輪作模式下設(shè)施菜地主要重金屬元素空間分布特征

孫凱寧+王克安+楊寧

摘要：選取代表性日光溫室，以設(shè)施菜地中主要重金屬元素（Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni）為研究對(duì)象，對(duì)兩種種植模式（連作、輪作）條件下6種重金屬元素在土體中的空間分布特征進(jìn)行調(diào)查研究。結(jié)果表明：連作模式條件下，土壤中Cd、Pb、Cr、Cu含量具有表聚的趨勢(shì)，0～20 cm耕作層為主要分布區(qū)，且土層越深含量越低，As、Ni含量在0～60 cm土層范圍內(nèi)則呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)。參照HJ 333—2006《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)現(xiàn)，連作模式0～20 cm土層中Cd、As分別超出限量值220%、15.6%；而輪作模式可顯著降低0～20 cm耕作層Cd、As含量降幅分別達(dá)37.5%、6.2%；與連作相比，輪作增加了6種重金屬元素在20～40 cm土層中的含量。綜上所述，在設(shè)施菜地遭受重金屬污染后，采用輪作模式可以減少主要重金屬元素在土壤耕作層的積聚，使其往下層土壤遷移，從而減輕了設(shè)施農(nóng)產(chǎn)品對(duì)耕作層中重金屬污染物的吸收。

關(guān)鍵詞：輪作；日光溫室；重金屬；污染

中圖分類號(hào)：S153 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2016）11-0081-04

Abstract Selecting typical greenhouses as research objects， the spatial distribution features of Cd， As， Pb， Cr， Cu and Ni under two planting patterns （continuous cropping and crop rotation） were investigated and studied. The results showed that under the condition of continuous cropping， the contents of Cd， Pb， Cr， Cu in the soil had surface aggregation tendency， and 0～20 cm plow layer was the main distribution area. Meanwhile， the deeper the soil layer， the lower the contents. The As， Ni contents showed the trend of firstly increased and then decreased within the 0～60 cm soil layer. According to HJ 333—2006 “greenhouse vegetable production environment quality assessment standards”， the Cd， As contents in the 0～20 cm soil layer under continuous cropping pattern exceeded the limited value of 220% and 15.6%， respectively. The rotation mode could significantly decrease the contents of Cd and As in 0～20 cm plow layer by 37.5% and 6.2%， respectively. Compared with the continuous cropping， the crop rotation increased the contents of 6 kinds of heavy metal elements in 20～40 cm soil layer. In summary， the rotation mode could reduce the heavy metals accumulation in plow layer after greenhouse suffered heavy metal pollution， and make them move down to the subsoil to reduce the absorption of agricultural products to heavy metal pollutants.

Keywords Rotation； Greenhouse； Heavy metal； Pollution

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平逐年提高，居民對(duì)蔬菜種類、產(chǎn)地和蔬菜安全的要求越來越高[1]。土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)[2]，但隨著工業(yè)化、城市化的迅猛發(fā)展，礦產(chǎn)開采、污水灌溉、肥料和農(nóng)藥的不合理施用等致使重金屬污染物通過多種途徑進(jìn)入土壤圈，進(jìn)而通過食物鏈危及人們健康。

