城郊設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤重金屬含量特征及評價分析

李廣文 鮑鋒 胡有寧 王亞妮

(西安文理學(xué)院生物與環(huán)境工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

改革開放以來，我國居民生活水平逐步提高，為了更好地滿足居民們的需求，居民利用大棚種植果蔬的方式改變了傳統(tǒng)露地果蔬種植，大大提高了效益。但達(dá)到自然和經(jīng)濟(jì)效益的同時，人們對于果蔬大棚中的蔬菜品質(zhì)和質(zhì)量安全也提出了更高要求。由于國內(nèi)環(huán)境問題越來越突出，日益威脅著自然生態(tài)系統(tǒng)和社會生態(tài)系統(tǒng)，而土壤是生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，因此土壤環(huán)境質(zhì)量問題也就相應(yīng)的成為人們關(guān)注的焦點。近年來，反季節(jié)果蔬的需求日益升高，其中大棚蔬菜栽培占了較大比重，人們通過人工提供內(nèi)環(huán)境，賦予了果蔬新的生長環(huán)境，使土壤長期處于高溫、高濕、高施肥量、高強度利用等條件下，一種高度集約化的利用方式，以滿足人們基本的日常需求。但在此過程中土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)發(fā)生變化，也產(chǎn)生了一系列問題，如土壤鹽漬化、土壤酸化、土壤養(yǎng)分失衡、重金屬累積、微生物區(qū)系改變等，尤其是重金屬污染問題日益突出。因此，為了保證果蔬的質(zhì)量和人們的健康安全，探究土壤污染的主要因素，重金屬污染主要因子等已經(jīng)成為亟待解決的問題。對此，許多學(xué)者做出了大量研究，我國菜地土壤重金屬含量與全國土壤背景值相比出現(xiàn)了明顯的富集累積現(xiàn)象[1]。李曈等研究發(fā)現(xiàn)，不同棚齡土壤鉻(Cr)、Pb、砷(As)、汞(Hg)含量均隨著種植年限的增加而提高，種植蔬菜1～5a，土壤Cd、As、Hg含量分別提高143.5%、51.1%、60.2%[2]。井永平[3]重金屬累積主要污染因子，研究了不同種植年限的大棚土壤速效氮磷鉀含量、有機質(zhì)含量、pH值及重金屬累積量的變化，表明隨種植年限延長，土壤速效氮磷鉀、有機質(zhì)含量均大量累積，速效氮磷、鉀含量顯著提高可見，菜地土壤重金屬超標(biāo)問題已成為威脅人類食品安全的突出環(huán)境問題。

本文以陜西省長安區(qū)城郊地帶設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤為研究對象，測定土壤中As、Cd、Pb、Zn、Ni、Cu 6種重金屬的含量，通過與國家背景值、陜西省土壤背景值和國家土壤標(biāo)準(zhǔn)二級指標(biāo)比對，采用單項污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對土壤重金屬污染進(jìn)行評價,探究土壤重金屬污染特征、主導(dǎo)因子和土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，為果蔬的安全生產(chǎn)和重金屬污染修復(fù)提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西安市長安區(qū)位于E108°38′～109°14′，N33°47′～34°18′。長安屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，雨量適中，四季分明，雨熱同期，有利于農(nóng)作物生長。受地形影響，長安全年多東北風(fēng)，年平均風(fēng)速為1.3～2.6m·s-1。長安區(qū)地勢為東原、南山、西部川，最低海拔384.7m，最高海拔2886.7m。地勢南高北低，東高西低，南北最長處55km，東西最寬處52km。東部為黃土臺原與川道溝壑，西為渭河沖積平原，南為秦嶺山地，北為渭河斷陷谷地沖積平原區(qū)，近鄰西安市區(qū)。

1.2 樣點布設(shè)與采集

根據(jù)本文的研究要求，所采土樣主要是針對設(shè)施農(nóng)業(yè)果蔬大棚土壤，將樣點設(shè)置在長安區(qū)環(huán)山路、子午大道路南路北一帶。采集大棚為草莓種植園，種植年限2～6a。采集樣本0～20cm土壤。每個樣點用清洗干凈的鋁盒裝樣1個，壓實密封，做上編號帶回備用。

1.3 研究方法與數(shù)據(jù)處理

土壤重金屬的測定采用便捷式重金屬檢測儀X-MET8000儀器測定各重金屬含量。所有試驗數(shù)據(jù)均采用Excel 2003軟件和SPSS 18軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析統(tǒng)計分析。

1.4 土壤環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)與方法

1.4.1 土壤環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)

土壤重金屬含量比對土壤重金屬陜西省背景值、國家背景值和國家二級指標(biāo)進(jìn)行分析。

《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)(GB15618-2018)》風(fēng)險篩選值的限值要求。

1.4.2 土壤環(huán)境質(zhì)量評價方法

重金屬污染的作用因素既可能是單一的，也可能是多元的。所以采用單項污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法相結(jié)合進(jìn)行評價(表1)。

表1 單項污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)

單項污染指數(shù)評價采用以下公式：

式中，Pi為元素i的單項污染指數(shù)；Ci為元素i在土壤中的實測值(mg·kg-1)；Si為污染物的國家二級指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值(mg·kg-1)。

綜合土壤環(huán)境質(zhì)量評價采用內(nèi)梅羅指數(shù)綜合指數(shù)法。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)是一種兼顧極值或突出最大值的計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，其在加權(quán)過程中避免了人為主觀因素的影響，因此評價結(jié)果比較客觀，能夠全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，強調(diào)主導(dǎo)因子的影響作用，但在求均值過程中弱化或強化一些因素作用。

