影響蔬菜品質的生態(tài)地球化學因素研究

胡瑞春, 項劍橋, 羅軍強, 胡云飛

(湖北省地質局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢　430056)

0　引言

隨著農業(yè)地質調查、局部生態(tài)地球化學評價工作的深入發(fā)展,近幾年來國內許多省市通過局部生態(tài)地球化學評價,取得了許多獨具特色的為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展服務的優(yōu)秀成果。近些年來,湖北省瓜菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,總產(chǎn)量3 450萬t,居全國第4位。嘉魚縣是湖北省及武漢城市經(jīng)濟圈重要的蔬菜生產(chǎn)基地,素有“北有壽光,南有嘉魚”美稱[1]。

1　種植區(qū)基本概況

評價區(qū)位于湖北省嘉魚縣境內的長江東岸沖積平原區(qū),面積144 km2。

區(qū)內地勢低平,氣候溫和、濕度較大、日照充足、無霜期長,水資源十分豐富。

土壤類型以潮土類灰潮土亞類為主,靠近長江沿岸分布,遠離江邊由砂土型灰潮土向壤土型灰潮土過渡,逐漸變化為壤土性潮土和粘土性潮土。其中適合種植各類蔬菜的主要土類為壤土性、粘土性潮土。

評價區(qū)土壤呈堿性,硼、鈣、鉀、鎂、磷的含量比較豐富,表層土壤經(jīng)耕作熟化,氮、磷、土壤有機質都達到了較高水平。

2　生態(tài)地球化學背景要素

影響蔬菜作物品質的因素較多,重金屬對土壤的污染以及土壤營養(yǎng)組分的供給力是土壤對蔬菜作物品質產(chǎn)生重大影響的兩個主要因素。

2.1　蔬菜品質與土壤地球化學背景的關系因素

種植區(qū)種植蔬菜以葉類品種大白菜和包菜為主,主要位于湖沖積層及沖積層分布區(qū)內;土壤地球化學背景的總體特征為:土壤中以重金屬輕度污染為主,局部為中度污染,有益元素的富集量較高。

2.1.1種植區(qū)土壤中有害重金屬元素地球化學背景

蔬菜樣采集區(qū)土壤中主要重金屬元素賦存量見表1,各元素的平均含量均低于無公害蔬菜產(chǎn)地環(huán)境條件重金屬在土壤中的標準值,Cd在包菜種植區(qū)和大白菜種植區(qū)的最高含量值分別達0.92 μg/g、0.61 μg/g超過標準限值1.53～1.02倍,為輕度污染,在受污程度上大白菜要高于包菜[2]。

表1　蔬菜種植區(qū)主要重金屬含量特征參數(shù)表Table 1　Parameter list of content property of main heavy metals in vegetable cultivation area　單位:μg/g

2.1.2種植區(qū)土壤中有益元素地球化學背景

表2中的結果參數(shù)顯示,兩種蔬菜種植區(qū)土壤中有益組分的平均含量均高于自然背景值,單指標平均值在兩種植區(qū)的富集量基本相當,其中P的最大值達2 206 μg/g,為自然背景值的4.7倍。說明區(qū)內土壤中有益組分潛在供給能力較強。

2.2　土壤中有益有害元素遷移富集規(guī)律

眾所周知重金屬有害元素對土壤的污染危害程度主要取決于其在土壤中的賦存形態(tài)，而重金屬元素遷移、轉化及富集量大小主要取決于水溶態(tài)和離子交換態(tài)這兩個賦存形態(tài)量的多與少(表3)[3]。

表2　蔬菜種植區(qū)主要有益元素含量特征參數(shù)表Table 2　Parameter list of content property of main beneficial elements in vegetable cultivation area　單位:μg/g

表3反映了在土壤中各重金屬元素由于其化學性質的不同,在各賦存形態(tài)分配量方面的差異。Hg、As、Cu、Zn在土壤中的非活動態(tài)量與總量的比值均在50%以上,其次是Pb為40%左右,Cd相對較低為27%。而活性較強、遷移能力較大的水溶態(tài)、離子交換態(tài)的量除Cd達27.45%,其它元素的量一般僅占總量的2%～3%左右。說明進入土壤中的重金屬元素汞、砷、鋅相對較穩(wěn)定,活化、遷移能力較低,主要以殘渣態(tài)形式賦存于土壤中;銅、鉛主要以與有鐵錳、腐殖質及碳酸鹽有關的結合態(tài)形式存在,具一定的活化、遷移能力;鎘則以具高可活動態(tài),低殘渣態(tài)形式存在,具有較強的活性和遷移能力,對土壤的污染程度也相對較高。

