阜陽市設施菜地6種重金屬含量及其生態風險評價

陳毛華

(阜陽職業技術學院， 安徽 阜陽 236031)

改革開放40年來，我國設施蔬菜產業發生了翻天覆地的變化，不僅解決了市民四季蔬菜周年供應問題，而且在豐富蔬菜產品種類、增加菜農收入和產業扶貧方面作出了重要貢獻[1]。目前，我國設施蔬菜種植面積還在不斷擴大[2]，設施蔬菜供應的產量約占當年蔬菜總產量的32%[1]。設施菜地長期處于半封閉、高溫高濕和缺乏淋溶的條件，菜農施用農藥、化肥勢必會形成重金屬在設施菜地的積累[3-4];長期和高頻率利用設施栽培蔬菜可導致重金屬以一定的形態在蔬菜中富集，對人類健康形成一定的風險[5]。研究表明，國內如山西省[6]、北京市[7]和陜西省[8-9]等地的設施菜地已受到不同程度的重金屬污染。國外設施栽培模式主要是無土栽培，且大多數用于花卉栽培，施肥和田間管理技術相對比較成熟，進入人體食物鏈較少，因此國外學者對設施土壤中重金屬積累的關注較少[10]。重金屬在土壤環境中具有隱蔽性、長期性、漸進性、區域性和難以逆轉性等特點[10]，在設施栽培蔬菜中，設施的使用年限往往都比較長，設施菜地重金屬含量隨種植年限的增加而不斷累積[11-13]，從而導致相應的環境風險增加。在露地栽培向設施栽培轉變過程中，土壤pH顯著降低[14]，重金屬溶解度顯著升高[15]，引起重金屬形態發生變化[16]，加速重金屬元素向植物體內遷移和轉化速度，使得土壤對重金屬的吸附減少[17]。受到農業生產中施肥和施藥的影響，設施菜地耕作層中重金屬含量與土壤養分有明顯的正相關性[18]，同時，施用有機肥也可導致重金屬活性增強而加速重金屬的遷移[19]，促使更多的重金屬被蔬菜所富集[20]。設施菜地的重金屬累積日益嚴重，越來越受到人們的關注[10，21]。阜陽市是一個設施蔬菜生產大市，下轄有3區、4縣和1個縣級市，其中阜南縣、潁州區為全國蔬菜產業重點縣、區。當地光照充足，氣候溫暖，雨量適中，土壤類型為砂姜黑土。阜陽市蔬菜種植總面積約為14萬hm2，其中設施蔬菜面積約為4萬hm2，占比28.57%，其設施蔬菜栽培以早春和秋延后蔬菜為主。阜陽市廣大居民食用的蔬菜50%左右來源于阜陽當地的設施栽培。目前，對阜陽市設施菜地的土壤環境調查研究較少。為了解阜陽市設施菜地的土壤情況，對阜陽市設施菜地土壤進行采樣調查，對其重金屬含量進行測定分析，采用單因子污染指數法、綜合污染指數法和潛在生態危害指數法對阜陽市設施菜地土壤重金屬污染現狀進行評價，以期為阜陽市設施蔬菜安全生產和土壤污染監測等提供基礎科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土樣：采自阜陽市所轄的潁州區、潁泉區、潁東區、阜南縣、臨泉縣、太和縣、潁上縣和界首市3區5縣市的8個無公害蔬菜生產基地，設施土壤類型以砂姜黑土和淤土為主，土壤呈堿性[22]。在每個蔬菜生產基地現場選擇5個棚室，每個棚室采集3個平行混合樣品，采樣深度為0～20 cm，每個樣品用木鏟收集大約0.5 kg土裝入聚乙烯自封袋以備實驗分析，共采集樣品120份。采集的土壤樣品混勻后進行自然風干處理，去除植物葉片、根系、石塊等雜質后，研磨過0.15 mm(100目)尼龍篩混勻后放置于干燥室標記備用[22]。

儀器試劑：原子吸收分光光譜儀(TAS-986，北京普析公司)，重金屬的標準溶液Zn(GSB07-1259-2000)、Cu(GSB07-1257-2000)、Pb(GSB07-1258-2000)、Cd(GSB07-1276-2000)、Cr(GSB07-1284-2000)、Ni(GSB07-1260-2000)，購自國家環境保護部標準樣品研究所，酸均為優級純，水為去離子水。

