不同种植年限设施菜地土壤超标重金属及其形态特征研究

井永苹，李彦，薄录吉，张英鹏，孙明，仲子文

（山东省农业科学院农业资源与环境研究所／农业部黄淮海平原农业环境重点实验室／山东省农业面源污染防控重点实验室／农业农村部山东耕地保育科学观测实验站，山东济南 250100）

随着设施蔬菜集约化生产的发展，全国设施蔬菜面积不断扩大，从1983年的1.5万公顷增长到2017年的386.7万公顷，设施蔬菜已成为蔬菜产业的支柱。然而，随着频繁的耕种和肥料及农药的过量投入，出现了设施菜地土壤质量严重退化、重金属大量累积等环境问题［1，2］。研究表明，高强度的设施蔬菜种植，使土壤产生酸化趋势，养分及重金属元素大量累积［3］，致使土壤环境质量持续下降，从而对周围水体及种植作物产生污染风险［4］。Ju等［5］对我国北方大棚蔬菜土壤环境质量的研究发现，大棚菜地养分严重过剩，出现土壤pH值降低、电导率升高、Cd累积超标等问题。曾希柏等［6］研究发现，中国菜地土壤Cd含量超标问题较严重，菜地土壤重金属超标率排序为：Cd＞Hg＞As＞Zn＞Cu＞Cr＞Pb。

目前大量研究主要针对土壤理化性质、微生物群落结构以及重金属累积量等方面。然而，随着对重金属元素迁移和累积行为研究的深入，人们发现土壤中重金属的总量可提供其富集程度的信息，但不能表明其存在状态、迁移能力以及植物吸收的有效性，特别是土壤条件不一致时所得出的结论也相差甚远［7］。土壤中重金属有效性主要取决于重金属形态，其毒性、迁移及在生态系统中的循环过程均因不同形态而存在显著差异［8，9］。根据欧共体标准司提出的 BCR提取方法，将土壤中重金属形态分为酸溶态、还原态、氧化态和残渣态。其中有效性最强的酸溶态，包括水溶态、交换态和碳酸盐结合态。重金属的酸溶态在土壤中的活性最强，受外界环境影响最大，对土壤环境、土壤生物和植物产生直接影响。因此，研究设施菜地主要超标重金属种类、形态特征及其影响因素，对保障农产品和产地环境安全具有重要意义。

本研究以山东省典型设施蔬菜种植区寿光的设施大棚土壤为材料，分析设施土壤中各种重金属元素累积量，筛选出超标率最高的重金属元素，并进行形态分布特征和影响因素研究，以期为设施菜地可持续利用、推动设施蔬菜产业可持续发展提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 设施蔬菜地概况及取样方法

基于科学性、代表性和准确性的原则，选取山东省寿光市具有典型代表性的黄瓜、番茄、菜椒、丝瓜等设施蔬菜种植区，于2016年11月进行调查采样，共采集74个样品。

寿光市设施大棚以种植茄果类蔬菜为主。所调查的大棚蔬菜种植模式主要分为4种：春茬和秋茬均种植番茄（n＝11）；春茬和秋茬均种植黄瓜（n＝15）；春茬和秋茬为茄果类蔬菜轮作（n＝23）；一年只种植一茬茄子（n＝18）。另外，有 7个大棚种植长季节甜椒。以茄果类蔬菜轮作的种植模式最为常见。调查的74个设施大棚棚龄见表1，以种植15年以下的大棚数量最多，16年以上的大棚数量相对较少。

采用“S”形取样法在每个大棚中取5点0～20 cm表层土壤并混合作为土样。土样采集后密封标记，带回实验室，风干、磨细过筛，用于测定土壤重金属含量、重金属形态以及土壤有机质、pH值等指标。

1.2 测定方法及数据分析

重金属含量按照常规分析方法测定［10］；土壤中总汞含量：硝酸-硫酸消化-冷原子吸收光谱法测定［11］；土壤总铬：原子吸收光谱法［12］。重金属Cd形态分析方法采用欧共体标准司提出的BCR分步提取法，测定指标包括酸溶态、还原态、氧化态、残渣态含量［13］。

运用Microsoft Excel和SPSS统计软件进行相关数据分析。差异显著性检验采用 Duncan’s法和配对样本t检验。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限土壤中重金属含量的变化

测定结果表明，棚龄为1～25年的74个样品土壤 pH值为 6.8～7.8，8种重金属元素 Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Cd、As、Hg中只有 Cd含量存在超标点位，其他重金属均未超过土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB15618—2018）中的风险筛选值（表2）。

表2 农用地土壤污染风险筛选值及风险管控值（GB15618—2018）

由表3看出，Cd含量，种植5年内的土样出现超过背景值的样点，大于5年的土样出现超出风险筛选值现象。Cu含量，种植5年以上的土样超过背景值，并且随着种植年限延长而增加，但未出现超出风险筛选值现象。Zn含量种植5年内的土样出现超过背景值的样点，6～10年的土样随着种植年限延长而显著增加，之后趋于稳定，未发现超出风险筛选值样点。Cr含量1～20年的土样低于背景值，21～25年的土样出现超过背景值的样点。Ni、Pb、As含量1～25年的土样低于背景值，随着种植年限的延长其含量无明显累积现象。结果表明，Cd已成为设施菜地重金属污染的主导因子。

表3 不同种植年限的土壤中重金属平均含量的变化

2.2 土壤全Cd含量、有机质含量、pH值与种植年限的相关性分析

采集的土样中 Cd平均累积量为0.059～1.100 mg／kg，超过农用地土壤污染风险筛选值的点位数有5个，超标率为6.76%。在该检测范围内，将Cd累积量与棚龄进行相关性分析，表明设施菜地土壤中Cd累积量与棚龄显著正相关（P＜0.05），随着种植年限延长Cd累积量呈增加趋势（图1）。

