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(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與安全研究所，武漢 430345；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070）

武漢市適宜的氣候環(huán)境、發(fā)達(dá)的交通運(yùn)輸和較大的蔬菜需求，為蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)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(kuò)大。近年來，隨著菜地種植強(qiáng)度的增大和年限的延長，不當(dāng)?shù)墓芾泶胧┊a(chǎn)生的負(fù)面影響日益嚴(yán)重，土壤養(yǎng)分含量明顯增加［1］，土壤酸化［2，3］、重金屬累積［4］等問題導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，同時增加了對周圍水體及種植作物的污染風(fēng)險(xiǎn)［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(guān)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(diǎn)［7］。

關(guān)于土壤重金屬污染現(xiàn)狀的特征分析國內(nèi)已有較多報(bào)道，已有學(xué)者對北京、天津、上海、長沙、杭州、重慶、廣州、?？诘鹊氐牟颂锿寥乐亟饘傥廴緺顩r進(jìn)行了一系列的調(diào)查研究［8-16］，但是多數(shù)研究集中于空間分布和污染風(fēng)險(xiǎn)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(tài)含量狀況，結(jié)合土壤重金屬的生物有效性合理規(guī)劃種植，以減少土壤中重金屬元素的危害，旨在為農(nóng)業(yè)的安全生產(chǎn)和合理規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

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(qū)和6 個新城區(qū)。本研究選取蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、黃陂區(qū)、東西湖區(qū)、新洲區(qū)、漢南區(qū)具有代表性的蔬菜種植基地進(jìn)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(zhì)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(xù)升溫至160 ℃，保持1 h 后升溫至180 ℃，繼續(xù)保持6 h，冷卻至100 ℃左右，開蓋，140 ℃揮發(fā)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(zhuǎn)移至50 mL 容量瓶中，定容至刻度，用電感耦合等離子體質(zhì)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(jì)（AFS-9700）測定全量As、Hg［20］。

1.2.3 土壤中有效態(tài)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(zhuǎn)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(zhì)譜儀（ICP-MS）測定有效態(tài)Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn 含 量，用 原 子 熒 光 光 度 計(jì)（AFS-9700）測定有效態(tài)As、Hg 含量。

2 結(jié)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(tài)含量的影響 將黃陂區(qū)不同種植年限的土壤中重金屬全態(tài)含量的進(jìn)行分析，結(jié)果（表1）顯示，耕層的土壤中Cu 和Zn 的全態(tài)含量呈現(xiàn)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(tài)含量差異不大，但明顯低于種植年限10～15、15～20年的全態(tài)含量；耕層土壤中As、Cd、Ni、Pb 的全態(tài)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(tài)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(tài)含量及生物有效性系數(shù)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(tài)含量進(jìn)行分析，結(jié)果（表2）顯示，耕層土壤As 的有效態(tài)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(tài)含量在種植年限為10～15年時最大，Ni 的有效態(tài)含量在種植年限為15～20年時最大，Hg 的有效態(tài)含量在不同種植年限的土壤中差別不大，即有效態(tài)含量與種植年限之間無明顯的規(guī)律。

對其生物有效性系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果（表2）顯示，As、Cd 在不同種植年限土壤中生物有效性系數(shù)差別不大，Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 的生物有效性系數(shù)在種植年限為10～15年的土壤中最大，Ni 的生物有效性系數(shù)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(tài)含量的影響 黃陂區(qū)菜田不同栽培方式的土壤中重金屬全態(tài)含量見表3。由表3 可知，As、Cd、Hg、Ni 的全態(tài)含量均是露地栽培高于設(shè)施栽培，Cr、Cu、Pb、Zn 的全態(tài)含量均是設(shè)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(tài)含量及生物有效性系數(shù)的影響 設(shè)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(tài)含量的平均值進(jìn)行分析，結(jié)果如表4 所示。菜田耕層土壤中As、Cd、Ni 的有效態(tài)含量是露地栽培高于設(shè)施栽培，Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 的有效態(tài)含量是設(shè)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(tài)含量及生物有效性系數(shù)的影響

