)濃度分別是露天栽培土壤的1.57、2.16、1.67、3.28、1.96、2.00倍. Pearson分析表明設(shè)施菜地土壤Cu、Zn、Cd均與土壤SOM呈極顯著相關(guān),說(shuō)明其在來(lái)源上較強(qiáng)的相似性,進(jìn)一步對(duì)設(shè)施栽培土壤主要投入品中Cu、Zn、Cd含量分析表明,豬糞、商品有機(jī)肥及土壤調(diào)理劑中Cu、Zn均超過(guò)了100mg/kg,Cd超過(guò)了1.0mg/kg,且投入量較大,是設(shè)施栽培土壤中Cu、Zn、Cd的主要貢獻(xiàn)者,而秸稈和部分化肥(如尿素、硫酸鉀)中的Cu、Zn、Cd含量均極低,對(duì)設(shè)施栽培土壤累積貢獻(xiàn)微乎其微. pH值和CEC是影響Cu、Zn、Cd在土壤中累積活度的關(guān)鍵因素,其中隨著pH值的升高土壤Cu活度表現(xiàn)了先升高后下降的趨勢(shì),而土壤Cd活度則表現(xiàn)了持續(xù)下降的趨勢(shì),僅在pH<6.26時(shí)達(dá)到了顯著相關(guān)水平;土壤CEC的升高對(duì)土壤Cu活度表現(xiàn)了先下降后升高再下降的趨勢(shì),土壤Cd活度表現(xiàn)了先升高后緩慢下降再升高的趨勢(shì),而土壤Zn活度僅在CEC<5.83時(shí)隨著CEC升高表現(xiàn)下降顯著線性相關(guān)趨勢(shì). 因此,防止設(shè)施栽培土壤Cu、Zn、Cd的累積與污染,選擇重金屬含量低的肥料和調(diào)控土壤理化特性(尤其是pH值、CEC)則是緩解設(shè)施栽培土壤重金屬累積速率進(jìn)而確保蔬菜質(zhì)量安全的有效途徑.

設(shè)施菜地土壤；栽培年限；重金屬累積；活度

統(tǒng)計(jì)顯示,2018年全球設(shè)施蔬菜覆蓋面積約為560萬(wàn)hm2[1],其中中國(guó)栽培面積達(dá)到了467萬(wàn)hm2,占全世界設(shè)施栽培面積的80%以上[2].與露天栽培相比,全年連續(xù)種植、產(chǎn)量高、受南北氣候影響小等是設(shè)施栽培的優(yōu)點(diǎn).然而,設(shè)施栽培農(nóng)業(yè)受人類活動(dòng)干預(yù)劇烈,過(guò)量的化肥[3]、有機(jī)肥(特別是畜禽糞便)[4]、農(nóng)藥投入,以及高的復(fù)種指數(shù)、高地表蒸發(fā)等特征,導(dǎo)致了設(shè)施栽培土壤表現(xiàn)酸化、鹽漬化、養(yǎng)分失衡、重金屬等有害物質(zhì)累積等系列退化特征,特別是重金屬累積對(duì)土壤和作物的環(huán)境效應(yīng)及其引發(fā)的健康風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題近年來(lái)備受廣泛關(guān)注[5-7],不少研究表明,重金屬累積在設(shè)施栽培土壤中已呈明顯特征[8].以往關(guān)注Pb、Cd、As等毒性較大元素的研究較多[8-10],而對(duì)Cu、Zn元素關(guān)注較少,特別是Cu、Zn投入較多的設(shè)施栽培農(nóng)業(yè)中,Cd也被認(rèn)為是累積較明顯,且污染最嚴(yán)重、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占比較高的重金屬元素.

重金屬累積是設(shè)施栽培土壤質(zhì)量退化的重要成因,而其有效性則是構(gòu)成土壤環(huán)境和作物風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)的最直接的關(guān)鍵因素[11].目前,多數(shù)研究均在重金屬累積中增加了有效態(tài)組分的監(jiān)測(cè)分析,并提出了土壤重金屬有效態(tài)含量與作物中富集量的關(guān)系明顯強(qiáng)于全量,大大增強(qiáng)了土壤重金屬累積污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性.為此,有效態(tài)重金屬累積將是評(píng)價(jià)土壤重金屬累積風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)[12],已有研究表明,通過(guò)人為合理施用石灰、生物炭、腐植酸、海泡石等鈍化修復(fù)材料,調(diào)節(jié)土壤pH、有機(jī)質(zhì)途徑等來(lái)降低土壤重金屬生物有效性,以達(dá)到緩解環(huán)境脅迫效應(yīng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低重金屬在作物(尤其是可食用部分)中的富集量和健康風(fēng)險(xiǎn)[13],因此,對(duì)土壤重金屬累積下有效態(tài)含量占比(活度)及影響因素(特別是土壤pH等理化特性)[14]進(jìn)行深入分析顯得尤為必要.目前在大田種植條件下,不少研究者已構(gòu)建了土壤重金屬有效態(tài)累積與土壤pH值、SOM和CEC的相關(guān)關(guān)系,也初步得出CEC指標(biāo)在土壤重金屬有效性的調(diào)控中起到了關(guān)鍵作用[15].然而,對(duì)于化肥和有機(jī)肥(特別是畜禽糞便)投入量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大田的設(shè)施栽培土壤,同時(shí),設(shè)施栽培生產(chǎn)過(guò)程中的高投入、高產(chǎn)出、高蒸發(fā)及全封閉的種植環(huán)境,導(dǎo)致其中土壤理化特征有別于大田土壤,而目前關(guān)于設(shè)施栽培中土壤重金屬有效性與理化特性指標(biāo)的關(guān)系尚缺乏研究.為此,針對(duì)設(shè)施栽培農(nóng)業(yè)土壤重金屬累積及活度影響因素進(jìn)行深入研究顯得尤為必要.

