不同種植年限溫室土壤鉛的空間分布特征

孫艷征　曹文會

摘要 為了探究長期溫室蔬菜種植條件下土壤重金屬鉛的空間分布特征，選取衡水饒陽縣蔬菜種植基地，以不同種植年限的溫室大棚土壤為研究對象。采用改進的歐共體標準物質局四步連續提取法（BCR），分析3個土壤層次中全鉛、各形態鉛、有效態鉛含量以及隨種植年限出現的積累特性和空間分布特征。結果表明，0～20 cm土壤表層、20～40 cm土壤亞表層全鉛含量隨種植年限延長表現出積累特性，40～60 cm層全鉛含量則表現出隨種植年限延長含量降低的趨勢；在3層土壤中，表層土壤全鉛含量最多，亞表層次之，40～60 cm層全鉛含量最少；3個層次各形態鉛含量表現為可還原態>殘渣態>可氧化態>弱酸態；表層土壤中有效態鉛含量最高，危害性較大；表層土壤生物有效性系數隨種植年限延長表現出下降的趨勢。根據土壤環境質量標準，研究區內土壤Pb含量仍處于一個較低的范圍內，但潛在危害較大。

關鍵詞 溫室土壤；種植年限；鉛含量；生物有效性

中圖分類號 S158.4；F301 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-062-04

隨著我國工業的快速發展，地球環境中的土壤、大氣、水體均不同程度地受到重金屬的污染[1]。畜禽糞便的不善管理以及化肥和農藥等的不合理使用都會對土壤的理化性質造成破壞[2]。土壤的生態環境質量直接關系到農產品安全[3]。土壤中的重金屬可以通過作物吸收進入食物鏈而被人體攝入，嚴重威脅人類健康。溫室土壤長期處于半封閉狀態，濕度高，水分蒸發大，雨水淋溶作用不足，土地利用頻率較高。在農業生產中，農民單一考慮作物增產，往往忽視管理過程的科學性。諸多不科學現象伴隨著生產過程，如肥料施用過量，農藥使用不合理。隨著溫室土壤種植年限的延長，生產過程中會出現很多農業問題，如病蟲害嚴重，作物品質下降，減產等。究其原因，在于溫室土壤環境質量的惡化。重金屬污染在土壤中非常隱蔽，而且存在形態復雜，土壤環境一旦遭受污染，很難對其進行監測和治理，因此對于土壤重金屬污染的監測和治理成為眾多科研工作者的研究熱點和難點。土壤中重金屬對生態環境和植物所造成的損害不僅取決于重金屬元素的總含量，而且重金屬的存在狀態在很大程度上影響對土壤環境和植物的危害。

鉛是一種對人體毒害非常嚴重的重金屬元素，嚴重干擾人體機能的正常運行，并且存在諸多潛在危害。以衡水饒陽縣蔬菜種植基地為例，筆者對不同種植年限溫室土壤中重金屬鉛進行分析，探索長期溫室耕作條件下土壤重金屬鉛的含量及空間分布，以期為溫室土壤的農業生產管理和土壤與土地資源的可持續利用提供科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集 土壤樣品于2013年6月采自河北省衡水饒陽縣蔬菜種植基地的溫室大棚。該地土壤類型為潮土。溫室大棚的種植模式相同，均為種植黃瓜，每年兩茬。對不同種植年限（18、15、12、10、5年）的土壤樣品進行采集、分析。在土壤樣品采集時進行多點取樣。每棚內按“S”形路線取樣，每點重復3次，分別對表層（0～20 cm）、亞表層（20～40 cm）及深層（40～60 cm）土壤進行采集，同時采集棚外土壤作為對照。

1.2 樣品處理 將采集的土壤樣品在室內進行風干，剔除雜質，研磨，分別過1.00、0.25及0.15 mm尼龍篩，裝袋，貼標簽，備用。對處理好的土壤樣品進行重金屬賦存形態和全量的提取、測定。

對土壤中重金屬存在形態的浸提方法以BCR法為基礎，經黃光明等[4]進行改進。具體步驟如下：①弱酸提取態（簡稱弱酸態）：用0.11 mol/L醋酸40 ml振蕩浸提1 h，然后以3 800 r/min離心20 min，過濾，即為弱酸態提取液；②可還原態：用20 ml超純水（試驗用水均為超純水）洗滌剩余物，振蕩15 min，離心20 min后分離上層清液，剩余物用0.1 mol/L鹽酸羥胺振蕩提取16 h，按步驟①離心過濾，即為可還原態提取液；③可氧化態：剩余物按步驟②進行洗滌，上述步驟的剩余物經濃度30%雙氧水氧化處理后，用1 mol/L醋酸銨溶解、振蕩浸提16 h，離心，過濾，即為可氧化態提取液；④殘渣態：殘渣態含量是用全鉛含量減去其他形態含量之和。該方法能較好地反映土壤中重金屬的分布狀況。

