杭州市典型設施栽培土壤環境質量調查

倪中應，石一珺，謝國雄，章明奎

(1.桐廬縣農業和林業技術推廣中心，浙江 桐廬 311500； 2.杭州市植保土肥總站，浙江 杭州 310020； 3.浙江大學 環境與資源學院，浙江 杭州 310058)

杭州市典型設施栽培土壤環境質量調查

倪中應1，石一珺1，謝國雄2，章明奎3，*

(1.桐廬縣農業和林業技術推廣中心，浙江 桐廬 311500； 2.杭州市植保土肥總站，浙江 杭州 310020； 3.浙江大學 環境與資源學院，浙江 杭州 310058)

為了解杭州市設施栽培土壤的環境質量狀況，選擇27個代表性設施栽培蔬菜基地，采樣分析了表層土壤中8種重金屬、8種抗生素的含量，并與鄰近的一般大田進行比較。結果表明，設施栽培土壤中銅、鋅、鎘、鉛的平均含量分別比大田土壤高17.28%、18.36%、25.00%和17.82%，8種抗生素總量的平均值是大田土壤的4.91倍，表明設施栽培土壤中重金屬、抗生素積累普遍高于一般大田。施用化肥和有機肥的設施栽培土壤中銅、鋅、鉻、鉛、汞、砷的平均含量分別比只施用化肥的設施栽培土壤高54.86%、26.76%、16.80%、14.36%、50.56%和9.63%，且前者土壤中8種抗生素總量的平均值為后者的6.67倍。施用含重金屬和抗生素的有機肥是導致設施栽培土壤污染物積累的重要原因之一。

設施栽培；土壤環境質量；重金屬；抗生素

土地利用模式是人們對土地開發利用的選擇，可在多方面對土壤質量產生影響。近年來，設施農業在全國各地迅速發展，設施栽培面積顯著增加。設施農業生產是在特定的農業保護設施內進行的農作物栽培，因能有效地控制環境條件，充分滿足作物生長的要求，大大提高了對農業資源的利用效率，從而提高了農業生產的經濟效益。然而，長期處于溫室、大棚等栽培條件下的土壤，因缺少雨水淋洗，加之設施栽培又長期處于高復種指數、高肥料施用量的生產狀態下，導致其土壤組成與理化性狀明顯不同于一般農田，容易引發土壤次生鹽漬化、酸化、板結、連作障礙等一系列生產問題[1-3]。據報道，我國施用的磷肥、鉀肥及復合肥中存在一定濃度的重金屬[4-5]，同時，由于飼料添加劑的不合理應用，當前我國有機肥中普遍存在高量重金屬和抗生素殘留[6-7]，而設施栽培因復種指數高、化肥施用量大，同時有機肥投入量也較高；因此，長期在設施栽培條件下的土壤中重金屬、抗生素等的積累潛力也可能高于一般的農田。近年來，我國科研人員對設施土壤的連作障礙及鹽化、酸化問題高度關注，并提出了許多改良措施[1-2]，但在設施栽培土壤環境質量方面的研究相對薄弱[8-10]。本文以杭州市設施栽培土壤為對象，采樣分析了設施栽培表層土壤中重金屬、典型抗生素、鹽分、有效磷的狀況，并與鄰近的一般農田進行比較，旨在為構建防止設施栽培土壤環境質量下降的應對措施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

在浙江杭州市域范圍內選擇27個代表性的設施栽培蔬菜基地，選擇的樣地連片面積在1 hm2以上，栽培時間在5 a以上，同時附近分布有相同土壤類型的一般農田，用于采集對照樣品(CK)。每一個樣區同時采集設施栽培表層土壤混合樣和一般農田表層土壤混合樣(各由7～10個分樣混合而成)，采樣深度為0～15 cm。用于對比的設施栽培土壤與鄰近的一般農田土壤的采樣點距離控制在50～120 m之間，屬于相同制圖單元(土屬相同)。對照農田的利用方式為水田或水旱輪作田。

根據近5 a施肥的差異，把設施栽培蔬菜地分為2組：一組只施化肥不施有機肥(n=12)；另一組化肥和有機肥同時施用(n=15)。對照的一般農田施肥以化肥為主，同時也施用少量的有機肥料。據調查，只施化肥的設施栽培蔬菜地年化肥用量(N+P2O5+K2O，下同)在1 273～4 152 kg·hm-2之間，平均為2 068 kg·hm-2。化肥和有機肥同時施用的設施栽培蔬菜地年化肥用量在648～3 241 kg·hm-2之間，平均為1 543 kg·hm-2，有機肥用量在3.00～15.00 t·hm-2之間，平均為6.55 t·hm-2。對照的一般農田年化肥用量在324～2 018 kg·hm-2之間，平均為879 kg·hm-2，有機肥用量在1.50～7.50 t·hm-2之間，平均為2.75 t·hm-2。

