種植年限及栽培方式對菜田土壤重金屬積累的影響

王素萍，杜 雷，郭翠英，黃 翔，張貴友，洪 娟，，練志誠，姜 利，張利紅，葉莉霞，，陳 鋼，

（1.武漢市農業科學院環境與安全研究所，武漢 430345；2.華中農業大學資源與環境學院，武漢 430070）

武漢市適宜的氣候環境、發達的交通運輸和較大的蔬菜需求，為蔬菜產業發展提供了巨大的市場，因此，武漢市城郊的蔬菜種植面積逐年擴大。近年來，隨著菜地種植強度的增大和年限的延長，不當的管理措施產生的負面影響日益嚴重，土壤養分含量明顯增加［1］，土壤酸化［2，3］、重金屬累積［4］等問題導致土壤質量下降，同時增加了對周圍水體及種植作物的污染風險［5］。其中，土壤重金屬含量將通過食物鏈影響人體健康，直接關系到食物安全及人類和動物健康［6］，且土壤重金屬污染具有長期性、隱蔽性、持久性和難逆性等特點［7］。

關于土壤重金屬污染現狀的特征分析國內已有較多報道，已有學者對北京、天津、上海、長沙、杭州、重慶、廣州、海口等地的菜田土壤重金屬污染狀況進行了一系列的調查研究［8-16］，但是多數研究集中于空間分布和污染風險分析方面［17，18］，針對蔬菜類型、種植年限及栽培方式對土壤重金屬含量影響的研究較為鮮見。本研究較全面地分析了不同蔬菜類型、種植年限及栽培方式對土壤重金屬含量的影響，比較了土壤中重金屬總含量和有效態含量狀況，結合土壤重金屬的生物有效性合理規劃種植，以減少土壤中重金屬元素的危害，旨在為農業的安全生產和合理規劃提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究對象

武漢市地處長江中下游平原、江漢平原東部，占地面積8 488 km2，轄7 個中心城區和6 個新城區。本研究選取蔡甸區、江夏區、黃陂區、東西湖區、新洲區、漢南區具有代表性的蔬菜種植基地進行土壤樣品采集，共采得耕作層土樣241 個。

1.2 測定方法

1.2.1 土壤中全量Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 的測定方法 稱取0.149 mm 過篩（100 目）的土壤樣品0.150 g，置于特制的PTFE 材質消解杯中，加入4 mL 消解用多酸體系（HNO3+HF+HClO4）后，密封置于電熱板上。升溫至120 ℃放置過夜后，繼續升溫至160 ℃，保持1 h 后升溫至180 ℃，繼續保持6 h，冷卻至100 ℃左右，開蓋，140 ℃揮發至無棕色煙冒出為止［19］。用去離子水沖洗消解杯，使樣品完全轉移至50 mL 容量瓶中，定容至刻度，用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）測定。

1.2.2 土壤中全量As、Hg 的測定方法 稱取過100目篩的土壤0.250 g 于25 mL 比色管中，加入10 mL王水（HCl∶HNO3=3∶1）搖勻，在沸水浴中分解2 h，每30 min 搖動1 次，取下冷卻，加入重鉻酸鉀溶液1～2滴，加5%硫脲+5%抗壞血酸混合液2.5 mL，用水稀釋至25 mL，過濾，原子熒光光度計（AFS-9700）測定全量As、Hg［20］。

1.2.3 土壤中有效態Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、As、Hg的測定方法 稱取過20 目篩的土壤樣品10 g，按照土∶液為1∶5，加入0.10 mol∕L 的HCl 50 mL，轉速180 r∕min，25 ℃條件下振蕩90 min，將浸提離心液用定量濾紙過濾于聚乙烯瓶中，低溫保存，待測［21］。采用電感耦合等離子質譜儀（ICP-MS）測定有效態Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 含 量，用 原 子 熒 光 光 度 計（AFS-9700）測定有效態As、Hg 含量。

