种植年限及栽培方式对菜田土壤重金属积累的影响

王素萍，杜 雷，郭翠英，黄 翔，张贵友，洪 娟，，练志诚，姜 利，张利红，叶莉霞，，陈 钢，

（1.武汉市农业科学院环境与安全研究所，武汉 430345；2.华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070）

武汉市适宜的气候环境、发达的交通运输和较大的蔬菜需求，为蔬菜产业发展提供了巨大的市场，因此，武汉市城郊的蔬菜种植面积逐年扩大。近年来，随着菜地种植强度的增大和年限的延长，不当的管理措施产生的负面影响日益严重，土壤养分含量明显增加［1］，土壤酸化［2，3］、重金属累积［4］等问题导致土壤质量下降，同时增加了对周围水体及种植作物的污染风险［5］。其中，土壤重金属含量将通过食物链影响人体健康，直接关系到食物安全及人类和动物健康［6］，且土壤重金属污染具有长期性、隐蔽性、持久性和难逆性等特点［7］。

关于土壤重金属污染现状的特征分析国内已有较多报道，已有学者对北京、天津、上海、长沙、杭州、重庆、广州、海口等地的菜田土壤重金属污染状况进行了一系列的调查研究［8-16］，但是多数研究集中于空间分布和污染风险分析方面［17，18］，针对蔬菜类型、种植年限及栽培方式对土壤重金属含量影响的研究较为鲜见。本研究较全面地分析了不同蔬菜类型、种植年限及栽培方式对土壤重金属含量的影响，比较了土壤中重金属总含量和有效态含量状况，结合土壤重金属的生物有效性合理规划种植，以减少土壤中重金属元素的危害，旨在为农业的安全生产和合理规划提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

武汉市地处长江中下游平原、江汉平原东部，占地面积8 488 km2，辖7 个中心城区和6 个新城区。本研究选取蔡甸区、江夏区、黄陂区、东西湖区、新洲区、汉南区具有代表性的蔬菜种植基地进行土壤样品采集，共采得耕作层土样241 个。

1.2 测定方法

1.2.1 土壤中全量Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 的测定方法 称取0.149 mm 过筛（100 目）的土壤样品0.150 g，置于特制的PTFE 材质消解杯中，加入4 mL 消解用多酸体系（HNO3+HF+HClO4）后，密封置于电热板上。升温至120 ℃放置过夜后，继续升温至160 ℃，保持1 h 后升温至180 ℃，继续保持6 h，冷却至100 ℃左右，开盖，140 ℃挥发至无棕色烟冒出为止［19］。用去离子水冲洗消解杯，使样品完全转移至50 mL 容量瓶中，定容至刻度，用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定。

1.2.2 土壤中全量As、Hg 的测定方法 称取过100目筛的土壤0.250 g 于25 mL 比色管中，加入10 mL王水（HCl∶HNO3=3∶1）摇匀，在沸水浴中分解2 h，每30 min 摇动1 次，取下冷却，加入重铬酸钾溶液1～2滴，加5%硫脲+5%抗坏血酸混合液2.5 mL，用水稀释至25 mL，过滤，原子荧光光度计（AFS-9700）测定全量As、Hg［20］。

1.2.3 土壤中有效态Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、As、Hg的测定方法 称取过20 目筛的土壤样品10 g，按照土∶液为1∶5，加入0.10 mol∕L 的HCl 50 mL，转速180 r∕min，25 ℃条件下振荡90 min，将浸提离心液用定量滤纸过滤于聚乙烯瓶中，低温保存，待测［21］。采用电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）测定有效态Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 含 量，用 原 子 荧 光 光 度 计（AFS-9700）测定有效态As、Hg 含量。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限对耕层土壤中重金属含量的影响