1.2 分析方法

采集的土壤樣品混勻后分為2份：一份經室內風干后分別過2 mm和0.15 mm塑料土篩，用于土壤養分和重金屬測定；另一份低溫保存，用于分析抗生素。

土壤中重金屬含量采用標準方法測定[11-12]，其中，銅(Cu)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鎳(Ni)、鉻(Cr)和砷(As)采用鹽酸-硝酸-高氯酸消解，用石墨爐原子吸收分光光度法測定Cd，用原子光譜吸收法測定Cu、Zn、Cr和Ni，用熒光原子吸收法測定As；汞(Hg)用硝酸-高錳酸鉀消解，冷原子吸收光譜法測定；鉛(Pb)用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸消解，石墨爐原子吸收分光光度法測定。分析過程中采用標準物質進行質量控制，各重金屬測試誤差控制在5%以內，重復間相對誤差控制在10%以下。

土壤基本性狀采用常規方法測定[13]。土壤中抗生素殘留采用pH值為4的EDTA-McIlvaine(0.05 mol·L-1EDTA+0.06 mol·L-1Na2HPO4+0.08 mol·L-1檸檬酸)緩沖液提取[14-15]，高效液相色譜-串聯質譜(HPLC-MS/MS)分析方法測定。抗生素的標樣購自Sigma公司，純度≥99%。土霉素(oxytetracycline，OT)、金霉素(chlortetracycline，CTE)、四環素(tetracyclines，TET)、恩諾沙星(enrofloxacin，ENR)、磺胺二甲嘧啶(sulfadimidine，SM2)、磺胺嘧啶(sulfadiazine，SD)、磺胺甲惡唑(sulfamethoxazole，SMZ)和泰樂菌素(tylosin，TYL)的回收率分別為69.6%～81.2%、70.3%～83.4%、73.3%～82.5%、79.7%～89.6%、85.7%～94.4%、73.6%～93.3%、75.6%～88.3%和86.3%～93.4%，平均分別為74.2%、75.4%、77.1%、83.6%、89.8%、88.8%、84.1%和89.7%，最低檢測限分別為2.00、2.10、1.50、1.95、2.00、2.70、2.50和1.50 μg·kg-1。

2 結果與分析

2.1 不同施肥方式對設施栽培土壤污染物積累的影響

2.1.1 重金屬積累

27個設施栽培蔬菜地土壤Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Hg、As、Ni的含量分別在18.97～73.65、89.65～214.65、0.12～0.56、38.65～132.65、14.65～71.25、0.09～0.54、6.58～17.36、19.68～42.15 mg·kg-1之間，平均分別為36.91、138.18、0.25、69.76、31.46、0.21、10.20、34.60 mg·kg-1，變異系數分別為34.19%、22.25%、40.00%、33.94%、36.49%、47.62%、27.94%、16.04%。與中國土壤環境質量二級標準相比，Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Hg、As、Ni的超標率分別為11.11%、7.41%、25.92%、0%、0%、11.11%、0%、11.11%，以Cd污染最為突出，其次為Cu、Hg和Ni，Cr、Pb、As無樣本超標。

即使是施肥方式相似的設施土壤間重金屬含量變化亦很大(表1)，施用化肥和有機肥的設施土壤除Cu含量顯著(P<0.05)高于僅施用化肥的設施土壤外，2種土壤的其他重金屬含量無顯著差異。但僅從平均值來看，施用化肥和有機肥的設施栽培土壤中大多數重金屬含量都高于僅施化肥的設施栽培土壤，如施用化肥和有機肥的土壤中Cu、Zn、Cr、Pb、Hg、As的平均含量分別比僅施用化肥的土壤高54.86%、26.76%、16.80%、14.36%、50.56%和9.63%；但Cd和Ni的含量卻比僅施化肥的低，分別低18.90%和1.04%。