1.3 樣品分析 各形態的提取液經原子吸收分光光度計法進行測定。土壤有效態重金屬采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法測定。對全量鉛的分析，首先是根據《王水回流消解原子吸收法》進行消解。該方法是由中華人民共和國農業部頒發的農業行業標準。在過濾、定容消解完成產物后，采用原子吸收分光光度法測定。試驗數據分析采用Excel 2007軟件處理和圖表編制。

1.4 生物有效性的測定 有效態重金屬含量占重金屬總量的百分比，稱為重金屬生物有效性系數。相比于全量重金屬和重金屬有效態含量，它更能反映重金屬對于環境的危害和對土壤的沖擊[5]。其計算公式為：

Ac=Aci/Bci×100%

式中，Ac為土壤中Pb元素的活性；Aci為Pb元素的有效態含量；Bci為Pb元素的全量值。

2 結果與分析

2.1 土壤全鉛含量 根據土壤環境質量標準[6]，土壤鉛含量≤35 mg/kg定為一級土壤。由圖1可知，采樣區內全鉛含量最高，達6.83 mg/kg。可見，該采樣區土壤重金屬鉛含量還處于一個較低范圍。

2.1.1 各層土壤鉛含量比較。由圖1可知，作為對照的土壤樣品全鉛含量最低（3.77 mg/kg），種植18年的溫室土壤重金屬鉛含量達到最大值（6.83 mg/kg）?？傮w趨勢表現為：隨著種植年限的延長，重金屬鉛表現出積累特性；亞表層土壤全鉛含量從對照到種植年限為12年的溫室土壤也表現出隨年限增長而增加的趨勢。種植12年的土壤全鉛含量達最高，為4.30 mg/kg；當種植年限為5年時，40～60 cm層土壤全鉛含量出現最高值（3.59 mg/kg）；鉛含量最小值是種植15年的溫室土壤1.35 mg/kg。大體趨勢是隨著種植年限的延長，全鉛含量降低。

2.1.2 重金屬鉛含量在空間上的分布。由圖1可知，表層土壤重金屬鉛含量最高，亞表層次之，40～60 cm層最低。隨種植年限的增長，表層與亞表層鉛含量的差值也在變大。

由于連作的原因，溫室土壤養分供應不足。為保證作物產量、品質，農戶常會施加有機肥、農藥等。大多數有機肥、農藥中都含有銅、鋅、鉛等重金屬，而多數農藥又難溶于水，易被黏土和有機質吸附，隨水淋失較少，所以農藥大部分存在于表土層中[7]，表現出表土層中重金屬鉛全量含量較多。許多研究已表明，高強度的農業活動會影響土壤重金屬的富集。種植歷史的延續會引起土壤中的重金屬的不斷累積[8-9]。

2.2 土壤各種鉛形態含量

2.2.1 表層土壤各種鉛形態含量。由圖2可知，在種植年限不同的溫室土壤，0～20 cm表層土壤中鉛的各形態含量表現為可還原態>殘渣態>可氧化態>弱酸態?？蛇€原態鉛含量最高，表明進入土壤中的鉛與土壤中鐵錳氧化物結合能力較強。有研究表明，鐵錳氧化物主要通過吸附或共沉淀作用積累鉛元素[10]。該作用機制對于土壤環境的氧化還原條件極敏感。當土壤的酸堿度發生變化時，如pH下降，結合態的鉛元素則會被活化釋放，轉化成作物可以吸收的鉛，進而產生"二次污染”。殘渣態是鉛元素極其穩定的形態。這部分鉛活度幾乎為0，在短期內基本上不具備生物有效性，對環境幾乎不存在潛在風險[11]。可還原態、殘渣態、可氧化態鉛均隨種植年限延長表現出積累特性。弱酸態易被作物吸收，易轉化成其他形態，含量非常低。

一般認為，弱酸態、可還原態和可氧化態鉛有生物可利用性，統稱為生物有效態鉛[12]。由圖3可知，該采樣區內生物有效態鉛占全鉛含量的百分比表現出隨種植年限延長而逐漸降低的趨勢；殘渣態占全鉛含量的百分比則逐年升高。總體來說，生物有效態鉛占全鉛的比值均超過60%，有效態鉛隨種植年限延長含量一直升高。這說明該采樣區內土壤重金屬鉛的生態危害較大。

