阜陽市設施菜地6種重金屬含量及其生態(tài)風險評價

陳毛華

(阜陽職業(yè)技術學院， 安徽 阜陽 236031)

改革開放40年來，我國設施蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，不僅解決了市民四季蔬菜周年供應問題，而且在豐富蔬菜產(chǎn)品種類、增加菜農(nóng)收入和產(chǎn)業(yè)扶貧方面作出了重要貢獻[1]。目前，我國設施蔬菜種植面積還在不斷擴大[2]，設施蔬菜供應的產(chǎn)量約占當年蔬菜總產(chǎn)量的32%[1]。設施菜地長期處于半封閉、高溫高濕和缺乏淋溶的條件，菜農(nóng)施用農(nóng)藥、化肥勢必會形成重金屬在設施菜地的積累[3-4];長期和高頻率利用設施栽培蔬菜可導致重金屬以一定的形態(tài)在蔬菜中富集，對人類健康形成一定的風險[5]。研究表明，國內(nèi)如山西省[6]、北京市[7]和陜西省[8-9]等地的設施菜地已受到不同程度的重金屬污染。國外設施栽培模式主要是無土栽培，且大多數(shù)用于花卉栽培，施肥和田間管理技術相對比較成熟，進入人體食物鏈較少，因此國外學者對設施土壤中重金屬積累的關注較少[10]。重金屬在土壤環(huán)境中具有隱蔽性、長期性、漸進性、區(qū)域性和難以逆轉(zhuǎn)性等特點[10]，在設施栽培蔬菜中，設施的使用年限往往都比較長，設施菜地重金屬含量隨種植年限的增加而不斷累積[11-13]，從而導致相應的環(huán)境風險增加。在露地栽培向設施栽培轉(zhuǎn)變過程中，土壤pH顯著降低[14]，重金屬溶解度顯著升高[15]，引起重金屬形態(tài)發(fā)生變化[16]，加速重金屬元素向植物體內(nèi)遷移和轉(zhuǎn)化速度，使得土壤對重金屬的吸附減少[17]。受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施肥和施藥的影響，設施菜地耕作層中重金屬含量與土壤養(yǎng)分有明顯的正相關性[18]，同時，施用有機肥也可導致重金屬活性增強而加速重金屬的遷移[19]，促使更多的重金屬被蔬菜所富集[20]。設施菜地的重金屬累積日益嚴重，越來越受到人們的關注[10，21]。阜陽市是一個設施蔬菜生產(chǎn)大市，下轄有3區(qū)、4縣和1個縣級市，其中阜南縣、潁州區(qū)為全國蔬菜產(chǎn)業(yè)重點縣、區(qū)。當?shù)毓庹粘渥?，氣候溫暖，雨量適中，土壤類型為砂姜黑土。阜陽市蔬菜種植總面積約為14萬hm2，其中設施蔬菜面積約為4萬hm2，占比28.57%，其設施蔬菜栽培以早春和秋延后蔬菜為主。阜陽市廣大居民食用的蔬菜50%左右來源于阜陽當?shù)氐脑O施栽培。目前，對阜陽市設施菜地的土壤環(huán)境調(diào)查研究較少。為了解阜陽市設施菜地的土壤情況，對阜陽市設施菜地土壤進行采樣調(diào)查，對其重金屬含量進行測定分析，采用單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對阜陽市設施菜地土壤重金屬污染現(xiàn)狀進行評價，以期為阜陽市設施蔬菜安全生產(chǎn)和土壤污染監(jiān)測等提供基礎科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土樣：采自阜陽市所轄的潁州區(qū)、潁泉區(qū)、潁東區(qū)、阜南縣、臨泉縣、太和縣、潁上縣和界首市3區(qū)5縣市的8個無公害蔬菜生產(chǎn)基地，設施土壤類型以砂姜黑土和淤土為主，土壤呈堿性[22]。在每個蔬菜生產(chǎn)基地現(xiàn)場選擇5個棚室，每個棚室采集3個平行混合樣品，采樣深度為0～20 cm，每個樣品用木鏟收集大約0.5 kg土裝入聚乙烯自封袋以備實驗分析，共采集樣品120份。采集的土壤樣品混勻后進行自然風干處理，去除植物葉片、根系、石塊等雜質(zhì)后，研磨過0.15 mm(100目)尼龍篩混勻后放置于干燥室標記備用[22]。