2.1.2 抗生素殘留

27個設施栽培蔬菜地土壤中，土霉素、四環素、金霉素、恩諾沙星、磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲惡唑和泰樂菌素的檢出率分別為62.96%、48.15%、44.44%、48.15%、40.74%、44.44%、40.74%和55.56%。不同設施栽培蔬菜地上土霉素、四環素、金霉素、恩諾沙星、磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲惡唑、泰樂菌素的含量分別在0～260.14、0～35.42、0～13.24、0～102.23、0～11.46、0～32.48、0～10.12、0～40.44 μg·kg-1之間，變異系數分別為146.08%、149.62%、159.84%、224.85%、177.42%、245.30%、161.01%、198.91%，平均含量分別為45.70、5.92、1.94、10.99、1.46、2.62、1.75、4.31 μg·kg-1，以土霉素和恩諾沙星殘留量最高。8種抗生素的總檢出率高達92.59%，總含量在0～360.92 μg·kg-1之間，平均為74.70 μg·kg-1。

除泰樂菌素外，施用化肥和有機肥的設施栽培土壤上其他7種抗生素的檢出率均高于只施化肥的土壤，施用化肥和有機肥的設施栽培土壤上8種抗生素的總檢出率為100%，而只施化肥的土壤上該檢出率為83.33%。由于變異系數較大，施用化肥和有機肥的設施栽培土壤與僅施化肥的設施栽培土壤上抗生素殘留量從統計學分析上來看無顯著差異，但僅看平均含量，施用化肥和有機肥的設施栽培土壤上土霉素、四環素、金霉素、恩諾沙星、磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲惡唑、泰樂菌素的平均含量分別是只施化肥土壤上的6.52、6.58、5.95、28.47、3.26、3.24、5.60、3.49倍，8種抗生素總含量(120.1 μg·kg-1)是只施化肥土壤(18.0 μg·kg-1)的6.67倍。只施用化肥的設施栽培土壤中抗生素的檢出可能與歷史上(5 a前)施用過含抗生素的有機肥有關。

表1施肥對設施土壤重金屬積累的影響

Table1Effects of fertilization methods on heavy metal accumulation in protected farmlands

(mg·kg-1)

C+O，施用化肥及有機肥；C，僅施化肥。同列數據后無相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。

C+O， Application of both chemical fertilizers and organic fertilizers; C， Application of only chemical fertilizers. Data followed by no same letters within the same column indicated significant different atP<0.05. The same as follows.

2.2 設施栽培土壤與一般農田污染物積累差異

2.2.1 重金屬積累

從統計結果來看(表3)，設施栽培土壤與一般農田土壤中8種重金屬積累無顯著差異。但若僅從平均值來看，設施栽培土壤中Cu、Zn、Cd、Pb、As和Ni的平均含量分別比一般農田土壤高17.28%、18.36%、25.00%、17.82%、3.86%和0.35%，而Cr和Hg的平均含量分別比一般農田土壤低1.47%和8.70%。

2.2.2 抗生素殘留

除泰樂菌素外，設施栽培土壤中其他7種抗生素的檢出率均高于一般農田(表4)，但土壤中8種抗生素的總檢出率二者基本一致(設施栽培土壤為92.6%，一般農田為96.3%)。從平均值來看，設施栽培土壤中8種抗生素的平均含量高于一般農田，土霉素、四環素、金霉素、恩諾沙星、磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲惡唑和泰樂菌素的平均含量分別是一般農田的9.14、2.95、1.35、4.23、1.50、3.25、2.00和2.87倍，8種抗生素總含量的平均值(74.7 μg·kg-1)是后者(15.2 μg·kg-1)的4.91倍。

3 討論

設施栽培已成為我國重要的農地利用模式，其土壤環境質量優劣直接影響我國農產品的安全。本研究表明，無論是重金屬積累還是抗生素殘留，設施栽培土壤都高于一般農田土壤，說明設施栽培條件下更易導致污染物的積累。這一方面與設施栽培肥料(包括有機肥和化肥)投入量大有關，另一方面也與設施栽培環境下不利于污染物淋失與分解有關。由于施肥量大，包含在肥料中的污染物進入土壤的總量明顯高于大田，這已被一些研究所證實[9，16-18]。這些污染物由于長期缺少雨水的淋洗，集中積累在表層土壤中，這在一定程度上增加了農產品污染的風險。施用化肥和有機肥的設施栽培土壤中重金屬和抗生素含量均高于只施用化肥的土壤，這表明有機肥是設施栽培土壤中污染物的重要來源。由于在自然環境下通過微生物合成產生的抗生素很少，因此農田中的抗生素基本上是來自于有機肥料的施用。

表2施肥對設施栽培土壤抗生素殘留的影響

Table2Effects of fertilization methods on antibiotic residues in protected farmlands

處理Treatment指標IndexOTTETCTEENRSDSM2SMZTYLC+OCont/(μg·kg-1)733±792a95±105a31±37a192±311a21±32a38±84a28±34a63±112aDR/%73336000600066675333533360004667CCont/(μg·kg-1)112±148a14±24a05±10a07±14a06±13a12±20a05±12a18±16aDR/%5003333250025002500333316676667

Cont，含量；DR，檢出率。下同。

Cont， Contents; DR， Detection rate. The same as below.

