不同年限设施菜地土壤中重金属和抗生素污染特征

苑学霞，方丽萍，张太平，张勇

1.山东省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所/山东省食品质量与安全检测技术重点实验室，山东 济南 250100；2.山东省地质科学研究院，山东 济南 250013；3.山东省土地调查规划院，山东 济南 250014

土壤是农业生产、植物生长和生物生产的基础。几十年来，土壤中重金属和抗生素污染不容乐观。根据全国土壤污染调查公报，中国土壤污染以无机污染为主，超标点位数占全部超标占位的82.8%，Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Ni 8种无机污染物点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、4.8%（环境保护部和国土资源部，2014）。与重金属不同，农田土壤中的抗生素来源较为单一，主要来源于畜禽粪等有机肥的施用和污水的灌溉。据报道，2013年中国36种常见抗生素排放量为5.4万吨，其中84.0%来源于动物排泄（猪：44.4%；鸡18.8%；其他动物20.9%），排放到土壤（54%）和水体（46%）中，涉及的抗生素的种类有磺胺类、四环素类、氟喹诺酮类、大环内酯类、β-内酰胺类等（Zhang et al.，2015）。土壤作为重金属和抗生素的重要储存库，已经成为各国科学家关注和研究的热点。

中国蔬菜种植面积增加迅速，2015年全国蔬菜种植面积达到2 200×104hm2，其中设施蔬菜种植面积为400×104hm2以上，占蔬菜种植总面积的18%以上，是世界上设施蔬菜种植面积最大的国家（中华人民共和国农业部和中国农业年鉴编辑委员会，2016）。设施菜地环境同露地环境明显不同，具有封闭性、可控性、缺少雨水淋洗、复种指数高和持续施肥且施肥量大等特点；并且设施栽培蔬菜大多在冬春反季节进行，形成了高温、弱光、高湿的人工小气候环境，土壤理化性质、土壤微生物种群数量和结构等都与露地土壤有显著差异（Li et al.，2019；Zhang et al.，2019a），而土壤理化性质和微生物直接或间接影响重金属和抗生素在自然中的迁移转化过程（Martínez-Alcalá et al.，2009；赵方凯等，2017）。Huang et al.（2019）通过对336篇文章进行meta分析发现，蔬菜地和水稻田土壤中重金属（Cd、Hg、Pb、Cu、Zn）含量高于其他耕作类型土壤中。对山东潍坊、泰安、滨州、东营四地9个温室土壤中抗生素进行分析发现，强力霉素、磺胺二甲嘧啶、泰乐菌素均有不同程度检出（赵祥，2017）。因此，设施菜地中重金属和抗生素污染问题更应该引起我们足够的重视。

本试验以土壤中7种重金属和15种抗生素为研究对象，分析不同种植年限对设施菜地土壤中重金属和抗生素的污染特征及可能来源，旨在为设施菜地土壤污染防控及设施蔬菜安全生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与测定

研究地点位于山东省阳谷县。通过调查，确定4个蔬菜大棚：大棚结构、种植模式及作物等基本一致（冬暖式大棚；作物以芸豆为主，芹菜、西红柿、菠菜与芸豆轮作），种植年限分别为2、4、7、15年。大棚内所用肥料主要为鸡粪、猪粪等粪肥和商品化有机肥与化学肥料配合施用。同时采集每个温室旁玉米地土壤作为对照，所用肥料主要是尿素、复合肥等化学肥料。采样时，每个大棚由东向西取3个重复，取样点位于南北向栽培畦中间位置，即由东向西一条直线上均匀分布3个点，分别单独标记作为3个重复。取样深度0—20 cm。将采集的土壤样品混匀，除去土样中的植物根系、石块等杂质，按四分法分取一部分风干后，用玛瑙棒研磨，过60目筛，4 ℃条件下避光保存，用于重金属测定。一部分进行真空冷冻干燥（48—72 h），研磨，过60目筛，4 ℃条件下避光保存，用于抗生素测定。

土壤中重金属含量测定：采用HNO3-HCl-HClO4消解法提取，Cr、Cu、Ni采用电感耦合等离子体发射光谱仪进行测定；Cd和Pb采用石墨炉原子吸收分光光谱仪进行测定；As和Hg采用王水消解，原子荧光光谱仪进行测定（Ma et al.，2017；Wang et al.，2015）。

土壤中抗生素含量测定：本研究选取15种抗生素，包括四环素类（Tetracylines，TCs）：四环素（Tetracycline，TC）、土霉素（Oxytetracycline，OTC）、金霉素（Chlorotetracycline，CTC）、多西环素（Doxycycline，DC）；磺胺类（Sulfonamides，SAs）：磺胺嘧啶（Sulfadiazine，SDZ）、磺胺间甲氧嘧啶（Sulfamonomethoxine，SMM）、磺胺二甲嘧啶（Sulfadimidine，SDD）、磺胺甲噁唑（Sulfamethoxazole，SMZ）、磺 胺 喹 噁 啉（Sulfaquinoxaline，SQX）；氟 喹 诺 酮 类（Fluoroquinolones，FQs）：环丙沙星（Ciprofloxacin，CFX）、恩诺沙星（Enrofloxacin，ENR）、达氟沙星（Danofloxacin，DAN）、沙拉沙星（Sarafloxacin，SAR）和氯霉素类（Chloramphenicols，CPs）：氟苯尼考（Florfenicol，FF）、甲砜霉素（Thiamphenicol，SCP）等4类抗生素。