內(nèi)梅羅指數(shù)綜合指數(shù)評價采用以下公式：

式中，P綜合為綜合評價指數(shù)；P平均為土壤中各污染指數(shù)的平均值；Pmax為土壤中最大污染物的單因子指數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 室內(nèi)土壤重金屬含量特征分析

國家土壤背景值看，重金屬元素Zn在1、3、4、5樣點中超出了背景值，Ni含量在一個樣點中達(dá)標(biāo)，其它樣點均超標(biāo)；其它3種重金屬元素Pb、As、Cu在所測的區(qū)域內(nèi)全都已經(jīng)超出了國家土壤背景值。Ni和Cu在6號樣地中超標(biāo)最為嚴(yán)重，分別達(dá)到了最大值118mg·kg-1和95mg·kg-1。

陜西省的土壤背景值低于國家土壤背景值，意味著對土壤的質(zhì)量要求會更加嚴(yán)格。從表2可以看出，只有2、9、11、12、13和14號樣地中Zn元素含量在要求范圍內(nèi)，其它土壤均受到了Pb、As、Ni和Cu的污染。

表2 土壤重金屬含量實測值及背景值

依據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量國家二級標(biāo)準(zhǔn)，Pb、Cu、Zn都在該標(biāo)準(zhǔn)之下，未受到污染。As、Ni部分樣點超出了標(biāo)準(zhǔn)值。As元素的均值是17mg·kg-1，最大值29mg·kg-1，說明只有局部地區(qū)受到了污染，而且污染程度并不嚴(yán)重。Ni元素的均值是68mg·kg-1，最大值118mg·kg-1，最小值37mg·kg-1，此元素的平均值已經(jīng)高出了標(biāo)準(zhǔn)值，大部分地區(qū)已經(jīng)受到了Ni元素的影響。

在所測重金屬里，Cd重金屬含量遠(yuǎn)超過背景值、國家二級指標(biāo)，且超標(biāo)倍數(shù)達(dá)23～240倍，污染嚴(yán)重。這一結(jié)果與龐妍[4]對關(guān)中地區(qū)研究結(jié)果一致。井永蘋[3]對山東省壽光市設(shè)施蔬菜種植研究表明，Cd超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重，說明在設(shè)施農(nóng)業(yè)中Cd超標(biāo)已成為普遍現(xiàn)象。

一般認(rèn)為，土壤重金屬來源于工業(yè)“三廢”、城市生活垃圾、農(nóng)用化學(xué)品的投入及大氣沉降等[5]，設(shè)施菜地土壤重金屬的來源與露天菜地類似，但設(shè)施菜地更加追求經(jīng)濟(jì)效益，復(fù)種指數(shù)高，肥料投入大，從而增大了重金屬的輸入量。研究表明，肥料投入是設(shè)施菜地土壤重金屬的重要來源[6]，其中磷肥是土壤中Cd的最大來源[7]。有機肥中的有機質(zhì)可以對重金屬離子產(chǎn)生絡(luò)合作用，合理施用有機肥可以增強土壤對重金屬的吸附能力，但有機肥的投入也會帶來一定的重金屬污染。喬德波[8]研究表明，設(shè)施菜地土壤Zn和Cd的全量隨著有機肥施用量的增加而增大，長期施用有機肥可明顯增加土壤有效態(tài)重金屬在表土層的積累。

2.2 土壤重金屬污染評價

各重金屬單項污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)見表3。單因子指數(shù)評價顯示，果蔬大棚土壤Zn、Pb、Cu的單項污染指數(shù)均小于1，處于未受到污染，而Ni單項污染指數(shù)在0.74～2.36，大部分在2以下；As單項污染指數(shù)在0.44～1.16，達(dá)到輕度污染水平，屬于潛在的污染因子。污染指數(shù)最高的為Cd，平均達(dá)98.57,為重度污染。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)能夠反映重金屬共同作用對土壤的污染程度。不考慮Cd元素情況下，研究區(qū)大棚果蔬土壤平均內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)都是輕度污染土壤。最低污染指數(shù)是0.6,最高的污染指數(shù)1.77。考慮全部所測重金屬，做內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)分析，結(jié)果顯示本區(qū)域設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤重污染土壤。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)二者對比，更加說明當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)Cd污染的嚴(yán)重性。

表3 單因子污染指數(shù)評價和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價

3 結(jié)論

Zn、Pb和Cu含量均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的二級限值。As元素在部分樣區(qū)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，大部分地區(qū)已經(jīng)受到了Ni元素的影響。國家土壤背景值看，室內(nèi)重金屬元素Zn分別在1、3、4、5區(qū)域中超出了背景值，而其它室內(nèi)重金屬元素Pb、As、Ni、Cu在所測的區(qū)域內(nèi)都已經(jīng)超出了國家土壤背景值。在當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中，Cd污染嚴(yán)重。

通過土壤重金屬單因子污染指數(shù)評價和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價，Zn、Pb、Cu的單項污染指數(shù)均小于1，處于未受到污染水平，Ni單項污染指數(shù)在0.28～1.97，As單項污染指數(shù)在0.44～1.16，達(dá)到輕度污染水平。不考慮Cd重金屬，內(nèi)梅羅綜合指數(shù)在0.6～1.77，各個樣地處于警戒至輕度污染，需加強觀測與治理。