关中地区日光温室重金属污染及其田块尺度下的特征

唐希望，同延安，吉普辉，梁连友，

庞　妍1，Nguyen Thanh Hung1,2，王　力1

(1.西北农林科技大学资源环境学院, 陕西 杨凌 712100；

2.College of Resources and Environment, Thu Dau Mot University, Binh Duong, VietNam 72000)



关中地区日光温室重金属污染及其田块尺度下的特征

唐希望1，同延安1，吉普辉1，梁连友1，

庞妍1，Nguyen Thanh Hung1,2，王力1

(1.西北农林科技大学资源环境学院, 陕西 杨凌 712100；

2.College of Resources and Environment, Thu Dau Mot University, Binh Duong, VietNam 72000)

摘要：对关中地区8个日光温室集中分布区域土壤重金属污染进行了调查，并比较了两个相同年限相近位置日光温室污染分布特征，在田块尺度下应用ARCGIS软件地统计学模块进行了插值模型分析。结果表明，8个日光温室采样点污染负荷指数(PLI)在1.087～1.723之间，均为中等污染； 区域PLI值为1.311，区域日光温室土壤重金属为中等污染。地统计学插值图表明1号日光温室Cd，2号日光温室Cd、Cu、Pb均出现不同程度累积。在田块尺度下，日光温室1中Cd上层土壤分布高于下层，Cr、Cu和Pb在0～1 m土壤随机分布；日光温室2中Cd和Cu上层土壤分布高于下层，Pb和Cr下层土壤分布高于上层。日光温室重金属污染具有复杂性，即便相同年限相近位置不同日光温室内土壤重金属污染特点也不尽相同。

关键词：关中地区；日光温室；重金属污染；地统计学；空间分布

Assessment of greenhouse heavy metal pollution in Guanzhong area

and analysis of its spatial distribution on field scale

土壤污染是目前我国农业环境面临的主要问题之一，尤其是重金属污染问题最为复杂，得到了很多研究者的重视[1-3]。污灌是典型的重金属污染来源之一[4-5]，关于厂矿排污造成重金属污染报道也逐渐增多[6-9]。由于化肥、农药和有机肥的过量施用[10-12]，日光温室土壤同样存在严重的重金属累积问题[13]，且土壤多为Cd，Cr，Cu，Pb的累积。关中地区自1992年起修建了大量日光温室，截止2009年其面积已经达到22 533 hm2[14]。然而目前尚未见到以关中区域为整体，研究日光温室土壤重金属污染的文献报道。

相较于其他重金属污染土壤，日光温室面积小，具有一定的封闭性和独立性，重金属污染来源只能通过人为因素。同时由于中国当前设施农业生产标准化水平较低，施肥方式、种类难以标准化，决定了重金属在日光温室内的迁移分布迥异。很多研究者利用地统计学软件对土壤重金属污染特征进行了研究[15-17]，但多集中在区域空间尺度上，主要分析表层土壤重金属分布特征。王纪华[18]等认为这种研究方式并不能应用于我国当前生产实际，提出了田块尺度上的土壤污染特征分析。但其采样步长为100 m，大于日光温室的长度，使用仍然具有局限性。本文以关中日光温室土壤为研究对象，分析重金属Cd，Cr，Cu，Pb污染状况，并利用地统计学软件，分析同一地点两个相同年限日光温室田块尺度上重金属空间分布特征。本研究对于了解关中设施农业重金属污染现状，保护农作物生产和人体健康具有重要意义。

1材料与方法

1.1研究区概况及采样点布设

图1　关中地区日光温室采样点位置

图2田间尺度采样点分布

Fig.2The field scale sample points distribution

1.2土壤样品分析方法

土壤样品放置于阴凉干燥处，自然阴干后磨细，全部过100目尼龙筛。称取0.25 g土壤样品于25 ml聚四氟乙烯消解管中，加入9 ml HNO3和3 ml HClO4，摇匀，130℃电热板消解，待溶液沸腾1 h后，加入5 ml HF，继续消解至瓶内消解物呈现黄色糊状或无色，结束消解。用高纯水将聚四氟乙烯瓶内固体全部转移到10 ml塑料管中，清洗三次定容后摇匀，使用ICP-AES测定Cd、Cr、Cu、Pb含量。每个样品两个重复，使用环境标准物质GSF-4进行质量控制。

