上海崇明現代農業園區土壤與花椰菜中Cd、Crr含量分析

華東師范大學資源與環境科學學院（200241） 張 天 姜澒月 倪瑋怡 白雪莘 閆亞琛

指導老師 畢春娟

上海崇明現代農業園區土壤與花椰菜中Cd、Crr含量分析

華東師范大學資源與環境科學學院（200241） 張 天 姜澒月 倪瑋怡 白雪莘 閆亞琛

指導老師 畢春娟

土壤環境及蔬菜衛生日益受到人們重視，但目前對于同一地區，同時進行土壤和蔬菜重金屬含量的分析還較少。本研究通過對崇明現代農業園區內花椰菜及其周圍土壤中Cd、Cr含量分析，得到土壤Cr含量基本達標，其余指標不同程度超標。同時，運用相關分析、主成分分析等手段，針對農業園區的污染來源及食品安全問題提出整改建議。

崇明現代農業園區；花椰菜；土壤；Cd、Cr含量；研究性學習

一、引言

人類活動使得環境污染問題不斷加劇，而重金屬及其毒性和富集特性，在環境中引起特別的關注[1]。重金屬易在土壤中累積、遷移，通過蔬菜進入體內，對人體健康存在危害[2]～[3]。因此開展土壤與蔬菜的重金屬含量分析研究，可為治理農業污染和控制蔬菜質量提供參考。

國內學者不乏對各地農產品重金屬含量的實驗分析，李學德等[4]、陳紅亮等[5]、白紅娟[6]、孫超等[7]對合肥、貴州北部、太原和崇明等地區的蔬菜重金屬含量進行了分析研究，總體均達到國家限制標準。但筆者也發現，對于同一地區，同時進行蔬菜及周圍土壤重金屬含量分析的研究相對缺乏。因此，本研究以崇明島為例，旨在通過對花椰菜樣品中重金屬含量及植物周圍土壤中Cd、Cr含量進行采樣分析，在對土壤環境進行評價的同時，計算花椰菜對Cd、Cr兩種重金屬元素的富集系數，為防治土壤重金屬污染提供一定科學依據。

二、材料與方法

1. 采樣區概況

中國第三大島的崇明島位于長江入海口，是全世界最大的河口沖積島。崇明島地勢平坦，氣候類型為亞熱帶季風氣候，雨熱同期，土壤類型主要為水稻土、灰潮土和濱海鹽土，有利于發展新型城市和新農村建設。

實驗選取位于崇明島東北部的崇明現代農業園區（圖1），東西長15km，南北寬2.2km，總面積33km2，是一塊利用灘涂資源圍墾起來的新生地。實地采樣時觀察到，園區內種植有多種蔬菜，其中種植的花椰菜在冬末生長良好。

圖1 崇明現代農業園區采樣點示意圖

2. 樣品采集及處理方法

用網格布點法選取崇明現代農業園區的15個采樣點，采集花椰菜樣本15個及蔬菜周圍0～5cm、5～10cm、10～15cm土壤樣本共45份帶回實驗室。花椰菜分為可食部分、葉、根三部分稱量濕重，烘干后稱量干重，獲得含水率，再過60目尼龍篩。土樣置于40℃烘箱烘干研磨后，將土壤過120目尼龍篩（＜125μm）。

3. 理化性質測量

各種土壤理化性質的檢測對土樣粒徑大小要求不同。稱量蔬菜干樣質量以獲得含水率，將烘干土樣過10目尼龍篩，采用電位法進行pH值檢測；過120目篩的土壤用重鉻酸鉀容量法進行有機質檢測。

4. 土壤、蔬菜重金屬含量的測定

對土壤和花椰菜樣本采用HNO3-HClO4-HF消煮法[7]消解后，使用電感耦合等離子體原子發射光譜儀（ICP-OES）測定Cr、Cd的含量。

三、實驗結果與討論

1. 土壤與花椰菜中Cd、Cr含量

從實驗結果來看，土壤pH值范圍在7.73～9.35之間，平均為8.31；有機質含量為1.69%～0.82%，平均為1.19%。

圖2 土壤、花椰菜中Cd、Cr含量

根據上海市土壤環境背景值上限值和HJ332-2006中對食用農產品產地環境質量的評價標準，當土壤環境pH＞7.5時，Cd限值應小于0.60mg/kg，Cr應小于250mg/ kg。由圖2可以看出，研究區土壤中Cd含量普遍超標；Cr含量在不同深度土層內也超出背景值，但總體上達到用農產品產地環境質量評價標準。孫超[8]等對崇明島土壤重金屬含量所做的空間差值也可以反映出，現代農業園區及附近地區Cd含量出現峰值，Cr含量也相對偏高。