為了研究長(zhǎng)期過(guò)量施肥下設(shè)施栽培土壤重金屬(特別是有效態(tài))累積現(xiàn)狀及活度影響因素,本研究以中國(guó)8省16州市的設(shè)施栽培集中區(qū)域的耕層土壤為研究對(duì)象,系統(tǒng)闡述了設(shè)施栽培年限下土壤代表重金屬元素Cu、Zn、Cd(全量、有效態(tài))的累積特征,并基于Pearson研究了設(shè)施栽培土壤Cu、Zn、Cd累積與長(zhǎng)期糞肥施用的關(guān)系,并深入探究了三個(gè)重金屬元素累積活度與土壤pH值、CEC的分段線性相關(guān)模型,為科學(xué)防控土壤重金屬累積風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù),為確保設(shè)施栽培農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展提供參考.

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)域及方法

2019年5 ～11月,分別在遼寧省(采樣區(qū)集中于41.50～42.57°N,121.86～123.99°E,涉及鐵嶺市、新民市、北鎮(zhèn)市)、河北省(采樣區(qū)集中于38.36～ 38.66°N,115.51～116.73°E,涉及滄州市、保定市)、山東省(采樣區(qū)集中于36.23～36.86°N,115.56～118.91°E,涉及聊城市、濰坊市)、河南省(采樣區(qū)集中于35.17～35.35°N,113.88～113.92°E,主要涉及新鄉(xiāng)市)、陜西省(采樣區(qū)集中于34.62～36.71°N,108.85～ 109.83°E,主要涉及延安市、咸陽(yáng)市)、寧夏回族自治區(qū)(采樣區(qū)集中于37.96～38.43°N,106.23～106.37°E,主要涉及銀川市、吳忠市)、江蘇省(采樣區(qū)集中于32.06～32.19°N,120.98～121.19°E,主要涉及南通市)、云南省(采樣區(qū)集中于23.42～25.70°N,E101.88～ 103.25,主要涉及昆明市、紅河州、楚雄州)8個(gè)省16個(gè)州市的設(shè)施栽培集中區(qū)進(jìn)行樣品采集,基本涵蓋了我國(guó)設(shè)施栽培的東北溫帶區(qū)(約占全國(guó)栽培面積的4.0%)、西北溫帶干旱及青藏高寒區(qū)(約占10.7%)、黃淮海及環(huán)渤海暖溫區(qū)(約占50.7%)、長(zhǎng)江流域亞熱帶多雨區(qū)(約占23.6%),輻射了我國(guó)設(shè)施栽培的主要代表區(qū)域[16].

按照露天栽培(0a)及設(shè)施栽培1～5、6～10、11～15、>15a,在上述區(qū)域分布較為集中且相對(duì)離散的大棚中采集耕層(0～20)土樣樣品,共獲得156個(gè)供試土壤樣品.每個(gè)大棚按照“Z”形5點(diǎn)取樣法進(jìn)行土樣采集,混合均勻后再按照四分法取混合土樣,裝清潔牛皮紙袋標(biāo)記后作為1個(gè)供試土壤,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行去雜、風(fēng)干、粉碎并分別過(guò)2.0mm、1.0mm、0.149mm尼龍篩,裝清潔自封袋,標(biāo)記后備用.同時(shí),在相對(duì)應(yīng)設(shè)施栽培區(qū)域采集了含有機(jī)質(zhì)的主要糞肥(包括畜禽糞便、商品有機(jī)肥、秸稈及部分化肥等)52個(gè)樣品一并帶回進(jìn)行分析.

1.2 樣品測(cè)定方法

土壤重金屬全量Cu、Zn參照《GB/T 17138- 1997》、全量Cd參照《GB/T 17141-1997》用硝酸-氫氟酸-高氯酸法提取,火焰原子吸收分光光度法(儀器型號(hào)為日本島津AA-6880)測(cè)定.土壤有效態(tài)Cu、Zn參照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY/T 890-2004二乙三胺五乙酸(DTPA)浸提法》、有效態(tài)Cd參照《GB/T 23739-2009 土壤質(zhì)量有效態(tài)鉛和鎘的測(cè)定-原子吸收法》,用火焰原子吸收分光光度法(儀器型號(hào)為日本島津 AA-6880)測(cè)定.Cu、Zn和Cd測(cè)定過(guò)程用國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心生產(chǎn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品GSB04-1725-2004、GSB04-1761-2004進(jìn)行質(zhì)量控制.糞肥中全量Cu、Zn、Cd均參照《HJ 766-2015》中電感耦合等離子體質(zhì)譜法進(jìn)行測(cè)定.