2.2.2 亞表層土壤各種鉛形態含量。由圖4可知，20～40 cm土壤亞表層各種形態鉛含量表現為可還原態>殘渣態>可氧化態>弱酸態。由表1可知，亞表層土壤的可還原態含量在種植10年的溫室土壤達到最大值，在種植15年達到最小，可還原態含量總體趨勢是隨種植年限延長先升高后下降；殘渣態含量隨種植年限延長總體趨勢表現為升高，種植12年的溫室土壤殘渣態含量最多，含量最少的是對照土壤；弱酸態、可氧化態含量均較少。

2.2.3 40～60 cm土層土壤中各種鉛形態含量。由圖5可知，40～60 cm土層土壤中各形態鉛含量大小依次為可還原態>殘渣態>可氧化態>弱酸態。可還原態鉛在種植年限為5年的溫室土壤中達到最大值，在種植15年的溫室土壤達到最小值。大體趨勢為隨種植年限的延長，可還原態含量降低；殘渣態、可氧化態、弱酸態則表現出不規則的趨勢。與對照相比，各種植年限殘渣態含量均表現出明顯的積累態勢，其來源可能包括外源帶入及其他形態鉛的轉化。

3個層次土壤中各形態鉛含量大小均表現為可還原態>殘渣態>可氧化態>弱酸態。這說明表層鉛會影響下層土壤中鉛的形態、含量，推測是表層土壤鉛向下遷移，受土壤pH的影響，加之母質中鐵錳含量較高，土壤中的鉛較易與高價化態的鐵錳氧化物結合，導致土壤中可還原態鉛含量較多。

2.3 各層土壤中有效態鉛含量累積特征 有效態鉛是一種以水溶態和離子交換態存在于土壤中的鉛。這部分鉛可以被作物直接吸收。由圖6可知，表層土壤有效態鉛含量的范圍為0.54～0.81 mg/kg，大體隨著種植年限的延長出現下降的趨勢；20～40 cm層土壤有效態鉛含量范圍為0.45～1.12 mg/kg，有效態含量在種植年限為10年的溫室土壤出現最大值；40～60 cm層土壤有效態含量范圍為0.38～0.71 mg/kg，有效態含量趨勢為先升高后降低，最大值在種植年限為10年的溫室土壤取得?？傮w趨勢是表層土壤有效態鉛含量高于其他兩個層次，主要是因為表層是耕作層，受人為活動的影響較大。

2.4 表層土壤全鉛、有效態鉛含量特征及其生物有效性

2.4.1 表層土壤全鉛、有效態鉛含量特征。由表2可知，從種植年限為5年到種植年限為12年的溫室土壤，全鉛含量呈現出不斷升高的趨勢，有效態鉛含量則表現出減少的趨勢；從種植年限為15年到種植年限為18年的溫室土壤，則表現出全鉛含量不斷升高，有效態鉛含量也不斷升高。

2.4.2 生物有效性。由表2可知，在不同種植年限的溫室土壤，生物有效性存在較大差異，有效態鉛活度較大，易在土壤中遷移，進而被作物吸收利用，在植物體內富集，最終達到食物鏈的頂端，進入人體，危害人體健康。

3 結論

（1）全鉛含量最高出現在0～20 cm土壤表層，并且隨著溫室種植年限的延長，表現出積累特性。這主要是因為耕層土壤受人為因素的影響較多；20～40 cm亞表層土壤全鉛含量低于表層土壤中鉛的含量，也表現出隨種植年限延長而增加的趨勢；40～60 cm土層土壤全鉛量最低，含量隨種植年限延長表現出現降低趨勢，主要是因為該層受到的人為活動較少。

（2）0～20 cm土壤表層中各形態鉛含量均隨種植年限延長表現出積累特性；亞表層土壤中殘渣態含量隨種植年限延長總體表現出升高的趨勢；40～60 cm土層土壤中可還原態鉛表現出隨種植年限延長而含量降低的趨勢。表層土壤中生物有效態含量占全鉛含量的百分比均超過60%，而這部分鉛可以被作物吸收利用，判斷表層土壤重金屬鉛的危害較大。3個土壤層次中各形態鉛含量表現為可還原態>殘渣態>可氧化態>弱酸態，優勢形態是可還原態。

（3）有效態鉛是植物能直接吸收利用的。在3個土壤層次中，表層土壤有效態鉛含量最高，推測有效態含量與耕作復雜程度有關。

（4）在種植年限為5～ 12年的溫室土壤，生物有效性系數呈現出減小的趨勢。

（5）參照土壤環境質量標準，研究區土壤鉛元素含量仍處于一個較低范圍。但是，采樣區內生物有效態鉛占全鉛含量的比例值均已超過60%，表明采樣區內土壤重金屬鉛的潛在生態危害較大。

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