表3設施栽培與大田土壤間重金屬積累的比較

Table3Comparison of soil heavy metals accumulation between protected farmlands and open farmlands

(mg·kg-1)

PF，設施栽培；OP，一般農田。下同。

PF， Protected farmlands; OP， Open farmlands. The same as below.

表4設施栽培與一般農田土壤抗生素殘留對比

Table4Comparison of soil antibiotic residues between protected farmlands and open farmlands

農田類型Landtype指標IndexOTTETCTEENRSDSM2SMZTYLPFCont/(μg·kg-1)457±66859±8919±31110±24715±2626±6418±2843±86DR/%73336000600066675333533360004667OFCont/(μg·kg-1)50±8220±4714±1826±5110±1408±1409±1215±21DR/%50003333250025002500333316676667

畜禽糞便是我國目前有機肥的重要原料，因其含有豐富的有機質以及氮磷鉀等養分，作為一種優良的土壤改良劑長期施用于農田。但近年來的調查[19-20]表明，由于添加劑的不合理使用，我國規模化養殖場地產生的畜禽糞便中普遍存在著高量重金屬和抗生素殘留，當這些有機肥被施入農田時，重金屬、抗生素也隨之進入土壤，這可能是導致施用有機肥和化肥的設施栽培土壤中重金屬和抗生素含量均高于僅施用化肥的土壤的真正原因。由于設施栽培農田環境具有特殊性，因此在設施農田中施肥不僅要控制肥料的施用量，更應把控好所施肥料的質量。

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SoilenvironmentalqualityoftypicalprotectedfarmlandsinHangzhou

NI Zhongying1， SHI Yijun1， XIE Guoxiong2， ZHANG Mingkui3，*

(1.AgriculturalandForestryTechnologyPromotionCenterofTongluCounty，Tonglu311500，China; 2.HangzhouPlantProtectionandSoil-FertilizerStation，Hangzhou310020，China; 3.CollegeofEnvironmentalandResourceSciences，ZhejiangUniversity，Hangzhou310058，China)

In order to understand soil environmental quality of protected farmlands in Hangzhou， soil samples were collected from 27 representative protected vegetable farmlands to investigate the contents of 8 kinds of heavy metals and 8 kinds of antibiotics， and the obtained data were compared with those of the adjacent open farmlands. The results showed that the average concentrations of soil Cu， Zn， Cd and Pb in the protected farmlands were 17.28%， 18.36%， 25.00%， and 17.82% higher than those of the open farmlands， and the total concentration of the investigated antibiotics in the protected farmlands was 4.91 times of that in the open farmlands. The accumulation of heavy metals and antibiotics in the protected farmlands was higher than that in the open farmland. The average concentrations of soil Cu， Zn， Cr， Pb， Hg and As in the protected farmlands with application of both chemical fertilizers and organic fertilizers were 54.86%， 26.76%， 16.80%， 14.36%， 50.56%， and 9.63% higher than those in the protected lands with application of only chemical fertilizers. The total concentration of investigated antibiotics in the protected farmlands with application of both chemical fertilizers and organic fertilizers was 6.67 times of that in the protected farmlands with application of only chemical fertilizers. The results indicated that application of organic fertilizer containing heavy metals and antibiotics was an important reason for the accumulation of above pollutants in the protected farmlands.

protected cultivation; soil environmental quality; heavy metals; antibiotics

浙江農業學報ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(12): 2091-2096

http://www.zjnyxb.cn

倪中應，石一珺，謝國雄，等. 杭州市典型設施栽培土壤環境質量調查[J]. 浙江農業學報，2017，29(12)： 2091-2096.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.12.18

2017-05-14

浙江省農業廳 “桐廬縣農業‘兩區’土壤污染治理試點試驗”；杭州市科技發展計劃項目(20170432B23)

倪中應(1966—)，男，浙江桐廬人，高級農藝師，主要從事土壤與肥料技術方面的研究。E-mail: hztlnzy@163.com

*通信作者，章明奎，E-mail:mkzhang@zju.edu.cn

S53

A

1004-1524(2017)12-2091-06

(責任編輯高 峻)