2. 花椰菜對土壤中Cd、Cr的富集作用

對花椰菜與土壤中Cd、Cr含量進行相關性分析，結果如表1所示，花椰菜的球莖、葉、根中Cd、Cr含量與不同深度土壤中的Cd、Cr含量之間沒有明顯的相關關系，即使是與土壤接觸最多的根系也沒有明顯相關關系。由此可推斷花椰菜可通過自身生理過程調節對重金屬的吸收，不存在被動富集。

表1 花椰菜與土壤中Cd、Cr含量相關分析表

富集系數反映土壤中重金屬向花椰菜中重金屬含量的轉化率（公式1），對15個實驗數據分別計算富集系數后得到表2，其中土壤重金屬含量為0-20cm混合土樣，花椰菜各個部分中Cd的富集程度相對于花椰菜各個部分中Cr的富集程度較高，因此可以說明花椰菜對Cd的吸收能力較強、對Cr的抵抗能力較強，建議不要在土壤Cd含量較高的地方種植花椰菜。

表2 Cd、Cr富集系數范圍

3. 主成分分析結果

利用主成分分析，對上海崇明現代農業園區進行Cd生態安全分析。第一主成分與表層土有機質呈現較好的正相關性，與表層土壤Cd含量、表層土pH值呈現較強負相關性，因此認為第一主成分代表了表層土壤的養分累積。第二主成分與花椰菜球莖有正相關性，因此代表花椰菜中的重金屬含量。第三、第四主成分分別代表中層和下層土壤中Cd含量。

表3 Cd含量主成分分析表

利用主成分分析，對于現代農業園區進行Cr生態安全分析，第一主成分與表層和中層土壤有機質呈現較強正相關性，與花椰菜根部Cr含量呈現較強負相關性，因此認為第一主成分代表了土壤有機質含量與花椰菜根部Cr含量的關系。第二主成分與花椰菜球莖有正相關性，與表層土Cr含量呈負相關性，則可代表二者關系。第三主成分與中層土Cr含量呈負相關性，與下層土pH值呈正相關性，可代表二者關系。第四主成分與花椰菜葉子Cr含量呈負相關性，與下層土有機質含量呈正相關性，可代表二者關系。第五主成分與下層土Cr含量呈正相關性，可代表下層土Cr含量。

表4 Cr含量主成分分析表

通過上述分析可以看出，土壤由于長期翻耕，各個深度的Cd、Cr含量基本相同，但花椰菜各個部位的Cd、Cr含量相差較大，土壤中Cd、Cr的含量不依賴于土壤有機質的累積，花椰菜不同組織中Cd、Cr的含量也不依賴于土壤中Cd、Cr以及有機質含量的變化，而且Cd與Cr在花椰菜中的遷移轉化方式也不盡相同。

造成土壤Cd污染的原因是多途徑的。含Cd“三廢”是環境中Cd污染的主要來源，對農田施加磷肥也會使得Cd含量上升。使用含Cd的水灌溉植物及蔬菜，會使植被從土壤中吸收養分的同時也吸收部分重金屬并累積在植被體內。實驗結果也反映了Cd含量分布的相似規律。Cr污染的來源既有自然因素也有人為因素，土壤中通常以難溶形式存在。由于風化作用進入土壤的Cr元素，容易氧化成可溶性的復合陰離子，通過淋溶作用再轉移到地面水或地下水系統中，從而進入土壤中或附著于蔬菜表面。人為污染主要以工業生產過程中加入的鉻酸鹽為主，以廢水、廢氣、廢渣的形式排入環境中，也因此較難富集于蔬菜當中。