表3　主要重金屬元素形態(tài)平均含量表Table 3　Average content of element speciation of main heavy metals　單位:μg/g

2.3　種植區(qū)灌溉水地球化學背景

3　影響蔬菜品質的生態(tài)地球化學制約因素

3.1　蔬菜品質特征

表4為本次工作所采集的蔬菜樣本的品質各主要養(yǎng)分的統(tǒng)計結果,包菜、大白菜兩類蔬菜中總糖、維生素C等養(yǎng)分的含量大致相當,前者略高于后者。按蔬菜種植區(qū)母質層劃分對品質對比,沖積層兩類蔬菜中的總糖、粗纖維含量高于湖沖積層包菜中的含量,而維生素C、粗蛋白的含量在湖沖積層包菜中相對較高;按種植區(qū)土類劃分對比,蔬菜中總糖含量:粘土類蔬菜>砂土類蔬菜>壤土類蔬菜;維生素C:壤土類包菜>砂土類包菜>粘土類包菜,粘土類大白菜>砂土類大白菜>壤土類蔬菜;粗蛋白砂土蔬菜中含量最高,其次是壤土、粘土;粗纖維在各土類蔬菜中的含量基本相當。

表4　蔬菜品質特征值統(tǒng)計表Table 4　Statistical table of eigenvalue of vegetable quality

總體上種植區(qū)的白菜類蔬菜的品質較優(yōu),以蔬菜品質主要養(yǎng)分平均總量計(圖1),湖沖積層區(qū)的蔬菜品質優(yōu)于沖積層區(qū)的蔬菜品質;不同土類區(qū)蔬菜的品質,壤土種植區(qū)最好,其次是砂土種植區(qū),粘土種植區(qū)的蔬菜品質相對較次。

3.2　不同母質層重金屬元素賦存量對蔬菜品質的影響

在作物賴以生長的根作層土壤中重金屬有害物質主要源自于土壤母質,為了進一步了解不同母質層對蔬菜作物的重金屬污染影響程度,在區(qū)內主要土壤母質沖積層分布區(qū)采集了同點配套蔬菜樣、根系土樣品44件,其中湖沖積層區(qū)18件,沖積層分布區(qū)26件。分析統(tǒng)計結果顯示見表5。

圖1　蔬菜品質主要養(yǎng)分與土壤種類關系對比圖Fig.1　Contrast diagram of main nutrients of vegetablequality and soil type

表5　不同母質層蔬菜、根系土重金屬含量參數(shù)對比表

Table 5　Contrast table of different parent material vegetable and heavy metal content of root soil 單位:μg/g

在兩種不同母質的根系土中,主要重金屬含量均未超過土壤標準閥值[4],總量較低,如Hg在根系土中的平均含量0.07 μg/g,最高含量也僅為0.116 μg/g;Cd在湖沖積層根系土和沖積層根系土中的平均含量大致相當,但在蔬菜中則表現(xiàn)為Hg的含量較低而Cd的含量則相對較高已接近于標準限值,這是由于土壤膠體溶液中可供作物吸收的可交換活動態(tài)離子量存在的的差異所引起的,這一特性在在圖2中體現(xiàn)得更為清晰。由此可見,作物中重金屬富集量的大小并不完全取決于與根系土中重金屬全量的高低,而與重金屬在介質中的重金屬離子的可活動態(tài)量占全量比值的大小關系密切。

3.3　有益組分含量對蔬菜品質的影響

在蔬菜的生長過程中,土壤的一個重要功能就是為作物提供所必須的營養(yǎng)組分,其供給力的大小直接

影響著作物的生長和品質的優(yōu)劣。本次選取了主要有益元素銅、鋅、鐵、錳、鉬、磷在蔬菜生長過程中的影響特征加以討論。

3.3.1耕作母質層中有益元素全量與蔬菜品質的關系

作物在生長過程中對土壤中營養(yǎng)組分的攝入其實是對養(yǎng)分元素中可活動離子的一種解吸、交換的過程,這是由土壤結構組成和蔬菜作物的吸收功能所決定的。這一特性產(chǎn)生的結果如圖3所示。