1.3土壤污染评价方法

土壤污染质量评价方法有指数法、综合评价法以及基于GIS等的一系列方法[19]。其中污染负荷指数(Pollution load index， PLI)不仅可以用来反映单一污染点污染程度，还可以对区域污染程度进行反映，因此选为本研究评价方法[20]。本文中所用公式为：

(1)

(2)

(1)式为单一点污染程度的计算公式，(2)式为区域污染程度的计算公式。C=元素实测值/背景值。PLI等级划分标准为：P<1时表示无污染；1≤P<2为中等污染；2≤P<3为强污染；P≥3为极强污染。

1.4田块尺度重金属分析方法

两个日光温室田块均为狭长地块，其宽度为7.5 m,故对其垂直剖面上重金属分布进行地统计分析。在采样点空间构建上，为便于直观分析，在水平方向尺度为m，垂直方向尺度为cm。使用ArcGIS 10.2地统计学模块，选取最优拟合模型，普通克里格法空间插值。数据统计分析采用SPSS 20.0软件。

2结果与分析

2.1土壤重金属污染评价

对关中地区8个设施农业日光温室土壤采样，编号G1～G8，测定土壤Cd、Cr、Cu、Pb含量，结果见表1。

表1　日光温室土壤重金属含量/(mg·kg-1)(n=50)

Note: a: the value stands for the background of loss soil (0～20 cm) in Guanzhong area; b: the value are secondary standard in 《Environmental quality standard for soils》[22]while pH>7.5. The same below.

表1显示，G1～G8日光温室土壤中Cd、Cr含量均值高于土壤环境背景值，其中G5日光温室土壤Cd含量均值超出土壤环境质量二级标准值；G6～G7 Cu、G1～G8 Pb均值均高于环境背景值。从结果看只有Cd出现超出国家土壤环境质量二级标准的情况，但采用污染负荷指数法，分别对日光温室基地土壤重金属污染进行评价，其各点PLI指数均处于1.087～1.723之间，为中等污染。根据公式(2)计算出的关中地区区域PLI值为1.311，区域内日光温室为中等污染。

2.2田块尺度重金属污染特征分析

2.2.1样品的数据统计使用SPSS 20.0软件对日光温室1和日光温室2土壤样品的数据统计分析见表2。

结果表明，30个采样点中1号日光温室土壤Cd、Cr、Cu、Pb含量均值分别为1.53、61.25、25.18、14.40 mg·kg-1，为2号日光温室含量的54.84%、90.78%、88.00%和62.99%。独立样本t检验结果表明，两个日光温室土壤重金属含量差异均达到极显著水平(表3)。 日光温室1的Cd和日光温室2的Cd，Cu，Pb均显著高于薛澄泽等[21]1986年测定的关中地区重金属背景值，出现累积。其中日光温室1和2 Cd含量均高于土壤环境质量规定的二级标准值，出现污染。

表2　土壤样品统计特征

Note: a: the value stands for the background of loss soil in Guanzhong area.

表3　两个温室结果独立样本t检验结果(置信区间99%)

2.2.2土壤重金属变异函数土壤重金属变异函数见表4。ArcGIS地统计模块下采用稳态模型可以对数据很好地拟合。日光温室土壤重金属Cd，Cr，Cu，Pb的各向同性下的变异函数(表4)展示了很好的空间结构，除1号日光温室Pb采用J-Bessel模型，其他元素使用Stable模型可以很好地插值。4种重金属元素变程在数值上均大于20，即空间自相关尺度远大于采样间隔20，说明采样设计是恰当的，并且表明空间插值图可以较好地反映4种重金属的空间分布。