土壤理化特性中的pH采用電極法(土水質(zhì)量比為1:2.5),通過(guò)酸度計(jì)(Starter-3C,奧豪斯儀器有限公司)進(jìn)行測(cè)定;有機(jī)質(zhì)含量(SOM)采用低溫外加熱重鉻酸鉀氧化-滴定法測(cè)定,土壤陽(yáng)離子交換容量(CEC)采用乙酸銨法測(cè)定[17-18].

1.3 重金屬活度分析

土壤重金屬活度是表征設(shè)施栽培土壤中重金屬有效態(tài)濃度在土壤全量濃度中所占的比例,代表著設(shè)施土壤中具有生物有效性那部分重金屬的量,綜合了土壤重金屬累積全量和有效態(tài)的優(yōu)勢(shì),其計(jì)算公式如下:

式中:s,i為土壤中重金屬元素的活度;ACs,i為土壤中重金屬元素的有效態(tài)累積濃度,mg/kg;TCs,i為土壤中元素的全量濃度,mg/kg.

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

所有數(shù)據(jù)均通過(guò)Microsoft Excel 2010和OriginPro 9.1軟件進(jìn)行整理分析和制圖,并用IBM SPASS Statistics 26進(jìn)行正態(tài)分布及雙變量Pearson雙尾顯著相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析.采用SigmaPlot 10.0及OriginPro 9.1對(duì)設(shè)施栽培土壤重金屬活度與土壤理化特性進(jìn)行分段模型構(gòu)建和作圖[12].

2 結(jié)果與分析

2.1 栽培年限對(duì)設(shè)施土壤重金屬累積及理化特性的影響

2.1.1 栽培年限對(duì)重金屬全量累積的影響 以附近露天栽培為對(duì)照(0a),按照栽培年限(1～5、6～10、11～15、>15a)對(duì)設(shè)施栽培土壤樣品中全量Cu、Zn、Cd含量進(jìn)行分析(圖1).結(jié)果表明,隨著設(shè)施栽培年限的延長(zhǎng),土壤中全量Cu、Zn、Cd的含量整體上均表現(xiàn)了明顯的升高態(tài)勢(shì),特別是在由露天栽培轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施栽培后的1～5a內(nèi),土壤全量Cu、Zn、Cd的平均濃度累積升高趨勢(shì)最為明顯.之后,土壤全量Cu的平均濃度在6～10、11～15a栽培時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)了輕微的連續(xù)下降趨勢(shì),>15a后再次累積升高;土壤全量Zn則在6～10a內(nèi)先表現(xiàn)了輕微的下降趨勢(shì),繼而在11～15a內(nèi)再次表現(xiàn)了急劇的累積升高趨勢(shì);土壤全量Cd的平均濃度表現(xiàn)了與土壤Cu較為一致的趨勢(shì).

2.1.2 栽培年限對(duì)重金屬有效態(tài)累積的影響 按照栽培年限(0,1～5,6～10,11～15,>15a)對(duì)設(shè)施土壤中Cu、Zn、Cd的有效態(tài)含量進(jìn)行對(duì)比分析(圖2).結(jié)果表明,隨著栽培年限的延長(zhǎng),設(shè)施土壤有效態(tài)Cu、Zn、Cd平均含量均有不同程度的升高,特別是從露天栽培(0a)轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施栽培后的1～5a內(nèi),土壤中有效態(tài)Cu、Zn、Cd的平均濃度累積升高態(tài)勢(shì)最明顯.之后,有效態(tài)Cu的平均濃度在設(shè)施栽培年限達(dá)到6～10a時(shí)先后輕微的降低,繼而在11～15、>15a時(shí)均又表現(xiàn)了持續(xù)的升高趨勢(shì);有效態(tài)Zn則先隨著栽培年限的延長(zhǎng)表現(xiàn)持續(xù)升高趨勢(shì),到栽培年限>15a時(shí)表現(xiàn)了輕微的降低趨勢(shì);而有效態(tài)Cd在設(shè)施栽培年限達(dá)到6～10、11～15a時(shí)表現(xiàn)了持續(xù)的下降趨勢(shì),達(dá)到>15a時(shí)又表現(xiàn)了輕微的累積升高趨勢(shì).

