基于輸入輸出平衡的重慶地區(qū)城郊菜地土壤鉛的通量研究

熊安琪，陳玉成，代勇，侯建浩，易廷輝

(1.西南大學附屬中學，重慶 400700；2.西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400716；3.重慶市農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站，重慶 401121)

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基于輸入輸出平衡的重慶地區(qū)城郊菜地土壤鉛的通量研究

熊安琪1，陳玉成2，代勇2，侯建浩1，易廷輝3

(1.西南大學附屬中學，重慶 400700；2.西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400716；3.重慶市農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站，重慶 401121)

通過兩季原位觀測，分析了重慶市城郊菜地土壤Pb的輸入通量、輸出通量及平衡量。結果表明，重慶城郊菜地土壤Pb的年輸入、年輸出通量分別為628.41 g/hm2、169.32 g/hm2，年積累量為459.09 g/hm2。大氣干濕沉降是Pb輸入的主要來源，其年輸入量510.18 g/hm2，貢獻率為81.19%；其次是化肥，貢獻率為17.28%，而灌溉水、種子的貢獻率極低。在Pb輸出途徑中，輸出比例為地下滲流(54.70%)>地表徑流(30.01%)>蔬菜殘茬(8.03%)>蔬菜收獲物(5.51%)>除草(1.75%)。

菜地土壤；鉛；輸入；輸出；通量

已有很多研究表明，重慶局部地區(qū)菜地土壤鉛污染超標[1-2]。探索這些土壤中鉛的來源，并制訂切實可行的控制措施，逐漸成為土壤污染防治領域的緊要任務之一。物質平衡通量法是一種土壤重金屬源解析的方法，通過定時定點的實際觀測，考察土壤重金屬的輸入、輸出狀況，核算其輸入通量、輸出通量和平衡通量。國內(nèi)外學者曾對澳大利亞、土耳其、巴西、珠江三角洲等地的土壤重金屬進行了輸入、輸出通量的觀測。針對目前物質平衡通量法存在的輸入、輸出途徑不明的狀況，本文以重慶地區(qū)城郊蔬菜基地為對象，通過兩季蔬菜的原位觀測，分析了重慶市城郊菜地土壤鉛的輸入通量、輸出通量及平衡量，為菜地土壤鉛的源解析提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗選擇在重慶市九龍坡區(qū)已連續(xù)種植7年的某蔬菜基地，地塊相對平整，四周開溝，前茬為小白菜[BrassicacampestrisL.ssp.chinensisMakino (var.communisTsen et Lee)]，土壤為紫色土，pH值為6.31，有機質含量為21.83 g/kg，全Pb含量為22.93 mg/kg，有效Pb含量為1.46 mg/kg。

植物為青梗菜(BrassicacampestrisL.ssp.chinensisvar.)，其種子購自北京萬隆裕豐種子有限公司的華夏冠王。

化肥為史丹利復合肥，未使用農(nóng)藥和農(nóng)家肥，本文予以忽略。

1.2 試驗方法

1.2.1 收支平衡系統(tǒng)的建立

本研究建立的菜地土壤Pb收支平衡系統(tǒng)見圖1。

圖1 菜地土壤Pb收支平衡系統(tǒng)Fig.1 System graph of balanced Pb in vegetable-based soil

1.2.2 樣品采集

蔬菜種植兩季，分別為60 d和56 d。每季試驗設3個重復觀測小區(qū)，長寬分別為8 m和5 m，面積為40 m2，地面坡度<5°。每個小區(qū)各設置1個降塵缸、降水缸、徑流池和地下滲流采樣器。

菜地土壤Pb輸入-輸出樣品的采集方法見表1，其中降塵缸直徑30 cm、高60 cm；降水缸直徑40 cm、高60 cm；地塊坡底下端設置徑流池，長寬高分別為150 cm×50 cm×5 cm；預埋的地下滲流采樣器為50 cm×5 cm采集板，用蠕動泵抽取。

表1 菜地土壤Pb輸入-輸出樣品的采集

1.2.3 測定方法

大氣降塵、化肥、蔬菜收獲物、蔬菜殘茬、雜草、土壤等固態(tài)樣品采用王水-HClO4消煮，大氣降水、灌溉水、地表徑流、地下滲流等液態(tài)樣品采用水浴105℃濃縮，HNO3-HClO4消煮。消煮后均用原子吸收分光光度法測定其中的Pb含量。

2 結果與分析

2.1 菜地土壤Pb的季輸入-輸出通量

菜地土壤中，各種輸入、輸出途徑的活動強度和Pb含量(濃度)見表2。

各種途徑的輸入或輸出通量為：

Qi=Wi·Ci·λi

(1)