2 結果與分析

2.1 不同種植年限對耕層土壤中重金屬含量的影響

2.1.1 不同種植年限對耕層土壤中重金屬全態含量的影響 將黃陂區不同種植年限的土壤中重金屬全態含量的進行分析，結果（表1）顯示，耕層的土壤中Cu 和Zn 的全態含量呈現相同的積累趨勢，在種植年限<5年與5～10年的土壤中Cu 和Zn 的全態含量差異不大，但明顯低于種植年限10～15、15～20年的全態含量；耕層土壤中As、Cd、Ni、Pb 的全態含量隨種植年限的增加呈遞增的趨勢。

表1 不同種植年限對菜地耕層土壤中重金屬全態含量的影響

2.1.2 不同種植年限對耕層土壤中重金屬有效態含量及生物有效性系數的影響 種植年限<5、5～10、10～15、15～20年的樣本量分別為25、19、16、19。對不同種植年限的耕層土壤中重金屬元素的有效態含量進行分析，結果（表2）顯示，耕層土壤As 的有效態含量平均值在種植年限為5～10年時最大，Cd、Cr、Cu、Pb、Zn 的有效態含量在種植年限為10～15年時最大，Ni 的有效態含量在種植年限為15～20年時最大，Hg 的有效態含量在不同種植年限的土壤中差別不大，即有效態含量與種植年限之間無明顯的規律。

對其生物有效性系數進行分析，結果（表2）顯示，As、Cd 在不同種植年限土壤中生物有效性系數差別不大，Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 的生物有效性系數在種植年限為10～15年的土壤中最大，Ni 的生物有效性系數在種植年限低于5年的土壤中最大。

2.2 不同栽培方式對菜田耕層土壤中重金屬含量的影響

2.2.1 不同栽培方式對土壤重金屬全態含量的影響 黃陂區菜田不同栽培方式的土壤中重金屬全態含量見表3。由表3 可知，As、Cd、Hg、Ni 的全態含量均是露地栽培高于設施栽培，Cr、Cu、Pb、Zn 的全態含量均是設施栽培高于露地栽培。

2.2.2 不同栽培方式對耕層土壤中重金屬有效態含量及生物有效性系數的影響 設施栽培和露地栽培的樣本量分別為59 和38，對不同栽培方式的土壤中重金屬有效態含量的平均值進行分析，結果如表4 所示。菜田耕層土壤中As、Cd、Ni 的有效態含量是露地栽培高于設施栽培，Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 的有效態含量是設施栽培高于露地栽培。

表2 不同種植年限對耕層土壤中重金屬有效態含量及生物有效性系數的影響

表3 不同栽培方式對菜田耕層土壤中重金屬全態含量的影響

對不同栽培方式土壤中重金屬生物有效性系數的平均值進行分析，結果（表4）顯示，耕層土壤中Ni的生物有效性系數是露地栽培高于設施栽培，As、Cr、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn 的生物有效性系數是設施栽培高于露地栽培，且Cd、Cr、Cu、Pb 的生物有效性系數在露地栽培與設施栽培中差別較大。

表4 不同栽培方式對耕層土壤中重金屬有效態含量及生物有效性系數的影響

2.3 種植不同種類蔬菜對耕層土壤中重金屬含量的影響

2.3.1 種植不同種類蔬菜對土壤重金屬全態含量的影響 對黃陂區菜田種植不同蔬菜種類的土壤中重金屬全態含量進行分析，結果如表5 所示。As 的全態含量表現為葉菜類>根莖類>瓜果類，Cd 的全態含量表現為根莖類>瓜果類>葉菜類，Cr、Cu、Pb、Zn 的全態含量表現為葉菜類>瓜果類>根莖類，Hg 的全態含量表現為瓜果類>葉菜類>根莖類，Ni 的全態含量表現為根莖類>葉菜類>瓜果類。

葉菜類菜田土壤中As、Cr、Cu、Pb、Zn 的全態含量高于瓜果類和根莖類，瓜果類菜田土壤中Hg 的全態含量高于葉菜類和根莖類，根莖類菜田土壤中Cd、Ni 的全態含量高于瓜果類和葉菜類。

