關中地區日光溫室重金屬污染及其田塊尺度下的特征

唐希望，同延安，吉普輝，梁連友，

龐　妍1，Nguyen Thanh Hung1,2，王　力1

(1.西北農林科技大學資源環境學院, 陜西 楊凌 712100；

2.College of Resources and Environment, Thu Dau Mot University, Binh Duong, VietNam 72000)

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關中地區日光溫室重金屬污染及其田塊尺度下的特征

唐希望1，同延安1，吉普輝1，梁連友1，

龐妍1，Nguyen Thanh Hung1,2，王力1

(1.西北農林科技大學資源環境學院, 陜西 楊凌 712100；

2.College of Resources and Environment, Thu Dau Mot University, Binh Duong, VietNam 72000)

摘要：對關中地區8個日光溫室集中分布區域土壤重金屬污染進行了調查，并比較了兩個相同年限相近位置日光溫室污染分布特征，在田塊尺度下應用ARCGIS軟件地統計學模塊進行了插值模型分析。結果表明，8個日光溫室采樣點污染負荷指數(PLI)在1.087～1.723之間，均為中等污染； 區域PLI值為1.311，區域日光溫室土壤重金屬為中等污染。地統計學插值圖表明1號日光溫室Cd，2號日光溫室Cd、Cu、Pb均出現不同程度累積。在田塊尺度下，日光溫室1中Cd上層土壤分布高于下層，Cr、Cu和Pb在0～1 m土壤隨機分布；日光溫室2中Cd和Cu上層土壤分布高于下層，Pb和Cr下層土壤分布高于上層。日光溫室重金屬污染具有復雜性，即便相同年限相近位置不同日光溫室內土壤重金屬污染特點也不盡相同。

關鍵詞：關中地區；日光溫室；重金屬污染；地統計學；空間分布

Assessment of greenhouse heavy metal pollution in Guanzhong area

and analysis of its spatial distribution on field scale

土壤污染是目前我國農業環境面臨的主要問題之一，尤其是重金屬污染問題最為復雜，得到了很多研究者的重視[1-3]。污灌是典型的重金屬污染來源之一[4-5]，關于廠礦排污造成重金屬污染報道也逐漸增多[6-9]。由于化肥、農藥和有機肥的過量施用[10-12]，日光溫室土壤同樣存在嚴重的重金屬累積問題[13]，且土壤多為Cd，Cr，Cu，Pb的累積。關中地區自1992年起修建了大量日光溫室，截止2009年其面積已經達到22 533 hm2[14]。然而目前尚未見到以關中區域為整體，研究日光溫室土壤重金屬污染的文獻報道。

相較于其他重金屬污染土壤，日光溫室面積小，具有一定的封閉性和獨立性，重金屬污染來源只能通過人為因素。同時由于中國當前設施農業生產標準化水平較低，施肥方式、種類難以標準化，決定了重金屬在日光溫室內的遷移分布迥異。很多研究者利用地統計學軟件對土壤重金屬污染特征進行了研究[15-17]，但多集中在區域空間尺度上，主要分析表層土壤重金屬分布特征。王紀華[18]等認為這種研究方式并不能應用于我國當前生產實際，提出了田塊尺度上的土壤污染特征分析。但其采樣步長為100 m，大于日光溫室的長度，使用仍然具有局限性。本文以關中日光溫室土壤為研究對象，分析重金屬Cd，Cr，Cu，Pb污染狀況，并利用地統計學軟件，分析同一地點兩個相同年限日光溫室田塊尺度上重金屬空間分布特征。本研究對于了解關中設施農業重金屬污染現狀，保護農作物生產和人體健康具有重要意義。

1材料與方法

1.1研究區概況及采樣點布設

圖1　關中地區日光溫室采樣點位置

圖2田間尺度采樣點分布

Fig.2The field scale sample points distribution

1.2土壤樣品分析方法

土壤樣品放置于陰涼干燥處，自然陰干后磨細，全部過100目尼龍篩。稱取0.25 g土壤樣品于25 ml聚四氟乙烯消解管中，加入9 ml HNO3和3 ml HClO4，搖勻，130℃電熱板消解，待溶液沸騰1 h后，加入5 ml HF，繼續消解至瓶內消解物呈現黃色糊狀或無色，結束消解。用高純水將聚四氟乙烯瓶內固體全部轉移到10 ml塑料管中，清洗三次定容后搖勻，使用ICP-AES測定Cd、Cr、Cu、Pb含量。每個樣品兩個重復，使用環境標準物質GSF-4進行質量控制。

