設施菜地土壤重金屬污染狀況評估
——以山西省中南部為例

范 遠，劉李碩，宋凱悅，張麗春，秦 潔，李 華，程芳琴

（1.山西大學資源與環境工程研究所，國家環境保護煤炭廢棄物資源化高效利用技術重點實驗室，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西省土壤環境與養分資源重點實驗室，山西太原030031；3.山西大學環境與資源學院，山西太原030006）

設施菜地土壤重金屬污染狀況評估
——以山西省中南部為例

范 遠1，2，劉李碩1，3，宋凱悅1，3，張麗春1，3，秦 潔1，3，李 華1，3，程芳琴1

（1.山西大學資源與環境工程研究所，國家環境保護煤炭廢棄物資源化高效利用技術重點實驗室，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西省土壤環境與養分資源重點實驗室，山西太原030031；3.山西大學環境與資源學院，山西太原030006）

選取山西省中南部4個典型地區（太原市、晉中市、長治市、臨汾市）的設施菜地作為研究對象，分析了土壤中7種重金屬（As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn）的含量特征，并對重金屬污染和潛在生態風險進行了評估。結果表明，4個典型設施菜地土壤重金屬含量均超過了山西省土壤背景值，Cd，Pb和Ni含量超過國家土壤質量二級標準（GB15618—2008）；Cd與Cr，Ni無顯著相關性，Pb與其他重金屬呈負相關，其余重金屬（As，Cu，Zn）之間均呈正相關關系，表明這些重金屬具有相同的污染源；4個地區重金屬潛在生態風險系數大小排序為太原市＞晉中市＞長治市＞臨汾市，整體風險等級在中等以上，其中，Cd，Pb呈中等以上污染水平，潛在生態風險水平很高，是研究區主要的重金屬污染源。因此，需注意Cd，Pb帶來的重金屬污染風險。

設施菜地；土壤重金屬；潛在生態風險；污染指數

隨著種植業結構的優化與調整，設施蔬菜產業得到長足發展。據統計，截至2008年，我國的設施菜地面積超過270萬hm2，占世界設施菜地面積的80%以上[1]；目前仍以每年10%左右的速度在增長[2]。設施菜地作為一種集約化生產形式，在保障蔬菜市場供應的同時，其封閉的栽培模式和不合理的管理方式，也會導致一系列土壤生態環境問題，不僅影響設施蔬菜的高產、高效及優質生產，而且影響蔬菜的質量安全。其中因多種原因引起的土壤重金屬含量超標問題尤其受到國內外學者的廣泛關注[3-6]。

山西省是全國主要的蔬菜生產基地之一[7]，又是煤炭產出大省。煤炭開采及其相關產業所帶來的重金屬污染已引起多位學者的關注。另外，城市機動車的尾氣排放、農業上化肥農藥的過量施用、以及不合理的栽培管理措施等均會導致嚴重的土壤重金屬污染[8]。因此，探究山西省典型設施菜地土壤重金屬含量變化特征及其潛在生態風險，對于保障蔬菜安全和人類健康具有重要的意義。

本研究通過采集山西省4個典型地區（太原市、晉中市、長治市、臨汾市）的設施菜地土壤，探究不同地區土壤的重金屬累積特征，并揭示潛在的重金屬生態風險，從而為山西省設施菜地的種植栽培和重金屬污染防控提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 采樣區概況

山西省地處黃土高原東部，年平均降水量為400～650 mm，年平均氣溫-4～14℃。設施菜地樣品采集主要選擇太原市、晉中市、長治市和臨汾市4個地區。太原市城郊設施菜地主要種植辣椒、胡蘿卜、白菜等。晉中市（E112°29′50″，N37°27′43″），是山西省糧食、蔬菜的主要產區，主要種植番茄、黃瓜等。長治市（E112°55′57″，N36°29′45″），煤化工產業發達，主要種植黃瓜、辣椒、番茄等。臨汾市（E111°44′49″，N35°44′58″）是晉南工業重鎮，設施菜地主要種植番茄、黃瓜等。

1.2 樣品的采集

采用GPS定位，于2015年9月30日進行調研和土壤樣品采集。同時根據設施菜地面積、土壤類型等，每個地區分別布設了6個采樣基地，每個基地采集5次土壤樣品，樣品統一采集后帶回實驗室進行風干，研磨后備用。

1.3 分析測試方法

1.3.1 土壤理化性質 將土壤按照土水比為1∶2.5進行浸提，利用pH計測量土壤溶液pH值。利用重鉻酸鉀外加熱法[9]測定土壤有機質含量。

1.3.2 土壤重金屬含量 將土壤樣品進行微波消解前處理（HF-HNO3-HCl消化），用ICP-6300測定土壤樣品中As，Cd，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn的含量。

