蔬菜溫室長期種植下土壤重金屬累積風險評價

李 杰，祝 凌，仝利紅，呂貽忠，李 季

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

目前重金屬對土壤環(huán)境的污染已經(jīng)引起國際社會的廣泛關(guān)注，根據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，我國農(nóng)田土壤點位超標率為19.4%，以Cd、Ni和Cu等重金屬污染最為突出。造成土壤重金屬污染有很多來源，其中施肥是農(nóng)田重金屬污染的主要原因之一。Zhou等[1]研究了22年施肥和耕作對紅壤中重金屬積累的影響，結(jié)果表明：施用有機肥會顯著增加土壤中Cu、Zn、Cd的積累，其中Cd甚至超過了國家土壤標準的3倍；王美等[2]對肥料中重金屬的含量狀況以及施肥對土壤重金屬累積影響的研究進展進行了系統(tǒng)分析和總結(jié)，研究表明，有機肥中的重金屬含量高于化肥，施用有機肥比不施肥提高了土壤Cu、Zn、Pb、Cd的含量。由此可見，施用有機肥對土壤重金屬的污染值得深入研究。設(shè)施農(nóng)業(yè)一般施用有機肥量都比較大，因此其造成的土壤重金屬污染問題尤為顯著。Zhang等[3]對北京通州的設(shè)施蔬菜土壤中Cu、Cd的蓄積狀況進行了調(diào)查，結(jié)果表明，設(shè)施蔬菜土壤中Cu、Cd濃度明顯增加，部分土壤樣品超過了我國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)農(nóng)田環(huán)境質(zhì)量評價標準；茹淑華等[4]分析了設(shè)施蔬菜土壤中重金屬含量的差異，結(jié)果表明，設(shè)施蔬菜土壤中Cd、As、Cu和Zn平均含量均顯著高于露地蔬菜，且隨著種植年限增加，蔬菜土壤中Cd、Pb和Hg含量均呈明顯上升趨勢。

不同種植模式下土地管理措施有明顯差異，這些差異會對土壤質(zhì)量產(chǎn)生深刻的影響。傳統(tǒng)觀念認為有機肥比化肥安全，從而忽視了畜禽有機肥施用帶來的環(huán)境風險[5]。由于畜禽養(yǎng)殖業(yè)大量使用含重金屬的飼料添加劑，因此畜禽糞便等原材料也存在重金屬污染風險，Holzel等[6]、Qian 等[7]檢測了豬糞、牛糞等畜禽有機肥，皆發(fā)現(xiàn)了一定量重金屬的存在。Luo等[8]研究表明畜禽糞便對農(nóng)業(yè)土壤中總Cd、Cu和Zn的投入分別占到了55%、69%和51%，因此有必要對有機種植的環(huán)境風險問題進行研究[9]。有機農(nóng)業(yè)在我國興起的時間比較晚，長期定位試驗比較少，重金屬累積又是一個長期的過程，因此本研究在河北曲周中國農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗站進行有機種植長期定位試驗，同時設(shè)定無公害和常規(guī)種植作為對照，更加有利于揭示有機種植土壤中重金屬累積狀況。同時采用不同方法對有機種植的土壤重金屬污染風險進行評價，以期為有機農(nóng)業(yè)土壤中重金屬污染風險的控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗為有機蔬菜溫室長期定位試驗，于2002年3月在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實驗站（36°52′N，115°01′E）進行，實驗站位于河北省邯鄲市曲周縣北部，屬溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，光、熱、水等氣候資源比較豐富，但受季風的強烈影響，冬春寒冷干燥，夏季溫暖多雨，屬一年兩熟種植區(qū)。年均降水量604 mm。原始土壤為鹽化潮褐土，試驗前為多年菜田。溫室分為3種不同種植模式：有機種植（ORG）、無公害種植（LOW）和常規(guī)種植（CON），3種蔬菜種植模式分別在3個溫室進行。每個溫室東西長52 m，南北寬7 m，鋼架結(jié)構(gòu)，占地面積約0.04 hm2。每個溫室內(nèi)人工平分為3個小區(qū)，各溫室3個小區(qū)之間處理均相同，進行重復(fù)試驗。試驗前土壤重金屬含量及pH值見表1。

