天門市蔬菜基地土壤重金屬累積特征與潛在生態(tài)危害評價

沈體忠 陶齊成 彭文勇 黎慶容

摘要：以天門市5個蔬菜基地土壤為研究對象，研究土壤中重金屬含量特征與累積特征，分析污染物的來源，并采用Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法對土壤中重金屬的潛在生態(tài)危害進(jìn)行了評價。結(jié)果表明，天門市5個蔬菜基地土壤重金屬Hg、Cd、As、Cr、Pb、Cu的平均含量分別為0.066、0.168、6.850、67.940、10.730和27.090 mg/kg，均低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)值，但Hg、Cd、Cr、Cu在不同基地高于湖北土壤背景值，呈現(xiàn)出明顯的累積現(xiàn)象，其土壤重金屬綜合累積水平為輕度累積；大氣中重金屬沉降，施用含有重金屬的化肥、農(nóng)藥、畜禽糞便、生活垃圾以及地膜殘留是土壤中重金屬的主要污染來源。潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結(jié)果表明，土壤重金屬的潛在生態(tài)危害程度處于輕微生態(tài)危害狀態(tài)，Hg和Cd為土壤中主要生態(tài)危害因子。

關(guān)鍵詞：蔬菜基地；土壤；重金屬；累積；來源；生態(tài)危害

中圖分類號：X830；X820.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）09-2016-05

土壤是人類的衣食之源和生存之本，即便是經(jīng)濟(jì)技術(shù)高速發(fā)展的今天，土壤依然是最基本的生產(chǎn)要素和各種經(jīng)濟(jì)關(guān)系的物質(zhì)載體。然而，隨著現(xiàn)代工業(yè)和城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，工業(yè)“三廢”、生活廢棄物的大量增加，化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等投入品大量使用，致使農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境受到不同程度的污染[1]。重金屬在農(nóng)田土壤中的累積會引起復(fù)雜生物效應(yīng)，一方面會制約作物生長發(fā)育，促進(jìn)早衰，降低產(chǎn)量，并對營養(yǎng)元素的吸收起到頡頏作用從而降低農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)；另一方面，土壤中的重金屬可以通過根系進(jìn)入植物體，再通過食物鏈的傳遞和富集，最終危害人體健康[2]。由于重金屬元素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其土壤污染過程具有隱蔽性、長期性和不可逆性等特點而受到全社會的廣泛關(guān)注。

蔬菜在國民生活中占有重要的地位，是日常生活中必不可少的食物。目前，蔬菜基地已成為我國大中城市蔬菜的主要供應(yīng)源。一般來講，蔬菜基地蔬菜生產(chǎn)具有集約化程度高、農(nóng)業(yè)投入品施用強(qiáng)度大、灌溉用水比旱作物多等特點，導(dǎo)致各種外源污染物進(jìn)入農(nóng)田土壤的幾率也高，勢必造成重金屬元素在土壤中累積，直接影響蔬菜的質(zhì)量安全。因此，對天門市蔬菜基地土壤重金屬的累積狀況與潛在生態(tài)危害進(jìn)行評價有著重要意義。本研究通過對天門市5個主要蔬菜基地土壤進(jìn)行采樣監(jiān)測，揭示土壤中重金屬的累積動態(tài)，分析污染物來源，并評估其潛在生態(tài)危害程度，以期為蔬菜基地生態(tài)環(huán)境保護(hù)和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天門市位于鄂中，地處江漢平原北部，漢江下游左岸，跨東經(jīng)112°35′-113°28′，北緯30°23′-30°54′，屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。多年日均氣溫16.4 ℃，年平均降雨量1 113.3 mm，日照時數(shù)1 872.4 h，無霜期249.6 d。天門市在菜藍(lán)子工程建設(shè)中先后在河湖平原的多寶、張港、蔣場、黃潭、岳口、小板、楊林、沉湖及崗狀平原的九真、皂市等鄉(xiāng)鎮(zhèn)建立了10個蔬菜基地，基地面積1.214萬hm2，占天門市耕地總面積的11.21%。本研究區(qū)選擇在河湖平原，該區(qū)土壤發(fā)育于江漢近代河流沖積物（Q4），基地土壤為灰潮土，土壤有較強(qiáng)的石灰性反應(yīng)，主要土壤類型是灰油沙土和灰正土。

1.2 樣品采集與制備

調(diào)查采樣時，按照必須有重金屬元素的污染源，采樣點具有代表性和典型性，不同采樣點應(yīng)選在相同類型母質(zhì)上以避免因母質(zhì)不同而產(chǎn)生差異[3]的原則，選擇河湖平原的多寶、張港、黃潭、小板、楊林等5個蔬菜基地為采樣區(qū)，共布設(shè)21個采樣點，每個采樣點按梅花點法5點取樣，用竹鏟等量采集0～20 cm耕層土壤，混合均勻后用四分法留取1 kg混合土樣。土樣經(jīng)自然風(fēng)干，剔除樣品中碎石、沙礫及植物殘體，用木棍碾碎并用瑪瑙研缽研磨，分別過20目和100目尼龍篩裝袋備用。