1.2 方法

1.2.1 樣品測定 參照《農田土壤環境質量監測技術規范》[23]和《耕地質量監測技術規程》[24]，準確稱取0.5 g(精確至0.000 1 g)樣品于微波消解罐中，加入6 mL硝酸和2 mL氫氟酸，按照一定的程序進行消解(表1)。消解后，加入1 mL HClO4在180℃于趕酸器上趕酸，待冷卻后全部轉移，定容至50 mL容量瓶待測。

待測液中重金屬元素含量用原子吸收分光光譜儀測定，其中Zn用火焰原子吸收光譜法測定，Cu、Pb、Cd、Cr、Ni用石墨爐原子吸收光譜法測定[25]。

表1 微波消解程序

1.2.2 重金屬污染評價 目前對土壤重金屬污染評價方法很多[26]，因不同重金屬的生物毒性不同，對土壤和環境特別是農業生態環境影響程度不一，結合采集的樣品數據，采用單因子指數評價法、地累積指數法和潛在生態風險指數法對研究區域設施菜地土壤中6種重金屬進行污染評價分析。

1) 單因子污染指數。單因子污染指數是指單個重金屬因子的污染情況。單因子污染指數Pn<1為清潔水平， 1≤Pn<2為輕度污染， 2≤Pn<3為中度污染，Pn>3為重度污染。計算公式：

Pn=Cn/Sn

(1)

式中，Pn為研究區域內某個重金屬污染因子n污染指數值，Cn為研究區域內某個重金屬污染因子n實際測定值，Sn為研究區域內某個重金屬污染因子n評價標準值，以《溫室蔬菜產地環境質量評價標準HJ/T 333—2006》中的規定值作為評價標準值[27]。

2) 重金屬地累積指數。地累積指數主要是用于研究沉積物中重金屬污染程度的定量指標[28]，也可用于環境中不同重金屬的污染評價[29]。地累積指數可以簡便、直觀判斷重金屬污染級別，并且綜合考慮人為活動因素的影響[22]，其判斷標準見表2，計算公式：

Igeo=log2[Cn/(1.5Bn)]

(2)

式中，Igeo為研究區域某種重金屬的地積累指數，Cn為研究區域內某種重金屬n實際測定值，Bn為研究區域內某種重金屬n在沿淮淮北地區地球化學基準值[30]，1.5是研究區域成巖作用引起的背景值變動而設定的系數[31]。

表2 重金屬污染程度與Igeo值的關系

Table 2 Relationship between heavy metal pollution degree andIgeoValue

等級GradeIgeo級別 Classification0<0無污染10～1無污染-中度污染21～2中度污染32～3中度污染-重度污染43～4重度污染54～5重度污染-嚴重污染6>5嚴重污染

3) 潛在生態危害指數和潛在生態風險指數。潛在生態危害指數是研究區域內單個重金屬潛在生態危害風險，潛在生態風險指數是指研究區域內多個重金屬污染對生態系統造成的危害及存在的生態風險，其判斷標準見表3，計算公式：

(3)

(4)

1.3 數據處理

采用Excel 2007對試驗數據進行統計分析。

表3 生態危害系數、生態風險指數與危害等級的關系

Table 3 Relationship between ecological harm coefficient (Ei),ecological risk index (RI) and damage grading

Ei單項污染物生態風險等級Ecological risk grade of single pollutantRI綜合潛在生態風險等級Ecological risk grade of integrated pollutants<40輕微<110輕微40～80中等110～200中等80～160較重200～400強160～320重≥400很強≥320嚴重

2 結果與分析

2.1 阜陽市設施菜地土壤重金屬含量

從表4可知，阜陽市各轄區的設施菜地土壤中Zn、Cu、Pb、Cd、Cr和Ni含量變幅分別為124.96～211.26 mg/kg、15.67～23.40 mg/kg、29.96～163.03 mg/kg、0～0.040 mg/kg、40.14～100.87 mg/kg和66.53～248.83 mg/kg。與溫室蔬菜產地環境質量評價標準的限定值相比，Zn、Cu、Cd及Cr的平均含量均沒有超過限定值，阜陽市潁州區和潁泉區的Pb含量超過限定值，8個采樣點Ni含量均超過限定值，是限定值的1.33～4.98倍。

表4 阜陽市設施菜地樣點主要重金屬含量

注：限值為《溫室蔬菜產地環境質量評價標準HJ 333—2006》中的溫室土壤環境質量指標限值(6.5

Note: the limit value refers to that of greenhouse soil environmental quality index inGreenhouseVegetable Producing Area Environmental Quality Assessment Standard HJ/T 333-2006 (6.5