1.2 試驗設(shè)計

長期定位試驗已連續(xù)進行了15 a，主要種植作物為春季番茄（3—7月）和秋冬季黃瓜（9月—次年1月）。試驗設(shè)3個處理：

（1）有機種植（ORG）：只施用有機肥（EM堆肥和干雞糞），不施用化肥，有機肥施用量達到25 t·hm-2·a-1；病蟲害防治以人工防治和物理防治為主。

（2）無公害種植（LOW）：以有機肥（EM堆肥和干雞糞）為主，施用量為15 t·hm-2·a-1，少量施用化肥，化肥施用量為400 kg·hm-2；病蟲害防治以生物防治為主，病蟲害嚴重時使用低毒低殘留的化學(xué)農(nóng)藥進行防治。

（3）常規(guī)種植（CON）：采用常規(guī)管理方式，有機肥施用量為 9 t·hm-2·a-1，化肥施用量為 2 t·hm-2·a-1；病蟲害防治以化學(xué)防治為主。

不同種植方式下的養(yǎng)分投入、農(nóng)藥施用及灌溉情況見表2。

表1 試驗前土壤重金屬含量及pH值（2002）Table 1 Heavy metals content in soil before test and pH（2002）

1.3 樣品采集

每個種植模式地塊各設(shè)3個小區(qū)，每個小區(qū)內(nèi)采取S形布點取樣，每5個點為一個混合樣，采樣時先清除地表雜物，均勻采集0～20 cm的土壤，多點混合后的樣品按四分法取舍，保留1 kg左右，用塑封袋裝好帶回室內(nèi)。土壤樣品經(jīng)自然風干，去除石礫和作物根系殘渣，按要求磨細過0.15 mm尼龍篩后，用于測定土壤重金屬指標。

1.4 測定方法

重金屬Cd、Cr、As、Ni、Cu、Zn、Pb的測定方法參照國家環(huán)境保護標準（HJ 832—2017），采用微波輔助消解ICP-MS測定，土壤樣品在高壓消解罐中用硝酸-鹽酸-氫氟酸進行前處理，測定過程中采用國家標準土樣GBW07427進行質(zhì)量監(jiān)控。

1.5 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)先經(jīng)過Microsoft Excel程序進行整理，運用SPSS單因素方差分析對不同種植模式下土壤環(huán)境質(zhì)量指標進行顯著性檢驗，Least significance differ?ence（LSD）法進行均值比較。

本研究以2002年土壤重金屬含量初始值作為基礎(chǔ)，采用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合累積指數(shù)法對土壤中重金屬累積風險及等級進行評價，從而評價不同種植模式對土壤重金屬累積的影響。利用重金屬數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（1）和公式（2）計算單因子累積指數(shù)（Pi）和內(nèi)梅羅綜合累積指數(shù)（P）。

式中：Pi為土壤中各重金屬的累積指數(shù)；Ci為土壤中各重金屬的實測含量，mg·kg-1；Si為2002年土壤中各重金屬含量的初始值，mg·kg-1；（Ci/Si）max為土壤重金屬元素中累積指數(shù)最大值；（Ci/Si）ave為土壤各累積指數(shù)的平均值。

另外，本研究還以溫室蔬菜產(chǎn)地標準為參比值，采用潛在生態(tài)風險指數(shù)法對不同種植模式下土壤重金屬的生態(tài)風險進行評價。根據(jù)公式（3）和公式（4）計算各重金屬的單項潛在生態(tài)風險參數(shù)（Ei）和多種重金屬的潛在生態(tài)風險指數(shù)（RI）。