1.3 分析方法

1.5 土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)評價方法

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量特征

天門市主要蔬菜基地土壤重金屬含量的統(tǒng)計特征值及湖北省土壤背景值、國家土壤Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)值列于表3。由表3可知，天門市主要蔬菜基地土壤重金屬Hg、Cd、As、Cr、Pb、Cu的總體平均含量分別為0.066、0.168、6.850、67.940、10.730和27.090 mg/kg。然而，由于人類干擾強(qiáng)度的不同，5個蔬菜基地土壤中6種重金屬元素的濃度已呈現(xiàn)出較為明顯的空間分布特征。差異顯著性分析發(fā)現(xiàn)，Cd、Cr和Pb以楊林基地土壤含量最高，與多寶、張港、黃潭、小板4個基地土壤含量存在顯著差異；Hg與Cu則以黃潭基地土壤含量最高，與多寶、張港、小板、楊林4個基地土壤含量也存在顯著差異；而土壤中As含量黃潭、小板、楊林3個基地土壤含量差異不顯著，但與多寶、張港2個基地土壤含量均有顯著差異。

與湖北省土壤背景值[4]相比，5個蔬菜基地土壤重金屬的平均含量除As、Pb外，黃潭和小板基地的Hg、楊林基地的Cd、多寶與楊林基地的Cr以及黃潭基地的Cu均高于相應(yīng)元素的背景值，存在明顯的累積現(xiàn)象；與保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)人體健康的國家土壤Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)值[6]相比，21個供試土樣重金屬Hg、Cd、As、Cr、Pb、Cu的含量均在標(biāo)準(zhǔn)限量內(nèi)。由此可見，天門市主要蔬菜基地土壤中As、Pb處于本底狀態(tài)，Hg、Cd、Cr、Cu在不同基地高于湖北土壤背景值，但低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)值，土壤尚沒被污染，只是受到外源污染物Hg、Cd、Cr、Cu的輕度玷污，其土地利用一般不受限制[7]。

2.2 土壤重金屬累積特征

2.3 土壤重金屬來源

農(nóng)田土壤重金屬來源于成土母質(zhì)和人類活動，同一來源的重金屬之間存在著相關(guān)性，因此可根據(jù)土壤中重金屬全量相關(guān)性推測重金屬來源。若不同重金屬間有顯著的相關(guān)性，說明有相同來源的可能性較大，否則來源不止一個。由表5可知，天門市主要蔬菜基地土壤中，Cr與Pb的相關(guān)系數(shù)最大，為0.709，達(dá)到極顯著正相關(guān)水平；其次，Hg與Cu、As與Cu、Cd與Pb的相關(guān)系數(shù)分別為0.637、0.620、0.548，也均達(dá)到極顯著正相關(guān)水平，表明Pb、Cu及Cr同源的概率較大。

根據(jù)實地調(diào)查及有關(guān)資料分析，天門市主要蔬菜基地土壤中外源重金屬以4種來源為主。來源一為大氣中重金屬沉降。大氣中的重金屬主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣排放及汽車輪胎磨損產(chǎn)生的大量含有重金屬的有害氣體和粉塵等，大多數(shù)是經(jīng)自然沉降和雨淋沉降而進(jìn)入土壤[9]。來源二為施用含有重金屬的化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)化學(xué)投入品。通常化肥中含有一定成分的重金屬，一般磷肥、含磷復(fù)合肥含有較高的Hg、Cd、As和Pb等重金屬元素，氮肥和鉀肥中這些重金屬元素含量較低，但氮肥中Pb的含量較高。天門市分別始于1951年、1954年和1972年在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上施用氮肥、磷肥和復(fù)合肥。我國第一次農(nóng)業(yè)污染源普查結(jié)果顯示，天門市2007年度純N施用量為788.85 kg/hm2，P2O5為345.45 kg/hm2，其單位面積施用量雙雙位居全省各地、市、州的第一名，分別是全省平均施用量的1.52倍和1.67倍?？梢?，天門市如此長時間、高強(qiáng)度地施用氮肥、磷肥和復(fù)合肥，必然會造成Hg、Cd、As、Pb等重金屬元素在農(nóng)田土壤中的累積。同時，天門市主要蔬菜基地一般由老棉田演變而來，曾于1971年前多年使用汞制劑農(nóng)藥氯化乙基汞（西力生）和醋酸苯汞（賽力散）、1962年起使用銅制劑農(nóng)藥硫酸銅和1972年起使用砷制劑農(nóng)藥甲基胂酸鋅（稻腳青）防治棉花苗病，以及改種蔬菜后使用各種銅制劑農(nóng)藥防治蔬菜病害，導(dǎo)致Hg、Cu、As等重金屬元素在農(nóng)田的累積。來源三為施用含有重金屬的畜禽糞便與生活垃圾。隨著現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展，飼料中一般都含有一定量的Cu、As等重金屬元素，這些重金屬元素隨糞便排出體外，施入農(nóng)田后在土壤中累積。據(jù)估算[10]，2006年度天門市僅豬糞、雞糞中Cu、As的排放量全市耕地平均污染負(fù)荷量就達(dá)1.738和0.223 kg/hm2。而農(nóng)村生活垃圾堆肥中往往重金屬含量也比較高，如垃圾中電池、日光燈管、體溫計等含Hg廢棄物較多，施入農(nóng)田其重金屬也會在土壤中累積。來源四為地膜殘留。天門市從1982年開始推廣地膜覆蓋技術(shù)，但因地膜強(qiáng)度低，易破碎，使用后難以撿拾回收，地膜殘留量大，造成了土壤的白色污染，且覆蓋年限越長，污染也越嚴(yán)重[11]。由于地膜在生產(chǎn)過程中加入了含有Cd、Pb的熱穩(wěn)定劑，殘留地膜中的Cd、Pb向土壤中滲透、遷移，污染其土壤[12]。