1.4 潛在生態風險評價

采用瑞典科學家HAKANSON的潛在風險指數法[10]（The Potential Ecological Risk Index），評估重金屬在土壤中的潛在生態風險[11-12]。根據該方法，某一區域沉積物中第i種金屬潛在生態風險系數（Eir）及沉積物中多種重金屬的潛在生態風險指數（RI）可分別表示如下。

式中，Cif為重金屬i相對于沉積物背景值的污染系數，Cis為表層沉積物重金屬i的實測含量，Cin為沉積物中重金屬i的背景參考值[13]，Cd為重金屬的綜合污染程度，Tir為重金屬i的毒性響應系數（表1）。Cif，Cd，Eir，RI相對應的污染程度及潛在生態風險程度參照王瑩等[14]、陳峰等[15]、賈振邦等[16]的方法（表2）。

1.5 數據處理

表1 毒性響應系數

表2 潛在生態危害指數評價標準

采用Excel 2010進行數據處理，SPSS 19.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 土壤pH值、有機質和重金屬含量分析

從表3可以看出，山西省設施菜地土壤pH值范圍為6.95～8.52，整體呈中性偏堿性。有機質含量范圍為6.22～90.88 mg/g，與山西省農田土壤有機質含量[17]相比偏高。設施菜地重金屬含量排序依次為Pb＞Cr＞Zn＞Ni＞Cu＞As＞Cd，7種重金屬含量均高于山西省土壤背景值，Pb，Cd超標最為嚴重，分別達到背景值的66.8倍和10倍。參照國家土壤環境質量二級標準（GB 15618—1995），Cd，Pb和Ni超標，分別超出標準值1.68倍、2.8倍、1.29倍，由此可見，山西省重金屬Pb超標最為嚴重。李巍等[18]研究表明，山西省設施菜地主要超標重金屬為Ni和Hg，與本研究結果不一致。這主要是因為研究時間和地區差異，導致山西省設施菜地重金屬累積隨時間變化出現差異。

就各個區域來說，太原市的Pb，Cd含量高于背景值和國家環境質量二級標準，分別超出標準值6.4倍和1.3倍，根據崔軍等[19-20]的研究推測出，可能是由于設施菜地位于太原郊區，居民和飯店燃煤及各耗石油的機器、車輛工作過程中排放產生的含有Pb的浮塵通過降水在土壤中富集。晉中市的設施菜地主要表現為Pb，Cd含量超標，超出國家土壤環境質量二級標準5.6倍和1.9倍，就地區特征來說，土壤中的Pb可能來源于農業生產中化肥和農藥的不當使用。長治市設施菜地Cd含量超出國家土壤質量二級標準1.9倍，由地區主產業推斷Cd污染可能來源于采礦活動和農藥化肥的不當使用[21-22]。臨汾市Ni，Cd的含量超標，根據LUO等[23-24]的研究可推測，Ni超標可能是因為畜禽糞便、肥料的不合理使用。以上各地區的重金屬污染源頭根據當地實地情況推測，具體的污染源確定需要后續進一步調查研究。

表3 土壤重金屬含量、pH值和有機質含量

2.2 土壤重金屬相關性分析

土壤不同重金屬元素及其與pH值、有機質之間的相關性分析結果列于表4。除Cd與Cr，Ni之間無顯著相關性外，其余金屬之間均呈顯著相關，由此可以推斷，這些金屬具有相同的污染源頭[25-26]。Cr和Ni的相關性達到0.996，呈極顯著相關，可能存在復合污染風險[27]。另外，Pb和其他重金屬之間均呈負相關，與pH呈正相關，與有機質呈負相關。這表明Pb和其他重金屬的污染源不同，并且Pb污染與土壤pH值升高有關。除Pb以外的重金屬與土壤pH值呈負相關，表明土壤pH增大，重金屬含量降低[28]，由此推測，這些重金屬的污染會導致土壤pH值降低，可能與化肥、農藥的不當使用有關，過量化肥、農藥的施用，導致土壤pH值降低和重金屬含量增加。但是有文獻證實，當土壤pH值越高時，土壤中各種重金屬元素在固相上的吸附量和吸附能力越強[29-30]，這與本試驗的結果相反，說明土壤重金屬含量不單單受酸堿度的影響，也受其他因素的影響。RAM等[31]研究表明，土壤中大部分重金屬都以金屬-有機物絡合的形式存在，有機質影響土壤中重金屬的遷移轉化，進而影響土壤重金屬含量。