設(shè)施環(huán)境常年處于封閉、半封閉狀態(tài)，溫度高、濕度大、復(fù)種指數(shù)高、無(wú)雨水淋洗，為片面追求產(chǎn)量，過量使用化肥和殺蟲劑（含重金屬）[3]，極易造成設(shè)施菜地重金屬污染[4]。有調(diào)查表明，北京市蔬菜和土壤中的鉛、鎘等積累明顯，對(duì)部分人群存在一定的健康風(fēng)險(xiǎn)[5-10]。與麥田相比，壽光蔬菜大棚產(chǎn)地土壤重金屬Hg、Cd、Zn含量明顯高于自然背景值，部分地塊蔬菜大棚土壤Cd的樣本超標(biāo)率為15.4%[11]；有報(bào)道稱河南新鄉(xiāng)市郊區(qū)大棚設(shè)施菜地土壤重金屬處于高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)[12]；通過對(duì)不同種植年限的蔬菜大棚土壤重金屬含量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤重金屬含量隨著大棚使用年限的增加呈增加趨勢(shì)[13]。有關(guān)菜地土壤重金屬的研究，一般多偏重于常規(guī)蔬菜種植模式[14-16]，關(guān)于輪作對(duì)設(shè)施菜地土壤重金屬影響的研究較少。前人關(guān)于輪作模式的研究多側(cè)重于對(duì)改善土壤肥力、土壤酶活性、微生物多樣性和提高耕地效益方面[17]，而有關(guān)該種植制度下設(shè)施菜地重金屬含量空間變動(dòng)情況卻鮮見研究報(bào)道。本試驗(yàn)以北方典型設(shè)施類型——日光溫室為代表，研究?jī)煞N種植模式（連作、輪作）條件下菜地土壤重金屬分布現(xiàn)狀，以期為設(shè)施菜地質(zhì)量管理提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取濟(jì)陽(yáng)縣曲堤鎮(zhèn)兩個(gè)相同棚齡（10年）的代表性日光溫室，其中一個(gè)為連作溫室（對(duì)照，CK），另一個(gè)為采用“稻菜輪作”模式6年的日光溫室（JL）。采用“水稻—黃瓜”水旱輪作模式，即在日光溫室夏季休閑時(shí)段（7-9月）種植水稻，到10月上中旬水稻收獲之后種植黃瓜，到第二年6月水稻種植前拉秧。水稻種植行距15 cm，株距10 cm，黃瓜定植時(shí)行距50 cm，株距30 cm。各處理施肥量均保持一致，水稻種植時(shí)尿素（46% N）施用量為225 kg/hm2。后茬黃瓜整個(gè)生育期復(fù)合肥（N-P-K=15-6-21）施用量為1 125 kg/hm2。除水稻種植外，兩日光溫室黃瓜田間管理模式保持一致。于2015年6月份對(duì)溫室內(nèi)0～20、20～40、40～60 cm土層進(jìn)行多點(diǎn)隨機(jī)取樣，土壤風(fēng)干保存，以備檢測(cè)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

每小區(qū)土樣采集選用‘S形多點(diǎn)取樣，然后混樣、風(fēng)干、過篩，去除肉眼可見的有機(jī)殘?bào)w等。選取對(duì)土壤環(huán)境及人體健康危害較大的6種重金屬元素（Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni）進(jìn)行測(cè)試分析。其中Cd、Pb依據(jù)CB/T 17141—1997測(cè)定，As依據(jù)GB 17134—1997測(cè)定，Cr和Ni分別依據(jù)GB/T 17137—1997和GB/T 17139—1997測(cè)定，Cu依據(jù)GB/T 17138—1997測(cè)定。參照HJ 333—2006《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，按其中土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)限制中各重金屬元素的限量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析，差異顯著性檢驗(yàn)方法采用Duncans法，顯著水平均設(shè)在0.05水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種種植模式條件下Cd的空間分布

由圖1可知，0～20 cm耕作層連作處理（CK）的Cd含量達(dá)到0.96 mg/kg，遠(yuǎn)高于0.3 mg/kg的限量值，超出220%，輪作處理JL為0.60 mg/kg，較CK低37.5%，差異達(dá)顯著水平（P<0.05）。20～40 cm與40～60 cm土層的趨勢(shì)相近，表現(xiàn)為JL高于CK，增加幅度分別為18.5%和113.0%。說明連作使Cd在耕層聚集，而輪作可降低日光溫室耕層中Cd含量，促進(jìn)其在土體中向下遷移。

2.2 兩種種植模式條件下As的空間分布

由圖2可知，隨著土層深度的增加，連作CK與輪作JL兩處理As含量呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，20～40 cm土層的As含量最低，兩處理基本接近。就0～20 cm土層而言，JL較CK低6.2%，40～60 cm土層JL則較CK低10.2%，差異達(dá)顯著水平（P<0.05）。HJ 333—2006《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定As的限量值為25 mg/kg，本試驗(yàn)0～20 cm和40～60 cm土層中各處理As含量均高于該標(biāo)準(zhǔn)，但輪作處理JL較連作CK處理明顯降低了As含量。