圖1 不同種植年限對(duì)土壤全量重金屬累積量的影響

圖2 不同種植年限對(duì)設(shè)施栽培土壤重金屬有效態(tài)累積量的影響

2.1.3 栽培年限對(duì)土壤理化特性的影響 按照栽培年限(0,1～5,6～10,11～15,>15a)對(duì)設(shè)施土壤pH值、有機(jī)質(zhì)及陽(yáng)離子交換容量進(jìn)行對(duì)比分析(表1).結(jié)果表明,與露天栽培(0a)相比,設(shè)施栽培土壤理化指標(biāo)(除pH值外)均表現(xiàn)了明顯的升高,特別是土壤有機(jī)質(zhì)指標(biāo),在由露天栽培模式轉(zhuǎn)化為設(shè)施栽培模式后,土壤有機(jī)質(zhì)提高了65.2%,且隨著設(shè)施栽培年限的延長(zhǎng)表現(xiàn)了持續(xù)的升高趨勢(shì),這可能與露天栽培轉(zhuǎn)為設(shè)施栽培后,有機(jī)肥的大量投入有關(guān).

表1 不同栽培年限對(duì)設(shè)施土壤理化特性的影響

2.2 不同有機(jī)肥施用對(duì)設(shè)施栽培土壤重金屬累積的影響

2.2.1 重金屬累積與土壤理化特性的關(guān)系 由表2可見,設(shè)施栽培土壤中全量Cu、Zn和Cd的累積濃度之間均相互具有極顯著(<0.01)的相關(guān)性,且與土壤SOM之間也均表現(xiàn)了極顯著的(<0.01)正相關(guān)關(guān)系,初步說(shuō)明設(shè)施栽培土壤中全量Cu、Zn、Cd與土壤SOM均具有相似的來(lái)源;同時(shí)有效態(tài)Cu、Zn、Cd與有機(jī)質(zhì)也表現(xiàn)了較為一致的趨勢(shì).這與設(shè)施栽培土壤有機(jī)質(zhì)的來(lái)源主要為畜禽糞便及商品有機(jī)肥等材料長(zhǎng)期連續(xù)投入相一致.

2.2.2 不同有機(jī)肥施用對(duì)土壤重金屬累積的影響 從圖3設(shè)施栽培土壤主要有機(jī)肥品種的52個(gè)樣品中的Cu含量分析來(lái)看,其含量(以均值計(jì))由高到低排序?yàn)樨i糞(范圍31.3～338.0mg/kg,平均值142.6mg/ kg)>商品有機(jī)肥及土壤調(diào)理劑(范圍2.4～818.0mg/ kg,平均值107.9mg/kg)>雞糞(范圍41.1～203.0mg/kg,平均值86.2mg/kg)>沼渣(范圍52.9～54.6mg/kg,平均值53.8mg/kg)>羊糞(范圍20.2～84.3mg/kg,平均值40.5mg/kg)>牛糞(范圍19.7～33.5mg/kg,平均值24.4mg/kg)>驢糞(范圍21.0～25.0mg/kg,平均值23.3mg/kg)>化肥(范圍1.3～54.6mg/kg,平均值14.8mg/kg)>秸稈(范圍7.9～24.4mg/kg,平均值14.4mg/kg).綜合看來(lái),以豬糞、商品有機(jī)肥及土壤調(diào)理劑中的Cu含量較高,均超過(guò)了100mg/kg,雞糞次之,達(dá)到了86.2mg/kg,而化肥和秸稈中的Cu含量相對(duì)較低,均低于20mg/kg,說(shuō)明這些豬糞、商品有機(jī)肥及土壤調(diào)理劑、雞糞等是設(shè)施栽培土壤Cu累積的主要貢獻(xiàn)者,而化肥對(duì)其累積的貢獻(xiàn)較小.

表2 重金屬累積量與設(shè)施土壤理化特性與的Pearson相關(guān)關(guān)系

注:表中**表示在<0.01水平上差異極顯著;*表示在<0.05水平上差異顯著.下同.

從圖4設(shè)施栽培土壤主要投入品的52個(gè)樣品中的Zn含量分析來(lái)看,其含量(以均值計(jì))由高到低排序?yàn)樨i糞(范圍182.0～979.7mg/kg,平均值576.4mg/kg)>雞糞(范圍108.0～853.0mg/kg,平均值513.9mg/kg)>沼渣(范圍430.0～541.0mg/kg,平均值488.0mg/kg)>商品有機(jī)肥及土壤調(diào)理劑(范圍25.4～705.6mg/kg,平均值186.4mg/kg)>羊糞(范圍61.3～412.0mg/kg,平均值177.5mg/kg)>驢糞(范圍156.0～180.0mg/kg,平均值171.3mg/kg)>牛糞(范圍74.8～211.0mg/kg,平均值127.2mg/kg)>化肥(范圍13.2～255.3mg/kg,平均值93.5mg/kg)>秸稈(范圍46.0～73.0mg/kg,平均值58.3mg/kg). 綜合看來(lái),畜禽糞便中的Zn含量均超過(guò)了100mg/kg,以豬糞、雞糞中的Zn含量較高,均超過(guò)了500mg/kg,其次是沼渣,平均含量達(dá)到了488.0mg/kg,而化肥和秸稈中的Zn含量均低于100mg/kg,說(shuō)明畜禽糞便(尤其是豬糞、雞糞)對(duì)設(shè)施栽培土壤Zn累積的貢獻(xiàn)為主,而化肥、秸稈還田對(duì)其造成的影響甚微.