4. 研究區土壤和花椰菜中Cd、Cr含量的空間異質性

變異函數的形狀反映自然現象空間分布結構或空間相關的類型，本文采用不同模型對土壤重金屬進行變異函數分析，用基底效應（塊金值與基臺值之比）描述樣本間的空間變異程度，比值越大，樣本間的變異受隨機因素影響就越大。當基底效應小于0.25，表示變量的空間變異以結構性變異為主，具有較高的空間相關性；介于0.25-0.75之間為中等程度空間相關；大于0.75時以隨機因素為主，為空間弱相關。

表5 變異函數擬合參數表

由表可知，遵循球狀模型時，中層土壤的Cd、Cr含量及下層土Cd含量存在高度空間相關，表層土Cd含量存在中等空間相關，表層土與下層土受隨機因素影響較大；遵循高斯模型時，中、下層土壤Cd含量存在較強空間相關性，表層土Cd含量與中層土Cr含量存在中等空間相關性，說明其空間變異主要是母質、土壤類型等結構性因素引起。表層土與下層土Cr含量受隨機因素影響較大。其中Cd從變程來看，中、下層土壤Cd變程較小，變異性較大，說明可能受到人為活動的隨機因素的影響較大，其余變程較大，說明在較大范圍內存在相關關系，變異性較小，反映出結構因素對其影響較大。總體結果與申廣榮[9]在崇明島的研究結果相近。

四、對策與建議

自然環境中的重金屬可以通過食物鏈的富集作用或蓄積作用在某些食品中達到很高的濃度，從而威脅人體健康。本研究結果顯示，上海崇明現代農業園區內土壤及花椰菜所含Cd、Cr元素污染來源不同；土壤Cd含量較高，可能與Cd元素環境本底值較高有關，Cd的空間變異性小，Cr的空間變異性大；園區生產的花椰菜Cd、Cr濃度較高。對于這一情況，從農業生產者角度，可以采取多種預防措施，如農作物輪作，降低蔬菜對重金屬的富集。另外也可以根據不同蔬菜對重金屬的富集程度，合理安排種植區域。[10]

從環境背景角度來說，雖然崇明現代農業園區位于崇明島東北部，距工業區較遠，但廢氣可通過大氣環流遷移，建議通過控制附近工業“三廢”、特別是廢氣的排放減少重金屬沉降。同時，也應繼續加強對容易富集Cd、Cr元素的食品進行監測，開展人體攝入Cd、Cr的危險性評估，加大對崇明現代農業園區及周邊污染物的治理，為公眾提供良好的食品衛生環境。

[1] Omgbu J A, Kokogbo MA. Determination of Zn, Pb, Cu and Hg in soils of Ekpan Nigeria[J].Environment International,1993,19:611-612.

[2] Hussein H, Farag S, Kandil K, et al. Tolerance and uptake of heavy metals by Pseudomonads[J]. Process of Biochemistry, 2005, 40: 955- 961.

[3] Granero S, Domingo J L. Levels of metals in soils of Alcaa de Henares, Spain: human health risks [J]. Environment International, 2002, 28:159- 164.

[4] 李學德,花日茂,岳永德等.合肥市蔬菜中鉻、鉛、鎘和銅污染現狀評價[J].安徽農業大學學報. 2004.31(2):143-147.

[5] 陳紅亮,龍黔,譚紅.貴州北部菜地土壤Cd含量與蔬菜Cd污染的關系[J].四川農業大學學報.2011.29(3):342-452.

[6] 白紅娟.太原市蔬菜中鉛、鉻和鎘含量分析及安全性評價[J].中國安全科學學報.2004,14(12):78-81.

[7] 陳懷滿.環境土壤學[M].北京:科學出版社,2005.

[8] 孫超,陳振樓,畢春娟等.上海市崇明島農田土壤重金屬的環境質量評價[J].地理學報.2009,64(5):619-628.

[9] 申廣榮,盧德俊,錢振華等.上海崇明島土壤重金屬含量空間變異特征研究[J].上海交通大學學報(農業科學版).2010,28(4):349-354.

[10] 呂保玉,白海強,喻澤斌.蔬菜重金屬污染的研究現狀與防治措施[J].安徽農業科學.2008,36(4):1566-1568.

（責任編校：冉蓉）