式中：Ci和C0分別為第i種重金屬的監(jiān)測濃度和《HJ 333—2006溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準》中的規(guī)定值；Ti為單種重金屬的毒性數(shù)據(jù)，在本研究中土壤重金屬的毒性系數(shù)采用徐爭啟等[10]的方法進行計算，得到Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As和Ni的毒性系數(shù)分別為5、1、5、30、2、10和5。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機種植土壤中重金屬含量

各試驗地不同種植模式下土壤中7種常見重金屬的測定結(jié)果如表3所示。從表1可以看出，試驗開始前，土壤中重金屬含量初始值均符合溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準，土壤環(huán)境質(zhì)量良好。經(jīng)過15 a的種植，與初始值相比，3種種植模式下土壤重金屬均有明顯的累積，其中ORG和LOW種植下Cd超過了溫室蔬菜產(chǎn)地標準，有一定的環(huán)境風險，需引起重視。但其余重金屬含量都沒有超過溫室蔬菜產(chǎn)地標準，基本符合農(nóng)業(yè)用地標準。

從土壤各重金屬指標的含量來看，3種種植模式土壤中Zn、Cd和Cr含量有顯著差異，基本表現(xiàn)為ORG＞LOW＞CON。與初始值相比，ORG、LOW及CON種植下土壤中Zn含量分別提高199.80%、96.64%、54.72%，土壤中Cd含量分別提高312.50%、175.00%、100.00%，土壤中Cr含量分別增加253.74%、178.46%、147.70%。雖然3種種植模式下土壤中Cu和As差異不明顯，但它們在土壤中的富集效應(yīng)都很明顯，與初始值相比，Cu分別增加113.71%、64.87%、23.73%，As分別增加126.56%、163.20%、100.99%。

表2 不同種植方式下養(yǎng)分投入、農(nóng)藥施用及灌溉情況Table 2 Nutrient input，pesticide application and irrigation under different planting patterns

2.2 有機種植土壤中重金屬污染評價

2.2.1 重金屬累積評價

單因子指數(shù)法是目前國內(nèi)通用的一種重金屬污染評價方法[11]，單因子累積指數(shù)Pi≤1，污染等級為清潔；Pi＞1為污染水平，且Pi越大，累積越嚴重。為全面反映各重金屬元素對土壤的不同作用，突出高濃度重金屬元素對環(huán)境質(zhì)量的影響，同時采用了內(nèi)梅羅綜合累積指數(shù)法[12]。內(nèi)梅羅綜合累積指數(shù)P≤0.7污染等級為安全，0.7＜P≤1污染等級為警戒水平，1＜P≤2污染等級屬于輕度累積，2＜P≤3時達到中度累積，P越大累積越嚴重。

從表4可以看出，3種種植模式下土壤中7種重金屬的Pi值各不相同，其中有機種植下Cd和Cr屬重度累積，有機種植下Cu、Zn、Pb、無公害種植下Cd、無公害和常規(guī)種植下Cr以及3種種植模式下As屬中度累積，其他皆為輕度累積。相比較而言，Ni在土壤中累積風險相對較小，在3種種植模式下都為輕度累積。總體來看，綜合累積指數(shù)表現(xiàn)為ORG＞LOW＞CON，其中ORG綜合累積指數(shù)大于3，屬重度累積，而LOW和CON綜合累積指數(shù)在2～3之間，屬中度累積。2.2.2重金屬生態(tài)風險評價

潛在生態(tài)風險指數(shù)法是由瑞典科學(xué)家Hakanson提出并用于評價土壤中重金屬的方法，不僅反映了某一特定環(huán)境中各種污染物的影響，也反映了多種污染物的綜合影響，并以定量的方法劃分出潛在危害程度，是一種綜合反應(yīng)土壤中重金屬對生態(tài)環(huán)境影響潛力的方法[13]。單項潛在生態(tài)風險系數(shù)Ei＜40屬于輕微生態(tài)危害，40≤Ei＜80屬于中等生態(tài)危害，多種重金屬潛在生態(tài)風險指數(shù)RI＜150處于輕微生態(tài)危害，Ei和RI值越大，生態(tài)危害程度越大。