1.3土壤污染評價方法

土壤污染質量評價方法有指數法、綜合評價法以及基于GIS等的一系列方法[19]。其中污染負荷指數(Pollution load index， PLI)不僅可以用來反映單一污染點污染程度，還可以對區域污染程度進行反映，因此選為本研究評價方法[20]。本文中所用公式為：

(1)

(2)

(1)式為單一點污染程度的計算公式，(2)式為區域污染程度的計算公式。C=元素實測值/背景值。PLI等級劃分標準為：P<1時表示無污染；1≤P<2為中等污染；2≤P<3為強污染；P≥3為極強污染。

1.4田塊尺度重金屬分析方法

兩個日光溫室田塊均為狹長地塊，其寬度為7.5 m,故對其垂直剖面上重金屬分布進行地統計分析。在采樣點空間構建上，為便于直觀分析，在水平方向尺度為m，垂直方向尺度為cm。使用ArcGIS 10.2地統計學模塊，選取最優擬合模型，普通克里格法空間插值。數據統計分析采用SPSS 20.0軟件。

2結果與分析

2.1土壤重金屬污染評價

對關中地區8個設施農業日光溫室土壤采樣，編號G1～G8，測定土壤Cd、Cr、Cu、Pb含量，結果見表1。

表1　日光溫室土壤重金屬含量/(mg·kg-1)(n=50)

Note: a: the value stands for the background of loss soil (0～20 cm) in Guanzhong area; b: the value are secondary standard in 《Environmental quality standard for soils》[22]while pH>7.5. The same below.

表1顯示，G1～G8日光溫室土壤中Cd、Cr含量均值高于土壤環境背景值，其中G5日光溫室土壤Cd含量均值超出土壤環境質量二級標準值；G6～G7 Cu、G1～G8 Pb均值均高于環境背景值。從結果看只有Cd出現超出國家土壤環境質量二級標準的情況，但采用污染負荷指數法，分別對日光溫室基地土壤重金屬污染進行評價，其各點PLI指數均處于1.087～1.723之間，為中等污染。根據公式(2)計算出的關中地區區域PLI值為1.311，區域內日光溫室為中等污染。

2.2田塊尺度重金屬污染特征分析

2.2.1樣品的數據統計使用SPSS 20.0軟件對日光溫室1和日光溫室2土壤樣品的數據統計分析見表2。

結果表明，30個采樣點中1號日光溫室土壤Cd、Cr、Cu、Pb含量均值分別為1.53、61.25、25.18、14.40 mg·kg-1，為2號日光溫室含量的54.84%、90.78%、88.00%和62.99%。獨立樣本t檢驗結果表明，兩個日光溫室土壤重金屬含量差異均達到極顯著水平(表3)。 日光溫室1的Cd和日光溫室2的Cd，Cu，Pb均顯著高于薛澄澤等[21]1986年測定的關中地區重金屬背景值，出現累積。其中日光溫室1和2 Cd含量均高于土壤環境質量規定的二級標準值，出現污染。

表2　土壤樣品統計特征

Note: a: the value stands for the background of loss soil in Guanzhong area.

表3　兩個溫室結果獨立樣本t檢驗結果(置信區間99%)

2.2.2土壤重金屬變異函數土壤重金屬變異函數見表4。ArcGIS地統計模塊下采用穩態模型可以對數據很好地擬合。日光溫室土壤重金屬Cd，Cr，Cu，Pb的各向同性下的變異函數(表4)展示了很好的空間結構，除1號日光溫室Pb采用J-Bessel模型，其他元素使用Stable模型可以很好地插值。4種重金屬元素變程在數值上均大于20，即空間自相關尺度遠大于采樣間隔20，說明采樣設計是恰當的，并且表明空間插值圖可以較好地反映4種重金屬的空間分布。