儀器試劑：原子吸收分光光譜儀(TAS-986，北京普析公司)，重金屬的標準溶液Zn(GSB07-1259-2000)、Cu(GSB07-1257-2000)、Pb(GSB07-1258-2000)、Cd(GSB07-1276-2000)、Cr(GSB07-1284-2000)、Ni(GSB07-1260-2000)，購自國家環(huán)境保護部標準樣品研究所，酸均為優(yōu)級純，水為去離子水。

1.2 方法

1.2.1 樣品測定 參照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術規(guī)范》[23]和《耕地質(zhì)量監(jiān)測技術規(guī)程》[24]，準確稱取0.5 g(精確至0.000 1 g)樣品于微波消解罐中，加入6 mL硝酸和2 mL氫氟酸，按照一定的程序進行消解(表1)。消解后，加入1 mL HClO4在180℃于趕酸器上趕酸，待冷卻后全部轉(zhuǎn)移，定容至50 mL容量瓶待測。

待測液中重金屬元素含量用原子吸收分光光譜儀測定，其中Zn用火焰原子吸收光譜法測定，Cu、Pb、Cd、Cr、Ni用石墨爐原子吸收光譜法測定[25]。

表1 微波消解程序

1.2.2 重金屬污染評價 目前對土壤重金屬污染評價方法很多[26]，因不同重金屬的生物毒性不同，對土壤和環(huán)境特別是農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境影響程度不一，結合采集的樣品數(shù)據(jù)，采用單因子指數(shù)評價法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風險指數(shù)法對研究區(qū)域設施菜地土壤中6種重金屬進行污染評價分析。

1) 單因子污染指數(shù)。單因子污染指數(shù)是指單個重金屬因子的污染情況。單因子污染指數(shù)Pn<1為清潔水平， 1≤Pn<2為輕度污染， 2≤Pn<3為中度污染，Pn>3為重度污染。計算公式：

Pn=Cn/Sn

(1)

式中，Pn為研究區(qū)域內(nèi)某個重金屬污染因子n污染指數(shù)值，Cn為研究區(qū)域內(nèi)某個重金屬污染因子n實際測定值，Sn為研究區(qū)域內(nèi)某個重金屬污染因子n評價標準值，以《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準HJ/T 333—2006》中的規(guī)定值作為評價標準值[27]。

2) 重金屬地累積指數(shù)。地累積指數(shù)主要是用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標[28]，也可用于環(huán)境中不同重金屬的污染評價[29]。地累積指數(shù)可以簡便、直觀判斷重金屬污染級別，并且綜合考慮人為活動因素的影響[22]，其判斷標準見表2，計算公式：

Igeo=log2[Cn/(1.5Bn)]

(2)

式中，Igeo為研究區(qū)域某種重金屬的地積累指數(shù)，Cn為研究區(qū)域內(nèi)某種重金屬n實際測定值，Bn為研究區(qū)域內(nèi)某種重金屬n在沿淮淮北地區(qū)地球化學基準值[30]，1.5是研究區(qū)域成巖作用引起的背景值變動而設定的系數(shù)[31]。

表2 重金屬污染程度與Igeo值的關系

Table 2 Relationship between heavy metal pollution degree andIgeoValue

等級GradeIgeo級別 Classification0<0無污染10～1無污染-中度污染21～2中度污染32～3中度污染-重度污染43～4重度污染54～5重度污染-嚴重污染6>5嚴重污染

3) 潛在生態(tài)危害指數(shù)和潛在生態(tài)風險指數(shù)。潛在生態(tài)危害指數(shù)是研究區(qū)域內(nèi)單個重金屬潛在生態(tài)危害風險，潛在生態(tài)風險指數(shù)是指研究區(qū)域內(nèi)多個重金屬污染對生態(tài)系統(tǒng)造成的危害及存在的生態(tài)風險，其判斷標準見表3，計算公式：