根據(jù)表5，土壤中潛在生態(tài)風險最大的元素為Cd，表現(xiàn)出輕微生態(tài)危害程度，其次是As、Ni、Pb、Cu、Cr，危害程度最小的是Zn。3種種植模式下的各個重金屬元素Ei值都小于40，均未造成生態(tài)系統(tǒng)的風險。潛在生態(tài)危害指數(shù)RI可以表征重金屬元素對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的影響，反映總的污染造成的生態(tài)風險。如表5所示，3種種植模式的RI值均小于150，屬于輕微生態(tài)危害程度。相比較而言，3種模式下7種重金屬的綜合生態(tài)風險指數(shù)表現(xiàn)為ORG＞LOW＞CON，有機種植模式下土壤中潛在的生態(tài)風險指數(shù)最高。

3 討論

土壤重金屬含量的變化受成土母質(zhì)和人為資源輸入的影響極大，而且土壤重金屬是目前很受關(guān)注的土壤污染之一[14]，土壤中重金屬含量對土壤環(huán)境質(zhì)量有很大影響。目前重金屬已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可忽視的重要污染物，重金屬含量的增加不但會造成土壤污染，影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與品質(zhì)，而且可通過食物鏈危害動物和人類的生命健康[15]。本研究對重金屬的污染評價分為累積評價和生態(tài)風險評價兩部分，累積評價是為了評估不同種植模式土壤中重金屬的累積程度，國內(nèi)已有很多研究報道了長期施肥下會出現(xiàn)土壤重金屬元素的累積富集現(xiàn)象，而有機種植長期大量施用有機肥是否也會存在類似的問題，值得我們關(guān)注和研究；生態(tài)風險評價是為了評估試驗地重金屬的污染風險，土壤重金屬會遷移到其他生態(tài)系統(tǒng)，通過污染食物、大氣和水環(huán)境間接影響環(huán)境質(zhì)量，對人類的生存和發(fā)展有著嚴重的威脅[13]，因此對土壤重金屬污染風險進行評價具有重大意義。

表3 不同種植模式下土壤重金屬含量（mg·kg-1）Table 3 Heavy metals content in soil under different planting patterns（mg·kg-1）

表4 不同種植模式下土壤重金屬的單因子指數(shù)和綜合累積指數(shù)Table 4 Single factor index and comprehensive cumulative index of heavy metals in soil under different planting patterns

表5 不同種植模式下土壤重金屬潛在生態(tài)風險系數(shù)和潛在生態(tài)風險指數(shù)Table 5 Potential ecological risk factors and potential ecological risk indices of heavy metals in soil under different planting patterns

