不同棚龄土壤重金属含量变化及污染评价

方 勇

（金华职业技术学院，浙江 金华 321007）

土壤重金属特别是有毒重金属污染是评价无公害生产基地安全性的重要指标之一[1]。近年来，随着农业产业结构调整，大棚设施栽培已成为浙中地区果蔬生产的主要模式和农业增效的重要渠道，其土壤质量安全与否直接关系着人们的身体健康。已有研究表明[2-3]，重金属元素在土壤中的含量和分布受土壤利用类型的影响很大，特别是设施土壤由于生产环境的封闭性和物料的高投入性等，不仅会造成设施土壤中污染重金属含量的急剧增加，而且将直接影响设施果蔬产品的品质和安全性，因此对设施土壤的重金属污染现状进行调查和评价，具有非常重要的意义。目前，相关科研机构和人员对浙中地区设施栽培土壤重金属污染状况等尚缺乏全面系统的调查，对土壤重金属含量变化及其引起的环境安全评价的研究还相对较少，这也在一定程度上限制了该地区绿色无公害果蔬产品的生产与发展。为了能更好地安全利用城市周边的土地和可持续发展菜地农业，试验分析了不同设施栽培年限的土壤重金属含量变化规律和污染现状，为该区土壤环境质量的预警与综合治理提供数据基础，为保障设施栽培农产品质量安全和市民健康提供参考依据。

1 研究区概况

选取浙东前贾村不同棚龄的设施大棚土壤污染重金属（铬 Cr、铅 Pb、铜 Cu、镉 Cd）为研究对象。该区域位于浙江省的中部，为亚热带季风气候，四季分明。地势南北高，中部低。中部为义乌江和武义江沿岸及其支流下游的冲积平原，农业生产主要以设施蔬菜栽培为主，全年设施蔬菜覆种面积达6 400 hm2，年产量24万t，年产值近4亿元。土壤以砂壤土为主。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集与处理

按农产品质量-无公害蔬菜产地环境要求的采样原则进行[4]，于2010年5月取得不同栽培年限的土壤混合样品29个，其中露天4个，棚龄2 a的3个、5 a的4个、8 a的4个、≥10 a的14个。用不锈钢土钻采集0～20 cm耕层土壤，每个点采集10个样品，组成1个土壤混合样品。土样经自然风干，木棒粗磨，过2mm孔径尼龙筛，去除杂物，取均匀土样400 g用玛瑙研钵研磨，过0.149mm孔径尼龙筛，装瓶待测。

2.2 测定项目与方法

按土壤环境质量标准（GB15618-1995）要求，主要测定土壤重金属Pb、Cd、Cr和Cu的含量及土壤pH值。土壤重金属元素（总Pb、总Cd、总Cr和总Cu）全量分析采用火焰原子吸收分光光度法，先用HNO3-HClO4-HF消化法制样，TAS-968型原子吸收分光光度计（北京普析通用有限公司）测定；pH值采用（水土比3∶1）电位法，PHS-3C型酸度计（北京华瑞博远科技发展有限公司）测定。加国家标准土样GSS-4控制分析质量。

2.3 土壤重金属污染现状评价

土壤环境质量评价和分级标准，按国家无公害农产品安全质量-无公害蔬菜产地环境要求[4]中的二级标准以及中国绿色食品发展中心《绿色食品产地环境状况评价纲要》（施行）（1994）的规定进行评价分级。土壤重金属污染评价采用单因子污染指数[5]和综合污染指数法[6]进行。

