赣南地区设施菜地土壤重金属污染特征及潜在生态风险评估

姚锋先，易艳红，廖雅汶，刘建秀，朱 博*，成 臣*，明家琪，袁 芳，吴 敏，康文锋

（1.赣南师范大学 生命科学学院/赣州市设施蔬菜重点实验室，江西 赣州 341000；2.江西省宜春市气象局，江西 宜春 336000；3.江西省赣州市农业农村局，江西 赣州 341000；4.江西省信丰县农业农村局，江西 赣州 341600）

【研究意义】蔬菜作为中国种植业中仅次于粮食的第二大农作物，近年来为满足人民对蔬菜日益丰富的需求，中国蔬菜产业发展较为迅速，其中以日光温室和塑料大棚为代表的设施蔬菜生产已成为我国蔬菜供应中不可或缺的生产方式[1-2]。江西省赣州市依据《赣州市蔬菜产业发展规划（2017—2025年）》要求，设施钢架大棚面积从2015 年的0.07 万hm2到2021 年建成总面积为1.90 万hm2，规划后期将主攻设施蔬菜质量安全与品牌提升。其中，蔬菜质量安全作为蔬菜品质重要的组成部分，也是消费者对蔬菜产品的首要要求，直接影响着蔬菜产业高质量的发展进程[3]。因此，加强赣南设施蔬菜质量安全建设对菜农增收、农业增效及保障我国菜篮子安全具有重要作用，同时也有助于将赣南设施蔬菜产业发展成继脐橙产业之后又一产值超百亿的富民支柱产业。【前人研究进展】土壤是农业生态环境安全重要的基础保障，其中土壤重金属具有显著的生物毒性、不可降解性及持久性等特征，土壤重金属会通过作物系统富集到可食用部位，严重威胁到农产品质量安全及生态环境，直接危害着人类身体健康，因而土壤重金属受到了科研工作者及消费者的重点关注[4-6]。董俊文等[7]研究认为，设施叶菜类如菠菜、油麦菜、生菜、小白菜等蔬菜Cd、Pb 和As 的累积主要来源于土壤，在土壤重金属不超标条件下，即使存在大气沉降（可负载铅、镉、砷等重金属），设施叶菜中Cd、Pb 和As 含量也均未超过食品中污染物限量的规定（食品安全国家标准GB 2762—2017）。卢维宏等[2]研究表明，通过选择重金属含量较低的有机肥以及合理调控设施土壤理化性质（尤其是pH、CEC），可防止或缓解设施土壤重金属污染与累积，进而有效保障设施蔬菜质量和农产品安全。土壤重金属来源主要分人为因素及成土母质两类，其中在母岩风化成土过程土壤重金属逐渐富集是地质成因主要体现，而人为因素可能与矿业开采、工业污染排放、煤炭燃烧、大气降尘及农业生产中污水灌溉、农药化肥施用等有关[8-10]。即耕地土壤重金属污染会表现出一定的空间分布规律，重点集中在矿业、工业、人类活动频繁等地区[11]。而2014 年4 月中国环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》也指出，中国土壤环境质量总体不容乐观，尤其是耕地土壤环境质量较为严峻，全国耕地土壤及采矿区周边土壤点位超标率分别高达19.4%及33.4%，土壤环境背景值较高、工矿业及农业等活动是造成耕地土壤重金属超标的主要因素[12]。因此，探清土壤重金属污染特征、污染源识别及环境风险评估，是有效治理耕地土壤重金属污染的关键前提。【本研究切入点】江西赣州具有“稀土王国”及“世界钨都”之美誉，但在矿业开采中可能伴生重金属，迁移至耕地土壤继而发生严重污染，并引发一定程度的生态环境风险[13-14]。郭俊刚等[15]研究表明，赣南某一钨矿区周边土壤存在Cd、As、Cu、Zn 及Pb 等重金属的污染，单因子污染指数分别为45.1、8.9、6.7、3.7 及3.4，Ni、Hg 及Cr 等重金属生态风险较小。徐春丽等[16]研究报道，离子型稀土矿区周边土壤重金属Pb 达轻中等污染水平，而As、Cr、Ni、Zn、Cd、Hg、Cu 等元素均未受污染；与农用地污染风险筛选值相比，土壤样品重金属Pb 样品中的超标率为7.4%，研究区域内土壤重金属的生态风险比较低。以上研究仅集中针对单个钨矿区或者稀土矿区周边土壤重金属污染开展研究，得到的试验结果具有一定偶然性、特异性及局部性。【拟解决的关键问题】因此，本研究以江西赣州全市范围内设施土壤为研究对象，探清赣南设施菜地耕层土壤重金属Cu、Zn、As、Cd、Pb 等元素含量现状，明确菜地土壤重金属污染特征、空间分布及重金属来源，以期为赣南设施土壤重金属污染防控及修复、蔬菜安全生产及区域生态环境保护提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

