通州區設施菜地土壤重金屬積累特征研究

張慧智 , 李 紅

(北京市農林科學院 農業綜合發展研究所，北京 100097)

設施農業是一種高投入、高產出的現代農業產業形態。在當前技術水平條件下，設施農業生產中物質的高投入、低利用率，不僅使得重金屬等污染元素在土壤環境中大量累積，隨之帶來的食品安全隱患也正日益受到廣泛關注。眾多研究者對我國各地設施菜地中重金屬的累積特征進行了大量研究。大多數研究表明目前我國設施種植土壤中重金屬含量尚未超過國家土壤環境質量二級標準，但是設施土壤中重金屬含量隨種植年限增加呈明顯富集趨勢，長期過量施用化肥和有機肥被認為是重金屬積累的主要來源[1-6]。通州區是北京市蔬菜供應的主產地，開始設施蔬菜生產的時間早、種植面積大，各類環境問題相比其他區縣更加突出。同時，通州區也是北京市的污灌區之一，土壤環境問題一直備受關注。選擇通州區作為研究對象分析設施蔬菜生產中的土壤環境污染問題，對于促進首都設施蔬菜安全生產與設施土壤可持續利用具有非常重要的現實意義。

1 材料與方法

選取北京市通州區設施農業發展較好的宋莊鎮、西集鎮、張家灣鎮、漷縣鎮、永樂店鎮和于家務鄉采集設施蔬菜土樣。根據各鎮面積大小、土壤類型、土地利用類型以及設施蔬菜種植面積分布等特點,采用多點采樣法進行土壤采樣。在選定的溫室或大棚中多個部位分別采集耕層土壤樣品（0～20 cm深度），共采集耕層土樣158個，采樣時間2011年4月至5月。同時，每個鎮采集2個露地蔬菜種植土壤、1個大田土壤作為對照樣點，共采集對照樣18個。

經預處理的土樣利用鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸4種酸進行消化溶解，用原子吸收分光光度法測定土樣溶解液中重金屬Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、Ni的含量，重金屬Hg采用冷原子吸收法測定。土壤pH值采用電極法測定，水土比例2.5:1。土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化法測定；土壤陽離子交換容量（CEC）采用乙酸銨交換法測定；全鹽量采用重量法進行測定；堿解氮、有效磷、有效鉀采用LY/T 1230-1999中提供的方法進行測定。

2 結果與分析

2.1 設施菜地土壤理化特征

設施菜地土樣的理化特征值如表1所示。可見，土樣pH值的平均值為7.6，屬于中性偏堿性的土壤，有利于土壤中重金屬的固定。土樣的陽離子交換容量均值為205 mmol/kg，具有較好的陽離子吸持能力，對土壤中重金屬吸持能力較強，有利于其固定。土樣的有機質含量平均值為2.6%，處于北方土壤的中等偏高水平，有利于土壤中重金屬的固定，但是增加了重金屬的生物毒害風險。

表1 設施菜地土壤理化特征值

2.2 設施菜地土壤中重金屬含量

對設施菜地土壤中的 Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、Ni、Hg進行總量測定，結果表明（如表2所示）：設施蔬菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Zn、Hg積累明顯；調研選取的土樣中，這5種重金屬的含量均達到或超過土壤背景值的2倍；其中部分土樣中Cr、Cu、Pb、Zn、Hg含量的最大值已經遠遠高于土壤環境背景值，Cr、Cu、Zn、Hg甚至超過了土壤環境質量二級標準的限定值，土壤已經受到重金屬的污染。

表2 通州區設施菜地土壤中重金屬含量 （mg/kg）

與露地菜田土壤中重金屬含量相比，設施菜地土壤中Cd、Cu、Cr、Zn含量稍低于露地菜田（如圖1所示）。設施菜地生產量大于露地菜田，部分重金屬隨農產品收割走；露地菜田中塵土沉降帶入，這可能是導致設施蔬菜地重金屬含量低于露地菜田的主要原因。設施菜地和露地菜田土壤中各類型重金屬含量普遍高于大田土壤，京郊農民在種菜過程中喜好施用大量各類畜禽糞便作為底肥，而畜禽糞便中含有較高濃度的重金屬，是重金屬污染元素進入土壤環境的主要途徑。

圖 1 設施蔬菜地土樣與對照樣土壤重金屬含量平均值

設施蔬菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Zn均出現了嚴重的富集現象（超過土壤環境背景值）（如圖2所示）。其中，全部土樣均存在重金屬Zn富集的問題，超過95%的土樣存在重金屬Cu、Cr富集的問題，79%的土壤存在Cd富集的問題。土樣中Cd的超標率最高（超過我國土壤環境質量二級標準限定值），為11.84%；其次為Cu；各有1例土樣中Cr、Zn超標。