2.1.1 不同种植年限对耕层土壤中重金属全态含量的影响 将黄陂区不同种植年限的土壤中重金属全态含量的进行分析，结果（表1）显示，耕层的土壤中Cu 和Zn 的全态含量呈现相同的积累趋势，在种植年限<5年与5～10年的土壤中Cu 和Zn 的全态含量差异不大，但明显低于种植年限10～15、15～20年的全态含量；耕层土壤中As、Cd、Ni、Pb 的全态含量随种植年限的增加呈递增的趋势。

表1 不同种植年限对菜地耕层土壤中重金属全态含量的影响

2.1.2 不同种植年限对耕层土壤中重金属有效态含量及生物有效性系数的影响 种植年限<5、5～10、10～15、15～20年的样本量分别为25、19、16、19。对不同种植年限的耕层土壤中重金属元素的有效态含量进行分析，结果（表2）显示，耕层土壤As 的有效态含量平均值在种植年限为5～10年时最大，Cd、Cr、Cu、Pb、Zn 的有效态含量在种植年限为10～15年时最大，Ni 的有效态含量在种植年限为15～20年时最大，Hg 的有效态含量在不同种植年限的土壤中差别不大，即有效态含量与种植年限之间无明显的规律。

对其生物有效性系数进行分析，结果（表2）显示，As、Cd 在不同种植年限土壤中生物有效性系数差别不大，Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 的生物有效性系数在种植年限为10～15年的土壤中最大，Ni 的生物有效性系数在种植年限低于5年的土壤中最大。

2.2 不同栽培方式对菜田耕层土壤中重金属含量的影响

2.2.1 不同栽培方式对土壤重金属全态含量的影响 黄陂区菜田不同栽培方式的土壤中重金属全态含量见表3。由表3 可知，As、Cd、Hg、Ni 的全态含量均是露地栽培高于设施栽培，Cr、Cu、Pb、Zn 的全态含量均是设施栽培高于露地栽培。

2.2.2 不同栽培方式对耕层土壤中重金属有效态含量及生物有效性系数的影响 设施栽培和露地栽培的样本量分别为59 和38，对不同栽培方式的土壤中重金属有效态含量的平均值进行分析，结果如表4 所示。菜田耕层土壤中As、Cd、Ni 的有效态含量是露地栽培高于设施栽培，Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 的有效态含量是设施栽培高于露地栽培。

表2 不同种植年限对耕层土壤中重金属有效态含量及生物有效性系数的影响

表3 不同栽培方式对菜田耕层土壤中重金属全态含量的影响

对不同栽培方式土壤中重金属生物有效性系数的平均值进行分析，结果（表4）显示，耕层土壤中Ni的生物有效性系数是露地栽培高于设施栽培，As、Cr、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn 的生物有效性系数是设施栽培高于露地栽培，且Cd、Cr、Cu、Pb 的生物有效性系数在露地栽培与设施栽培中差别较大。

表4 不同栽培方式对耕层土壤中重金属有效态含量及生物有效性系数的影响

2.3 种植不同种类蔬菜对耕层土壤中重金属含量的影响

2.3.1 种植不同种类蔬菜对土壤重金属全态含量的影响 对黄陂区菜田种植不同蔬菜种类的土壤中重金属全态含量进行分析，结果如表5 所示。As 的全态含量表现为叶菜类>根茎类>瓜果类，Cd 的全态含量表现为根茎类>瓜果类>叶菜类，Cr、Cu、Pb、Zn 的全态含量表现为叶菜类>瓜果类>根茎类，Hg 的全态含量表现为瓜果类>叶菜类>根茎类，Ni 的全态含量表现为根茎类>叶菜类>瓜果类。

叶菜类菜田土壤中As、Cr、Cu、Pb、Zn 的全态含量高于瓜果类和根茎类，瓜果类菜田土壤中Hg 的全态含量高于叶菜类和根茎类，根茎类菜田土壤中Cd、Ni 的全态含量高于瓜果类和叶菜类。