江西省赣州市位于江西省南部、赣江上游（24°29′～27°09′N，113°54′～116°38′E），全市国土总面积3.9 万km2，占江西全省总面积的23.6%，其中耕地保有面积43.7万hm2，全市现有设施钢架大棚蔬菜基地1.90 万hm2。赣州市地貌类型多样化，地形以丘陵及山地为主，占全市总面积的81.0%，该区蕴藏着丰富的矿产资源，被称为“世界钨都”和“稀土王国”，并作为中国钨业的发祥地其黑钨的储量居世界首位，而离子型稀土资源储量在世界上相同类型矿物种类中也位居第一。

1.2 样品采集与处理

于2021 年6—8 月，在赣州市全市范围内选取具有代表性设施大棚（南方盛夏高温时期设施蔬菜处于拉秧换茬及高温焖棚阶段），结合赣南设施连片蔬菜大棚的分布及其面积，根据代表性、典型性、均衡性的采样布点原则，按照预设采样点地理坐标及GPS 定位系统到实地采样，并结合实地调查情况，共布设采样点位235 件，所有布设位点涉及赣南18 个县（市、区）94 个乡镇156 村（图1，设施大棚分布具有不均匀性及集中性特征，根据设施大棚总面积比例进行分配取样点位，部分区域会存在2～3 个点位，即在图中会存在重叠或重合现象）。采用“S”型取样法采集设施钢架大棚0～20 cm表层土壤，各样品采用四分法约500 g土壤带回实验室内自然风干，去除土壤样品中的根系、砾石等杂质，研磨过0.150 mm筛制成土壤样品，保存于聚乙烯自封袋中待测。

图1 研究区域内设施土壤采样点位置Fig.1 Location of greenhouse vegetable soil sampling points in the study area

1.3 样品分析测定方法

1.4 设施土壤重金属污染评价方法

1.4.1 土壤重金属污染指数法①单因子污染指数法（Pi），公式如下：

式（1）中，Pi为重金属污染物i的污染指数，Ci为重金属污染物i的实际测定浓度（mg/kg）；Si为重金属污染物i在土壤环境质量标准中的临界值，参考《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618—2018）中土壤污染风险筛选值（具体与土壤pH值有关）。根据Pi对设施土壤单因子重金属污染程度分级标准：Pi≤0.7清洁，0.7＜Pi≤1尚清洁，1＜Pi≤2轻度污染，2＜Pi≤3中度污染，Pi＞3重度污染。

②内梅罗综合污染指数法，该方法是目前国内外普遍应用于土壤中多种重金属元素污染的综合评价，其计算公式如下：

式（2）中，PN为设施土壤重金属综合污染指数，Pi max为所有单因子污染指数的最大值，Pi ave为所有单因子污染指数的均值。根据PN对设施土壤重金属综合污染程度进行分级：PN≤0.7 清洁，0.7＜PN≤1 尚清洁，1＜PN≤2轻度污染，2＜PN≤3中度污染，PN＞3重度污染。

1.4.2 潜在生态危害指数潜在生态危害指数法作为目前评价重金属污染程度的常用方法之一，该方法主要确定了不同重金属的毒性系数，依据不同重金属元素的毒性响应系数Ti（Cu=5、Zn=1、As=10、Cd=30、Pb=5）差异，全面综合评价某一点多种重金属潜在生态危害系数的综合值[17]。公式如下：