圖2 設施蔬菜地重金屬富集土樣比率與重金屬污染土樣比率

2.3 設施蔬菜地土壤中Cu、Cd隨種植年限（棚齡）的富集特征

設施蔬菜土壤Cu、Cd含量與棚齡之間在0.01水平均存在顯著正相關關系，其Pearson相關系數分別為0.941與0.885。

2.3.1 銅（Cu）

設施蔬菜地土壤Cu含量在第1 a種植后有所下降，低于周邊麥田和露地菜田土壤Cu含量，此后，其含量隨種植年限增加而顯著增加（如圖3所示）。大棚蔬菜土壤中Cu的富集速度明顯大于日光溫室蔬菜土壤中Cu的富集速度。5 a棚齡大棚土壤Cu含量是1年棚的近2倍。2 a以上棚齡大棚土壤中Cu含量均高于日光溫室土壤中Cu含量。

圖3 不同利用類型土壤中銅（Cu）含量隨棚齡的變化

2.3.2 鎘（Cd）

小于10 a棚齡的設施蔬菜地土壤Cd含量低于露地菜田土壤Cd含量，但是普遍高于大田土壤中Cd含量；各種植年限大棚土壤中Cd含量均顯著高于日光溫室土壤中Cd含量，說明在大棚環境中土壤更易積累重金屬Cd（如圖4所示）。

20 a棚齡的日光溫室一般為簡易溫室，其土壤環境中重金屬積累問題較為嚴重，其土壤Cu和Cd含量是1～2 a新棚的2～3倍，其中Cd含量已經超過國家土壤環境質量二級標準，土壤已經受到污染。20 a棚齡設施土壤的pH值顯著降低(<7.3)，土壤酸化增加了重金屬的環境風險。

圖4 不同利用類型土壤中鎘（Cd）含量隨棚齡的變化

2.4 土壤性質對土壤中重金屬含量的影響

設施蔬菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Zn與土壤陽離子交換容量（CEC）和有機質含量呈顯著正相關關系，與pH值呈顯著負相關關系；而鉛、鎳和汞未表現出與這幾類土壤性質明顯的相關性。增加土壤有機質、提高土壤pH值和CEC，均有利于土壤中重金屬的固定。土壤中Cd、Cu、Zn含量與土壤中有效態鉀、磷存在顯著正相關關系，增加土壤中有效態鉀和磷含量，有助于上述重金屬固定。

表3 設施蔬菜地土壤重金屬含量與土壤理化性質之間的相關分析

3 結 論

通州區設施蔬菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Zn均出現了嚴重的富集現象，部分樣點受到了這4種重金屬的污染。土樣中重金屬Hg、Pb、Ni含量尚處于安全閾值內，但是也有部分樣點出現明顯富集現象。

設施蔬菜地土壤中Cu、Cd發生明顯富集，但5 a以下棚齡的大棚和日光溫室土壤中Cu、Cd濃度顯著低于露地菜田中相關濃度；說明盡管設施土壤中重金屬發生富集，但是其農產品的健康風險依然小于露地種植的產品。設施蔬菜地土壤中Cu、Cd濃度隨種植年限增加而顯著增加，且大棚土壤中的積累速度快于日光溫室。設施生產活動過量施加化肥和有機肥等可能是導致設施土壤重金屬積累的主要原因。設施蔬菜土壤中銅、鎘含量與土壤有機質含量、pH值、土壤陽離子交換容量等因素均存在顯著相關關系。在減緩與控制設施蔬菜土壤中Cu、Cd的積累時，需綜合考慮各種因素的影響。

[1]杜慧玲，馮兩蕊，郭平毅,等.土壤重金屬元素含量與大棚使用年限的相關性研究[J].山西農業科學，2006（3）：56-59.

[2]劉慶，杜志勇，史衍璽，等.基于GIS的山東壽光蔬菜產地土壤重金屬空間分布特征[J].農業工程學報，2009（10）：258-263.

[3] 劉蘋，楊力，于淑芳，等.壽光市蔬菜大棚土壤重金屬含量的環境質量評價[J].環境科學研究，2008（5）：66-71.

[4]蔣光月，郭熙盛，朱宏斌，等.合肥地區大棚土壤7種重金屬相關環境質量評價[J].土壤通報，2008（5）：1230-1232.

[5]王俊，郭穎，吳蕊，史奕，陳欣.不同種植年限和施肥量對日光溫室土壤鋅累積的影響[J].農業環境科學學報，2009（1）：89-94.

[6] 姜菲菲，孫丹峰，李紅.北京市農業土壤重金屬污染環境風險等級評價[J].農業工程學報，2011（8）：330-337.

[7] 陳同斌.北京市土壤重金屬含量背景值的系統研究[J].環境科學，2004（1）：117-121.