圖3是部分有益元素在土壤中的全量與在作物中的富集量的對比圖示解析,對比結果顯示,同一元素在作物中的富集量和在土壤中的富集量,不僅在量的大小上存在明顯的差異,且在含量變化特征上也存在明顯的不一致性,說明養(yǎng)分的總量反映了土壤中該類養(yǎng)分的潛在供應能力。

3.3.2耕作母質層中有益元素有效量與蔬菜品質的關系

元素對農作物的生長發(fā)育提供了必要的物質基礎,但是能被作物吸收利用的僅是其有效部分,由于母質層的成因類型的不同以及土壤質地上的差異,區(qū)內各營養(yǎng)組分在根系土中的有效供給量存在著不均勻性。區(qū)內主要湖沖積層、沖積層根系土及不同質地土壤中主要營養(yǎng)元素的有效態(tài)豐缺標準[5]及含量分布特征見表6、表7。

對比湖北省地調院推薦的省二次農業(yè)普查有效態(tài)豐缺標準(表7),區(qū)內兩沖積層根系土中:有效磷的供給力充足,速效鉀在湖沖積層根系土中含量偏低,在沖積層根系土中適度;其它微量元素的有效量在兩類沖積層根系土中表現(xiàn)為:有效銅、有效鐵很富足,有效鋅、有效鉬偏低;有效錳缺乏。不同質地土類中各有益元素的含量特征為:沙土中有效態(tài)量很富足的是Cu、Fe;Zn、B偏低,Mn缺乏,K、P的有效態(tài)量能基本滿足作物的所需量。從根系土各有益元素的有效態(tài)量與蔬菜中同類元素的富集量特征對比來看兩者呈正相關關系(圖4)。說明土壤中營養(yǎng)組分的有效態(tài)量的高低直接影響著作物的生長質量。

圖2　根系土重金屬全量與作物重金屬含量對比圖Fig.2　Contrast diagram of total contents of heavy metals of root soil and heavy metal content of crop

圖3　部分有益元素在根系土、蔬菜中的含量對比圖Fig.3　Contrast diagram of some beneficial elements in root soil and vegetable

表6　土壤營養(yǎng)元素有效態(tài)豐缺標準值Table 6　Standard value of available state of nutrient elements in soil

元素含量單位一級二級三級四級五級六級很富足富足適度相對缺乏缺乏嚴重缺乏速效鉀mg/kg>200150-200100-15050-10030-50≤30有效磷mg/kg>4020-4010-205-102．5-5≤2．5有效硼mg/kg>2．01．0-2．00．5-1．00．2-0．5<0．2有效鐵mg/kg>2010-204．5-102．5-4．5<2．5有效錳mg/kg>300201-300101-20050-100<50有效銅mg/kg>1．81．1-1．80．3-1．00．1-0．3<0．1有效鋅mg/kg>5．02．1-5．01．1-2．00．5～1．0<0．5有效鉬mg/kg>0．30．21-0．30．16-0．20．15-0．1<0．1

表7　主要有益元素有效態(tài)含量特征表Table 7　Feature table of available content of main beneficial elements

3.4　土壤酸堿度與蔬菜品質的關系

土壤中的酸堿度是又一個對蔬菜作物生長具有重要影響的理化指標,pH值的高低以及變化直接影響著蔬菜作物的生長和品質的優(yōu)劣。

3.4.1土壤有效態(tài)與土壤酸堿度的關系

目前種植區(qū)作物生長的根系土中pH值的平均值一般在7.7左右,屬中—偏堿性土,在當前這種土壤有益元素的有效組分和作物所需養(yǎng)分的供需關系的平衡狀態(tài)下,當土壤中pH值繼續(xù)升高至8.0或8.0以上時,有益元素的有效態(tài)量明顯降低(圖5),特別是土壤中的堿解氮、鉀以及微量元素銅、鐵、硼的有效量下降的尤為顯著。由此可見,偏堿—堿性土壤在抑制了有害元素的活化遷移的同時,也降低了作物生長所需的營養(yǎng)組分的活性,對作物生長產(chǎn)生了不利的因素。

3.4.2蔬菜中Hg、Cd生物富集系數(shù)與土壤pH值的關系

土壤的酸堿度是影響農作物的生物富集的一個重要條件。白菜類蔬菜中元素生物富集系數(shù)(圖6),土壤pH值<7.5～7.5中偏堿性環(huán)境下,Hg、Pb、As的生物富集系數(shù)較穩(wěn)定,均在0.01以下,Cd的富集系數(shù)呈上升趨勢由0.025左右升至0.04左右。當土壤中的pH值繼續(xù)升高7.5～8.0時,Cd的生物富集系數(shù)趨于平穩(wěn)降低在0.035～0.04之間,而Hg的生物富集系數(shù)急劇升高,Pb、As的生物富集系數(shù)無明顯變化。說明在pH值>7.5的堿性環(huán)境條件下蔬菜對土壤中的Hg反應更為敏感,吸取量隨著土壤中pH值的增大升高。對Cd、Pb、As則反應相對較平穩(wěn),富集系數(shù)變化不大[6]。