式（3）、（4）中，Ei为某一重金属的潜在生态危害系数，Ti为重金属毒性系数，Pi为重金属污染物i的单因子污染指数，RI为综合潜在生态危害指数。Ei及RI的生态危害程度等级划分见表1，Ei及RI的值越大，说明设施土壤的重金属对生态环境的危害可能性越大。

表1 土壤重金属潜在生态危害系数、综合潜在生态危害指数与危害程度的关系Tab.1 The relation between Ei，RI and hazard coefficient

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft excel 2010和SPSS 21.0软件进行分析和处理，常规制图采用Origin 9.0软件，采用Pearson相关性分析方法研究了土壤重金属之间及重金属与理化性质之间的关系，利用ArcGIS反距离权重插值（IDW）方法绘制土壤重金属污染的相关空间分布图。其中计算变异系数，变异系数CV（%）=（标准偏差SD/平均值Mean）×100%

例如在教授学生九年级《出师表》时，我在上课之初，直接问了大家一个问题：“你们怎么看待《三国演义》中诸葛亮这个人物？”有的学生回答道：“诸葛亮很聪明，很有才华。”还有的学生说：“诸葛亮机智无比，雄才伟略。”“那我给大家讲一个和诸葛亮有关的故事，好吗？”学生们听到这里，开心极了，纷纷聚精会神地看着我，看到这样的情况，我将板擦儿往桌子上一拍，大声说道：“话说刘备死后，刘禅登上皇位，当时……”在我绘声绘色的讲述中，学生们的情绪也忽高忽低，上下起伏。随着时间的流逝，板擦儿再次一响，我结束了这个故事。看到大家意犹未尽的眼神，我直接打开书，开始为大家讲述《出师表》里面的内容。

2 结果与讨论

2.1 设施土壤重金属含量描述性统计分析

研究区域设施土壤所有位点的土壤pH均值为5.28（3.70～6.86），表明大部分设施土壤呈强酸性（表2）。设施土壤重金属土壤Cu、Zn、As、Cd及Pb平均含量分别为30.7（5.7～212.0）mg/kg、66.9（23.9～126.0）mg/kg、13.9（1.0～82.6）mg/kg、0.53（0.14～6.07）mg/kg及33.2（2.7～169.5）mg/kg。研究区Cd、Cu、As、Pb、Zn平均含量分别是江西省土壤背景值的5.30、1.48、1.34、1.03、0.97 倍。说明Zn、Pb 受到人为活动影响相对较小，Cu、As受到人为影响有所增加，而研究区土壤Cd元素富集现象比较严重。

表2 赣南设施土壤重金属含量描述统计特征（n=235）Tab.2 Descriptive statistical characteristics of greenhouse soil heavy metal content in southern Jiangxi

PN及RI平均值分别为1.4（0.5～14.8）及62.0（23.6～651.7），设施土壤重金属综合污染指数属轻度污染水平，综合潜在生态危害指数为轻微程度。而中位数分别为0.9 及40.5，均较小于平均值且变异系数较大，说明局部污染较严重。

变异系数（CV）实质体现了所有样点重金属含量空间分布的离散及变异程度，参考张博[18]对土壤重金属元素变异系数分类，分别将≤0.3、＞0.3～≤0.6、＞0.6～≤1、＞1对应均匀分布、弱分异、分异、强分异等4种分布类型。5种重金属的变异系数从大到小顺序为Cd（123.8%），As（74.3%），Cu（59.8%），Pb（53.0%），Zn（28.5%）。Zn为均匀分布，Pb、Cu为弱分异，As为分异型，而Cd为强分异型，说明Cd元素局部富集特别明显。

2.2 土壤重金属污染评价

研究区设施土壤重金属Zn 元素无污染，其他4 种重金属均受不同程度污染，Cd 受污染的样点占55.7%，其中轻度、中毒及重度污染分别占设施土壤样品数的37.0%、7.7%及11.1%；Cu、As 及Pb 受污染的样品点分别占6.4%、3.4%及1.7%，即Pi单因子污染指数表明5 种重金属中Cd 受污染最严重（图2）。重金属综合污染指数PN表明，62.6%的样品数量处于清洁与尚清洁等级，而处于轻度、中度及重度污染等级的土壤样品数分别达25.5%、4.3%及7.7%。