表4 土壤重金屬、pH值、有機質相關性分析

2.3 重金屬綜合污染程度

研究區設施菜地潛在生態風險評估結果列于表5，參照重金屬污染程度標準（表2）可知，研究區整體污染等級呈較高以上；從重金屬平均單項污染系數來看，研究區Pb，Cd污染程度很高。就單個區域分析，4個地區污染程度排序依次為太原市＞晉中市＞長治市＞臨汾市，太原市、晉中市的Pb對各自綜合污染系數的貢獻率分別高達92%，89%，是這2個地區的主要污染物；長治市、臨汾市的Pb，Cd是主要污染物，對綜合污染系數的貢獻率相當，共占62%，65%。以上證明，土壤中的Cd，Pb污染是研究區設施菜地土壤污染的重要原因[32-33]，故Cd，Pb污染的治理尤為重要。

表5 重金屬綜合污染程度

2.4 重金屬潛在生態風險評價

由表6可知，研究區風險等級在中等以上，各地區排序為太原市＞晉中市＞長治市＞臨汾市。就各區域分析，太原市、晉中市設施菜地土壤重金屬污染的風險等級均為很高，從重金屬單項潛在生態風險指數看，Pb的生態風險很高，Pb對綜合潛在生態風險的貢獻率分別達81%，73%；長治市設施菜地土壤重金屬污染的風險等級較高，其中Cd的生態風險中等，對綜合潛在生態風險的貢獻率達到68%。臨汾市設施菜地土壤重金屬為中度污染，其中Cd的生態風險貢獻較高，Cd的主要污染源是不合理的農業活動導致土壤中重金屬一定程度的累積[34-35]。

表6 重金屬潛在生態風險評價

3 結論

本試驗結果表明，研究區土壤中7種重金屬As，Cd，Cr，Ni，Pb，Zn，Cu元素均有不同程度的累積，Cd，Pb含量超過國家土壤環境質量二級標準，Cd超標率為96.6%，Pb超標率為37.9%。4個地區重金屬含量排序依次為：太原市＞晉中市＞長治市＞臨汾市。

7種重金屬之間除Cd與Cr，Ni之間無顯著相關性外，其余金屬之間均呈顯著相關，除Pb以外的重金屬（As，Cd，Cr，Ni，Zn，Cu）與Pb均呈負相關，與pH值呈負相關，與有機質呈正相關。

研究的4個地區污染程度依次為：太原市＞晉中市＞長治市＞臨汾市，研究區整體污染等級呈較高以上。研究區重金屬潛在生態風險系數大小依次為太原市＞晉中市＞長治市＞臨汾市，研究區整體風險等級在中等以上，其中，Pb，Cd的潛在生態風險等級分別為較高和中等，對總體潛在生態風險的貢獻率分別為62.5%，31.7%。

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Assessment of Soil Heavy Metal Pollution in Greenhouse Vegetable Land—Taking Central and Southern Shanxi Province as an Example

FANYuan1，2，LIULishuo1，3，SONGKaiyue1，3，ZHANGLichun1，3，QINJie1，3，LI Hua1，3，CHENGFangqin1
（1.Institute ofResources and Environmental Engineering，Shanxi University，State Environmental Protection KeyLaboratory ofEfficient Utilization TechnologyofCoal Waste Resources，Taiyuan 030006，China；2.Institute ofAgricultural Environment＆Resources，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，KeyLaboratoryofSoil Environment and Nutrient Resources ofShanxi Province，Taiyuan 030031，China；3.College ofEnvironmental and Resource Sciences，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

In the research,four typical greenhouse vegetable bases in Shanxi province（Taiyuan,Jinzhong,Changzhi,Linfen）were chosen to analyze the contents of soil heavy metals（As,Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn）,and assess the heavy metal pollution and potential ecological risk.The results showed that the contents of soil heavy metal all exceeded the background values in Shanxi province.And the contents of Cd,Pb and Ni were more than that of national standard of soil quality（GB 15618-2008）.The correlation analysis indicated that Cd had no significant correlation with Cr and Ni.Pb was negatively correlated with other heavy metals.There were markedly positive relation between As and Cu,Zn.This indicated that these heavy metals had the same source of pollution.The potential ecological risk of soil heavy metals was in the order:Taiyuan＞Jinzhong＞Changzhi＞Linfen.The overall risk of heavy metals was at moderate level.Cd, Pb showed a above moderate pollution level and high potential ecological risk.And they were the main pollutant source in the research area.Thus,there is a need topayattention tothe pollution risk ofCd and Pb in greenhouse soils.

greenhouse vegetable land;soil heavymetal;potential ecological risk;pollution index

X53

：A

：1002-2481（2017）01-0093-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.01.24

2016-12-14

山西省土壤環境與養分資源重點實驗室開放基金項目（2004004）；山西大學科研訓練項目（2016014347）

范 遠（1984-），女，山西長治人，講師，主要從事土壤修復研究工作。程芳琴為通信作者。