不同年限設施菜地土壤中重金屬和抗生素污染特征

苑學霞，方麗萍，張太平，張勇

1.山東省農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所/山東省食品質量與安全檢測技術重點實驗室，山東 濟南 250100；2.山東省地質科學研究院，山東 濟南 250013；3.山東省土地調查規劃院，山東 濟南 250014

土壤是農業生產、植物生長和生物生產的基礎。幾十年來，土壤中重金屬和抗生素污染不容樂觀。根據全國土壤污染調查公報，中國土壤污染以無機污染為主，超標點位數占全部超標占位的82.8%，Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Ni 8種無機污染物點位超標率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、4.8%（環境保護部和國土資源部，2014）。與重金屬不同，農田土壤中的抗生素來源較為單一，主要來源于畜禽糞等有機肥的施用和污水的灌溉。據報道，2013年中國36種常見抗生素排放量為5.4萬噸，其中84.0%來源于動物排泄（豬：44.4%；雞18.8%；其他動物20.9%），排放到土壤（54%）和水體（46%）中，涉及的抗生素的種類有磺胺類、四環素類、氟喹諾酮類、大環內酯類、β-內酰胺類等（Zhang et al.，2015）。土壤作為重金屬和抗生素的重要儲存庫，已經成為各國科學家關注和研究的熱點。

中國蔬菜種植面積增加迅速，2015年全國蔬菜種植面積達到2 200×104hm2，其中設施蔬菜種植面積為400×104hm2以上，占蔬菜種植總面積的18%以上，是世界上設施蔬菜種植面積最大的國家（中華人民共和國農業部和中國農業年鑒編輯委員會，2016）。設施菜地環境同露地環境明顯不同，具有封閉性、可控性、缺少雨水淋洗、復種指數高和持續施肥且施肥量大等特點；并且設施栽培蔬菜大多在冬春反季節進行，形成了高溫、弱光、高濕的人工小氣候環境，土壤理化性質、土壤微生物種群數量和結構等都與露地土壤有顯著差異（Li et al.，2019；Zhang et al.，2019a），而土壤理化性質和微生物直接或間接影響重金屬和抗生素在自然中的遷移轉化過程（Martínez-Alcalá et al.，2009；趙方凱等，2017）。Huang et al.（2019）通過對336篇文章進行meta分析發現，蔬菜地和水稻田土壤中重金屬（Cd、Hg、Pb、Cu、Zn）含量高于其他耕作類型土壤中。對山東濰坊、泰安、濱州、東營四地9個溫室土壤中抗生素進行分析發現，強力霉素、磺胺二甲嘧啶、泰樂菌素均有不同程度檢出（趙祥，2017）。因此，設施菜地中重金屬和抗生素污染問題更應該引起我們足夠的重視。

本試驗以土壤中7種重金屬和15種抗生素為研究對象，分析不同種植年限對設施菜地土壤中重金屬和抗生素的污染特征及可能來源，旨在為設施菜地土壤污染防控及設施蔬菜安全生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與測定

研究地點位于山東省陽谷縣。通過調查，確定4個蔬菜大棚：大棚結構、種植模式及作物等基本一致（冬暖式大棚；作物以蕓豆為主，芹菜、西紅柿、菠菜與蕓豆輪作），種植年限分別為2、4、7、15年。大棚內所用肥料主要為雞糞、豬糞等糞肥和商品化有機肥與化學肥料配合施用。同時采集每個溫室旁玉米地土壤作為對照，所用肥料主要是尿素、復合肥等化學肥料。采樣時，每個大棚由東向西取3個重復，取樣點位于南北向栽培畦中間位置，即由東向西一條直線上均勻分布3個點，分別單獨標記作為3個重復。取樣深度0—20 cm。將采集的土壤樣品混勻，除去土樣中的植物根系、石塊等雜質，按四分法分取一部分風干后，用瑪瑙棒研磨，過60目篩，4 ℃條件下避光保存，用于重金屬測定。一部分進行真空冷凍干燥（48—72 h），研磨，過60目篩，4 ℃條件下避光保存，用于抗生素測定。