塊金值/基臺值是一個很重要的數值：比值<25%，表明系統具有強烈的空間相關性；比值在25%～75%之間，表明系統具有中等的空間相關性；比值>75%說明系統空間相關性很弱[23]。1號日光溫室Cd和Pb，2號日光溫室Pb塊金值/基臺值比值較高，說明隨機部分引起的空間異質性程度較高。同時也可以說明區域因素(自然因素)和非區域因素(人為因素)誰占主導作用，當該比值較高時非區域因素占主導地位。根據表1結果，1號日光溫室和2號日光溫室Cd出現累積。磷礦肥料的施用會帶來Cd的累積[24]，因此可以推測1號日光溫室和2號日光溫室Cd分布是由于施用磷肥引起的。1號日光溫室Pb不存在累積問題，對其分布影響的人為因素還需要進一步的研究。

2.2.3數據的空間插值根據上述分析，使用ARCGIS10.2中地統計學模塊，使用普通克里格插值，得到了1號日光溫室和2號日光溫室土壤重金屬Cd，Cr，Cu，Pb插值圖(圖3和圖4)。從圖3和圖4中可以很清晰地觀察到土壤重金屬在日光溫室剖面上的空間分布。

表4　土壤重金屬變異函數

圖3日光溫室1土壤重金屬含量分布

Fig.3Distribution of heavy metals in No.1 greenhouse soil

日光溫室1中Cd在剖面的分布與空間相關性很高，主要集中于日光溫室內部表層(50 cm深度以上)土壤；Cr，Cu和Pb在日光溫室內分布比較隨機。日光溫室2中Cd和Cu含量在0～1 m剖面具有相似的分布，20 cm以上和60～100 cm含量高于20～60 cm土層；Cr和Pb的含量分布具有相似性，60 cm以下土層含量高于60 cm以上土層。重金屬在垂直方向上的分布反映重金屬在剖面的遷移情況，從圖3和圖4中可以看出Cd，Cr，Cu在日光溫室的遷移比Pb劇烈。1號和2號日光溫室相同元素剖面的遷移水平不同。

3討論與結論

3.1關中地區日光溫室農田總體重金屬污染狀況

關中地區農田土壤重金屬已有的相關研究[25-26]表明， 關中地區除西安污灌區以外不存在大面積區域性土壤重金屬污染，這與本研究結果一致。調查的8個日光溫室基地中，只有一個出現了土壤Cd含量超出《國家土壤環境質量標準》[22]規定的二級土壤質量標準的情況。但關中地區農田土壤重金屬已經出現了不同程度的累積問題。胡明對富平[27]和潼關[28]農業土壤重金屬進行了研究，以當地土壤背景值作為評價標準，富平整體農業土壤處于中度污染水平，潼關處于重度污染水平。同樣以土壤背景值為評價標準，關中地區日光溫室土壤為中等污染(見表1)。

圖4日光溫室2土壤重金屬含量分布

Fig.4Distribution of heavy metals in No.2 greenhouse soil

關中地區日光溫室內土壤重金屬累積主要來源為肥料。關中地區目前灌溉用水總量為59.02億m3，其中26.06億m3為地下水[29]，其余用水來自渭河支干流。對渭河沉積物[30-31]和渭河水[32]的相關研究表明，在渭河沉積物中重金屬的賦存形態主要以殘渣態為主，渭河支干流自2011年起水體重金屬含量均降至環境可接受程度。而地下水一般是安全的，因此灌溉不是日光溫室內土壤重金屬累積的原因。關中地區設施農業保護地土壤種植強度大，復種指數高，有機肥化肥投入過量。對于直接從養殖場到農田的這一部分有機肥的重金屬含量情況我們無法判斷，但是市售有機肥中重金屬含量較高，部分甚至存在重金屬超標的現象[12,33]。磷肥等礦質肥料重金屬含量較高[11]，也會帶來日光溫室重金屬累積。但是總體來說，日光溫室土壤重金屬的累積程度是緩慢的，Zhang等的研究表明在北京通州蔬菜基地，20年日光溫室土壤Cd含量累積到1年日光溫室的3.2倍[34]。