2.3.2 種植不同種類蔬菜對土壤中重金屬有效態含量及生物有效性系數的影響 根莖類、瓜果類、葉菜類的樣本量分別為10、34、48，對種植不同蔬菜種類土壤中有效態含量及其生物有效性系數進行分析，結果如表6 所示。種植不同蔬菜種類土壤中As、Pb的有效態含量表現為瓜果類>葉菜類>根莖類；種植不同蔬菜種類土壤中Cd 的有效態含量表現為根莖類>葉菜類>瓜果類；種植不同蔬菜種類土壤中Cr、Cu、Hg、Ni 的有效態含量表現為葉菜類>瓜果類>根莖類；種植不同蔬菜種類土壤中Zn 的有效態含量表現為葉菜類>根莖類>瓜果類。即As 和Pb 的有效態含量在種植瓜果類作物的土壤中較高；Cr、Cu、Hg、Ni 和Zn 有效態含量在種植葉菜類作物的土壤中較高；Cd 的有效態含量在種植根莖類作物的土壤中較高。

表5 種植不同種類蔬菜對耕層土壤中重金屬含量的影響

對土壤中生物有效性系數進行研究，結果（表6）顯示，As、Cd 的生物有效性系數表現為根莖類>葉菜類>瓜果類，Cr 的生物有效性系數表現為瓜果類=葉菜類>根莖類，Cu、Hg、Ni 的生物有效性系數表現為葉菜類>瓜果類>根莖類，Pb 的生物有效性系數表現為瓜果類>根莖類>葉菜類。Zn 的生物有效性系數表現為葉菜類>根莖類>瓜果類。總體來說，Cu、Hg、Ni 和Zn 的生物有效性系數在種植葉菜類作物的土壤中最大；As 和Cd 的生物有效性系數在種植根莖類作物的土壤中最大；Cr 和Pb 的生物有效性系數在種植瓜果類作物的土壤中最大。

表6 種植不同蔬菜種類對土壤中重金屬有效態含量及生物有效性系數的影響

3 小結與討論

1）在不同種植年限的菜田土壤中，As、Cd、Ni、Pb 的全態含量隨種植年限的增加呈遞增的態勢，這與薛延豐等［1］對蘇北地區不同種植年限的菜地土壤研究結果一致，土壤中As、Cd、Pb 的全態含量隨種植年限的增加而升高，但土壤中Hg、Cr、Cu、Zn 的全態含量與種植年限之間沒有明顯的規律性。As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 的生物有效態含量、生物有效性系數與種植年限之間并不是單調的遞增關系，Cd、Cr、Cu、Pb、Zn 的有效態含量在種植年限為10～15年時最高；Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 的生物有效性系數在種植年限為10～15年的土壤中最大。田園［22］曾對單一和復合污染的土壤進行培養，結果表明，土壤中重金屬的有效態含量隨進入土壤體系時間的延長先迅速降低，在一段時間后達到平衡。吳曼［23］對重金屬老化過程進行研究時，也發現相似的規律。但是在本研究中，可能是由于在實際的生產中條件更為復雜，相關的研究并沒有發現類似的規律。

2）露地栽培的土壤中As、Cd、Hg、Ni 的全態含量高于設施栽培，Cr、Cu、Pb、Zn 的全態含量低于設施栽培；露地栽培的土壤中As、Cd、Ni 的有效態含量高于設施栽培，Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 的有效態含量低于設施栽培；露地栽培的土壤中Ni 的生物有效性系數大于設施栽培，As、Cr、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn 的生物有效性系數低于設施栽培。楚純潔等［24］對設施菜地和露天菜地土壤中重金屬全態含量的研究結果也表明，對于菜田土壤中的Cr、Cu、Pb、Zn 全態含量設施栽培高于露地栽培。

3）葉菜類菜田土壤中As、Cr、Cu、Pb、Zn 的全態含量高于瓜果類和根莖類土壤中的含量，Hg 的全態含量在瓜果類土壤中的含量最高，Cd、Ni 的全態含量在根莖類土壤中的含量最高；種植葉菜類土壤中Cr、Cu、Hg、Ni 的有效態含量最高，葉菜類土壤中Cu、Hg、Ni、Zn 的生物有效性系數最大。總體來說，葉菜類土壤更易富集重金屬元素。