土壤中重金屬含量測定：采用HNO3-HCl-HClO4消解法提取，Cr、Cu、Ni采用電感耦合等離子體發射光譜儀進行測定；Cd和Pb采用石墨爐原子吸收分光光譜儀進行測定；As和Hg采用王水消解，原子熒光光譜儀進行測定（Ma et al.，2017；Wang et al.，2015）。

土壤中抗生素含量測定：本研究選取15種抗生素，包括四環素類（Tetracylines，TCs）：四環素（Tetracycline，TC）、土霉素（Oxytetracycline，OTC）、金霉素（Chlorotetracycline，CTC）、多西環素（Doxycycline，DC）；磺胺類（Sulfonamides，SAs）：磺胺嘧啶（Sulfadiazine，SDZ）、磺胺間甲氧嘧啶（Sulfamonomethoxine，SMM）、磺胺二甲嘧啶（Sulfadimidine，SDD）、磺胺甲噁唑（Sulfamethoxazole，SMZ）、磺 胺 喹 噁 啉（Sulfaquinoxaline，SQX）；氟 喹 諾 酮 類（Fluoroquinolones，FQs）：環丙沙星（Ciprofloxacin，CFX）、恩諾沙星（Enrofloxacin，ENR）、達氟沙星（Danofloxacin，DAN）、沙拉沙星（Sarafloxacin，SAR）和氯霉素類（Chloramphenicols，CPs）：氟苯尼考（Florfenicol，FF）、甲砜霉素（Thiamphenicol，SCP）等4類抗生素。

采用超高效液相色譜-質譜/質譜儀進行測定。四環素類、磺胺類和氟喹諾酮類抗生素樣品前處理及分析條件參考Zhou et al.（2012）方法，氯霉素類抗生素樣品前處理及分析條件參考Qian et al.（2016）方法。

1.2 土壤重金屬污染評價方法

陽谷縣地處黃河下游沖積平原，其地形、地貌、土壤性質和農業條件等在黃河下游潮土區具有典型性，因此以黃河下游潮土區重金屬元素的背景值（李廷芳等，1991）作為該區土壤重金屬元素的背景參考值。

采用富集因子（Enrichment factor，EF）和污染負荷指數（Pollution load index，PLI）對土壤中重金屬進行污染評價，以Al作為參比元素（Wang et al.，2015）。

其中，Ci(s)為土壤中被檢出重金屬含量，Cn(s)為土壤中被檢出參比元素（Al）含量，Ci(b)為背景土壤中重金屬含量，Cn(s)為背景土壤中參比元素（Al）含量。根據富集因子對重金屬富集水平進行分級：EF＜1為無富集；EF=1—2為輕微富集；EF=2—5為中度富集；EF=5—20為重度富集；EF=20—40為嚴重富集；EF＞40為極重富集（Wang et al.，2015）。

其中，CF為土壤中每種金屬含量與背景值之比，n是金屬數量（本研究中為7）。PLI值＞1表示污染，而PLI值＜1表示無污染（Seshan et al.，2010）。

1.3 數據統計

采用Microsoft Office Excel 2010對實驗數據進行處理，采用SPSS 23.0 Duncan多重比較來判斷顯著性差異（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同年限設施菜地土壤中重金屬污染特征

不同年限設施菜地內外土壤中各元素含量如表1所示，結果表明，2、4、7年棚內外土壤中Cd的含量沒有顯著差異，而15年棚內土壤中Cd的含量顯著高于棚外。2年棚內外土壤中Cu的含量差異不顯著，4、7、15年棚內土壤中Cu的含量顯著高于棚外，并且棚內土壤中Cu的含量隨著設施蔬菜耕種年數的增加而顯著增加。2、4年棚內外土壤中的Hg含量沒有顯著差異，但7、15年棚內菜地土壤中顯著高于棚外。不同年限設施菜地內外土壤中As、Cr、Ni、Pb的含量沒有顯著差異。

