天門(mén)市蔬菜基地土壤重金屬累積特征與潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)

沈體忠 陶齊成 彭文勇 黎慶容

摘要：以天門(mén)市5個(gè)蔬菜基地土壤為研究對(duì)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(lái)源，并采用Hakanson提出的潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)土壤中重金屬的潛在生態(tài)危害進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，天門(mén)市5個(gè)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(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)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(lái)源。潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)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(lái)源；生態(tài)危害

中圖分類(lèi)號(hào)：X830；X820.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）09-2016-05

土壤是人類(lèi)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(huì)引起復(fù)雜生物效應(yīng)，一方面會(huì)制約作物生長(zhǎng)發(fā)育，促進(jìn)早衰，降低產(chǎn)量，并對(duì)營(yíng)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(guò)根系進(jìn)入植物體，再通過(guò)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(guò)程具有隱蔽性、長(zhǎng)期性和不可逆性等特點(diǎn)而受到全社會(huì)的廣泛關(guān)注。

蔬菜在國(guó)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(guó)大中城市蔬菜的主要供應(yīng)源。一般來(lái)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(diǎn)，導(dǎo)致各種外源污染物進(jìn)入農(nóng)田土壤的幾率也高，勢(shì)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(duì)天門(mén)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(píng)價(jià)有著重要意義。本研究通過(guò)對(duì)天門(mén)市5個(gè)主要蔬菜基地土壤進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)，揭示土壤中重金屬的累積動(dòng)態(tài)，分析污染物來(lái)源，并評(píng)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(mén)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(shí)數(shù)1 872.4 h，無(wú)霜期249.6 d。天門(mén)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(chǎng)、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(gè)蔬菜基地，基地面積1.214萬(wàn)hm2，占天門(mén)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(lèi)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(shí)，按照必須有重金屬元素的污染源，采樣點(diǎn)具有代表性和典型性，不同采樣點(diǎn)應(yīng)選在相同類(lèi)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(gè)蔬菜基地為采樣區(qū)，共布設(shè)21個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)按梅花點(diǎn)法5點(diǎn)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?bào)w，用木棍碾碎并用瑪瑙研缽研磨，分別過(guò)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(píng)價(jià)方法

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量特征

天門(mén)市主要蔬菜基地土壤重金屬含量的統(tǒng)計(jì)特征值及湖北省土壤背景值、國(guó)家土壤Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值列于表3。由表3可知，天門(mén)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(lèi)干擾強(qiáng)度的不同，5個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)基地土壤含量差異不顯著，但與多寶、張港2個(gè)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(gè)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(guó)家土壤Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值[6]相比，21個(gè)供試土樣重金屬Hg、Cd、As、Cr、Pb、Cu的含量均在標(biāo)準(zhǔn)限量?jī)?nèi)。由此可見(jiàn)，天門(mén)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(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，土壤尚沒(méi)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(lái)源

農(nóng)田土壤重金屬來(lái)源于成土母質(zhì)和人類(lèi)活動(dòng)，同一來(lái)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(cè)重金屬來(lái)源。若不同重金屬間有顯著的相關(guān)性，說(shuō)明有相同來(lái)源的可能性較大，否則來(lái)源不止一個(gè)。由表5可知，天門(mén)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(shí)地調(diào)查及有關(guān)資料分析，天門(mén)市主要蔬菜基地土壤中外源重金屬以4種來(lái)源為主。來(lái)源一為大氣中重金屬沉降。大氣中的重金屬主要來(lái)源于工業(yè)生產(chǎn)、汽車(chē)尾氣排放及汽車(chē)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(lái)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(mén)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(guó)第一次農(nóng)業(yè)污染源普查結(jié)果顯示，天門(mén)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。可見(jiàn)，天門(mén)市如此長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度地施用氮肥、磷肥和復(fù)合肥，必然會(huì)造成Hg、Cd、As、Pb等重金屬元素在農(nóng)田土壤中的累積。同時(shí)，天門(mén)市主要蔬菜基地一般由老棉田演變而來(lái)，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(lái)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(mén)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(jì)等含Hg廢棄物較多，施入農(nóng)田其重金屬也會(huì)在土壤中累積。來(lái)源四為地膜殘留。天門(mén)市從1982年開(kāi)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(zhǎng)，污染也越嚴(yán)重[11]。由于地膜在生產(chǎn)過(guò)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(píng)價(jià)

3 結(jié)論

1）天門(mén)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(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，土壤尚沒(méi)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(píng)價(jià)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(gè)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(mén)市主要蔬菜基地土壤中重金屬來(lái)源的主要貢獻(xiàn)者。

4）潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，5個(gè)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。

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