(3)

(4)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

表3 生態(tài)危害系數(shù)、生態(tài)風險指數(shù)與危害等級的關系

Table 3 Relationship between ecological harm coefficient (Ei),ecological risk index (RI) and damage grading

Ei單項污染物生態(tài)風險等級Ecological risk grade of single pollutantRI綜合潛在生態(tài)風險等級Ecological risk grade of integrated pollutants<40輕微<110輕微40～80中等110～200中等80～160較重200～400強160～320重≥400很強≥320嚴重

2 結果與分析

2.1 阜陽市設施菜地土壤重金屬含量

從表4可知，阜陽市各轄區(qū)的設施菜地土壤中Zn、Cu、Pb、Cd、Cr和Ni含量變幅分別為124.96～211.26 mg/kg、15.67～23.40 mg/kg、29.96～163.03 mg/kg、0～0.040 mg/kg、40.14～100.87 mg/kg和66.53～248.83 mg/kg。與溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準的限定值相比，Zn、Cu、Cd及Cr的平均含量均沒有超過限定值，阜陽市潁州區(qū)和潁泉區(qū)的Pb含量超過限定值，8個采樣點Ni含量均超過限定值，是限定值的1.33～4.98倍。

表4 阜陽市設施菜地樣點主要重金屬含量

注：限值為《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準HJ 333—2006》中的溫室土壤環(huán)境質(zhì)量指標限值(6.5

Note: the limit value refers to that of greenhouse soil environmental quality index inGreenhouseVegetable Producing Area Environmental Quality Assessment Standard HJ/T 333-2006 (6.5

2.2 阜陽市設施菜地菜地土壤重金屬污染評價

2.2.1 單因子污染指數(shù) 從表5可知，按照土壤單項污染程度分級標準，Zn、Cu、Cd和Cr的單因子污染指數(shù)(Pn)平均值為0.63、0.18、0.003和0.32，均小于1，屬于清潔水平。Pb的Pn平均值為1.18，屬于輕度污染水平，主要表現(xiàn)為阜陽市潁州區(qū)和潁泉區(qū)的Pn值較高，屬于輕度污染水平，其余下轄縣市Pn值均在清潔水平。研究區(qū)域Ni的Pn平均值為3.44，屬于重度污染水平，以阜南縣、臨泉縣及太和縣等蔬菜生產(chǎn)大縣Pn值較高。

表5 阜陽市設施菜地重金屬單因子污染指數(shù)

2.2.2 地累積指數(shù) 從設施菜地土壤中重金屬污染地累積指數(shù)平均值看，單個重金屬污染強弱依次為Ni>Zn>Pb>Cr>Cu>Cd(表6)。其中，Cu、Cd、Cr的地累積指數(shù)(Igeo)平均值分別為-1.20、-1.25、-1.09，數(shù)值均小于0，均屬于無污染水平，說明Cu、Cd、Cr等重金屬未造成污染。Zn和Pb的Igeo平均值為0.66、0.41，介于無污染至中度污染水平，個別研究區(qū)域Zn和Pb的Igeo值大于1，甚至大于2，呈現(xiàn)出中度至嚴重污染，說明Zn和Pb在一定程度上污染比較嚴重，需引起高度重視。Ni的Igeo平均值為1.53，屬于中度污染水平，個別研究區(qū)域Igeo值大于2，說明Ni已造成一定的污染。

表6 阜陽市設施菜地重金屬地累積指數(shù)

2.2.3 潛在生態(tài)風險系數(shù)與生態(tài)風險指數(shù) 從表7可知，各采樣點的重金屬潛在生態(tài)風險系數(shù)和均值均小于35，屬于輕微污染水平，表明阜陽市研究區(qū)域設施菜地土壤各重金屬的單項污染風險較低。從綜合潛在生態(tài)風險指數(shù)看，研究區(qū)域重金屬的RI值小于61，表明6種重金屬對研究區(qū)域菜地土壤潛在生態(tài)風險處于輕微等級，總體上屬于輕微污染。各個區(qū)域?qū)ι鷳B(tài)總風險最大貢獻的主要是Pb和Ni。

