大棚輪作對土壤重金屬污染的修復和控制作用探究

崔向麗 王沛 李嘯飛 王儲 賈超敏 王春玲 陳玉鵬

摘 要 隨著新時代農業的發展，蔬菜大棚在農業產值方面取得了可觀的收益，但封閉式大棚內的土壤因使用周期、化肥農藥等原因污染越來越嚴重，為蔬菜食品安全和人類身體健康帶來了隱患。基于此，以山西省太谷縣周邊蔬菜大棚為主要調查對象，采集20多個不同設施大棚中土壤和植物樣品，并對其進行鎘銅鋅重金屬元素的含量測定，通過重金屬含量、植物富集系數、土壤去除率等評定土壤和農作物現狀，比較出不同輪作方式下能夠修復和控制土壤中重金屬污染的最優輪作方式。

關鍵詞 蔬菜大棚；土壤污染；輪作方式；重金屬

中圖分類號：X53 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.23.093

1 研究背景

土壤在農業生產中起著重要的作用，其健康指標是衡量人類生存環境的重要指數。但近年來由于過度使用農業化肥、農藥以及大棚使用年限的增長等原因，導致我國蔬菜大棚頻繁出現土壤重金屬污染問題。朱蘭保等人指出北京市土壤受Pb、Hg、Cd不同程度的污染，其中Hg污染最為嚴重[1]。馬曉瑾等人也指出太谷縣瑪鋼廠附近的種植田地中，土壤重金屬單項污染指數的特征為Cu>Cr>Hg>Zn>Pb>Cd，多半采樣點都屬于中等以上重金屬污染水平[2-3]。土壤中的重金屬通過一定的物理化學過程，會形成不同形態的絡合物，嚴重時可導致土壤失去自然生產力，成為不毛之地[4-5]。

重金屬在土壤環境中具有一定的相對穩定性，因此治理重金屬污染要花費巨大的代價。據測算，在發達國家利用掩埋法清除0.4 hm2土地內的重金屬污染，平均需要花費247.11萬美元[6]。目前，在清除重金屬污染的方法中，如物理化學方法或微生物法不僅具有二次污染，且現場施工過程復雜，難以有效地付諸實施。Ilya Raskin認為植物修復所取得的最大的進步是去除環境中的重金屬之后，利用植物去除環境中污染物的植物修復技術備受關注[7]。環境科學家們先從研究超量積累植物起步，到近幾年不僅局限于研究超量積累植物，并開始著手研究農業活動用于去除環境中重金屬的可能性，在研究范疇與觀念上發生了一定的變化，希望探索合理的農業生產活動，以修復、控制土壤中的重金屬污染。

2 材料與方法

2.1 試驗地點

2016—2018年，在山西省晉中市太谷縣周邊設施蔬菜大棚及資源與環境試驗基地進行了該實驗。太谷縣位于東經111°28′～111°111′、北緯37°12′～37°32′，屬暖溫帶、溫帶大陸性氣候，年平均氣溫9.9 ℃，年平均降水量462.9 mm，平均無霜期176 d。

2.2 試驗設計

為滿足較高重金屬累積的研究需求，本實驗通過調查種植年限達5年及以上的大棚，采取輪作方式一年內種植2茬以上且每茬作物種類不一的植物樣和土樣，并記錄大棚內農作物的種植情況、每種植一茬作物所使用化肥的種類、結構、比例以及用量、部分蔬菜水果噴灑農藥的種類等情況，具體情況見表1。試驗共設3個處理，分別為采樣、土壤及植物樣處理、重金屬測定。

2.3 樣品處理與測定

2.3.1 樣品處理

將土壤樣品倒在A4白紙上，將其中的大石塊、落葉等非土壤殘落物撿出來，并在A4紙上標記好該土壤所屬大棚號，防止混淆，待土壤全部風干后，每一波土壤樣均用瑪瑙研缽研細，多次過直徑為0.2 mm的尼龍篩，完成后保存于聚乙烯袋中密封，做好標記，備用。

植物樣用自來水、蒸餾水沖洗干凈后，用干凈的剪刀或刀子切成片狀放于培養皿中，然后把培養皿放入烘箱中，經95 ℃殺青30 min，60 ℃下烘干至恒重，最后用瑪瑙研缽研磨碎，備用。