2.3 兩種種植模式條件下Pb的空間分布

由圖3可知，在各土層中各兩處理的Pb含量均低于50 mg/kg的限量值；0～20 cm土層，JL與CK兩處理的Pb含量相同，均為21.9 mg/kg，而20～40 cm和40～60 cm土層，JL處理較CK有所上升，具體原因有待進(jìn)一步研究。

2.4 兩種種植模式條件下Cr的空間分布

由圖4可知，在各土層中兩處理的Cr含量均低于200 mg/kg的限量值；0～20 cm土層，輪作處理JL 的Cr含量為52.1 mg/kg，較連作CK低3.3%；20～40 cm和40～60 cm土層，JL處理則均高于CK，分別高23.3%和3.4%。說明輪作可以降低耕層土壤中的Cr含量，促進(jìn)Cr向土層下部遷移，表現(xiàn)出與Cd相似的變化趨勢(shì)。

2.5 兩種種植模式條件下Cu的空間分布

由圖5可知，各土層中兩種處理的Cu含量均遠(yuǎn)低于100 mg/kg的限量值；隨著土層深度的增加，JL與CK處理均表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)；0～20 cm土層，JL處理Cu含量為33.4 mg/kg，較CK低5.1%；而20～40 cm土層和40～60 cm土層，JL處理分別較CK高16.8%和16.1%，差異均達(dá)到顯著水平（P﹤0.05）。說明輪作促進(jìn)了Cu向土層深處遷移。

2.6 兩種種植模式條件下Ni的空間分布

由圖6可知，在各土層中兩處理的Ni含量均低于50 mg/kg的限量值；就0～20 cm土層而言，JL處理Ni含量為22.6 mg/kg，較CK低3.8%，差異不顯著（P>0.05）；20～40 cm土層，JL處理Ni含量為23.6 mg/kg，較CK高11.8%，差異達(dá)顯著水平（P<0.05）；40～60 cm土層，JL較CK低7.9%。說明輪作處理可以減少土壤耕層中Ni的含量，同時(shí)促進(jìn)了Ni向土層深處遷移。

3 討論與結(jié)論

重金屬通過大氣沉降、污泥農(nóng)用、污水灌溉、化肥和農(nóng)藥的施用等途徑進(jìn)入農(nóng)田并在土壤中積累，具有很大的生態(tài)和健康風(fēng)險(xiǎn)，受到廣泛關(guān)注[18]。土壤剖面中的重金屬含量分布狀況反映土壤受污染的程度和重金屬在土壤中的遷移狀況，一般情況下，土壤重金屬含量隨土層深度增加而降低表明土壤受到人類活動(dòng)的污染[19]。本試驗(yàn)中，連作模式（CK）條件下，土壤中Cd、Pb、Cr、Cu含量隨著土層深度的增加而逐漸降低，As、Ni含量在0～60 cm土層范圍內(nèi)呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)。輪作模式（JL）條件下，各元素變動(dòng)較大，其中Cd、Pb、Cr、Ni在20～40 cm土層含量升高，對(duì)減少這些主要重金屬元素在土壤耕層（0～20 cm）中富集具有較好效果；Cu含量隨著土層深度的增加而逐漸降低；As含量呈先降后升的趨勢(shì)。

