天门市蔬菜基地土壤重金属累积特征与潜在生态危害评价

沈体忠 陶齐成 彭文勇 黎庆容

摘要：以天门市5个蔬菜基地土壤为研究对象，研究土壤中重金属含量特征与累积特征，分析污染物的来源，并采用Hakanson提出的潜在生态危害指数法对土壤中重金属的潜在生态危害进行了评价。结果表明，天门市5个蔬菜基地土壤重金属Hg、Cd、As、Cr、Pb、Cu的平均含量分别为0.066、0.168、6.850、67.940、10.730和27.090 mg/kg，均低于国家土壤环境质量Ⅱ级标准值，但Hg、Cd、Cr、Cu在不同基地高于湖北土壤背景值，呈现出明显的累积现象，其土壤重金属综合累积水平为轻度累积；大气中重金属沉降，施用含有重金属的化肥、农药、畜禽粪便、生活垃圾以及地膜残留是土壤中重金属的主要污染来源。潜在生态危害指数法评价结果表明，土壤重金属的潜在生态危害程度处于轻微生态危害状态，Hg和Cd为土壤中主要生态危害因子。

关键词：蔬菜基地；土壤；重金属；累积；来源；生态危害

中图分类号：X830；X820.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）09-2016-05

土壤是人类的衣食之源和生存之本，即便是经济技术高速发展的今天，土壤依然是最基本的生产要素和各种经济关系的物质载体。然而，随着现代工业和城镇化水平的不断提高，工业“三废”、生活废弃物的大量增加，化肥、农药、农膜等投入品大量使用，致使农业生态环境受到不同程度的污染[1]。重金属在农田土壤中的累积会引起复杂生物效应，一方面会制约作物生长发育，促进早衰，降低产量，并对营养元素的吸收起到颉颃作用从而降低农产品的品质；另一方面，土壤中的重金属可以通过根系进入植物体，再通过食物链的传递和富集，最终危害人体健康[2]。由于重金属元素化学性质稳定，其土壤污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性等特点而受到全社会的广泛关注。

蔬菜在国民生活中占有重要的地位，是日常生活中必不可少的食物。目前，蔬菜基地已成为我国大中城市蔬菜的主要供应源。一般来讲，蔬菜基地蔬菜生产具有集约化程度高、农业投入品施用强度大、灌溉用水比旱作物多等特点，导致各种外源污染物进入农田土壤的几率也高，势必造成重金属元素在土壤中累积，直接影响蔬菜的质量安全。因此，对天门市蔬菜基地土壤重金属的累积状况与潜在生态危害进行评价有着重要意义。本研究通过对天门市5个主要蔬菜基地土壤进行采样监测，揭示土壤中重金属的累积动态，分析污染物来源，并评估其潜在生态危害程度，以期为蔬菜基地生态环境保护和农产品质量安全监管提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

天门市位于鄂中，地处江汉平原北部，汉江下游左岸，跨东经112°35′-113°28′，北纬30°23′-30°54′，属于北亚热带季风气候区。多年日均气温16.4 ℃，年平均降雨量1 113.3 mm，日照时数1 872.4 h，无霜期249.6 d。天门市在菜蓝子工程建设中先后在河湖平原的多宝、张港、蒋场、黄潭、岳口、小板、杨林、沉湖及岗状平原的九真、皂市等乡镇建立了10个蔬菜基地，基地面积1.214万hm2，占天门市耕地总面积的11.21%。本研究区选择在河湖平原，该区土壤发育于江汉近代河流冲积物（Q4），基地土壤为灰潮土，土壤有较强的石灰性反应，主要土壤类型是灰油沙土和灰正土。

1.2 样品采集与制备

调查采样时，按照必须有重金属元素的污染源，采样点具有代表性和典型性，不同采样点应选在相同类型母质上以避免因母质不同而产生差异[3]的原则，选择河湖平原的多宝、张港、黄潭、小板、杨林等5个蔬菜基地为采样区，共布设21个采样点，每个采样点按梅花点法5点取样，用竹铲等量采集0～20 cm耕层土壤，混合均匀后用四分法留取1 kg混合土样。土样经自然风干，剔除样品中碎石、沙砾及植物残体，用木棍碾碎并用玛瑙研钵研磨，分别过20目和100目尼龙筛装袋备用。

1.3 分析方法

1.5 土壤重金属潜在生态危害指数评价方法

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量特征

天门市主要蔬菜基地土壤重金属含量的统计特征值及湖北省土壤背景值、国家土壤Ⅱ级标准值列于表3。由表3可知，天门市主要蔬菜基地土壤重金属Hg、Cd、As、Cr、Pb、Cu的总体平均含量分别为0.066、0.168、6.850、67.940、10.730和27.090 mg/kg。然而，由于人类干扰强度的不同，5个蔬菜基地土壤中6种重金属元素的浓度已呈现出较为明显的空间分布特征。差异显著性分析发现，Cd、Cr和Pb以杨林基地土壤含量最高，与多宝、张港、黄潭、小板4个基地土壤含量存在显著差异；Hg与Cu则以黄潭基地土壤含量最高，與多宝、张港、小板、杨林4个基地土壤含量也存在显著差异；而土壤中As含量黄潭、小板、杨林3个基地土壤含量差异不显著，但与多宝、张港2个基地土壤含量均有显著差异。