表3 不同栽培方式對菜田耕層土壤中重金屬全態(tài)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(shù)的平均值進(jìn)行分析，結(jié)果（表4）顯示，耕層土壤中Ni的生物有效性系數(shù)是露地栽培高于設(shè)施栽培，As、Cr、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn 的生物有效性系數(shù)是設(shè)施栽培高于露地栽培，且Cd、Cr、Cu、Pb 的生物有效性系數(shù)在露地栽培與設(shè)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(tài)含量及生物有效性系數(shù)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(tài)含量的影響 對黃陂區(qū)菜田種植不同蔬菜種類的土壤中重金屬全態(tài)含量進(jìn)行分析，結(jié)果如表5 所示。As 的全態(tài)含量表現(xiàn)為葉菜類>根莖類>瓜果類，Cd 的全態(tài)含量表現(xiàn)為根莖類>瓜果類>葉菜類，Cr、Cu、Pb、Zn 的全態(tài)含量表現(xiàn)為葉菜類>瓜果類>根莖類，Hg 的全態(tài)含量表現(xiàn)為瓜果類>葉菜類>根莖類，Ni 的全態(tài)含量表現(xiàn)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(tài)含量高于瓜果類和根莖類，瓜果類菜田土壤中Hg 的全態(tài)含量高于葉菜類和根莖類，根莖類菜田土壤中Cd、Ni 的全態(tài)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(tài)含量及生物有效性系數(shù)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(tài)含量及其生物有效性系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表6 所示。種植不同蔬菜種類土壤中As、Pb的有效態(tài)含量表現(xiàn)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(tài)含量表現(xiàn)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(tài)含量表現(xiàn)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(tài)含量表現(xiàn)為葉菜類>根莖類>瓜果類。即As 和Pb 的有效態(tài)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(tài)含量在種植葉菜類作物的土壤中較高；Cd 的有效態(tài)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(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果（表6）顯示，As、Cd 的生物有效性系數(shù)表現(xiàn)為根莖類>葉菜類>瓜果類，Cr 的生物有效性系數(shù)表現(xiàn)為瓜果類=葉菜類>根莖類，Cu、Hg、Ni 的生物有效性系數(shù)表現(xiàn)為葉菜類>瓜果類>根莖類，Pb 的生物有效性系數(shù)表現(xiàn)為瓜果類>根莖類>葉菜類。Zn 的生物有效性系數(shù)表現(xiàn)為葉菜類>根莖類>瓜果類?？傮w來說，Cu、Hg、Ni 和Zn 的生物有效性系數(shù)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(shù)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(shù)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(tài)含量及生物有效性系數(shù)的影響

3 小結(jié)與討論

1）在不同種植年限的菜田土壤中，As、Cd、Ni、Pb 的全態(tài)含量隨種植年限的增加呈遞增的態(tài)勢，這與薛延豐等［1］對蘇北地區(qū)不同種植年限的菜地土壤研究結(jié)果一致，土壤中As、Cd、Pb 的全態(tài)含量隨種植年限的增加而升高，但土壤中Hg、Cr、Cu、Zn 的全態(tài)含量與種植年限之間沒有明顯的規(guī)律性。As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 的生物有效態(tài)含量、生物有效性系數(shù)與種植年限之間并不是單調(diào)的遞增關(guān)系，Cd、Cr、Cu、Pb、Zn 的有效態(tài)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(shù)在種植年限為10～15年的土壤中最大。田園［22］曾對單一和復(fù)合污染的土壤進(jìn)行培養(yǎng)，結(jié)果表明，土壤中重金屬的有效態(tài)含量隨進(jìn)入土壤體系時間的延長先迅速降低，在一段時間后達(dá)到平衡。吳曼［23］對重金屬老化過程進(jìn)行研究時，也發(fā)現(xiàn)相似的規(guī)律。但是在本研究中，可能是由于在實(shí)際的生產(chǎn)中條件更為復(fù)雜，相關(guān)的研究并沒有發(fā)現(xiàn)類似的規(guī)律。

2）露地栽培的土壤中As、Cd、Hg、Ni 的全態(tài)含量高于設(shè)施栽培，Cr、Cu、Pb、Zn 的全態(tài)含量低于設(shè)施栽培；露地栽培的土壤中As、Cd、Ni 的有效態(tài)含量高于設(shè)施栽培，Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 的有效態(tài)含量低于設(shè)施栽培；露地栽培的土壤中Ni 的生物有效性系數(shù)大于設(shè)施栽培，As、Cr、Cd、Cu、Hg、Pb、Zn 的生物有效性系數(shù)低于設(shè)施栽培。楚純潔等［24］對設(shè)施菜地和露天菜地土壤中重金屬全態(tài)含量的研究結(jié)果也表明，對于菜田土壤中的Cr、Cu、Pb、Zn 全態(tài)含量設(shè)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(tài)含量高于瓜果類和根莖類土壤中的含量，Hg 的全態(tài)含量在瓜果類土壤中的含量最高，Cd、Ni 的全態(tài)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(tài)含量最高，葉菜類土壤中Cu、Hg、Ni、Zn 的生物有效性系數(shù)最大?？傮w來說，葉菜類土壤更易富集重金屬元素。