采用超高效液相色谱-质谱/质谱仪进行测定。四环素类、磺胺类和氟喹诺酮类抗生素样品前处理及分析条件参考Zhou et al.（2012）方法，氯霉素类抗生素样品前处理及分析条件参考Qian et al.（2016）方法。

1.2 土壤重金属污染评价方法

阳谷县地处黄河下游冲积平原，其地形、地貌、土壤性质和农业条件等在黄河下游潮土区具有典型性，因此以黄河下游潮土区重金属元素的背景值（李廷芳等，1991）作为该区土壤重金属元素的背景参考值。

采用富集因子（Enrichment factor，EF）和污染负荷指数（Pollution load index，PLI）对土壤中重金属进行污染评价，以Al作为参比元素（Wang et al.，2015）。

其中，Ci(s)为土壤中被检出重金属含量，Cn(s)为土壤中被检出参比元素（Al）含量，Ci(b)为背景土壤中重金属含量，Cn(s)为背景土壤中参比元素（Al）含量。根据富集因子对重金属富集水平进行分级：EF＜1为无富集；EF=1—2为轻微富集；EF=2—5为中度富集；EF=5—20为重度富集；EF=20—40为严重富集；EF＞40为极重富集（Wang et al.，2015）。

其中，CF为土壤中每种金属含量与背景值之比，n是金属数量（本研究中为7）。PLI值＞1表示污染，而PLI值＜1表示无污染（Seshan et al.，2010）。

1.3 数据统计

采用Microsoft Office Excel 2010对实验数据进行处理，采用SPSS 23.0 Duncan多重比较来判断显著性差异（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同年限设施菜地土壤中重金属污染特征

不同年限设施菜地内外土壤中各元素含量如表1所示，结果表明，2、4、7年棚内外土壤中Cd的含量没有显著差异，而15年棚内土壤中Cd的含量显著高于棚外。2年棚内外土壤中Cu的含量差异不显著，4、7、15年棚内土壤中Cu的含量显著高于棚外，并且棚内土壤中Cu的含量随着设施蔬菜耕种年数的增加而显著增加。2、4年棚内外土壤中的Hg含量没有显著差异，但7、15年棚内菜地土壤中显著高于棚外。不同年限设施菜地内外土壤中As、Cr、Ni、Pb的含量没有显著差异。

表1 不同年限设施菜地内外土壤中重金属含量Table 1 Heavy metal concentration in soil from inside and outside vegetable greenhouse after different cultivating years mg·kg-1

不同处理间pH值没有显著差异。所有土壤中重金属含量均低于GB 15618—2018中农用地土壤污染风险筛选值（pH＞7.5）（生态环境部和国家市场监督管理总局，2018）。

EF值用于评价人类活动对土壤中某种重金属富集程度影响（Huang et al.，2019）。PLI值用于评价多种重金属污染负荷情况（Suresh et al.，2011）。以黄河下游潮土区重金属元素的背景值作为参比值，计算得到土壤中重金属的EF及PLI值（见表2），并根据分级标准进行污染评价。结果显示，设施菜地种植及年限对各元素EF值的影响与其对含量的影响基本一致。根据EF值，除15年棚内Cd达到重度富集外，其他处理土壤中Cd均为中度富集。对于Hg元素，7、15年棚内达到中度富集，其他处理均为轻微富集。对于Pb元素，15年棚内达到中度富集，其他处理均为轻微富集。对于As、Cr、Ni元素，所有处理均属于无富集或轻微富集。根据PLI值，所有处理均＞1，为污染状态。其中7、15年棚内PLI值显著高于棚外，表明经过7年和15年设施蔬菜耕作后，土壤中重金属污染较大田耕作污染严重。

2.2 不同年限设施菜地土壤中抗生素污染特征

不同年限设施菜地内外土壤中抗生素含量见图1，未检出的抗生素未在图中显示。结果发现，所有棚内土壤中检测的15种抗生素总量均高于棚外，在2、4、15年棚内抗生素总含量分别是棚外的2.36、2.02、2.63倍。特别是在15年棚内，抗生素总质量分数为54.41 μg·kg-1。检出最高的为四环素类和氟喹诺酮类抗生素，磺胺类抗生素有少量检出，氯霉素类抗生素未检出。

4种四环素类抗生素（TC、OTC、CTC和DC）均有检出。除7年棚外，2、4、15年棚内四环类抗生素总含量均高于棚外。所检测的5种磺胺类抗生素中有3种抗生素（SDZ、SMM和SDD）检出，但所检出的值很低，均低于1 μg·kg-1。所检测的4种氟喹诺酮类抗生素中检出的为CFX和ENR，棚内喹诺酮类抗生素总含量均高于棚外。在15年棚内，土壤中CFX、ENR质量分数分别为9.60、11.00 μg·kg-1。