2.3.2 樣品測定

各元素所需測定方法不一，按照國家標準對各元素分別進行測定。Cd、Cu根據《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》GB/T 17141—1997用石墨爐原子吸收分光光度法。Zn根據《食品安全國家標準食品中鋅的測定》

GB 5009.14—2017用火焰原子吸收分光光度法。

2.4 數據處理分析

2.4.1 富集系數

富集系數指植物某一部位的元素含量與土壤中相應元素含量之比，反映植物中元素遷移的難易程度，其公式為：

BCF=C植物/C土壤 （1）

C植物指第二茬植物重金屬Cd的濃度，C土壤指采集第二茬植物時所對應的土壤的重金屬Cd的濃度。

2.4.2 去除率

去除率指通過不同的輪作方式使土壤中重金屬含量降低的比率，其公式為：

η=（C2-C1）/C1 （2）

C1指第一茬作物后土壤重金屬濃度，C2指第二茬作物后土壤重金屬濃度。結果處理采用Excel進行統計分析、計算及作圖。

3 結果與分析

3.1 太谷縣主要設施大棚內土壤重金屬污染情況

結合表2、表3、表4對太谷縣所采集蔬菜大棚內土壤受重金屬污染程度進行對比分析，可以得出只有一處大棚內土壤重金屬Cd超過國家一級環境質量標準，其數值為0.243 mg·kg-1，但并未超過國家二級指標，幾近無污染。對于重金屬Cu、Zn來說，其土壤濃度近一半均超過國家一級土壤環境質量標準，卻并未超過國家二級指標，尚在安全范圍之內。

3.2 太谷縣主要設施蔬菜Cd、Zn、Cu富集的能力

不同種類蔬菜植物對重金屬的富集能力不同，可以利用其性質修復和控制土壤中的重金屬污染。本實驗中蔬菜種類可分為葉菜類（油麥菜、生菜、白菜、空心菜）、茄科類（茄子、西紅柿、辣椒、菜椒）、瓜果類（甜瓜、西葫蘆、黃瓜）、根莖類（西芹）、目豆類（豆角）、蔥屬類（蔥、韭菜）和菊科類（萵苣），其對于Cd、Zn、Cu的吸收富集能力如圖1所示。從中可以明顯看出，整體來說對重金屬富集能力最強的是葉菜類植物，如油菜、空心菜、生菜。而單從重金屬Cd來說，其富集程度呈葉菜類>蔥屬類>茄科類>根莖類>瓜類>目豆科和菊科；觀察植物對Cu的富集能力趨勢，不難看出其與Cd的吸收富集具有極大的相似性。因此，我們可以利用其富集特性，用葉菜類或蔥屬類植物與其它作物交叉種植來修復土壤中的Cd及Cu污染。對于重金屬Zn，圖1中反映的植物種類對Zn的富集能力相差不大，但富集能力最大的仍為生菜，其次為菜椒，這說明植物在對Zn的富集能力上，葉菜類>茄科類。

3.3 不同輪作方式對土壤Cd、Cu、Zn含量及去除率的影響

不同的輪作方式，會對土壤中的重金屬含量產生不同的影響，從表5整體來看，90%的輪作方式都對土壤中的Cd具有較好的去除效果。相反，對于Cu、Zn來說，則一半輪作方式可去除，一半輪作方式反而使之含量升高，所以采取一定的輪作方式控制土壤中重金屬含量尤為重要。

當前茬作物均為茄子時，后茬作物種植西芹較種植西紅柿使土壤中Cd去除率高，與Cu、Zn則相反。同樣，當前茬作物均為甜瓜時，甜瓜-西葫蘆的輪作方式較甜瓜-西紅柿、甜瓜-豆角的種植方式去除Cd效果好，而對于Zn、Cu，則是甜瓜-豆角去除效果最佳。前茬作物均為西紅柿時，后茬作物無論為何種作物均對重金屬Cd具有一定的去除效果，但對于Cu、Zn來說較好的輪作方式是西紅柿-韭菜、西紅柿-蔥。如若采用根莖-葉菜類輪作方式，則西芹-油麥菜對Cd去除效果好，而西芹-生菜則對Zn、Cu去除效果好。對于同一輪作方式對Cd、Cu、Zn產生結果的差異，其原因可能是植物對于農家肥、復合肥及動物糞便的吸收較多，而這其中含有較多的Cu、Zn元素，但Cd多來源于工業及自然環境。