圖3 設(shè)施栽培土壤主要投入品中Cu含量

圖4 設(shè)施栽培土壤主要投入品中Zn含量

從圖5設(shè)施栽培土壤主要投入品的52個(gè)樣品中的Cd含量分析來(lái)看,其含量(以均值計(jì))由高到低排序?yàn)樨i糞(范圍0.23～2.36mg/kg,平均值1.19mg/kg)>商品有機(jī)肥及土壤調(diào)理劑(范圍0.15～3.72mg/kg,平均值為1.16mg/kg)>化肥(范圍0.04～1.72mg/kg,平均值0.53mg/kg)>牛糞(范圍0.16～0.91mg/kg,平均值0.51mg/kg)>沼渣(范圍0.33～0.39mg/kg,平均值0.36mg/kg)>雞糞(范圍0.14～1.06mg/kg,平均值0.35mg/kg)>羊糞(范圍0.13～0.43mg/kg,平均值0.29mg/kg)>秸稈(范圍為0.17～0.36mg/kg,平均值為0.29mg/kg)>驢糞(范圍為0.21～0.29mg/kg,平均值為0.24mg/kg).綜合看來(lái),以豬糞中的平均Cd含量最高,達(dá)到了1.19mg/kg,其次是商品有機(jī)肥及土壤調(diào)理劑,平均含量達(dá)到了1.16mg/kg,化肥(主要過(guò)磷酸鈣)、牛糞、沼渣、雞糞中的Cd平均含量也均超過(guò)了0.3mg/kg,而化肥中的尿素、硫酸鉀及部分復(fù)合肥中的Cd含量均小于0.01mg/kg,牛糞、秸稈、驢糞中的Cd含量也均小于0.30mg/kg.

圖5 設(shè)施栽培土壤主要投入品中Cd含量

2.3 pH及CEC對(duì)設(shè)施栽培土壤重金屬活度的影響

圖6 設(shè)施栽培土壤Cu活度與土壤酸堿度pH值的關(guān)系

2.3.1 土壤pH對(duì)土壤重金屬活度的影響 進(jìn)一步對(duì)設(shè)施栽培土壤Cu、Zn和Cd活度與土壤pH建立分段線性相關(guān)模型,僅元素Cu、Cd(pH<6.26)活度可與土壤pH建立顯著的分段線性相關(guān)關(guān)系.從圖6來(lái)看,土壤Cu活度與土壤pH表現(xiàn)了三段趨勢(shì)不同的線性相關(guān)模型,當(dāng)pH<7.50時(shí),土壤Cu活度隨著土壤pH值升高表現(xiàn)了升高趨勢(shì),當(dāng)7.50￡pH<7.99時(shí),土壤Cu活度隨著pH值升高表現(xiàn)了較為急劇的下降趨勢(shì),當(dāng)pH37.99時(shí),土壤Cu活度隨著pH的升高表現(xiàn)了較為緩慢的下降趨勢(shì),均達(dá)到了顯著相關(guān)水平(<0.05);從圖7來(lái)看,土壤Cd活度僅在pH<6.26時(shí)可與土壤pH建立顯著(<0.05)線性模型,且隨著土壤pH值升高表現(xiàn)了急劇的下降趨勢(shì),而當(dāng)pH36.26時(shí),均不能建立顯著的相關(guān)線性關(guān)系.

圖7 設(shè)施栽培土壤Cd活度與土壤酸堿度pH的關(guān)系

2.3.2 土壤CEC對(duì)土壤重金屬活度的影響 進(jìn)一步對(duì)設(shè)施栽培土壤Cu、Zn和Cd活度與土壤陽(yáng)離子交換容量CEC直接的關(guān)系構(gòu)建分段線性相關(guān)模型(圖8、圖9、圖10). 其中,從圖8分析來(lái)看,土壤Cu活度與土壤CEC可建立三種不同趨勢(shì)的分段線性相關(guān)模型,當(dāng)CEC<6.23時(shí),土壤Cu活度隨著CEC的升高表現(xiàn)了急劇的下降趨勢(shì),當(dāng)6.23￡CEC<11.03時(shí),土壤Cu活度隨著CEC的升高表現(xiàn)了急劇的升高趨勢(shì),當(dāng)CEC311.03時(shí),土壤Cu活度隨著CEC的升高表現(xiàn)了緩慢的下降趨勢(shì),且均達(dá)到了顯著相關(guān)水平(<0.05);從圖9分析來(lái)看,土壤Zn活度僅在CEC< 5.83時(shí)可與土壤CEC建立顯著相關(guān)的線性模型,且當(dāng)CEC<5.83時(shí),土壤Zn活度隨著CEC升高表現(xiàn)了急劇的下降趨勢(shì),而當(dāng)CEC35.83時(shí),這種關(guān)系則不具有顯著相關(guān)性;從圖10分析來(lái)看,土壤Cd活度與CEC之間可建立了三種不同趨勢(shì)的線性相關(guān)模型,當(dāng)CEC<15.99時(shí),土壤Cd活度隨著土壤CEC的升高表現(xiàn)了急劇的升高趨勢(shì),當(dāng)15.99￡CEC<20.84時(shí),土壤Cd活度隨著土壤CEC的升高表現(xiàn)了下降趨勢(shì),當(dāng)CEC320.84時(shí),土壤Cd活度隨著CEC的升高表現(xiàn)了升高趨勢(shì),且均達(dá)到了顯著相關(guān)水平(<0.05).