3 讨论

虽然本研究中所有土壤中重金属含量均低于国家标准中农用地土壤污染风险筛选值，但是7年棚菜地土壤中Cu和Hg、15年棚菜地土壤中Cd、Cu和Hg富集明显，15年棚内Cd甚至达到重度富集。井永苹等（2016）对山东寿光设施大棚的研究现Cd是设施菜地中主要的污染因子，Cu是潜在的污染因子。张怀志等（2017）对山东潍坊的研究表明Cd和Hg分别有97.8%和80.8%的点位处于中等生态风险及以上水平。因此，设施菜地土壤中Cd、Cu和Hg应引起充分的重视。各种农用投入品的输入是土壤中重金属的重要来源。据报道，每年中国输入到农田土壤中55%的Cd来源于畜禽粪便，8%来源于化学肥料；69%的Cu来源于畜禽粪便，34%来源于化学肥料；8%的Hg来源于畜禽粪便，30%来源于化学肥料（Luo et al.，2009）。畜禽粪便作为肥料施用于设施菜地中非常普遍。在畜禽集约化养殖中，一些饲料添加剂（如微量元素）被用来促进生长、提高生产力。在动物饲料中常见的微量元素中，约90%的铜（Cu）在粪便中丢失，并且大部分抗生素在粪便和尿液中排出（Qian et al.，2016）。魏益华等（2019）研究发现猪粪有机肥农用主要风险因子为Cu、Cd和Zn，牛粪有机肥农用主要风险因子为Cu，植物性农业废弃物有机肥农用主要风险因子为Cd，与本研究结果基本一致。在常用的几类化学肥料中，磷肥以及一些含磷复合肥会混杂重金属，有研究发现在过磷酸钙肥料中Cu、Cd含量高于氮肥、钾肥和三元复合肥，而在商品有机肥中检测到较高含量的Hg（王美等，2014）。含铜杀菌农药的使用也可能是土壤中Cu累积的一个原因（Luo et al.，2009）。另外，设施蔬菜常用地膜栽培，地膜生产过程中加入含Cd的热稳定剂，这也可能也是设施菜地中Cd富集的原因之一（孙硕等，2019）。

表2 不同年限设施菜地内外土壤中重金属EF和PLI值Table 2 EF and PLI value in soil from inside and outside vegetable greenhouse after different cultivating years

图1 不同年限设施菜地内外土壤中抗生素含量Fig.1 Antibiotic concentration in soil from inside and outside vegetable greenhouse after different cultivating years

在检测的15种抗生素中，检出的抗生素有9种。其中四环素类和氟喹诺酮类抗生素为主要检出抗生素。Li et al.（2017）研究也发现施用牛粪和鸡粪可显著增加土壤中金霉素、土霉素、诺氟沙星的含量。与重金属不同，农田土壤中的抗生素来源较为单一，主要来源于畜禽粪便等有机肥的施用和污水的灌溉。多项研究在养殖场鸡、猪、牛粪便中检出多个种类的抗生素（Guo et al.，2016；Pan et al.，2011）。本研究中发现棚内抗生素总量均高于棚外，且在15年棚内最高。徐秋桐（2019）认为畜禽粪便的施用频率、畜禽粪便中抗生素的残留水平直接影响进入农田抗生素的含量，影响农田中抗生素的积累。因此设施菜地内封闭性、缺少雨水淋洗、复种指数高和持续施肥且施肥量大等均是导致本研究中抗生素积累的因素。另外，畜禽粪便施入土壤之前进行堆肥处理可有效去除部分抗生素（Zhang et al.，2019b），建议畜禽粪在施用前对其进行堆肥处理，以减少抗生素向农田和环境的输入。

此外，有研究发现重金属可能是土壤中抗生素抗性的共同选择剂或交叉选择剂（Zhang et al.，2018），重金属Cu与抗生素抗性基因的显著正相关表明Cu会直接或间接影响抗生素抗性基因的产生（Deng et al.，2020）。重金属会促进质粒介导的抗性基因的水平转移，对抗性基因的接合、转化和转导过程均有促进作用（Ding et al.，2016）。土壤中重金属和抗生素不再是两种独立的存在，而是土壤中微生物产生抗性的共同参与者。因此，需要对重金属和抗生素复合污染进行更深入研究。

4 结论

（1）所有土壤中重金属含量均低于GB 15618—2018中农用地土壤污染风险筛选值。

（2）设施菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb均有不同程度富集。与棚外相比，7、15年棚内Cu和Hg富集明显，15年棚内Cd富集明显，达到重度富集。PLI表明经过7年和15年设施蔬菜耕作后，土壤中重金属污染较大田耕作污染严重。

（3）所有棚内土壤中15种抗生素总量均高于棚外，在2、4、15年棚内抗生素总含量分别是棚外的2.36、2.02、2.63倍。其中检出最高的为四环素类和氟喹诺酮类抗生素，磺胺类抗生素有少量检出，氯霉素类抗生素未检出。