块金值/基台值是一个很重要的数值：比值<25%，表明系统具有强烈的空间相关性；比值在25%～75%之间，表明系统具有中等的空间相关性；比值>75%说明系统空间相关性很弱[23]。1号日光温室Cd和Pb，2号日光温室Pb块金值/基台值比值较高，说明随机部分引起的空间异质性程度较高。同时也可以说明区域因素(自然因素)和非区域因素(人为因素)谁占主导作用，当该比值较高时非区域因素占主导地位。根据表1结果，1号日光温室和2号日光温室Cd出现累积。磷矿肥料的施用会带来Cd的累积[24]，因此可以推测1号日光温室和2号日光温室Cd分布是由于施用磷肥引起的。1号日光温室Pb不存在累积问题，对其分布影响的人为因素还需要进一步的研究。

2.2.3数据的空间插值根据上述分析，使用ARCGIS10.2中地统计学模块，使用普通克里格插值，得到了1号日光温室和2号日光温室土壤重金属Cd，Cr，Cu，Pb插值图(图3和图4)。从图3和图4中可以很清晰地观察到土壤重金属在日光温室剖面上的空间分布。

表4　土壤重金属变异函数

图3日光温室1土壤重金属含量分布

Fig.3Distribution of heavy metals in No.1 greenhouse soil

日光温室1中Cd在剖面的分布与空间相关性很高，主要集中于日光温室内部表层(50 cm深度以上)土壤；Cr，Cu和Pb在日光温室内分布比较随机。日光温室2中Cd和Cu含量在0～1 m剖面具有相似的分布，20 cm以上和60～100 cm含量高于20～60 cm土层；Cr和Pb的含量分布具有相似性，60 cm以下土层含量高于60 cm以上土层。重金属在垂直方向上的分布反映重金属在剖面的迁移情况，从图3和图4中可以看出Cd，Cr，Cu在日光温室的迁移比Pb剧烈。1号和2号日光温室相同元素剖面的迁移水平不同。

3讨论与结论

3.1关中地区日光温室农田总体重金属污染状况

关中地区农田土壤重金属已有的相关研究[25-26]表明， 关中地区除西安污灌区以外不存在大面积区域性土壤重金属污染，这与本研究结果一致。调查的8个日光温室基地中，只有一个出现了土壤Cd含量超出《国家土壤环境质量标准》[22]规定的二级土壤质量标准的情况。但关中地区农田土壤重金属已经出现了不同程度的累积问题。胡明对富平[27]和潼关[28]农业土壤重金属进行了研究，以当地土壤背景值作为评价标准，富平整体农业土壤处于中度污染水平，潼关处于重度污染水平。同样以土壤背景值为评价标准，关中地区日光温室土壤为中等污染(见表1)。

图4日光温室2土壤重金属含量分布

Fig.4Distribution of heavy metals in No.2 greenhouse soil

关中地区日光温室内土壤重金属累积主要来源为肥料。关中地区目前灌溉用水总量为59.02亿m3，其中26.06亿m3为地下水[29]，其余用水来自渭河支干流。对渭河沉积物[30-31]和渭河水[32]的相关研究表明，在渭河沉积物中重金属的赋存形态主要以残渣态为主，渭河支干流自2011年起水体重金属含量均降至环境可接受程度。而地下水一般是安全的，因此灌溉不是日光温室内土壤重金属累积的原因。关中地区设施农业保护地土壤种植强度大，复种指数高，有机肥化肥投入过量。对于直接从养殖场到农田的这一部分有机肥的重金属含量情况我们无法判断，但是市售有机肥中重金属含量较高，部分甚至存在重金属超标的现象[12,33]。磷肥等矿质肥料重金属含量较高[11]，也会带来日光温室重金属累积。但是总体来说，日光温室土壤重金属的累积程度是缓慢的，Zhang等的研究表明在北京通州蔬菜基地，20年日光温室土壤Cd含量累积到1年日光温室的3.2倍[34]。