2.2 阜陽市設施菜地菜地土壤重金屬污染評價

2.2.1 單因子污染指數 從表5可知，按照土壤單項污染程度分級標準，Zn、Cu、Cd和Cr的單因子污染指數(Pn)平均值為0.63、0.18、0.003和0.32，均小于1，屬于清潔水平。Pb的Pn平均值為1.18，屬于輕度污染水平，主要表現為阜陽市潁州區和潁泉區的Pn值較高，屬于輕度污染水平，其余下轄縣市Pn值均在清潔水平。研究區域Ni的Pn平均值為3.44，屬于重度污染水平，以阜南縣、臨泉縣及太和縣等蔬菜生產大縣Pn值較高。

表5 阜陽市設施菜地重金屬單因子污染指數

2.2.2 地累積指數 從設施菜地土壤中重金屬污染地累積指數平均值看，單個重金屬污染強弱依次為Ni>Zn>Pb>Cr>Cu>Cd(表6)。其中，Cu、Cd、Cr的地累積指數(Igeo)平均值分別為-1.20、-1.25、-1.09，數值均小于0，均屬于無污染水平，說明Cu、Cd、Cr等重金屬未造成污染。Zn和Pb的Igeo平均值為0.66、0.41，介于無污染至中度污染水平，個別研究區域Zn和Pb的Igeo值大于1，甚至大于2，呈現出中度至嚴重污染，說明Zn和Pb在一定程度上污染比較嚴重，需引起高度重視。Ni的Igeo平均值為1.53，屬于中度污染水平，個別研究區域Igeo值大于2，說明Ni已造成一定的污染。

表6 阜陽市設施菜地重金屬地累積指數

2.2.3 潛在生態風險系數與生態風險指數 從表7可知，各采樣點的重金屬潛在生態風險系數和均值均小于35，屬于輕微污染水平，表明阜陽市研究區域設施菜地土壤各重金屬的單項污染風險較低。從綜合潛在生態風險指數看，研究區域重金屬的RI值小于61，表明6種重金屬對研究區域菜地土壤潛在生態風險處于輕微等級，總體上屬于輕微污染。各個區域對生態總風險最大貢獻的主要是Pb和Ni。

表7 阜陽市設施菜地重金屬生態危害系數與潛在生態風險指數

Table 7 Ecological harm coefficient of heavy metals (Ei) and potential ecological risk index (RI) in Fuyang greenhouse vegetable soils

采樣點重金屬元素生態風險系數Ecological harm coefficient of heavy metalsZnCuPbCdCrNi生態風險指數Ecological risk index潁州區Yingzhou District1.903.2732.747.270.938.9755.07潁泉區Yingquan District2.033.4316.3418.180.9919.1960.17潁東區Yingdong District2.163.149.275 1.5022.9344.00阜南縣Funan County3.213.019.02-0.9832.5848.80臨泉縣Linquan County2.802.817.555.911.2933.5453.90太和縣Taihe County2.373.286.43-1.9228.2042.20潁上縣Yingshang County2.114.196.02-2.3520.8535.52界首市Jieshou City2.653.177.24-1.9319.0834.07均值 Mean2.403.2911.839.091.4923.1746.72

3 結論與討論

3.1 阜陽市設施菜地土壤重金屬含量

設施菜地土壤重金屬的研究主要集中于Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg、As等元素[8-14]，大多數設施菜地土壤重金屬已經累積[32]，并且呈現出不同的污染程度。就污染的普遍性和程度而言，各地的設施和栽培條件有一定差異，國內多個地區設施菜地以Cd污染最嚴重[3]，其次為Pb和Cu。研究結果表明，阜陽市設施菜地土壤重金屬含量與溫室蔬菜產地環境質量評價標準的限定值相比，Zn、Cu、Cd、Cr平均含量均未超過限定值；阜陽市潁州區和潁泉區Pb含量超過限定值，其他區域Pb含量接近限定值。Ni平均含量，均超過限定值，是限定值的1.33～4.98倍。一般來說，Pb污染源主要來自于交通中汽車尾氣排放和大氣沉降，阜陽市潁州區、潁泉區的交通條件和當地居民經濟條件好于其他縣市區，當地家庭人均汽車保有量增加，引起大氣、土壤、水體等生態環境Pb含量同步增加。尤其是近年來阜陽整個地區固定資產投資增長強勁，在工業技術改造、基礎設施投資方面增速位居安徽省第一，未來還將加大投入，可以預期土壤中Pb含量還將進一步升高，由此帶來的生態環境中Pb污染對人類健康風險逐步升高。設施菜地由于有遮蓋物，在一定程度上減輕了設施菜地土壤Pb污染。吉林四平市典型的設施蔬菜生產系統中除Pb以外的重金屬元素含量顯著高于玉米地和林地[33]，這與前期開展的露天菜地研究結果相同[22]。但阜陽設施菜地土壤中Pb含量仍接近于限定值，來源可能是殺蟲劑和除草劑殘留所致[20]。