表7 阜陽市設施菜地重金屬生態(tài)危害系數(shù)與潛在生態(tài)風險指數(shù)

Table 7 Ecological harm coefficient of heavy metals (Ei) and potential ecological risk index (RI) in Fuyang greenhouse vegetable soils

采樣點重金屬元素生態(tài)風險系數(shù)Ecological harm coefficient of heavy metalsZnCuPbCdCrNi生態(tài)風險指數(shù)Ecological risk index潁州區(qū)Yingzhou District1.903.2732.747.270.938.9755.07潁泉區(qū)Yingquan District2.033.4316.3418.180.9919.1960.17潁東區(qū)Yingdong District2.163.149.275 1.5022.9344.00阜南縣Funan County3.213.019.02-0.9832.5848.80臨泉縣Linquan County2.802.817.555.911.2933.5453.90太和縣Taihe County2.373.286.43-1.9228.2042.20潁上縣Yingshang County2.114.196.02-2.3520.8535.52界首市Jieshou City2.653.177.24-1.9319.0834.07均值 Mean2.403.2911.839.091.4923.1746.72

3 結論與討論

3.1 阜陽市設施菜地土壤重金屬含量

設施菜地土壤重金屬的研究主要集中于Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg、As等元素[8-14]，大多數(shù)設施菜地土壤重金屬已經(jīng)累積[32]，并且呈現(xiàn)出不同的污染程度。就污染的普遍性和程度而言，各地的設施和栽培條件有一定差異，國內(nèi)多個地區(qū)設施菜地以Cd污染最嚴重[3]，其次為Pb和Cu。研究結果表明，阜陽市設施菜地土壤重金屬含量與溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準的限定值相比，Zn、Cu、Cd、Cr平均含量均未超過限定值；阜陽市潁州區(qū)和潁泉區(qū)Pb含量超過限定值，其他區(qū)域Pb含量接近限定值。Ni平均含量，均超過限定值，是限定值的1.33～4.98倍。一般來說，Pb污染源主要來自于交通中汽車尾氣排放和大氣沉降，阜陽市潁州區(qū)、潁泉區(qū)的交通條件和當?shù)鼐用窠?jīng)濟條件好于其他縣市區(qū)，當?shù)丶彝ト司嚤Ｓ辛吭黾?，引起大氣、土壤、水體等生態(tài)環(huán)境Pb含量同步增加。尤其是近年來阜陽整個地區(qū)固定資產(chǎn)投資增長強勁，在工業(yè)技術改造、基礎設施投資方面增速位居安徽省第一，未來還將加大投入，可以預期土壤中Pb含量還將進一步升高，由此帶來的生態(tài)環(huán)境中Pb污染對人類健康風險逐步升高。設施菜地由于有遮蓋物，在一定程度上減輕了設施菜地土壤Pb污染。吉林四平市典型的設施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)中除Pb以外的重金屬元素含量顯著高于玉米地和林地[33]，這與前期開展的露天菜地研究結果相同[22]。但阜陽設施菜地土壤中Pb含量仍接近于限定值，來源可能是殺蟲劑和除草劑殘留所致[20]。