3 结果与评价

3.1 不同棚龄设施土壤重金属含量的变化

不同棚龄（0～8 a）与设施土壤重金属含量之间存在一定的相关性（见表1）。不同棚龄设施土壤重金属Cr、Pb、Cu含量与当年新建大棚土壤相比有显著的增加。其中，2 a棚龄的土壤重金属Cr平均含量比新建大棚土壤增加0.06倍，且随着棚龄的增加，重金属Cr含量逐年递增，其平均含量与棚龄相关系数为0.899 8（n=4），且由2 a棚龄的27.616 mg/kg，增加到8 a棚龄的33.644 mg/kg，增加了0.22倍，平均以1.205 6mg/（kg·a）的速度增加。2 a棚龄的土壤重金属Pb平均含量比新建大棚土壤增加0.45倍，且随着棚龄的增加，重金属Pb含量逐年递增，由2 a棚龄的58.134 mg/kg，增加到8 a棚龄的68.385 mg/kg，其平均含量与棚龄相关系数为0.809 2（n=4），平均以2.050 2 mg/（kg·a）的速度增加。2 a棚龄的土壤重金属Cu平均含量比新建大棚土壤增加0.44倍，且随着棚龄的增加，重金属Cu含量逐年递增，由2 a棚龄的31.684 mg/kg，增加到8 a棚龄的69.509 mg/kg，其平均含量与棚龄相关系数为0.996 7（n=4），平均以7.565mg/（kg·a）的速度增加。究其原因，可能与该地区农民习惯连年大量施用未经堆制腐熟的规模养殖畜禽粪和磷类化肥等有关。但是，10 a及以上棚龄的土壤重金属Cr、Pb、Cu含量比棚龄8 a的有所降低。

土壤污染重金属含量超过超标将会影响土壤-植物－动物生态系统的安全。对照国家土壤环境质量二级标准可以发现，棚龄为5、8 a和≥10 a的设施土壤Cu含量存在不同程度的超标现象，且超标率分别达33.33%、50.00%和28.57%，其他均在二级标准的上限范围内。变异系数作为反映统计数波动特征的参数，在一定程度上也可描述某一元素污染现状的特征。由表 1 可知，Cr、Pb、Cu、Cd 的平均变异系数分别为 0.203、0.422、0.487 和 0.254，其中2 a棚龄中Cu的变异系数最高达0.913。这说明该区域内的Cu和Pb元素分布不均匀，区域变幅大，可见Cu和Pb元素在土壤中积累的情况受人为输入等因素的影响相对较大。

3.2 不同棚龄设施土壤质量评价

采用《无公害蔬菜产地环境要求》所列污染物含量限值，对29个土壤样品中Cr、Pb、Cd和Cu进行了单项和综合污染指数法计算与评价，结果见表2。

（1）0～2 a棚龄土壤样品的各元素单项污染指数均小于1，综合污染指数均小于0.7，评价等级为1级，完全处于清洁水平。但棚龄2 a的土壤各元素平均单项污染指数和综合污染指数均比新建大棚的有明显增加，其中棚龄2 a的平均综合污染指数达0.587，比新建大棚的提高24.1%，可见设施栽培导致污染重金属积累。

表1 不同棚龄设施土壤的重金属含量现状

表2 土壤的单项污染和综合污染指数

（2）5 a棚龄的4个土壤样品的各元素单项污染指数平均值均小于1，但有1个土壤样品中Cu的单项污染指数大于1，占样品总数的25%；虽然各点综合污染指数均小于1，但是均比2 a棚龄的高，且其中有1个样品已接近污染警戒点；3个土壤样品已达轻度污染警戒点（2级），占分析样品的75%。

（3）8 a棚龄土壤样品的综合污染指数分别为0.752、0.908、0.756和1.066，这说明有25%大棚土壤已经达轻度污染（3级），75%大棚土壤已经达到轻度污染警戒点（2级）。且土壤Cu的单项污染指数大于1的占50%，其他元素的单项污染指数均小于1。

（4）栽培年限≥10 a的14个土壤样品中，综合污染指数≤0.7的土壤样品7个（1级）占50%；达到轻度污染警戒点（2级）的土壤样品3个，占21.4%；已轻度污染（3级）的土壤样品4个，占28.6%。且土壤Cu的单项污染指数大于1的占28.6%，其他元素的单项污染指数均小于1。