2.4 土壤重金屬潛在生態(tài)危害評價

3 結(jié)論

1）天門市主要蔬菜基地土壤重金屬As、Pb處于本底狀態(tài)，Hg、Cd、Cr、Cu在不同基地高于湖北土壤背景值，但低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)值，土壤尚沒被污染，只是受到外源污染物的輕度玷污，其土地利用一般不受限制。

2）土壤重金屬累積性評價結(jié)果表明，Hg、Cd、Cr、Cu在不同蔬菜基地已形成輕度累積，5個基地土壤重金屬綜合累積水平為輕度累積。

3）大氣中重金屬沉降、施用含有重金屬的化肥、農(nóng)藥、禽畜糞便和生活垃圾以及地膜殘留是天門市主要蔬菜基地土壤中重金屬來源的主要貢獻(xiàn)者。

4）潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結(jié)果表明，5個蔬菜基地土壤重金屬的潛在生態(tài)危害程度處于輕微生態(tài)危害狀態(tài)，Hg與Cd為土壤中主要生態(tài)危害因子。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王 軍，陳振樓，王 初，等.上海崇明島蔬菜地土壤重金屬含量與生態(tài)風(fēng)險預(yù)警評估[J].環(huán)境科學(xué)，2007，28（3）：647-653.

[2] 陳迪云，謝文彪，宋 剛，等.福建沿海農(nóng)田土壤重金屬污染與潛生態(tài)風(fēng)險研究[J].土壤通報，2010，41（1）：194-199.

[3] 蘇年華，張金彪，王玉默.福建省土壤重金屬污染及其評價[J].福建農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1994，23（4）：434-439.

[4] 劉鳳枝，馬錦秋.土壤監(jiān)測分析實用手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[5] HAKANSON L. An ecological risk index for aquatic pollution control-A sedimentological approach[J]. Water Research，1980， 14（8）：975-1001.

[6] GB 15618-1995，土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

[7] 夏家淇，駱永明.關(guān)于土壤污染的概念和3種評價指標(biāo)的探討[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2006，22（1）：87-90.

[8] 徐宏林，祝莉玲，楊 軍，等.嘉魚蔬菜基地土壤重金屬污染狀況調(diào)查與評價[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50（7）：1347-1349.

[9] 趙小虎，王富華，張 沖，等.南方菜地重金屬污染狀況及蔬菜安全生產(chǎn)調(diào)控措施[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2007（3）：91-94.

[10] 沈體忠，劉佑林，雷代英，等.武漢城市圈畜禽糞便資源量及養(yǎng)殖業(yè)對環(huán)境的潛在影響——以天門市為例[J].長江大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版·農(nóng)學(xué)卷），2009，6（3）：70-74，78.

[11] 何文清，嚴(yán)昌榮，趙彩霞，等.我國地膜應(yīng)用污染現(xiàn)狀及其防治途徑研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2009，28（3）：533-538.

[12] 袁俊霞.農(nóng)用殘膜的污染與防治[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2003（1）：31-32.

[13] 沈體忠，蔣雙林，王業(yè)鵬，等.湖北省優(yōu)質(zhì)水稻產(chǎn)業(yè)帶土壤重金屬污染現(xiàn)狀與評價——以天門市為例[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009， 48（增刊）：116-120.

[14] 謝正苗，李 靜，陳建軍，等.中國蔬菜地土壤重金屬健康風(fēng)險基準(zhǔn)的研究[J].生態(tài)毒理學(xué)報，2006，1（2）：172-179.