与湖北省土壤背景值[4]相比，5个蔬菜基地土壤重金属的平均含量除As、Pb外，黄潭和小板基地的Hg、杨林基地的Cd、多宝与杨林基地的Cr以及黄潭基地的Cu均高于相应元素的背景值，存在明显的累积现象；与保障农业生产，维护人体健康的国家土壤Ⅱ级标准值[6]相比，21个供试土样重金属Hg、Cd、As、Cr、Pb、Cu的含量均在标准限量内。由此可见，天门市主要蔬菜基地土壤中As、Pb处于本底状态，Hg、Cd、Cr、Cu在不同基地高于湖北土壤背景值，但低于国家土壤环境质量Ⅱ级标准值，土壤尚没被污染，只是受到外源污染物Hg、Cd、Cr、Cu的轻度玷污，其土地利用一般不受限制[7]。

2.2 土壤重金属累积特征

2.3 土壤重金属来源

农田土壤重金属来源于成土母质和人类活动，同一来源的重金属之间存在着相关性，因此可根据土壤中重金属全量相关性推测重金属来源。若不同重金属间有显著的相关性，说明有相同来源的可能性较大，否则来源不止一个。由表5可知，天门市主要蔬菜基地土壤中，Cr与Pb的相关系数最大，为0.709，达到极显著正相关水平；其次，Hg与Cu、As与Cu、Cd与Pb的相关系数分别为0.637、0.620、0.548，也均达到极显著正相关水平，表明Pb、Cu及Cr同源的概率较大。

根据实地调查及有关资料分析，天门市主要蔬菜基地土壤中外源重金属以4种来源为主。来源一为大气中重金属沉降。大气中的重金属主要来源于工业生产、汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含有重金属的有害气体和粉尘等，大多数是经自然沉降和雨淋沉降而进入土壤[9]。来源二为施用含有重金属的化肥、农药等农业化学投入品。通常化肥中含有一定成分的重金属，一般磷肥、含磷复合肥含有较高的Hg、Cd、As和Pb等重金属元素，氮肥和钾肥中这些重金属元素含量较低，但氮肥中Pb的含量较高。天门市分别始于1951年、1954年和1972年在农业生产上施用氮肥、磷肥和复合肥。我国第一次农业污染源普查结果显示，天门市2007年度纯N施用量为788.85 kg/hm2，P2O5为345.45 kg/hm2，其单位面积施用量双双位居全省各地、市、州的第一名，分别是全省平均施用量的1.52倍和1.67倍。可见，天门市如此长时间、高强度地施用氮肥、磷肥和复合肥，必然会造成Hg、Cd、As、Pb等重金属元素在农田土壤中的累积。同时，天门市主要蔬菜基地一般由老棉田演变而来，曾于1971年前多年使用汞制剂农药氯化乙基汞（西力生）和醋酸苯汞（赛力散）、1962年起使用铜制剂农药硫酸铜和1972年起使用砷制剂农药甲基胂酸锌（稻脚青）防治棉花苗病，以及改种蔬菜后使用各种铜制剂农药防治蔬菜病害，导致Hg、Cu、As等重金属元素在农田的累积。来源三为施用含有重金属的畜禽粪便与生活垃圾。随着现代畜牧业发展，饲料中一般都含有一定量的Cu、As等重金属元素，这些重金属元素随粪便排出体外，施入农田后在土壤中累积。据估算[10]，2006年度天门市仅猪粪、鸡粪中Cu、As的排放量全市耕地平均污染负荷量就达1.738和0.223 kg/hm2。而农村生活垃圾堆肥中往往重金属含量也比较高，如垃圾中电池、日光灯管、体温计等含Hg废弃物较多，施入农田其重金属也会在土壤中累积。来源四为地膜残留。天门市从1982年开始推广地膜覆盖技术，但因地膜强度低，易破碎，使用后难以捡拾回收，地膜残留量大，造成了土壤的白色污染，且覆盖年限越长，污染也越严重[11]。由于地膜在生产过程中加入了含有Cd、Pb的热稳定剂，残留地膜中的Cd、Pb向土壤中渗透、迁移，污染其土壤[12]。

2.4 土壤重金属潜在生态危害评价

3 结论

1）天门市主要蔬菜基地土壤重金属As、Pb处于本底状态，Hg、Cd、Cr、Cu在不同基地高于湖北土壤背景值，但低于国家土壤环境质量Ⅱ级标准值，土壤尚没被污染，只是受到外源污染物的轻度玷污，其土地利用一般不受限制。

2）土壤重金属累积性评价结果表明，Hg、Cd、Cr、Cu在不同蔬菜基地已形成轻度累积，5个基地土壤重金属综合累积水平为轻度累积。

3）大气中重金属沉降、施用含有重金属的化肥、农药、禽畜粪便和生活垃圾以及地膜残留是天门市主要蔬菜基地土壤中重金属来源的主要贡献者。

4）潜在生态危害指数法评价结果表明，5个蔬菜基地土壤重金属的潜在生态危害程度处于轻微生态危害状态，Hg与Cd为土壤中主要生态危害因子。

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