式中，Qi為Pb的第i個輸入或輸出途徑的通量，mg/hm2；Wi為第i個輸入或輸出途徑的活動強度，g/缸(或L/缸或L/區(qū)或g/區(qū)或kg/區(qū))；Ci為第i個輸入或輸出介質的Pb含量，mg/kg或mg/L，λi為第i個輸入或輸出途徑的折算系數(shù)[3-4](不同途徑系數(shù)不盡一致)。

根據(jù)公式(1)，可以計算出Pb的第i個輸入或輸出途徑的通量，然后將相同途徑的通量相加，得到各種輸入-輸出途徑的Pb通量，并以此計算各種輸入-輸出途徑的Pb通量的貢獻率(見表3)。

由表3可以看出，第1季Pb的平均輸入通量為177.26g/hm2，平均輸出通量為57.91g/hm2，當季土壤積累量為11.95 g/hm2；第2季Pb的平均輸入通量為84.38 g/hm2，平均輸出通量為13.32 g/hm2，當季土壤積累量為71.07 g/hm2。

在輸入通量中，來自大氣降水的Pb輸入量為43.11～123.06 g/hm2，貢獻率為51.07%～69.41%；其次是化肥，輸入量為30.83～31.23 g/hm2，貢獻率為17.62%～36.54%。再次是大氣降塵，輸入量為9.46～18.46g/hm2，貢獻率為10.43%～11.22%。而來自灌溉水、種子的貢獻率極低[5]。

在輸出通量中，地下滲流輸出量為1.84～34.60 g/hm2，貢獻率為13.84%～59.76%；其次是地表徑流，輸出量為2.18～17.82 g/hm2，貢獻率為16.35%～30.78%；再次是蔬菜殘茬，Pb輸出量為2.94～4.82 g/hm2，貢獻率為5.07%～36.24%；蔬菜收獲物的輸出量為1.37～3.96 g/hm2，貢獻率為2.36%～29.76%；而雜草輸出比率極低，只有2.03%～3.815%。

2.2 菜地土壤Pb的年輸入-輸出通量

本試驗考察了2個蔬菜生長季節(jié)Pb的輸入-輸出通量狀況，積累時間分別為60 d和56 d，合計116 d。要計算全年Pb的輸入-輸出通量，必須予以適當校正[6]。

大氣降塵：兩季116 d來自大氣降塵的Pb積累輸入量為18.46+9.46=27.92 g/hm2，全年為87.85 g/hm2。

大氣降水：兩季116 d收集11次降水，收集雨量

表2 各種輸入-輸出途徑的活動強度和Pb含量

表3 各種輸入-輸出途徑的Pb通量及其貢獻率

為432.80 mm，重慶市多年平均降雨量為1 100 mm，全年來自大氣降水的Pb積累輸入量為(123.06+43.11)/432.80×1 100=422.33 g/hm2。

灌溉水：重慶地區(qū)平均蔬菜基地平均復種指數(shù)為350%，全年來自灌溉水的Pb積累輸入量為(4.50+0.98)/2×3.5=9.61 g/hm2。

種子：考慮到復種指數(shù)為350%，全年來自種子的Pb積累輸入量為(0.83+0.79)/2×3.5=2.84 mg/hm2。

化肥：考慮到復種指數(shù)為350%，全年來自化肥的Pb積累輸入量為(31.23+30.83)/2×3.5=108.62 g/hm2。

蔬菜收獲物：考慮到復種指數(shù)為350%，全年蔬菜收獲物的Pb積累輸出量為(1.37+3.96)/2×3.5=9.33 g/hm2。

蔬菜殘茬：考慮到復種指數(shù)為350%，全年蔬菜殘茬的Pb積累輸出量為(2.94+4 824.00)/2×3.5=13.59 g/hm2。

除草：考慮到復種指數(shù)為350%，全年除草的Pb積累輸出量為(1.19+0.51)/2×3.5=2.96 g/hm2。

地表徑流：參照降水校正系數(shù)，全年地表徑流的Pb積累輸出量為(17.82+2.18)/432.80×1 100=50.82 g/hm2。

地下滲流：參照降水校正系數(shù)，全年地下滲流的Pb積累輸出量為(34.60+1.84)/432.80×1 100=92.61 g/hm2。

將上述校正后的Pb的年輸入-輸出通量匯入表4。

由表4可以看出，Pb的年輸入通量為628.42 g/hm2，年輸出通量為169.32 g/hm2，土壤年積累量為459.10 g/hm2，表明土壤Pb有逐年積累的風險，必須予以控制。

