輪作模式下設施菜地主要重金屬元素空間分布特征

孫凱寧+王克安+楊寧

摘要：選取代表性日光溫室，以設施菜地中主要重金屬元素（Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni）為研究對象，對兩種種植模式（連作、輪作）條件下6種重金屬元素在土體中的空間分布特征進行調查研究。結果表明：連作模式條件下，土壤中Cd、Pb、Cr、Cu含量具有表聚的趨勢，0～20 cm耕作層為主要分布區，且土層越深含量越低，As、Ni含量在0～60 cm土層范圍內則呈現先降后升的趨勢。參照HJ 333—2006《溫室蔬菜產地環境質量評價標準》發現，連作模式0～20 cm土層中Cd、As分別超出限量值220%、15.6%；而輪作模式可顯著降低0～20 cm耕作層Cd、As含量降幅分別達37.5%、6.2%；與連作相比，輪作增加了6種重金屬元素在20～40 cm土層中的含量。綜上所述，在設施菜地遭受重金屬污染后，采用輪作模式可以減少主要重金屬元素在土壤耕作層的積聚，使其往下層土壤遷移，從而減輕了設施農產品對耕作層中重金屬污染物的吸收。

關鍵詞：輪作；日光溫室；重金屬；污染

中圖分類號：S153 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2016）11-0081-04

Abstract Selecting typical greenhouses as research objects， the spatial distribution features of Cd， As， Pb， Cr， Cu and Ni under two planting patterns （continuous cropping and crop rotation） were investigated and studied. The results showed that under the condition of continuous cropping， the contents of Cd， Pb， Cr， Cu in the soil had surface aggregation tendency， and 0～20 cm plow layer was the main distribution area. Meanwhile， the deeper the soil layer， the lower the contents. The As， Ni contents showed the trend of firstly increased and then decreased within the 0～60 cm soil layer. According to HJ 333—2006 “greenhouse vegetable production environment quality assessment standards”， the Cd， As contents in the 0～20 cm soil layer under continuous cropping pattern exceeded the limited value of 220% and 15.6%， respectively. The rotation mode could significantly decrease the contents of Cd and As in 0～20 cm plow layer by 37.5% and 6.2%， respectively. Compared with the continuous cropping， the crop rotation increased the contents of 6 kinds of heavy metal elements in 20～40 cm soil layer. In summary， the rotation mode could reduce the heavy metals accumulation in plow layer after greenhouse suffered heavy metal pollution， and make them move down to the subsoil to reduce the absorption of agricultural products to heavy metal pollutants.

Keywords Rotation； Greenhouse； Heavy metal； Pollution

隨著經濟高速發展，人們的物質生活水平逐年提高，居民對蔬菜種類、產地和蔬菜安全的要求越來越高[1]。土壤是農業生產的物質基礎[2]，但隨著工業化、城市化的迅猛發展，礦產開采、污水灌溉、肥料和農藥的不合理施用等致使重金屬污染物通過多種途徑進入土壤圈，進而通過食物鏈危及人們健康。

設施環境常年處于封閉、半封閉狀態，溫度高、濕度大、復種指數高、無雨水淋洗，為片面追求產量，過量使用化肥和殺蟲劑（含重金屬）[3]，極易造成設施菜地重金屬污染[4]。有調查表明，北京市蔬菜和土壤中的鉛、鎘等積累明顯，對部分人群存在一定的健康風險[5-10]。與麥田相比，壽光蔬菜大棚產地土壤重金屬Hg、Cd、Zn含量明顯高于自然背景值，部分地塊蔬菜大棚土壤Cd的樣本超標率為15.4%[11]；有報道稱河南新鄉市郊區大棚設施菜地土壤重金屬處于高風險狀態[12]；通過對不同種植年限的蔬菜大棚土壤重金屬含量調查發現，土壤重金屬含量隨著大棚使用年限的增加呈增加趨勢[13]。有關菜地土壤重金屬的研究，一般多偏重于常規蔬菜種植模式[14-16]，關于輪作對設施菜地土壤重金屬影響的研究較少。前人關于輪作模式的研究多側重于對改善土壤肥力、土壤酶活性、微生物多樣性和提高耕地效益方面[17]，而有關該種植制度下設施菜地重金屬含量空間變動情況卻鮮見研究報道。本試驗以北方典型設施類型——日光溫室為代表，研究兩種種植模式（連作、輪作）條件下菜地土壤重金屬分布現狀，以期為設施菜地質量管理提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

選取濟陽縣曲堤鎮兩個相同棚齡（10年）的代表性日光溫室，其中一個為連作溫室（對照，CK），另一個為采用“稻菜輪作”模式6年的日光溫室（JL）。采用“水稻—黃瓜”水旱輪作模式，即在日光溫室夏季休閑時段（7-9月）種植水稻，到10月上中旬水稻收獲之后種植黃瓜，到第二年6月水稻種植前拉秧。水稻種植行距15 cm，株距10 cm，黃瓜定植時行距50 cm，株距30 cm。各處理施肥量均保持一致，水稻種植時尿素（46% N）施用量為225 kg/hm2。后茬黃瓜整個生育期復合肥（N-P-K=15-6-21）施用量為1 125 kg/hm2。除水稻種植外，兩日光溫室黃瓜田間管理模式保持一致。于2015年6月份對溫室內0～20、20～40、40～60 cm土層進行多點隨機取樣，土壤風干保存，以備檢測。