2.3.2 种植不同种类蔬菜对土壤中重金属有效态含量及生物有效性系数的影响 根茎类、瓜果类、叶菜类的样本量分别为10、34、48，对种植不同蔬菜种类土壤中有效态含量及其生物有效性系数进行分析，结果如表6 所示。种植不同蔬菜种类土壤中As、Pb的有效态含量表现为瓜果类>叶菜类>根茎类；种植不同蔬菜种类土壤中Cd 的有效态含量表现为根茎类>叶菜类>瓜果类；种植不同蔬菜种类土壤中Cr、Cu、Hg、Ni 的有效态含量表现为叶菜类>瓜果类>根茎类；种植不同蔬菜种类土壤中Zn 的有效态含量表现为叶菜类>根茎类>瓜果类。即As 和Pb 的有效态含量在种植瓜果类作物的土壤中较高；Cr、Cu、Hg、Ni 和Zn 有效态含量在种植叶菜类作物的土壤中较高；Cd 的有效态含量在种植根茎类作物的土壤中较高。

表5 种植不同种类蔬菜对耕层土壤中重金属含量的影响

对土壤中生物有效性系数进行研究，结果（表6）显示，As、Cd 的生物有效性系数表现为根茎类>叶菜类>瓜果类，Cr 的生物有效性系数表现为瓜果类=叶菜类>根茎类，Cu、Hg、Ni 的生物有效性系数表现为叶菜类>瓜果类>根茎类，Pb 的生物有效性系数表现为瓜果类>根茎类>叶菜类。Zn 的生物有效性系数表现为叶菜类>根茎类>瓜果类。总体来说，Cu、Hg、Ni 和Zn 的生物有效性系数在种植叶菜类作物的土壤中最大；As 和Cd 的生物有效性系数在种植根茎类作物的土壤中最大；Cr 和Pb 的生物有效性系数在种植瓜果类作物的土壤中最大。

表6 种植不同蔬菜种类对土壤中重金属有效态含量及生物有效性系数的影响

3 小结与讨论

1）在不同种植年限的菜田土壤中，As、Cd、Ni、Pb 的全态含量随种植年限的增加呈递增的态势，这与薛延丰等［1］对苏北地区不同种植年限的菜地土壤研究结果一致，土壤中As、Cd、Pb 的全态含量随种植年限的增加而升高，但土壤中Hg、Cr、Cu、Zn 的全态含量与种植年限之间没有明显的规律性。As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 的生物有效态含量、生物有效性系数与种植年限之间并不是单调的递增关系，Cd、Cr、Cu、Pb、Zn 的有效态含量在种植年限为10～15年时最高；Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 的生物有效性系数在种植年限为10～15年的土壤中最大。田园［22］曾对单一和复合污染的土壤进行培养，结果表明，土壤中重金属的有效态含量随进入土壤体系时间的延长先迅速降低，在一段时间后达到平衡。吴曼［23］对重金属老化过程进行研究时，也发现相似的规律。但是在本研究中，可能是由于在实际的生产中条件更为复杂，相关的研究并没有发现类似的规律。

2）露地栽培的土壤中As、Cd、Hg、Ni 的全态含量高于设施栽培，Cr、Cu、Pb、Zn 的全态含量低于设施栽培；露地栽培的土壤中As、Cd、Ni 的有效态含量高于设施栽培，Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 的有效态含量低于设施栽培；露地栽培的土壤中Ni 的生物有效性系数大于设施栽培，As、Cr、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn 的生物有效性系数低于设施栽培。楚纯洁等［24］对设施菜地和露天菜地土壤中重金属全态含量的研究结果也表明，对于菜田土壤中的Cr、Cu、Pb、Zn 全态含量设施栽培高于露地栽培。

3）叶菜类菜田土壤中As、Cr、Cu、Pb、Zn 的全态含量高于瓜果类和根茎类土壤中的含量，Hg 的全态含量在瓜果类土壤中的含量最高，Cd、Ni 的全态含量在根茎类土壤中的含量最高；种植叶菜类土壤中Cr、Cu、Hg、Ni 的有效态含量最高，叶菜类土壤中Cu、Hg、Ni、Zn 的生物有效性系数最大。总体来说，叶菜类土壤更易富集重金属元素。