長期定位試驗地進行了長達15 a的蔬菜溫室種植，且施肥量較大，因此3種種植模式下土壤重金屬都有不同程度的累積，富集效應(yīng)比較明顯。然而Ni在3種種植模式下累積風險均較小，可能是由于所施有機肥和化肥中Ni的含量較低，盡管長期施用但沒有向土壤中輸入過多的Ni，因此調(diào)查地區(qū)土壤Ni含量均較低。研究結(jié)果表明，有機種植下Zn、Cd和Cr累積較為嚴重，這主要是因為目前集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)廣泛使用的飼料添加劑中含有大量的Zn、Cd、Cr等重金屬[16-18]，而這些重金屬不能被動物完全吸收，大部分隨糞便排出體外[19]，因此與普通化肥相比[20-21]，畜禽糞便有機肥中這些元素的含量更高。其次，根據(jù)評價結(jié)果，雖然3種種植模式生態(tài)風險都屬輕微生態(tài)危害程度，但相比較而言仍是有機種植下土壤重金屬污染最為嚴重，Kumar等[22]、王開峰等[23]、唐政等[24]的研究也都發(fā)現(xiàn)有機種植土壤中重金屬污染風險較大，支持了本文的評價結(jié)果。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，重金屬主要來源于農(nóng)用物資，而本研究區(qū)是有機種植長期定位試驗站，試驗區(qū)不受工業(yè)廢物及污水灌溉影響，試驗地又是溫室大棚管理模式，所以也不存在由降塵帶來的重金屬污染，因此有機種植重金屬累積主要源于長期大量施用有機肥中的重金屬元素。由于在非自然養(yǎng)殖條件下，規(guī)模化養(yǎng)殖的飼料添加劑和農(nóng)藥中通常含有多種重金屬[25]，因此利用養(yǎng)殖場的畜禽糞制作的有機肥也必然含有重金屬。在有機種植過程中，如果不能控制有機肥來源，施用的商品有機肥質(zhì)量參差不齊，難免會給土壤帶來一定重金屬污染的風險。根據(jù)15 a長期定位試驗的土壤重金屬元素累積情況，估算土壤中重金屬平均年增加量，同時參照潛在生態(tài)風險指數(shù)法劃定的等級值估算出土壤對重金屬的最高承載年限，為今后有機種植合理管控風險提供參考[26]。7種重金屬元素中Cd累積最快，若仍然按照這種速率累積，則5 a后Cd的生態(tài)風險將達到輕微生態(tài)危害水平，因此今后在有機種植的各個環(huán)節(jié)中應(yīng)盡量規(guī)避這種風險，加強對有機肥源的監(jiān)控，合理施肥，防止重金屬在土壤中的富集和污染，以促進有機種植的持續(xù)健康發(fā)展。

本研究在長期定位試驗的基礎(chǔ)上對蔬菜溫室不同種植模式下土壤重金屬污染狀況進行了研究，經(jīng)過15 a的長期定位種植數(shù)據(jù)可靠，且目前國內(nèi)有機種植長期定位試驗站少，因此對于有機種植健康合理發(fā)展具有很好的借鑒意義。同時，本文綜合運用不同評價方法對不同種植模式下土壤重金屬污染進行綜合評價，單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法是國內(nèi)通用的重金屬污染評價方法，以2002年初始值為評價標準，反映了不同種植模式下土壤重金屬的累積程度，潛在生態(tài)風險指數(shù)法是土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價的一種常用方法，以溫室蔬菜產(chǎn)地標準作為參比值，對不同種植模式的生態(tài)風險進行了評價，全面地反映了土壤污染狀況，評價結(jié)果可靠，對了解長期有機種植模式下土壤重金屬累積特點與污染風險有一定的參考意義。近年來，有機農(nóng)業(yè)的面積和種植者數(shù)目不斷增加，全球有機食品市場正在以年均20%～30%的速度增長[27]，因此為保證有機農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展，必須對大量施用有機肥帶來的土壤重金屬污染保持高度重視，也需要對更多的有機農(nóng)場進行調(diào)查和檢測分析，并加強有機農(nóng)場有機肥質(zhì)量監(jiān)控。

4 結(jié)論

（1）從土壤各重金屬指標的含量來看，3種種植模式土壤中Zn、Cd和Cr含量有顯著差異，基本表現(xiàn)為ORG＞LOW＞CON，其中Cd累積最為嚴重，在有機和無公害種植模式下超過了溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準，甚至在有機種植下還達到了重度累積，需引起重視。

（2）與2002年土壤初始值相比，3種種植模式下土壤重金屬累積風險表現(xiàn)為ORG＞LOW＞CON，其中有機種植屬重度累積，而無公害和常規(guī)種植屬中度累積，因此有機種植會對土壤產(chǎn)生一定的重金屬累積風險。

（3）以溫室蔬菜產(chǎn)地標準為參比值，經(jīng)過15 a的長期定位試驗，3種種植模式下的各個重金屬元素均未造成生態(tài)系統(tǒng)的風險，試驗地沒有產(chǎn)生較大的環(huán)境風險，3種種植模式的綜合生態(tài)風險指數(shù)表現(xiàn)為ORG＞LOW＞CON，因此應(yīng)加強有機農(nóng)場有機肥質(zhì)量監(jiān)控，以確保有機農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。