图2 研究区域设施土壤重金属污染等级百分比Fig.2 Percentage of soil heavy metal pollution levels in the study area facilities

在土壤-植物连续体系中，重金属的有效形态易被作物吸收积累，而土壤酸化具有改变重金属赋存状态、显著增强重金属活性的作用，重金属本底值及其生物有效性较高严重威胁着农产品的质量安全和人民的健康[20-21]。赣南属于典型的酸性红壤区，本研究区域设施土壤所有位点的土壤pH均值为5.3（3.7～6.9）（表4），即可推测该地的重金属生物有效性较高。因此红壤区如何降低土壤重金属生物有效性，特别是降低土壤Cd的有效性，将有待于进一步研究。

表4 赣南设施土壤理化性质描述性统计分析Tab.4 Descriptive statistical analysis of physical and chemical properties of sheltered soils in Southern Jiangxi

2.3 潜在生态危害评价

研究区域所有土壤样点的重金属Cu、Zn、As及Pb 的潜在生态危害系数均处于轻微程度，而Cd 仅有65.1%的土壤样点处于轻微程度，另外Cd 的潜在生态危害系数处于中等、强、很强及极强程度，分别占土壤样品数的23.0%、6.8%、4.3%及0.9%（图3）。就综合潜在生态危害指数（RI）而言，94.0%的土壤样品数的RI处于轻微程度，有4.3%、1.3%及0.4 的土壤样品数分别处于中等、强、很强的程度。

图3 研究区域重金属潜在生态危害程度百分比Fig.3 Percentage of potential ecological hazards of heavy metals in the study area

潜在生态危害指数法兼顾了重金属的累积效应及其毒性效应，重点研究环境生态效应对重金属的响应，对全面评估土壤环境的污染状况具有较好的指导依据[17]。刘丹等[22]研究认为，赣南某钨矿Cd 是研究区域周边农田土壤潜在生态危害最主要的贡献因子，在矿区周边农田修复中对重金属Cd 的修复及污染控制需要重视。本研究也表明，设施菜地土壤存在生态风险的主要贡献来源于Cd，也是综合潜在生态危害指数存在中等及以上生态危害程度的关键贡献者。

2.4 设施土壤重金属单因子污染指数空间分布特征

土壤Cu 污染指数轻度污染及以上程度主要分布在崇义县-大余县区域、其次为兴国-宁都局部区域，而赣县、章贡区、会昌县等地有零星小区域存在（图4）。研究区域Cu 的污染指数属于尚清洁水平的主要分布在赣南的北部部分区域，其他区域达清洁水平，即Cu存在一定的污染区域。

土壤Zn污染指数在研究区域内均属清洁，不存在污染区域（图4）。

土壤As 污染指数轻度污染区域主要集中在崇义县-大余县区域，尚清洁区域也主要在轻度污染区域四周，其他研究地区均达清洁水平，即As 存在较小区域的污染（图4）。

土壤Cd的清洁区域较小，尚清洁区域主要分布在赣南北部的局部区域，而中度及重度污染区域主要分布在崇-犹-余地区、赣县中北部、瑞金东部区域、全南的中部及全南-龙南的南部、安远的中北部及寻乌县的西南区域等地，其他区域均达轻度污染水平。即研究区域重金属Cd的污染分布较广，污染程度较重（图4）。

图4 研究区域5种重金属的单因子污染指数空间分布Fig.4 Spatial distribution of one-factor pollution index of five heavy metals in the study area

土壤Pb 的污染指数达轻度污染水平主要为赣县-章贡区等处较小区域零星分布，尚清洁区域主要分布在赣县-章贡区北部区域及定南县区域，其他区域均以清洁为主，Pb的污染区域非常小（图4）。

综上，崇-犹-余地区较大区域主要存在Cu、As轻度及以上污染，Cd 存在中度及重度污染；赣县中北部Cu轻度污染区域零星分布、较大区域Cd存在中度及重度污染；兴国-宁都局部区域存在Cu轻度污染；同时，瑞金东部区域、全南的中部及全南-龙南县的南部、安远县的中北部及寻乌县的西南区域等局部地区存在Cd中度及重度污染，研究区域较大区域均存在Cd轻度污染。另外研究区域设施菜地土壤Zn、Pb不存在污染或存在极小区域的轻微污染。