表1 不同年限設施菜地內外土壤中重金屬含量Table 1 Heavy metal concentration in soil from inside and outside vegetable greenhouse after different cultivating years mg·kg-1

不同處理間pH值沒有顯著差異。所有土壤中重金屬含量均低于GB 15618—2018中農用地土壤污染風險篩選值（pH＞7.5）（生態環境部和國家市場監督管理總局，2018）。

EF值用于評價人類活動對土壤中某種重金屬富集程度影響（Huang et al.，2019）。PLI值用于評價多種重金屬污染負荷情況（Suresh et al.，2011）。以黃河下游潮土區重金屬元素的背景值作為參比值，計算得到土壤中重金屬的EF及PLI值（見表2），并根據分級標準進行污染評價。結果顯示，設施菜地種植及年限對各元素EF值的影響與其對含量的影響基本一致。根據EF值，除15年棚內Cd達到重度富集外，其他處理土壤中Cd均為中度富集。對于Hg元素，7、15年棚內達到中度富集，其他處理均為輕微富集。對于Pb元素，15年棚內達到中度富集，其他處理均為輕微富集。對于As、Cr、Ni元素，所有處理均屬于無富集或輕微富集。根據PLI值，所有處理均＞1，為污染狀態。其中7、15年棚內PLI值顯著高于棚外，表明經過7年和15年設施蔬菜耕作后，土壤中重金屬污染較大田耕作污染嚴重。

2.2 不同年限設施菜地土壤中抗生素污染特征

不同年限設施菜地內外土壤中抗生素含量見圖1，未檢出的抗生素未在圖中顯示。結果發現，所有棚內土壤中檢測的15種抗生素總量均高于棚外，在2、4、15年棚內抗生素總含量分別是棚外的2.36、2.02、2.63倍。特別是在15年棚內，抗生素總質量分數為54.41 μg·kg-1。檢出最高的為四環素類和氟喹諾酮類抗生素，磺胺類抗生素有少量檢出，氯霉素類抗生素未檢出。

4種四環素類抗生素（TC、OTC、CTC和DC）均有檢出。除7年棚外，2、4、15年棚內四環類抗生素總含量均高于棚外。所檢測的5種磺胺類抗生素中有3種抗生素（SDZ、SMM和SDD）檢出，但所檢出的值很低，均低于1 μg·kg-1。所檢測的4種氟喹諾酮類抗生素中檢出的為CFX和ENR，棚內喹諾酮類抗生素總含量均高于棚外。在15年棚內，土壤中CFX、ENR質量分數分別為9.60、11.00 μg·kg-1。

3 討論

雖然本研究中所有土壤中重金屬含量均低于國家標準中農用地土壤污染風險篩選值，但是7年棚菜地土壤中Cu和Hg、15年棚菜地土壤中Cd、Cu和Hg富集明顯，15年棚內Cd甚至達到重度富集。井永蘋等（2016）對山東壽光設施大棚的研究現Cd是設施菜地中主要的污染因子，Cu是潛在的污染因子。張懷志等（2017）對山東濰坊的研究表明Cd和Hg分別有97.8%和80.8%的點位處于中等生態風險及以上水平。因此，設施菜地土壤中Cd、Cu和Hg應引起充分的重視。各種農用投入品的輸入是土壤中重金屬的重要來源。據報道，每年中國輸入到農田土壤中55%的Cd來源于畜禽糞便，8%來源于化學肥料；69%的Cu來源于畜禽糞便，34%來源于化學肥料；8%的Hg來源于畜禽糞便，30%來源于化學肥料（Luo et al.，2009）。畜禽糞便作為肥料施用于設施菜地中非常普遍。在畜禽集約化養殖中，一些飼料添加劑（如微量元素）被用來促進生長、提高生產力。在動物飼料中常見的微量元素中，約90%的銅（Cu）在糞便中丟失，并且大部分抗生素在糞便和尿液中排出（Qian et al.，2016）。魏益華等（2019）研究發現豬糞有機肥農用主要風險因子為Cu、Cd和Zn，牛糞有機肥農用主要風險因子為Cu，植物性農業廢棄物有機肥農用主要風險因子為Cd，與本研究結果基本一致。在常用的幾類化學肥料中，磷肥以及一些含磷復合肥會混雜重金屬，有研究發現在過磷酸鈣肥料中Cu、Cd含量高于氮肥、鉀肥和三元復合肥，而在商品有機肥中檢測到較高含量的Hg（王美等，2014）。含銅殺菌農藥的使用也可能是土壤中Cu累積的一個原因（Luo et al.，2009）。另外，設施蔬菜常用地膜栽培，地膜生產過程中加入含Cd的熱穩定劑，這也可能也是設施菜地中Cd富集的原因之一（孫碩等，2019）。