在年輸入通量中，大氣降水的年貢獻率為67.21%；其次是化肥貢獻率17.28%，再次是大氣降塵貢獻率13.98%。而來自灌溉水、種子的貢獻率極低。大氣干濕沉降的年輸入通量為510.18 g/hm2，貢獻率為81.19%。

在年輸出通量中，地下滲流貢獻率為54.70%，其次是地表徑流貢獻率為30.01%；再次是蔬菜殘茬與蔬菜收獲物，貢獻率分別為8.03%、5.51%；而除草輸出比率不到2%。

表4 Pb的年輸入-輸出通量及其貢獻率

3 討論

侯佳渝調(diào)查了天津市郊區(qū)2個蔬菜基地土壤中Pb的輸入輸出特征，發(fā)現(xiàn)大氣干濕沉降是重金屬主要的輸入途徑，Pb的大氣輸入占90%以上[7]，與本文結果較為接近。吳香堯總結了成都經(jīng)濟區(qū)不同輸入途徑中，Pb年輸入通量近地表大氣降塵、化肥、灌溉水分別為71.16%、12.04%、16.35%[8]，與本文存在一些差異。徐勇賢在沒有考慮大氣沉降時，認為有機肥施用是重金屬的主要來源，占輸入量的88.5%以上。本研究若不考慮大氣沉降，則化肥Pb的貢獻率為91.87%[9-11]，與上述結果類似。

因此，可以得出這樣的結論，大氣干濕沉降乃重慶地區(qū)某城郊菜地土壤Pb的主要來源。將本文結果與部分前人結果進行比較發(fā)現(xiàn)(見表5)，就總輸入量和總輸出量以及積累量而言，重慶城郊菜地均高于已經(jīng)報道的地區(qū)。在大氣沉降輸入量中，重慶城郊菜地也僅次于北京原平農(nóng)區(qū)，而高于其他地區(qū)，表明重慶地區(qū)菜地土壤Pb風險來自大氣干濕沉降的可能性較大。

4 結論

重慶某城郊菜地土壤Pb的年輸入通量為628.41 g/hm2，年輸出通量為169.32 g/hm2，土壤年積累量為459.09 g/hm2，土壤Pb有逐年積累的風險。

大氣干濕沉降是重慶城郊菜地土壤Pb輸入的主要來源，其年輸入通量為510.18 g/hm2，貢獻率為81.19%，其次是化肥貢獻率17.28%，而灌溉水、種子的貢獻率極低。

表5 本試驗與部分研究結果的比較

在重慶城郊菜地土壤Pb的輸出途徑中，輸出比率依次為地下滲流(54.70%)>地表徑流(30.01%)>蔬菜殘茬(8.03%)>蔬菜收獲物(5.51%)，而除草的輸出比率極低。

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Study on Lead Flux in Vegetable-based Soil in Chongqing Suburb Based on Heavy Metals Flow

XIONG An-qi1, CHEN Yu-cheng2, DAI Yong2, Hou Jian-hao1, YI Ting-hui3

(1.High School Affiliated To Southwest University, Chongqing 400700, China;2.College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China; 3.Chongqing Station of Agricultural Environment Monitoring, Chongqing 401121, China)

The situ observation of two consecutive quarters was conducted to determine the soil lead input flux, output flux, and balance amount in Chongqing suburb. The results showed that the Pb annual input and output flux were 628.41 g/hm2and 169.32 g/hm2, respectively, and the annual accumulation was 459.09 g/hm2. Atmospheric dry deposition was the main source of Pb input, with the annual input of 510.18 g/hm2, and the contribution rate of 81.19%; it was followed by chemical fertilizers, with the contribution rate of 17.28%, whereas the contribution rates of irrigation water and seed were very low. In the pathway of Pb output, the ratio was ordered as follows: the subsurface flow (54.7%)>the surface runoff (30.01%)>the vegetable residue (8.03%)>the vegetable harvest (5.51%)>the weeding (1.75%).

vegetable-based soil; lead; input; output; flux

2016-09-18

重慶市科技攻關重點項目(CSTC2011AC101)，重慶市農(nóng)業(yè)委員會2014年行業(yè)技術支撐項目。

熊安琪(2000—)，女，重慶北碚人，雛鷹計劃學員，E-mail：535942051 @qq.com

陳玉成(1965—)，男，湖北監(jiān)利人，教授，博士，主要從事環(huán)境污染防治研究，E-mail：chenyucheng@swu.edu.cn

10.14068/j.ceia.2016.06.022

X53

A

2095-6444(2016)06-0092-05