研究區(qū)域設施菜地的Ni含量超過評價限定值，Zn含量比較高。Ni、Zn污染源極大可能主要來自于工業(yè)企業(yè)“三廢”的排放。土壤中的Ni污染來源于工業(yè)污染和礦山開采產(chǎn)生的廢物的滲透與沉積，Zn的工業(yè)污染源主要是冶煉、鍍鋅、紡織等工業(yè)廢水和污泥、廢渣[34]。阜陽地區(qū)的工業(yè)污染和礦山開采相對較少，屬于典型的農(nóng)業(yè)區(qū)域。前人指出壽光的蔬菜大棚土壤有Ni和Zn超標的現(xiàn)象[35]。通過現(xiàn)場調(diào)查和個別訪談，阜陽地區(qū)的設施蔬菜栽培從設施使用的材料、蔬菜品種、栽培技術和管理人員等全部復制山東壽光模式，由此可以推斷，Ni、Zn的來源可能來自于設施建造中產(chǎn)生的，通過定點切割、電焊鋼管，導致Ni、Zn可能進入灌溉水源，致使設施菜地中Ni、Zn含量較高。王顯[36]研究指出，土壤Zn含量高值分布區(qū)域與鍍鋅鋼管大棚、機械制造、彩鋼制造廠及交通線路一線區(qū)域相吻合，和本結論吻合。

阜陽設施菜地中的Zn、Cu、Cd、Cr平均含量低于溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準的限定值，但仍有一定的含量。這些重金屬的來源除了土壤母質(zhì)自然因素外，人為因素不可忽視。主要有以下一些原因：第一，設施菜地土壤長期處于高溫、高濕和高蒸發(fā)量的半封閉環(huán)境，使得重金屬離子在水分蒸發(fā)作用下富集在菜地耕作層，造成重金屬在耕作層的含量較高。第二，菜農(nóng)為了取得更大蔬菜產(chǎn)量，對設施菜地進行高投入，往往會過量施用化肥、農(nóng)藥及畜禽糞便，重金屬含量超高的化肥、有機肥的施用是土壤中Cu、Cr、Cd的重要來源[18]，從而造成設施土壤中重金屬的不斷積累。第三，土壤中重金屬含量會隨著設施使用年限的增加呈大幅持續(xù)升高趨勢[37]，尤其是5年以上大棚，土壤重金屬含量顯著高于露天菜地[37]。第四，設施菜地土壤出現(xiàn)酸化，土壤重金屬存在形態(tài)發(fā)生變化，造成重金屬更容易在植物體內(nèi)積累進而威脅到人類和動物的健康[9]。

3.2 阜陽市設施菜地土壤污染評價

單因子污染指數(shù)法的研究結果表明，阜陽市設施菜地表層土壤Zn、Cu、Cd、Cr屬于清潔水平；Pb屬于輕度污染，Ni則屬于重度污染。用地累積指數(shù)進行評價表明，阜陽市設施菜地土壤中重金屬污染的強弱為Ni>Zn>Pb>Cr>Cu>Cd，研究區(qū)域受到Zn、Pb的污染處于中度污染水平以下，Ni處于中度污染水平，個別研究區(qū)域Zn、Pb、Ni污染比較嚴重，未受到Cu、Cd、Cr的污染。這也表明隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，Zn、Pb、Ni正成為新時期不可忽視的重要污染源。集約化的設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式更利于土壤重金屬的累積[33]，更多的外源性輸入途徑來自于設施菜地灌溉用水和施用的農(nóng)藥、化肥。相比較而言，通過水源和施用農(nóng)藥進入土壤的重金屬影響有限，更多可能是施用化肥的影響。在栽培措施上要注意化學肥料與有機肥料配合施用，提高肥料使用效率。通過推廣使用水肥一體化技術、配方施肥技術，改變施肥方式，推進有機肥資源利用，堅持綠色防控、統(tǒng)防統(tǒng)治和科學用藥，實現(xiàn)農(nóng)藥和化肥使用量零增長，維護設施土壤健康。

潛在生態(tài)風險指數(shù)法的研究結果表明，研究區(qū)域的6種重金屬未構成生態(tài)系統(tǒng)風險，研究區(qū)域的設施土壤綜合潛在生態(tài)風險程度處于輕度水平。6種重金屬的平均潛在生態(tài)風險系數(shù)為Ni>Pb>Cd>Cu>Zn>Cr，各個區(qū)域?qū)ι鷳B(tài)總風險最大貢獻的主要是Ni、Pb，阜陽城郊菜地土壤重金屬調(diào)查也得出相同結論[22]。