表2 不同年限設施菜地內外土壤中重金屬EF和PLI值Table 2 EF and PLI value in soil from inside and outside vegetable greenhouse after different cultivating years

圖1 不同年限設施菜地內外土壤中抗生素含量Fig.1 Antibiotic concentration in soil from inside and outside vegetable greenhouse after different cultivating years

在檢測的15種抗生素中，檢出的抗生素有9種。其中四環素類和氟喹諾酮類抗生素為主要檢出抗生素。Li et al.（2017）研究也發現施用牛糞和雞糞可顯著增加土壤中金霉素、土霉素、諾氟沙星的含量。與重金屬不同，農田土壤中的抗生素來源較為單一，主要來源于畜禽糞便等有機肥的施用和污水的灌溉。多項研究在養殖場雞、豬、牛糞便中檢出多個種類的抗生素（Guo et al.，2016；Pan et al.，2011）。本研究中發現棚內抗生素總量均高于棚外，且在15年棚內最高。徐秋桐（2019）認為畜禽糞便的施用頻率、畜禽糞便中抗生素的殘留水平直接影響進入農田抗生素的含量，影響農田中抗生素的積累。因此設施菜地內封閉性、缺少雨水淋洗、復種指數高和持續施肥且施肥量大等均是導致本研究中抗生素積累的因素。另外，畜禽糞便施入土壤之前進行堆肥處理可有效去除部分抗生素（Zhang et al.，2019b），建議畜禽糞在施用前對其進行堆肥處理，以減少抗生素向農田和環境的輸入。

此外，有研究發現重金屬可能是土壤中抗生素抗性的共同選擇劑或交叉選擇劑（Zhang et al.，2018），重金屬Cu與抗生素抗性基因的顯著正相關表明Cu會直接或間接影響抗生素抗性基因的產生（Deng et al.，2020）。重金屬會促進質粒介導的抗性基因的水平轉移，對抗性基因的接合、轉化和轉導過程均有促進作用（Ding et al.，2016）。土壤中重金屬和抗生素不再是兩種獨立的存在，而是土壤中微生物產生抗性的共同參與者。因此，需要對重金屬和抗生素復合污染進行更深入研究。

4 結論

（1）所有土壤中重金屬含量均低于GB 15618—2018中農用地土壤污染風險篩選值。

（2）設施菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb均有不同程度富集。與棚外相比，7、15年棚內Cu和Hg富集明顯，15年棚內Cd富集明顯，達到重度富集。PLI表明經過7年和15年設施蔬菜耕作后，土壤中重金屬污染較大田耕作污染嚴重。

（3）所有棚內土壤中15種抗生素總量均高于棚外，在2、4、15年棚內抗生素總含量分別是棚外的2.36、2.02、2.63倍。其中檢出最高的為四環素類和氟喹諾酮類抗生素，磺胺類抗生素有少量檢出，氯霉素類抗生素未檢出。