本次選取的為連續(xù)種植10年的日光溫室，在該地區(qū)具有較好的代表性，通過分析可知， Pb、Cr、Cu、Ni在本試驗(yàn)選取的溫室土層范圍內(nèi)均符合相關(guān)限量標(biāo)準(zhǔn)。但Cd和As則超出限量值，表現(xiàn)為：連作模式下，Cd在0～20、20～40 cm土層中分別超出限量值達(dá)220%、170%，As在0～20、20～40、40～60 cm土層中分別超出限量值達(dá)15.6%、0.8%、21.6%；輪作模式可顯著降低0～20 cm耕作層Cd含量，降幅達(dá)37.5%，As降幅為6.2%。說明輪作模式對(duì)減輕耕層中Cd、As的富集具有較好效果，這對(duì)設(shè)施安全生產(chǎn)具有重要意義。但為了設(shè)施農(nóng)產(chǎn)品安全，建議以污染源防控為重點(diǎn)，以輪作模式為輔助，采取多種措施，共同杜絕設(shè)施菜地重金屬超標(biāo)問題。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 孔曉樂，吳重陽(yáng)，曹靖，等. 干旱地區(qū)設(shè)施土壤和蔬菜重金屬含量及人體健康風(fēng)險(xiǎn)——以白銀市為例[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2014，28（1）： 92-97.

[2] 秦樊鑫，魏朝富，李紅梅. 重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)綜述與展望[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)， 2015， 38（S2）： 199-208.

[3] 章圣強(qiáng). 沿黃灌區(qū)設(shè)施蔬菜土壤養(yǎng)分狀況及重金屬含量與評(píng)價(jià)[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2010.

[4] 程美廷. 溫室土壤鹽分積累、鹽害及其防治[J]. 土壤肥料，1990（1）： 1-4.

[5] 陳同斌，宋波，鄭袁明，等. 北京市菜地土壤和蔬菜鎳含量及其健康風(fēng)險(xiǎn)[J].自然資源學(xué)報(bào)， 2006，21（3）： 349- 361.

[6] 黃澤春， 宋波，陳同斌，等. 北京市菜地土壤和蔬菜的鋅含量及其健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 地理研究，2006，25（3）： 439- 448.

[7] 宋波，陳同斌，鄭袁明，等. 北京市菜地土壤和蔬菜鎘含量及其健康風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（8）：1343-1353.

[8] 陳同斌，宋波，鄭袁明，等. 北京市菜地土壤和蔬菜鉛含量及其健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006， 39（8）：1589-1597.

[9] 宋波，高定，陳同斌，等. 北京市菜地土壤和蔬菜鉻含量及其健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（10）：1707-1715.

[10]鄭袁明，宋波，陳同斌，等. 北京市菜地土壤和蔬菜中銅含量及其健康風(fēng)險(xiǎn)[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25（5）： 1093-1101.

[11]劉蘋，楊力，于淑芳，等. 壽光市蔬菜大棚土壤重金屬含量的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2008，21（5）： 66-71.

[12]周凱，王智芳，馬玲玲，等. 新鄉(xiāng)市郊區(qū)大棚菜地土壤重金屬Pb、Cd、Cr和Hg污染評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，22（12）： 1962-1968.

[13]李德成，李忠佩，周祥，等. 不同使用年限蔬菜大棚土壤重金屬含量變化[J]. 農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，2003，19（3）： 38-41.

[14]伊田，梁東麗，王松山，等. 不同種植年限對(duì)設(shè)施栽培土壤養(yǎng)分累積及其環(huán)境的影響[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，38（7）： 111-117.

[15]杜連鳳，張維理，武淑霞，等. 長(zhǎng)江三角洲地區(qū)不同種植年限保護(hù)菜地土壤質(zhì)量初探[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2006，12（1）： 133-137.

[16]王俊，郭穎，吳蕊，等. 不同種植年限和施肥量對(duì)日光溫室土壤鋅累積的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（1）： 89-94.

[17]徐培智，解開治，陳建生，等. 一季中晚稻的稻菜輪作模式對(duì)土壤酶活性及可培養(yǎng)微生物群落的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2008，14（5）： 923-928.

[18]李本銀，汪鵬，吳曉晨，等. 長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)對(duì)土壤和水稻微量元素及重金屬含量的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2009，46（2）：281-288.

[19]劉洪蓮，李戀卿，潘根興. 蘇南某些水稻土中Cu Pb Hg As的剖面分布及其影響因素[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25（5）： 1221-1227.