圖8 設(shè)施栽培土壤Cu活度與土壤陽(yáng)離子交換容量CEC的關(guān)系

圖9 設(shè)施栽培土壤Zn活度與土壤陽(yáng)離子交換容量CEC的關(guān)系

圖10 設(shè)施栽培土壤Cd活度與土壤陽(yáng)離子交換容量CEC的關(guān)系

3 討論

3.1 設(shè)施栽培年限對(duì)土壤重金屬累積的影響

設(shè)施栽培生產(chǎn)系統(tǒng)完全不同于露天栽培生產(chǎn)系統(tǒng),長(zhǎng)期處于薄膜覆蓋、高溫高濕、高投入高產(chǎn)出的封閉狀態(tài),也是人為干擾劇烈的一種種植模式.研究表明,設(shè)施栽培中化肥用量是露天菜地和糧食田地的2.76、5.91倍,有機(jī)肥是露天菜地和糧食田地的1.25倍、4.08倍[19-20].同時(shí),也已有研究表明設(shè)施栽培土壤重金屬全量累積隨著種植年限的延長(zhǎng)表現(xiàn)了遞增趨勢(shì),尤其全量Cd、Cu、Zn的超標(biāo)和高風(fēng)險(xiǎn)占比最為嚴(yán)重[13],這與本研究中全量Cu、Zn、Cd的累積趨勢(shì)相一致,而有效態(tài)則表現(xiàn)了不同的趨勢(shì),特別是Zn、Cd兩種元素均在種植一定年限時(shí)有效態(tài)出現(xiàn)了輕微的降低趨勢(shì),這可能與長(zhǎng)期種植過(guò)程中土壤理化特性改變所致.也有不少研究表明,土壤重金屬累積隨著種植年限的延長(zhǎng)的遞增趨勢(shì)與過(guò)量的含高磷、畜禽糞便復(fù)合肥(含水溶肥)投入[21-22]、含Cu和Zn農(nóng)藥的大量使用以及雞糞、豬糞等的直接還田[23].本研究中的pearson相關(guān)性結(jié)果也表明,設(shè)施栽培土壤Cu、Zn、Cd全量和有效態(tài)均與SOM之間具有極顯著(<0.01)的相關(guān)關(guān)系,且三個(gè)元素的濃度累積特征也存在著極顯著(<0.01)的相關(guān)關(guān)系,均表明了Cu、Zn、Cd和SOM在來(lái)源上存在著極度相似的同源性.進(jìn)一步考慮到設(shè)施栽培過(guò)程中土壤SOM的來(lái)源較為單一,主要是商品有機(jī)肥及畜禽糞便,本研究中的設(shè)施栽培土壤主要投入品分析中,也進(jìn)一步證實(shí)了畜禽糞便(特別是豬糞、雞糞)、商品有機(jī)肥及土壤調(diào)理劑中的Cu、Zn和Cd含量相對(duì)最高,對(duì)設(shè)施土壤的重金屬累積貢獻(xiàn)最為突出,而秸稈、部分化肥(如尿素、K2SO4)中的重金屬含量極低,對(duì)土壤累積的貢獻(xiàn)微乎其微,因此,畜禽糞便需要經(jīng)過(guò)科學(xué)合理的資源化處理及選擇質(zhì)量安全的商品有機(jī)肥/生物有機(jī)肥則是延緩設(shè)施栽培土壤質(zhì)量退化速率,確保設(shè)施農(nóng)業(yè)安全可持續(xù)的有效途徑.

3.2 設(shè)施栽培土壤理化特性對(duì)重金屬累積活度的效應(yīng)

