大棚輪作對土壤重金屬污染的修復(fù)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(nóng)業(yè)的發(fā)展，蔬菜大棚在農(nóng)業(yè)產(chǎn)值方面取得了可觀的收益，但封閉式大棚內(nèi)的土壤因使用周期、化肥農(nóng)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(diào)查對象，采集20多個不同設(shè)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(shù)、土壤去除率等評定土壤和農(nóng)作物現(xiàn)狀，比較出不同輪作方式下能夠修復(fù)和控制土壤中重金屬污染的最優(yōu)輪作方式。

關(guān)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著重要的作用，其健康指標是衡量人類生存環(huán)境的重要指數(shù)。但近年來由于過度使用農(nóng)業(yè)化肥、農(nóng)藥以及大棚使用年限的增長等原因，導(dǎo)致我國蔬菜大棚頻繁出現(xiàn)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(shù)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(xué)過程，會形成不同形態(tài)的絡(luò)合物，嚴重時可導(dǎo)致土壤失去自然生產(chǎn)力，成為不毛之地[4-5]。

重金屬在土壤環(huán)境中具有一定的相對穩(wěn)定性，因此治理重金屬污染要花費巨大的代價。據(jù)測算，在發(fā)達國家利用掩埋法清除0.4 hm2土地內(nèi)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(xué)方法或微生物法不僅具有二次污染，且現(xiàn)場施工過程復(fù)雜，難以有效地付諸實施。Ilya Raskin認為植物修復(fù)所取得的最大的進步是去除環(huán)境中的重金屬之后，利用植物去除環(huán)境中污染物的植物修復(fù)技術(shù)備受關(guān)注[7]。環(huán)境科學(xué)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(nóng)業(yè)活動用于去除環(huán)境中重金屬的可能性，在研究范疇與觀念上發(fā)生了一定的變化，希望探索合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，以修復(fù)、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(shè)施蔬菜大棚及資源與環(huán)境試驗基地進行了該實驗。太谷縣位于東經(jīng)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(shè)計

為滿足較高重金屬累積的研究需求，本實驗通過調(diào)查種植年限達5年及以上的大棚，采取輪作方式一年內(nèi)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(nèi)農(nóng)作物的種植情況、每種植一茬作物所使用化肥的種類、結(jié)構(gòu)、比例以及用量、部分蔬菜水果噴灑農(nóng)藥的種類等情況，具體情況見表1。試驗共設(shè)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(fēng)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(yǎng)皿中，然后把培養(yǎng)皿放入烘箱中，經(jīng)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(jù)《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(jù)《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(shù)據(jù)處理分析

2.4.1 富集系數(shù)

富集系數(shù)指植物某一部位的元素含量與土壤中相應(yīng)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(yīng)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(jié)果處理采用Excel進行統(tǒng)計分析、計算及作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 太谷縣主要設(shè)施大棚內(nèi)土壤重金屬污染情況

結(jié)合表2、表3、表4對太谷縣所采集蔬菜大棚內(nèi)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(nèi)土壤重金屬Cd超過國家一級環(huán)境質(zhì)量標準，其數(shù)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(huán)境質(zhì)量標準，卻并未超過國家二級指標，尚在安全范圍之內(nèi)。

3.2 太谷縣主要設(shè)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(zhì)修復(fù)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(fù)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(chǎn)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?xí)r，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(chǎn)生結(jié)果的差異，其原因可能是植物對于農(nóng)家肥、復(fù)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(yè)及自然環(huán)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(shè)施蔬菜大棚中重金屬的堆積與棚齡的增長呈正相關(guān)關(guān)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(shè)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(nèi)土壤所受Zn、Cu污染程度遠遠大于Cd，可能是因為菜農(nóng)經(jīng)常施用帶有大量Cu、Zn元素的農(nóng)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(jié)論。但關(guān)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(zhì)。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(fù)土壤的影響因子較復(fù)雜，包括施撒農(nóng)藥化肥的濃度及污染時間、土壤pH值、水分及有機質(zhì)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(fā)現(xiàn)，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(fù)效果[11]。文典、李富榮也在菜稻菜輪作模式的實驗中發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)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(jié)論

1）太谷縣所采集大棚內(nèi)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(huán)境安全，部分可能含量較高，應(yīng)采取一定的控制措施。2）通過對不同種類蔬菜的富集系數(shù)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(guān)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(fù)的實驗中應(yīng)避免對環(huán)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(zhì)，如施肥、農(nóng)藥種類、農(nóng)藥濃度等對土壤及植物重金屬形態(tài)之間的關(guān)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(zhì)以及對重金屬的吸收還有待進一步驗證。

參考文獻：

[1] 朱蘭保，盛蒂.重金屬污染土壤生物修復(fù)技術(shù)研究進展[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2011（2）：24-25.

[2] 馬曉瑾，劉子姣.太谷縣瑪鋼廠周邊蔬菜地土壤重金屬污染現(xiàn)狀及生態(tài)風(fēng)險評價[J].山西科技，2017，32（6）：92-96.

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

[4] 姚冬而.水稻田的鋅毒害及其防治措施[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，1997（3）：127-128.

[5] 蔣玉根.農(nóng)藝措施對降低污染土壤重金屬活性的影響[J].土壤，2002（3）：145-148.

[6] Ilya Raskin，Robert D Smith，David E Salt.Phytoremediation of Metals：Using Plants to Remove Pollutants from the Environment[J].Current Opinion in Biotechnology，1997，8（2）：221-226.

[7] 桑偉蓮，孔繁翔.植物修復(fù)研究進展[J].環(huán)境科學(xué)展，1999，7（3）：40-44.

[8] 方勇.不同棚齡土壤重金屬含量變化及污染評價[J].山西果樹，2012（1）：58-61.

[9] 李德成，花建明，李忠佩，等.不同利用年限蔬菜大棚土壤中微量元素含量的演變[J].土壤，2003，35（6）：495-499.

[10] 何江華，柳勇，王少毅，等.蔬菜對重金屬富集能力的研究——以廣州蔬菜生產(chǎn)基地為例[J].重慶環(huán)境科學(xué)，2003，25（12）：4-6.

[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(fù)[J].生態(tài)學(xué)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(tài)分布的影響研究[J].熱帶作物學(xué)報，2014，35（7）：1272-1277.

（責任編輯：趙中正）