2.5 重金属综合污染及潜在生态危害指数空间分布（PN和RI）

研究区域设施土壤重金属综合污染PN达中度及重度污染区域主要分布在崇-犹-余地区、赣县中北部、全南的中部及全南-龙南的南部，其次为瑞金东部、安远的中北部及寻乌县的西南角等局部区域。清洁及尚清洁区域主要集中在赣南的北部部分区域，其他区域PN均达轻度污染水平（图5）。而重金属综合潜在生态危害指数RI为中等以上水平主要分布在全南的中部及南部、崇义-大余区域及赣县北部，另有几处零星分布，其他区域RI均为轻微水平（图5）。

图5 研究区域重金属综合污染指数及潜在生态危害指数空间分布Fig.5 Spatial distribution of the comprehensive pollution index and the potential ecological hazard index of heavy metals in the study area

2.6 土壤重金属来源解析

2.6.1 重金属之间相关性分析通过设施土壤重金属相关性分析得出重金属不同元素之间的同源性及关联性，数值越大关系越紧密，并以此可推测解析其可能的来源路径[23]。相关分析表明（表3），Cu与As、Cd 的相关性均达极显著水平，相关系数r分别为0.583 及0.558；Zn 与Pb 二者相关性达极显著水平，且相关性数值较高（r=0.582）。即Cu、As、Cd 具有较好的同源性及关联性，而Zn 与Pb 可能具有相似来源。此外，如Cu-Zn、Cd-Pb、Cd-Zn、As-Zn等元素之间的相关性也存在显著或极显著相关水平，但相关系数r均小于0.500，各元素之间的同源性略低。

表3 设施土壤重金属的相关性分析Tab.3 Correlation analysis of soil heavy metals in greenhouse

2.6.2 土壤重金属与土壤理化性质间相关性分析土壤理化性质差异会对土壤重金属的迁移与积累会产生较大影响[23]。赣南设施土壤总体呈酸性、低盐度，养分含量中等及以上水平（表4），而由表5可知，重金属Zn和Pb二者均与土壤全氮、有机质等养分指标相关性达显著或极显著水平，而Cu、As及Cd与土壤全氮、有机质相关性较低，与其他指标的相关性也基本未达显著水平。说明土壤Zn、Pb含量可能主要受自然环境的影响，而Cu、As 及Cd 可能主要受人为影响较大。因此，为了更加明确的解析设施土壤重金属来源，接下来采用主成分分析进行判断分析。

表5 土壤理化性质与土壤重金属的相关性分析Tab.5 Correlation analysis between soil physical and chemical properties and soil heavy metals

2.6.3 主成分分析土壤重金属含量主要受成土母质及人为活动共同作用的结果，主成分分析常用于对土壤重金属污染物进行定量分析、评价各重金属对土壤环境的贡献大小并识别确定土壤重金属污染物的重要成分，可有效解析重金属的生态污染来源[24]。主要成分识别是以设施土壤中5种重金属含量作为原始变量进行分析，主成分载荷矩阵下主成分1和2的累积方差贡献率达73.5%，可选取第1个和第2个因子做主成分代表重金属污染物指标，通过分析主成分的载荷值对设施土壤主要重金属污染物进行识别，但由于各主成分中每个重金属的载荷值差异不明显（主要是主成分1），即通过方差最大旋转来对主成分荷载矩阵进行旋转，经过旋转后的成分载荷矩阵可知，主成分1、2可包涵设施土壤重金属的大部分信息（表6）。第一主成分以Cd、As、Cu 为主的重金属的贡献占比最大，研究区域三者的均值均远超于江西省的土壤背景值，且变异系数较大，表明人为污染较为严重。第二主成分重金属Zn、Pb 的贡献最大，二者含量低于或略高于江西省土壤环境背景值，且变异系数相对较低，说明土壤重金属Zn、Pb可能主要受自然地质背景的影响（表6）。