4 结论与讨论

（1）已有研究表明[7-8]，施用规模化养殖畜禽粪能显著增加土壤Cu、Cd、Cr和Pb的含量。特别是在畜禽饲养中，Cu被作为复合饲料的添加剂（含Cu 150～250 mg/kg）以改善食物的转化率和促进畜禽生长，因此畜禽粪便中Cu也成为农业土壤中Cu污染的一个重要来源[9]。而李秀兰等[2-3]研究成果也进一步表明，重金属元素在土壤中的含量和分布受土壤利用类型的影响很大，往往不同的土壤利用类型下其管理方式也不同，这就造成现代高投入农业土壤中元素分布的不均一性和多变性增加。而设施土壤由于其栽培环境的封闭性等原因，大量的多年施用规模化经营生产的畜禽粪等含有重金属元素的有机肥料和化学肥料，且重金属元素不易迁移、难降解，势必造成重金属元素的积累。

（2）研究测定评价结果表明，设施土壤重金属（Cr、Pb、Cu）含量随棚龄（0～8 a）增加而递增，且两者之间呈显著的正相关，相关系数分别达0.899 8、0.809 2和0.996 7；而Cd含量变化没有明显的规律性。特别是土壤Cu含量累积极明显，平均以7.565 mg/（kg·a）的速度增加，这直接导致在29个设施土壤分析样品中有9个样品的土壤Cu含量超标，占24.1%，而其他元素含量虽有所递增，但均没有超过国家《无公害蔬菜产地环境要求》所列污染物含量的上限值。

（3）研究测评价结果表明，棚龄0～2 a的设施土壤均清洁未现污染；而棚龄5 a的设施土壤有75%呈现重金属污染达警戒限水平（2级）；而棚龄8 a设施土壤100%都达到或超过了污染警戒限水平，其中有25%大棚土壤已经达轻度污染（3级）；综合污染指数比5 a棚龄的高0.1。可见，在目前的栽培管理条件下，设施栽培土壤的清洁使用临界年限可能在5 a以内。建议对连续5 a及以上设施土壤采取切实可行的修复或抑制措施，以保障食品的生态安全。

（4）研究结果也发现，棚龄10 a及以上的土壤的重金属污染指数有所降低，这主要是由于当地部分菜农曾经在2008至2009年，分别对一些种植年限比较长的大棚进行灌水治理和施用石灰氮处理，这可能是导致耕层（0～20 cm）重金属污染指数降低的原因之一；并且据报道[8-9]，畜禽粪等有机肥料经堆制腐熟后也可以降低有毒重金属的危害。因此，建议在设施栽培中尽量使用经堆制腐熟的畜禽粪等有机肥料，并适时采取灌水治理、施用石灰氮、植物修复等措施，以保证设施栽培土壤环境的生态安全。

[1] 王国梁，周生路，赵其国，等.菜地土壤剖面上重金属含量随时间的变化规律研究[J].农业工程学报，2006，22（1）：79-84.

[2] 李秀兰，胡雪峰.上海郊区蔬菜重金属污染现状及累积规律研究[J].化学工程师，2005，116（5）：36-38.

[3] 胡克林，张凤荣，吕贻忠，等.北京市大兴区土壤重金属含量的空间分布特征[J].环境科学学报，2004，24（3）：463-468.

[4] 国家质量监督检验检疫局.农产品安全质量（GB/18406.1-18407.4—2001[S].北京：中国标准出版社.2001.36-37.

[5] 黄国锋，吴启堂，容天雨，等.无公害蔬菜生产基地环境质量评价[J].环境科学研究，1999，12（4）：53-56.

[6] 黄国锋，吴启堂.绿色食品产地环境质量现状评价标准的修正[J].农业环境保护，2000，19（2）：123-125.

[7] 吴清清，马军伟，姜丽娜，等.鸡粪和垃圾有机肥对苋菜生长及土壤重金属积累的影响 [J].农业环境科学学报，2010，29（7）：1302-1309.

[8] 张树清，张夫道，刘秀梅，等.规模化养殖畜禽粪主要有害成分测定分析研究[J].植物营养与肥料学报，2005，11（6）：822-829.

[9] 沈玉英.畜禽粪便污染及加快资源化利用探讨 [J].土壤，2004，36（2）：164-167.