圖4　部分有益元素有效態(tài)量與蔬菜含量對比圖Fig.4　Contrast diagram of some beneficial elements and vegetable content

圖5　有益元素有效態(tài)含量與pH值關系特征對比圖Fig.5　Contrast diagram of available state content of beneficial elements and characteristic relationship of pH Value

圖6　蔬菜生物富集系數(shù)與土壤pH值特征對比圖Fig.6　Contrast diagram of bioconcentration factor of vegetable and characteristic relationship of pH Value

3.5　土壤肥力與蔬菜品質的關系

土壤是蔬菜生長發(fā)育的母體,在衡量土壤質量的諸多要素中,土壤肥力是一個極為重要的指標。通常在土壤學中是將土壤中的陽離子交換量以及與之存在有相關關系的鹽基總量參數(shù)來評價土壤肥力高低優(yōu)劣的。土壤中的陽離子交換量直接反映了土壤保肥、供肥性能和緩沖的能力,鹽基總量則是判斷土壤肥力水平的一個重要參數(shù)。

3.5.1母質根系土中陽離子交換量

種植區(qū)土壤中陽離子交換量平均值為14.4 cmol/kg。湖沖積層15.61 cmol/kg>沖積層13.53 cmol/kg;粘土16.44 cmol/kg>砂土13.15 cmol/kg >壤土12.13 cmol/kg。說明湖沖積層土壤的保肥、供肥能力要優(yōu)于沖積層土壤;保肥、供肥能力最好的是粘土,其次是砂土和壤土[7]。

3.5.2土壤鹽基總量

土壤中的鹽基總量通常是作為判斷土壤肥力的一個重要參數(shù),種植區(qū)根系土中鹽基總量的平均值為30.8 cmol/kg,高于陽離子交換量的均值,說明總體上土壤肥力達到了中等偏上的水平;各母質層及不同質地的土壤中鹽基總量均值沖積層(34.52 cmol/kg)>湖沖積層(29.059 cmol/kg);粘土和砂土中的鹽基總量基本相當為33.73 cmol/kg左右,壤土中的鹽基總量值較低僅為19.87 cmol/kg,說明粘土、砂土中的肥力要優(yōu)于壤土。

3.6　地表灌溉水對蔬菜品質的影響

另一個對蔬菜作物的生長至關重要的影響因素就是水,作物在其生長過程中,很大一部分所需營養(yǎng)主要是通過對水的攝入進行自身補給的,同時水又是土壤溶液的重要組成部分,是有益有害元素發(fā)生遷移轉化的載體。

本次評價區(qū)兩種白菜種植區(qū)內的灌溉水體中,主要重金屬污染物均未超標。大白菜種植區(qū)灌溉水中的重金屬含量略高于包菜種植區(qū)灌溉水中的含量,其它污染物指標氟化物、氯化物和磷在灌溉水體中的平均含量和最高值均在標準允許范圍內,對水體未構成污染,適合蔬菜種植的灌溉。

4　結語

綜上所述,在目前的環(huán)境條件下,種植區(qū)耕作層土壤中主要重金屬有害物質Hg、Cd、As、Pb的含量在國家有關無公害蔬菜衛(wèi)生指標規(guī)定限值內,仍然處于一個較低的水平狀態(tài),說明種植區(qū)土壤質量是相對安全的;種植區(qū)白菜類蔬菜中主要重金屬指標含量按衛(wèi)生標準衡量(5003—2001)具含量低,生物富集系數(shù)小的特點,其質量均達到了無公害蔬菜標準,屬優(yōu)質產(chǎn)品。區(qū)內優(yōu)質包菜最適宜種植的土壤為第四系全新世沖積層壤土;大白菜的最適宜種植的土壤為第四系全新世湖沖積層壤土,土壤酸堿度控制在7.5～8.5為好。

參考文獻：

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[2]張德存,等.武漢市地區(qū)生態(tài)環(huán)境地球化學評價報告[R].武漢:湖北省地質調查院,2005.

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