表6 土壤重金属含量的主成分提取、载荷矩阵及旋转后主成分载荷矩阵Tab.6 Principal component extraction，loading matrix and rotated principal component loading matrix for soil heavy metal content

江西赣州素有“稀土王国”之称，但稀土开采是赣南地区环境安全保障的一大挑战，可能是农田土壤重金属污染的来源之一。罗杰等[25]研究认为，赣南某离子型稀土矿区内的采矿区、浸矿区和对照区稀土总量分别为江西省土壤稀土元素含量背景值的5.84、1.12 及8.95 倍，具有潜在风险，但土壤常规重金属（As、Cr、Pb、Ni、Cu、Zn）均处尚清洁水平，未受到非稀土重金属的污染。徐春丽等[26]认为，赣州龙南市足洞离子型稀土矿区及周边土壤重金属Pb 存在轻中等污染，而土壤重金属Cd、Cu、Zn、As、Cr、Hg、Ni 等元素均无污染，研究区内土壤重金属的生态风险较低。因此推测设施菜地土壤重金属的主要生态风险与赣南离子型稀土矿分布的影响较小。

“世界钨都”也是本研究区域的重要特征，聂锦霞等[27]和陈明等[28]研究均表明，赣南某钨矿周边菜地或稻田土壤重金属Cd和Cu普遍存在污染现象，其中Cd污染最为严重，而Zn、Pb不存在污染或者危害程度较轻。郭俊刚等[29]报道，钨矿区周边土壤存在Cd、As、Cu、Zn、Pb 等重金属的污染，Cd 为主要的污染贡献要素，其次为As、Cu。上述报道与本研究结果较为一致，通过主成分分析第一主成分Cd、As、Cu 受人为影响较大，因此推测也可能与钨矿开发利用所导致的生态风险有关，而第二主成分Zn、Pb可能为自然源、受人为影响较小。同时，从重金属污染的空间分布来看，重金属污染区尤其是Cd基本与钨矿区分布相吻合（图1）。如崇义-大余县区域土壤Cd 存在中度及重度污染、Cu、As 存在轻度及以上污染，该区域分布着西华山钨矿、荡坪钨矿及新安子钨锡矿等相关钨矿。又比如全南县的中部及南部也存在Cd中度及重度污染，上述两区域分别为全南县有名的官山钨矿及大吉山钨矿。从而进一步验证了钨矿开发是导致周边农田土壤Cd、As、Cu 污染的重要因素，因此推测设施蔬菜土壤重金属Cd 与钨矿共（伴）生密切相关，As、Cu 也有一定的联系。虽然As、Cu 的高值区与钨矿范围也相耦合，但在较多区域呈典型的低值分布，表明As、Cu同时受人类活动及成土母质的共同作用。

3 结论

赣南设施菜地土壤Cd、Cu、As、Pb、Zn 平均含量分别是江西省土壤背景值的5.30、1.48、1.34、1.03、0.97倍。说明Zn、Pb受到人为活动影响相对较小，Cu、As受到影响有所增加，而研究区土壤Cd元素富集现象比较严重。设施土壤重金属综合污染指数达轻度污染水平，综合潜在生态危害指数为轻微程度，土壤Cd是重金属综合污染及生态风险的关键贡献因子。

Cd 的高含量区域分布较广，主要集中在崇-犹-余地区、赣县中北部、瑞金东部区域、全南的中部及全南-龙南的南部等区域；As、Cu 的高含量地区主要集中在崇义-大余等区域，Zn、Pb 尚无明显高含量区域。

通过相关性分析及主成分分析表明，土壤Cd、As、Cu 受人为影响较大，其高值区分布与钨矿区分布较为吻合，推测可能与钨矿开发利用所导致的生态风险有关，特别是重金属Cd 与钨矿共（伴）生密切相关；Zn、Pb可能为自然源，主要受成土母质的影响。综上，今后赣南设施蔬菜产业发展应开展土壤重金属控源减量并降低其生物有效性等应用研究及其技术推广。

致谢：江西省教育厅科学技术研究项目一般项目（GJJ211430）同时对本研究给予了资助，谨致谢意！