3.2日光溫室內土壤重金屬分布情況

本文選取的兩個日光溫室內土壤重金屬的分布特點完全不同。造成這種現象的原因主要是日光溫室個體之間具有相對的獨立性，加之標準化生產程度不高，使得重金屬在日光溫室土壤中具有不同的遷移，形成了不同的分布。本研究得到的日光溫室內土壤重金屬的分布與露地污染土壤重金屬分布也不同[35]。李斌等對西安污灌區相同土壤條件下經過一定年限種植大棚菜地和農耕菜地重金屬遷移的研究認為大棚菜地種植強度大，重金屬隨作物的莖稈果實而被移出菜地；而農耕地種植強度小，同時存在秸稈還田，部分重金屬又重新回到土壤[36]。另一方面日光溫室在長期的種植過程中土壤性質發生變化，土壤pH值的降低提高了重金屬的生物有效性，促進了作物的吸收，但是有機質的提高又會影響作物對Cu和Zn的吸收[37]。因此，在多種因素影響下，每個日光溫室內土壤污染元素的分布都是各不相同的。

3.3結論

本文對關中地區8個日光溫室集中區土壤進行了采樣調查，并應用ARCGIS地統計分析模塊對相同地區兩個不同的日光溫室重金屬分布特征進行了插值分析，得到了如下結論：

(1) 8個采樣地區日光溫室土壤PLI分別為1.403，1.323，1.261，1.258，1.723，1.372，1.087，1.152，均為中等程度污染。PLI最高值為G5采樣點，該采樣點土壤重金屬Cd超過土壤重金屬環境質量標準規定的二級標準值，出現超標情況。該區域PLI指數為1.311，區域日光溫室總體評價為中等程度污染。

(2) 兩個相同年限相同地區日光溫室插值分析中，1號日光溫室的Cd，2號日光溫室的Cd，Cu，Pb均出現不同程度累積。在多種元素作用之下，不同日光溫室內重金屬污染元素的分布均不相同。

參 考 文 獻：

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using Geo-statistical software

TANG Xi-wang1, TONG Yan-an1, JI Pu-hui1, LIANG Lian-you1,

PANG Yan1, Nguyen Thanh Hung1,2, WANG Li1

(1.CollageofResourceandEnvironmentSciences,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China；

2.CollegeofResourcesandEnvironment,ThuDauMotUniversity,BinhDuong,Vietnam72000)

Abstract：To assessment the greenhouse heavy metal pollution in Guanzhong area, eight facility agricultural areas were selected to collect soil samples. Two greenhouses from the same place with the same planting years were also selected to analysis the spatial distribution of heavy metals in soil on field scale using Geo-statistical software. Samples were digested with HClO4-HNO3-HF and subsequently assayed for Cd, Cr, Cu, Pb by ICP-AES. The findings showed the PLI(Pollution load index) of eight greenhouse soil were 1.403，1.323，1.261，1.258，1.723，1.372，1.087，1.152，and the greenhouse soil in Guanzhong area was slightly polluted with PLI 1.311. The method of analysis vertical section of soil spatial distribution of heavy metals on field scale using Geo-statistical software was established. Maps of heavy metals spatial distribution in two greenhouses soil were made using Kriging method. The maps showed the pollutant in No.1 greenhouse was Cd and in No.2 greenhouse were Cd, Cu and Pb. At field size, Cd content in No.1 greenhouse topsoil and Cd and Cu content in No.2 greenhouse topsoil were both higher than in subsoil, while Pb in No.2 greenhouse topsoil lower than subsoil. In conclusion, we detected complexity of soil heavy metal pollution of greenhouse, as evidenced by the contrasting mechanism of similar greenhouses.

Keywords:Guanzhong area; greenhouse; heavy metal pollution; geostatistics; spatial distribution

中圖分類號：X53

文獻標志碼：A

通信作者：同延安，教授，博士生導師，主要從事土壤化學、施肥與環境、農業生態等方面研究。 E-mail：tongyanan@nwsuaf.edu.cn。

作者簡介：唐希望(1988—)，男，安徽阜陽人，博士研究生，主要研究方向為污染物遷移與調控。 E-mail：txw@nwsuaf.edu.cn。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201203045)；高等學校學科創新引智計劃資助(B12007)

收稿日期：2015-01-10

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.42

文章編號：1000-7601(2016)01-0272-07