研究區域設施菜地的Ni含量超過評價限定值，Zn含量比較高。Ni、Zn污染源極大可能主要來自于工業企業“三廢”的排放。土壤中的Ni污染來源于工業污染和礦山開采產生的廢物的滲透與沉積，Zn的工業污染源主要是冶煉、鍍鋅、紡織等工業廢水和污泥、廢渣[34]。阜陽地區的工業污染和礦山開采相對較少，屬于典型的農業區域。前人指出壽光的蔬菜大棚土壤有Ni和Zn超標的現象[35]。通過現場調查和個別訪談，阜陽地區的設施蔬菜栽培從設施使用的材料、蔬菜品種、栽培技術和管理人員等全部復制山東壽光模式，由此可以推斷，Ni、Zn的來源可能來自于設施建造中產生的，通過定點切割、電焊鋼管，導致Ni、Zn可能進入灌溉水源，致使設施菜地中Ni、Zn含量較高。王顯[36]研究指出，土壤Zn含量高值分布區域與鍍鋅鋼管大棚、機械制造、彩鋼制造廠及交通線路一線區域相吻合，和本結論吻合。

阜陽設施菜地中的Zn、Cu、Cd、Cr平均含量低于溫室蔬菜產地環境質量評價標準的限定值，但仍有一定的含量。這些重金屬的來源除了土壤母質自然因素外，人為因素不可忽視。主要有以下一些原因：第一，設施菜地土壤長期處于高溫、高濕和高蒸發量的半封閉環境，使得重金屬離子在水分蒸發作用下富集在菜地耕作層，造成重金屬在耕作層的含量較高。第二，菜農為了取得更大蔬菜產量，對設施菜地進行高投入，往往會過量施用化肥、農藥及畜禽糞便，重金屬含量超高的化肥、有機肥的施用是土壤中Cu、Cr、Cd的重要來源[18]，從而造成設施土壤中重金屬的不斷積累。第三，土壤中重金屬含量會隨著設施使用年限的增加呈大幅持續升高趨勢[37]，尤其是5年以上大棚，土壤重金屬含量顯著高于露天菜地[37]。第四，設施菜地土壤出現酸化，土壤重金屬存在形態發生變化，造成重金屬更容易在植物體內積累進而威脅到人類和動物的健康[9]。

3.2 阜陽市設施菜地土壤污染評價

單因子污染指數法的研究結果表明，阜陽市設施菜地表層土壤Zn、Cu、Cd、Cr屬于清潔水平；Pb屬于輕度污染，Ni則屬于重度污染。用地累積指數進行評價表明，阜陽市設施菜地土壤中重金屬污染的強弱為Ni>Zn>Pb>Cr>Cu>Cd，研究區域受到Zn、Pb的污染處于中度污染水平以下，Ni處于中度污染水平，個別研究區域Zn、Pb、Ni污染比較嚴重，未受到Cu、Cd、Cr的污染。這也表明隨著經濟的不斷發展，Zn、Pb、Ni正成為新時期不可忽視的重要污染源。集約化的設施農業生產方式更利于土壤重金屬的累積[33]，更多的外源性輸入途徑來自于設施菜地灌溉用水和施用的農藥、化肥。相比較而言，通過水源和施用農藥進入土壤的重金屬影響有限，更多可能是施用化肥的影響。在栽培措施上要注意化學肥料與有機肥料配合施用，提高肥料使用效率。通過推廣使用水肥一體化技術、配方施肥技術，改變施肥方式，推進有機肥資源利用，堅持綠色防控、統防統治和科學用藥，實現農藥和化肥使用量零增長，維護設施土壤健康。

潛在生態風險指數法的研究結果表明，研究區域的6種重金屬未構成生態系統風險，研究區域的設施土壤綜合潛在生態風險程度處于輕度水平。6種重金屬的平均潛在生態風險系數為Ni>Pb>Cd>Cu>Zn>Cr，各個區域對生態總風險最大貢獻的主要是Ni、Pb，阜陽城郊菜地土壤重金屬調查也得出相同結論[22]。