1.2 測定項目與方法

每小區土樣采集選用‘S形多點取樣，然后混樣、風干、過篩，去除肉眼可見的有機殘體等。選取對土壤環境及人體健康危害較大的6種重金屬元素（Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni）進行測試分析。其中Cd、Pb依據CB/T 17141—1997測定，As依據GB 17134—1997測定，Cr和Ni分別依據GB/T 17137—1997和GB/T 17139—1997測定，Cu依據GB/T 17138—1997測定。參照HJ 333—2006《溫室蔬菜產地環境質量評價標準》，按其中土壤質量評價指標限制中各重金屬元素的限量標準進行分析。

1.3 數據統計

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0對數據進行處理和統計分析，差異顯著性檢驗方法采用Duncans法，顯著水平均設在0.05水平。

2 結果與分析

2.1 兩種種植模式條件下Cd的空間分布

由圖1可知，0～20 cm耕作層連作處理（CK）的Cd含量達到0.96 mg/kg，遠高于0.3 mg/kg的限量值，超出220%，輪作處理JL為0.60 mg/kg，較CK低37.5%，差異達顯著水平（P<0.05）。20～40 cm與40～60 cm土層的趨勢相近，表現為JL高于CK，增加幅度分別為18.5%和113.0%。說明連作使Cd在耕層聚集，而輪作可降低日光溫室耕層中Cd含量，促進其在土體中向下遷移。

2.2 兩種種植模式條件下As的空間分布

由圖2可知，隨著土層深度的增加，連作CK與輪作JL兩處理As含量呈現先降后升的趨勢，20～40 cm土層的As含量最低，兩處理基本接近。就0～20 cm土層而言，JL較CK低6.2%，40～60 cm土層JL則較CK低10.2%，差異達顯著水平（P<0.05）。HJ 333—2006《溫室蔬菜產地環境質量評價標準》中規定As的限量值為25 mg/kg，本試驗0～20 cm和40～60 cm土層中各處理As含量均高于該標準，但輪作處理JL較連作CK處理明顯降低了As含量。

2.3 兩種種植模式條件下Pb的空間分布

由圖3可知，在各土層中各兩處理的Pb含量均低于50 mg/kg的限量值；0～20 cm土層，JL與CK兩處理的Pb含量相同，均為21.9 mg/kg，而20～40 cm和40～60 cm土層，JL處理較CK有所上升，具體原因有待進一步研究。

2.4 兩種種植模式條件下Cr的空間分布

由圖4可知，在各土層中兩處理的Cr含量均低于200 mg/kg的限量值；0～20 cm土層，輪作處理JL 的Cr含量為52.1 mg/kg，較連作CK低3.3%；20～40 cm和40～60 cm土層，JL處理則均高于CK，分別高23.3%和3.4%。說明輪作可以降低耕層土壤中的Cr含量，促進Cr向土層下部遷移，表現出與Cd相似的變化趨勢。

2.5 兩種種植模式條件下Cu的空間分布

由圖5可知，各土層中兩種處理的Cu含量均遠低于100 mg/kg的限量值；隨著土層深度的增加，JL與CK處理均表現為逐漸降低的趨勢；0～20 cm土層，JL處理Cu含量為33.4 mg/kg，較CK低5.1%；而20～40 cm土層和40～60 cm土層，JL處理分別較CK高16.8%和16.1%，差異均達到顯著水平（P﹤0.05）。說明輪作促進了Cu向土層深處遷移。

2.6 兩種種植模式條件下Ni的空間分布

由圖6可知，在各土層中兩處理的Ni含量均低于50 mg/kg的限量值；就0～20 cm土層而言，JL處理Ni含量為22.6 mg/kg，較CK低3.8%，差異不顯著（P>0.05）；20～40 cm土層，JL處理Ni含量為23.6 mg/kg，較CK高11.8%，差異達顯著水平（P<0.05）；40～60 cm土層，JL較CK低7.9%。說明輪作處理可以減少土壤耕層中Ni的含量，同時促進了Ni向土層深處遷移。

3 討論與結論

重金屬通過大氣沉降、污泥農用、污水灌溉、化肥和農藥的施用等途徑進入農田并在土壤中積累，具有很大的生態和健康風險，受到廣泛關注[18]。土壤剖面中的重金屬含量分布狀況反映土壤受污染的程度和重金屬在土壤中的遷移狀況，一般情況下，土壤重金屬含量隨土層深度增加而降低表明土壤受到人類活動的污染[19]。本試驗中，連作模式（CK）條件下，土壤中Cd、Pb、Cr、Cu含量隨著土層深度的增加而逐漸降低，As、Ni含量在0～60 cm土層范圍內呈現先降后升的趨勢。輪作模式（JL）條件下，各元素變動較大，其中Cd、Pb、Cr、Ni在20～40 cm土層含量升高，對減少這些主要重金屬元素在土壤耕層（0～20 cm）中富集具有較好效果；Cu含量隨著土層深度的增加而逐漸降低；As含量呈先降后升的趨勢。

本次選取的為連續種植10年的日光溫室，在該地區具有較好的代表性，通過分析可知， Pb、Cr、Cu、Ni在本試驗選取的溫室土層范圍內均符合相關限量標準。但Cd和As則超出限量值，表現為：連作模式下，Cd在0～20、20～40 cm土層中分別超出限量值達220%、170%，As在0～20、20～40、40～60 cm土層中分別超出限量值達15.6%、0.8%、21.6%；輪作模式可顯著降低0～20 cm耕作層Cd含量，降幅達37.5%，As降幅為6.2%。說明輪作模式對減輕耕層中Cd、As的富集具有較好效果，這對設施安全生產具有重要意義。但為了設施農產品安全，建議以污染源防控為重點，以輪作模式為輔助，采取多種措施，共同杜絕設施菜地重金屬超標問題。

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