4 討論

4.1 大棚使用年限對重金屬元素的影響

方勇、李德成、李忠佩的研究均表明，設施蔬菜大棚中重金屬的堆積與棚齡的增長呈正相關關系，長達5年以上的大棚，其土壤重金屬含量隨著使用年限的增加而不斷增加[8-9]。在受污染的設施蔬菜大棚中，其年限超過5年及5年以上的土壤中重金屬含量要大于年限小于5年的大棚，同時大棚內土壤所受Zn、Cu污染程度遠遠大于Cd，可能是因為菜農經常施用帶有大量Cu、Zn元素的農家肥、菌肥以及動物糞便的原因。

4.2 蔬菜重金屬的富集特性

由于重金屬在土壤中的遷移性較強，且植物對重金屬的吸收能力強，何江華在其文獻中指出，葉菜類對重金屬的吸收富集較其他種類蔬菜更高[10]，本試驗也有相同的結論。但關于植物對Zn、Cu、Cd吸收的差異，原因可能是植物對前兩種元素有生理需求，但含量過高也會影響蔬菜品質。因此太谷縣居民可多種植葉菜類植物去除土壤中的有毒重金屬，不可食用。

4.3 輪作方式控制土壤重金屬

植物修復土壤的影響因子較復雜，包括施撒農藥化肥的濃度及污染時間、土壤pH值、水分及有機質等，不同植物之間種植存在對重金屬積累程度上較明顯的差異。

局述云發現，麥季間作伴礦景天可有效降低后茬茄子對重金屬的吸收，并使土壤重金屬濃度比對照降低24.3%，達到了較好的修復效果[11]。文典、李富榮也在菜稻菜輪作模式的實驗中發現，水稻對重金屬Cd的富集能力遠大于蔬菜，而菜稻菜輪作可有效避免水稻中Cd的富集[12]。由此可見，合理的輪作方式不僅可以控制土壤中的重金屬污染，還能控制植物中可食部位的Cd含量。試驗針對不同元素有其合理的輪作方式，但對于同一種輪作方式下對土壤中Cd含量升高，Cu、Zn含量降低的原因，如甜瓜-豆角輪作，可能是因為Cu、Zn作為植物必要的微量元素，本身會被植物吸收富集，導致土壤中Cu、Zn含量降低，進而會影響土壤的去除率。因此，針對此情況還需大量的實驗得出控制土壤中Cu、Zn含量的最佳方式。

5 結論

1）太谷縣所采集大棚內土壤重金屬Cd、Zn、Cu均未超標（指標超過國家二級標準水平），土壤環境安全，部分可能含量較高，應采取一定的控制措施。2）通過對不同種類蔬菜的富集系數進行比較，葉菜類植物對重金屬的富集能力最強，因此可采用葉菜類植物的種植去除土壤重金屬，但不可食用，以免危害人類健康。3）對于Cd來說，避免采用甜瓜-豆角、甜瓜-西紅柿、西葫蘆-西紅柿的輪作方式，其余輪作方式無較大影響；而對于Zn、Cu來說，則多采用西紅柿-蔥、西芹-生菜、甜瓜-豆角的輪作方式。

6 研究展望與不足

本試驗初步探討了在不同的輪作方式下，輪作種類對土壤中重金屬Cd、Zn、Cu含量的影響。因工作量與時間的關系，該試驗只選擇了兩茬作物，要在普通作物當中找出對重金屬具吸收能力的輪作方式，還需對其他方面進行深入研究。在利用植物對重金屬進行修復的實驗中應避免對環境造成“二次污染”，多增加空白對照實驗，以提高實驗的準確性。此外，該試驗并未深入研究土壤的物理性質，如施肥、農藥種類、農藥濃度等對土壤及植物重金屬形態之間的關系，且試驗只研究了作物可食部位的重金屬含量，各個器官的生長品質以及對重金屬的吸收還有待進一步驗證。

參考文獻：

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[3] 馬曉瑾，劉子姣.太谷縣不同年限大棚土壤性質及養分含量變化特征[J].山西農業科學，2017，45（10）：1638-1642.

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[11] 居述云，汪潔，宓彥彥，等.重金屬污染土壤的伴礦景天/小麥-茄子間作和輪作修復[J].生態學雜志，2015，34（8）：2181-2186.

[12] 文典，李富榮，趙潔，等.菜稻菜輪作模式對土壤Cd形態分布的影響研究[J].熱帶作物學報，2014，35（7）：1272-1277.

（責任編輯：趙中正）