3.2日光温室内土壤重金属分布情况

本文选取的两个日光温室内土壤重金属的分布特点完全不同。造成这种现象的原因主要是日光温室个体之间具有相对的独立性，加之标准化生产程度不高，使得重金属在日光温室土壤中具有不同的迁移，形成了不同的分布。本研究得到的日光温室内土壤重金属的分布与露地污染土壤重金属分布也不同[35]。李斌等对西安污灌区相同土壤条件下经过一定年限种植大棚菜地和农耕菜地重金属迁移的研究认为大棚菜地种植强度大，重金属随作物的茎秆果实而被移出菜地；而农耕地种植强度小，同时存在秸秆还田，部分重金属又重新回到土壤[36]。另一方面日光温室在长期的种植过程中土壤性质发生变化，土壤pH值的降低提高了重金属的生物有效性，促进了作物的吸收，但是有机质的提高又会影响作物对Cu和Zn的吸收[37]。因此，在多种因素影响下，每个日光温室内土壤污染元素的分布都是各不相同的。

3.3结论

本文对关中地区8个日光温室集中区土壤进行了采样调查，并应用ARCGIS地统计分析模块对相同地区两个不同的日光温室重金属分布特征进行了插值分析，得到了如下结论：

(1) 8个采样地区日光温室土壤PLI分别为1.403，1.323，1.261，1.258，1.723，1.372，1.087，1.152，均为中等程度污染。PLI最高值为G5采样点，该采样点土壤重金属Cd超过土壤重金属环境质量标准规定的二级标准值，出现超标情况。该区域PLI指数为1.311，区域日光温室总体评价为中等程度污染。

(2) 两个相同年限相同地区日光温室插值分析中，1号日光温室的Cd，2号日光温室的Cd，Cu，Pb均出现不同程度累积。在多种元素作用之下，不同日光温室内重金属污染元素的分布均不相同。

参 考 文 献：

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using Geo-statistical software

TANG Xi-wang1, TONG Yan-an1, JI Pu-hui1, LIANG Lian-you1,

PANG Yan1, Nguyen Thanh Hung1,2, WANG Li1

(1.CollageofResourceandEnvironmentSciences,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China；

2.CollegeofResourcesandEnvironment,ThuDauMotUniversity,BinhDuong,Vietnam72000)

Abstract：To assessment the greenhouse heavy metal pollution in Guanzhong area, eight facility agricultural areas were selected to collect soil samples. Two greenhouses from the same place with the same planting years were also selected to analysis the spatial distribution of heavy metals in soil on field scale using Geo-statistical software. Samples were digested with HClO4-HNO3-HF and subsequently assayed for Cd, Cr, Cu, Pb by ICP-AES. The findings showed the PLI(Pollution load index) of eight greenhouse soil were 1.403，1.323，1.261，1.258，1.723，1.372，1.087，1.152，and the greenhouse soil in Guanzhong area was slightly polluted with PLI 1.311. The method of analysis vertical section of soil spatial distribution of heavy metals on field scale using Geo-statistical software was established. Maps of heavy metals spatial distribution in two greenhouses soil were made using Kriging method. The maps showed the pollutant in No.1 greenhouse was Cd and in No.2 greenhouse were Cd, Cu and Pb. At field size, Cd content in No.1 greenhouse topsoil and Cd and Cu content in No.2 greenhouse topsoil were both higher than in subsoil, while Pb in No.2 greenhouse topsoil lower than subsoil. In conclusion, we detected complexity of soil heavy metal pollution of greenhouse, as evidenced by the contrasting mechanism of similar greenhouses.

Keywords:Guanzhong area; greenhouse; heavy metal pollution; geostatistics; spatial distribution

中图分类号：X53

文献标志码：A

通信作者：同延安，教授，博士生导师，主要从事土壤化学、施肥与环境、农业生态等方面研究。 E-mail：tongyanan@nwsuaf.edu.cn。

作者简介：唐希望(1988—)，男，安徽阜阳人，博士研究生，主要研究方向为污染物迁移与调控。 E-mail：txw@nwsuaf.edu.cn。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201203045)；高等学校学科创新引智计划资助(B12007)

收稿日期：2015-01-10

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.42

文章编号：1000-7601(2016)01-0272-07