理化特性及生物指標(biāo)是土壤健康狀況評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)[24-26],也是影響土壤重金屬有效性的關(guān)鍵指標(biāo).已有不少學(xué)者同感研究土壤生物酶活性特征與土壤重金屬含量的相關(guān)性,構(gòu)建了土壤關(guān)鍵酶活(如過(guò)氧化氫酶、脲酶等)與Cu、Zn、Pb之間存在著顯著相關(guān)的線性、S曲線、冪函數(shù)等模型方程,在一定程度上說(shuō)明通過(guò)關(guān)鍵生物指標(biāo)判斷土壤重金屬污染程度具有一定的可行性[27-29].因此,構(gòu)建土壤理化指標(biāo)與重金屬累積活度的關(guān)系有助于更好的防控設(shè)施栽培土壤重金屬累積風(fēng)險(xiǎn),研究者也曾對(duì)設(shè)施栽培條件下土壤重金屬全量與土壤基本理化性質(zhì)(pH值、SOM)進(jìn)行了回歸分析[30].本研究在pearson相關(guān)性的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步構(gòu)建了設(shè)施栽培土壤Cu、Zn、Cd累積活度與土壤pH值、CEC互作效應(yīng)的分段線性相關(guān)模型,其中Cu活度與土壤pH值可建立極顯著的分段線性模型,在pH<7.50時(shí),Cu活度表現(xiàn)了隨pH升高而升高的趨勢(shì)(2=0.044,< 0.05),這與黃治平等[10]的研究結(jié)果存在差異,這可能與Cu主要是以強(qiáng)酸弱堿鹽(如SO2 -4或Cl-)等形式進(jìn)入土壤,在土壤溶液中易發(fā)生電離,繼而與設(shè)施栽培土壤中過(guò)量的NH+ 4[29]或弱堿環(huán)境形成可溶性絡(luò)合物有關(guān)[31-32],而pH37.50時(shí),隨著土壤pH值的升高,Cu活度表現(xiàn)了兩個(gè)不同斜率的下降趨勢(shì),這與堿性條件下土壤Cu2+會(huì)形成難容的殘?jiān)鼞B(tài)有關(guān). 同時(shí),隨著pH值的升高,土壤Cd活度僅在pH<6.26時(shí)表現(xiàn)了顯著相關(guān)的負(fù)線性相關(guān)模型,當(dāng)pH36.26時(shí),土壤Cd活度隨pH值升高的下降趨勢(shì)不構(gòu)成顯著相關(guān)關(guān)系,而土壤Zn則與pH值也不構(gòu)成顯著相關(guān)性,這與復(fù)雜的土壤環(huán)境有關(guān).進(jìn)一步的分析結(jié)果表明三種重金屬元素與土壤陽(yáng)離子交換容量(CEC)間表現(xiàn)了較強(qiáng)的分段線性相關(guān)模型,且整體相關(guān)性均優(yōu)于與土壤pH的擬合關(guān)系,特別是對(duì)于土壤Zn,與土壤pH變化未構(gòu)成顯著的線性相關(guān)性,而與土壤CEC在<5.83cmol/kg時(shí)達(dá)成了顯著的線性相關(guān)模型,同時(shí),管偉豆等[33]、宋文恩等[34]的研究中也發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤中溶解性的Cd含量隨著土壤CEC的增大而增大,即土壤CEC是表征土壤離子吸附與解吸關(guān)系的重要指標(biāo),也是土壤肥力和污染評(píng)估的的重要預(yù)測(cè)指標(biāo)[35],這與本研究結(jié)果基本一致,也進(jìn)一步說(shuō)明土壤CEC能較好的反映土壤重金屬活度(即有效態(tài)占比)累積特性,可通過(guò)土壤CEC調(diào)控來(lái)改善因重金屬累積造成的土壤質(zhì)量退化.

綜合來(lái)看,露天栽培轉(zhuǎn)化設(shè)施栽培后,重金屬累積引發(fā)的土壤污染與質(zhì)量退化速率加快,且這種趨勢(shì)隨著栽培年限的延長(zhǎng)而加重,畜禽糞便(特別是豬糞、雞糞)直接還田及部分不合格商品有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑的大量使用是主要成因,土壤理化特性(特別是CEC)是影響其累積活性的關(guān)鍵因素.因此,選擇優(yōu)質(zhì)糞肥及合理調(diào)控土壤理化性質(zhì)(特別是CEC)是緩解和防止菜地土壤重金屬進(jìn)入食物鏈的有效途徑.

4 結(jié)論

4.1 與露天栽培相比,設(shè)施栽培土壤Cu、Zn和Cd的全量和有效態(tài)濃度均呈明顯的累積趨勢(shì),當(dāng)栽培年限>15a時(shí),設(shè)施栽培土壤中Cu、Zn和Cd的全量濃度分別達(dá)到了露天栽培的1.57、2.16、1.67倍,有效態(tài)濃度分別達(dá)到了3.28、1.96、2.00倍;其中,隨著栽培年限的延長(zhǎng),全量Cu、Zn、Cd均表現(xiàn)了先升高后下降,繼而再升高的趨勢(shì),有效態(tài)含量(除了Cd完全與全量Cd一致,Cu在6-10a時(shí)輕微下降外)則表現(xiàn)了持續(xù)升高的態(tài)勢(shì),且10a后的累積速率明顯高于10a前.

4.2 Pearson分析表明,設(shè)施栽培土壤全量Cu、Zn、Cd及SOM之間均存在著極顯著(<0.01)相關(guān)性,說(shuō)明其在來(lái)源上具有極為相似的同源性,進(jìn)一步基于設(shè)施栽培土壤主要投入品分析,以畜禽糞便(特別是豬糞、雞糞)、商品有機(jī)肥及土壤調(diào)理劑中的Cu、Zn和Cd含量均偏高,其中Cu、Zn均超過(guò)了100mg/kg,Cd超過(guò)了1.0mg/kg,而秸稈、部分化肥(如尿素、K2SO4)中對(duì)應(yīng)元素的含量極低.