图1 不同种植年限对土壤Cd含量的影响

种植5年以下的设施土壤中，有机质含量随种植年限延长而升高（图2），5年以上随着种植年限延长，有机质含量增幅减缓，保持相对缓慢的增加趋势。设施蔬菜的种植环境具有高温高湿的特点，有利于有机质分解，同时，农民非常注重有机肥的使用，每年都要投入大量有机肥，在该种植环境下也有利于有机质形成。因此，虽然土壤有机质消耗巨大，但也不断形成，呈现出缓慢增加的现象。

图2 不同种植年限对大棚土壤有机质含量的影响

大棚土壤pH值随着种植年限的延长呈缓慢降低趋势（图3），每年pH值降幅约为0.037个单位，这与高新昊等［12］的研究相似。由于设施蔬菜生产过程中大量酸性肥料的施用，作物对阳离子肥料吸收的偏好，以及养分配比不平衡等因素，导致设施土壤pH值逐年降低。

图3 不同种植年限对大棚土壤pH值的影响

2.3 Cd形态分布特征

由表4看出，Cd的四种形态中，残渣态含量最多，占比为17.4% ～87.5%，平均为53.9%，主要为矿物态；其次是还原态，占比为3.2%～54.8%，平均为21.9%，主要是铁锰结合态；再是酸溶态，占比为3.7% ～33.5%，平均为15.7%，由水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态三部分组成；氧化态含量最少，占比为1.3% ～44.8%，平均为 8.8%，包括有机物、硫化物结合态。Cd形态分布受种植年限和累积量的影响最显著。随着种植年限的延长，Cd残渣态含量逐渐降低，而酸溶态和还原态含量逐渐升高，氧化态含量呈先降低再升高的趋势。这表明Cd形态从残渣态向酸溶态和还原态转换。土壤中Cd累积量在0.2～0.6 mg／kg范围内，酸溶态占比平均为16.1%；当Cd累积量大于0.6 mg／kg时，酸溶态占比平均为 24.5%。由此可见，随着Cd累积量的增加，酸溶态占比也逐渐增大。

表4 Cd不同形态分配系数 （%）

2.4 Cd酸溶态含量与种植年限相关性分析

采集的样品按5年一组划分，共分为4组（表4）。Cd酸溶态含量随着种植年限延长呈抛物线变化趋势（P＜0.05），如图4所示。棚龄5年及以下的土壤中Cd酸溶态含量占全量的比例平均为7.9%；6～10年为 12.5%，11～15年为 19.7%，16～25年为22.6%。由此可见，酸溶态分配系数在1～5年和11～15年间增加的最快，平均每年增加1.58个百分点和1.44个百分点，其次是6～10年，平均每年增加0.92个百分点，16～25年酸溶态含量的增加速度最小，平均每年增加0.29个百分点。因此，在棚龄1～5年和11～15年间，土壤中Cd酸溶态含量增幅最大，棚龄超过15年后Cd酸溶态含量增幅变小，基本保持稳定。

图4 种植年限与Cd酸溶态含量的相关性

3 讨论与结论

设施农业生产过程中普遍存在过量施肥现象，不仅会造成土壤中养分累积，还会带来重金属等有毒有害物质的累积，严重危害土壤环境。设施菜地土壤重金属累积已成为制约设施蔬菜安全生产的重要因素。曾希柏等［6］报道，20世纪 90年代以来中国菜地土壤重金属含量出现了明显的富集累积，且以Cd和Hg的累积较为明显。本研究对设施菜地土壤样品进行 Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Cd、As、Hg 8种重金属元素检测，发现只有Cd存在超标现象，超标率为6.76%。这与2014年《全国土壤污染状况调查公报》结论相似——我国耕地土壤重金属镉污染点位超标率达7.0%［14］。此外，本研究还发现，Cd含量随种植年限延长呈显著增加趋势，推测原因是设施蔬菜种植过程中使用的有机肥、化肥或农药中可能含有Cd，长期大量投入导致Cd在土壤中不断累积。

土壤中Cd的生物有效性主要取决于其形态，酸溶态Cd虽然占全量的比例较小，但却是活性最强的组分，尤其是水溶态和离子交换态，能够直接被作物根系吸收。本研究发现，随着种植年限的延长，酸溶态Cd占比逐渐增加，而残渣态占比逐渐降低，表明有效态Cd含量逐渐增大。研究结果还显示，随着Cd含量的增加，酸溶态占比也逐渐增加。郭军康等［15］的研究也有类似结论，即种植14年的设施土壤Cd含量为0.26 mg／kg，虽然比种植2年的 Cd含量仅高0.06 mg／kg，但是种植14年的设施菜田土壤中Cd的有效态含量比种植2年的增加1.96倍。由此推测，随着种植年限的延长，Cd的活性逐渐增大。这主要是由于设施菜地常年处于的高温、高湿及高投入、高产出、超强度利用状态［16，17］，导致土壤理化性质发生巨大变化，出现土壤酸化、板结、盐渍化等现象。本研究结果显示，土壤pH值和种植年限呈负相关，随着种植年限延长，土壤酸化程度加重，直接影响到 Cd的形态分布。Ramos-Miras等［18］报道，土壤pH值降低会导致重金属生物有效性增加。

因此，设施菜地土壤中Cd的累积，以及土壤性质改变对Cd形态转化和溶出的影响应引起全面关注，防止栽培过程中土壤和蔬菜重金属污染。本研究可为设施蔬菜安全生产、可持续发展提供理论基础。