4.3 設(shè)施栽培土壤Cu、Zn、Cd活度均可與土壤pH、CEC建立不同程度的顯著分段線性相關(guān)模型,以與土壤CEC的相關(guān)性更好.對(duì)于土壤Cu活度,當(dāng)CEC<6.23cmol/kg時(shí),表現(xiàn)了隨著CEC升高而顯著下降的趨勢(shì)(2=0.423,<0.05),當(dāng)6.23￡CEC<11.03時(shí),表現(xiàn)了升高趨勢(shì)(2=0.119,<0.05),當(dāng)CEC311.03時(shí),表現(xiàn)了緩慢下降趨勢(shì)(2=0.063,<0.05);對(duì)于Zn活度,則僅在CEC<5.83cmol/kg時(shí)表現(xiàn)了隨土壤CEC升高而顯著下降的趨勢(shì)(2=0.205,<0.05);土壤Cd活度則當(dāng)CEC<15.99時(shí),表現(xiàn)了隨著土壤CEC升高而急劇升高的趨勢(shì)(2=0.476,<0.05),當(dāng)15.99￡CEC<20.84時(shí),表現(xiàn)了下降趨勢(shì)(2=0.024,<0.05),當(dāng)CEC320.84時(shí),表現(xiàn)了顯著升高的趨勢(shì)(2=0.249,<0.05).

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Study on the accumulation of heavy metals and influencing factors in the soil of facility vegetable fields.

LU Wei-hong1,2,3, LIU Juan1,2, ZHANG Nai-mming1,2*, ZHANG Yu-juan1,2, HAO Kang-wei1,2, REN Li-juan1,2, YU Chang1,2, HOU Hong4

(1.College of Resource and Environmental Science, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China；2.Yunnan Soil Fertility and Pollution Restoration Laboratory, Kunming 650201, China；3.School of Environment and Surveying Engineering, Suzhou University, Suzhou 234099, China；4. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Science, Beijing 100012, China)., 2022,42(6)：2744～2753

The accumulation of heavy metals in facility cultivation soil has become a prominent environmental problem. In this study, by collecting soil and fertilizer samples from representative facility vegetable production areas in eight provinces across the country, we systematically studied the effects of facility cultivation years, fertilizer application, and soil properties on the accumulation and activity of heavy metals Cu, Zn, and Cd in facility vegetable soils. The results showed that compared with open-air cultivation, the total and available concentration of Cu, Zn and Cd in the soil showed an obvious accumulation trend with the extension of planting years under facility conditions; when the years of cultivation were more than 15a, the total and available Cu, Zn, and Cd concentration in the facility soils were 1.57, 2.16, 1.67, 3.28, 1.96, and 2.00 times higher than that of the open-air cultivation soil, respectively. Pearson analysis revealed that the Cu, Zn, and Cd concentrations in the facility soil were associated with the soil SOM at an extremely significant level, indicating a high similarity in source among the heavy metals. Further analysis of the content of Cu, Zn, Cd, and soil SOM reached a very significant correlation, indicating a strong similarity in source, and further analyses on the contents of Cu, Zn, and Cd sourced from main agromaterials, showed the concentrations of both Cu and Zn in pig manure, commercial organic fertilizer and soil conditioner were greater than 100mg/kg, and that of Cd exceeded 1.0mg/kg. These agromaterial-sourced Cu, Zn and Cd could be considered the main contributors to the total amount of the heavy metals in the facility soil due to their large inputs to the soil. While the Cu, Zn, and Cd in straw and some chemical fertilizers (such as urea and K2SO4) were at an extremely low level, and their contributions to the accumulated heavy metals in the facility soil were basically neglectable; Both pH and CEC were confirmed as key factors influencing the cumulative activities of Cu, Zn, and Cd in the soil. As the pH increased, the soil Cu activity showed a trend of rising at first and then decreasing, while the soil Cd activity showed a continuous downtrend, reaching a significant correlation level only when pH<6.26; As the increase of soil CEC, the acidity of soil Cu showed a downtrend at first, followed by rising and then downtrend again; and the activity of soil Cd showed rising first, followed by slight downtrend and then rising again. While the activity of soil Zn only showed a significant linear correlation trend when CEC was lower than 5.83 as CEC increased. Therefore, preventing the accumulation and pollution of Cu, Zn, and Cd in the facility cultivation soil, choosing fertilizers with low heavy metal content and regulating the physical and chemical properties of the soil (especially pH and CEC) are effective means to alleviate the accumulation velocity of heavy metals in the facility cultivation soil and ensure the quality and safety of vegetables.

facility vegetable field soil；cultivation years；heavy metals accumulation；activity

X53

A

1000-6923(2022)06-2744-11

盧維宏(1984-),男,山西運(yùn)城人,博士,高級(jí)農(nóng)藝師,主要從事土壤環(huán)境污染修復(fù)與植物營(yíng)養(yǎng).發(fā)表論文12篇.

2021-11-08

云南省重大科技專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(202002AE320005);云南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018BC003)

* 責(zé)任作者, 教授, zhangnaiming@sina.com