陸良縣菜地土壤重金屬的污染評價及來源解析*

董達誠 胡夢淩 羅 昱 王 錦 馮凱萍 曾和平

(昆明理工大學環(huán)境科學與工程學院，云南 昆明 650500)

土壤資源是人類賴以生存的重要基礎，土壤質量直接影響到土壤環(huán)境、農產品品質和人類健康[1]。隨著經濟的發(fā)展，工業(yè)三廢的排放、肥料和農藥的不合理使用以及生活垃圾的不合理處置導致土壤重金屬污染加劇，嚴重影響居民的生活健康[2-3]。近年來，云南省大力推進高原特色農業(yè)發(fā)展，陸良縣以其獨特的地理、氣候優(yōu)勢，在政策推動下快速發(fā)展形成大規(guī)模蔬菜種植產業(yè)基地。因此，對陸良縣菜地土壤重金屬環(huán)境狀況調查十分必要。

當前，全國各地針對蔬菜種植基地土壤重金屬污染情況的研究較多[4-7]，但針對云南省高原地區(qū)不同類型菜地土壤的采樣分析、土壤環(huán)境質量科學評估的研究仍少有報道。本研究以陸良縣蔬菜種植基地為研究對象，分析露地菜地和設施菜地土壤重金屬污染情況，采用不同評價方法對土壤重金屬污染狀況進行評價，同時結合多元統(tǒng)計分析方法對土壤重金屬的主要來源進行分析，以期為開展蔬菜安全種植和土壤環(huán)境風險防控提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

陸良縣位于云南省東部，全縣總面積1 989.47 km2，壩區(qū)面積771.99 km2，占總面積的38.8%，是云南省第一大高原平壩。陸良縣屬亞熱帶季風氣候，全年平均降雨量798.1 mm，年平均氣溫15.7 ℃，日照時長2 151.1 h，無霜期270 d。近年來，陸良縣蔬菜產業(yè)發(fā)展迅速，全縣蔬菜種植面積達2.3×104hm2，年蔬菜產量達6×105t。

對研究區(qū)菜地調查結果顯示，菜地種植年限為1～20 a，表層土壤pH在4.63～7.42，平均值為6.89。露地菜地年種植4～5茬，設施菜地年種植8～10茬，由于露地菜地和設施菜地年種植茬數(shù)的差異，導致設施菜地年施肥量較大。蔬菜種植過程中主要以有機肥作為底肥，蔬菜生長過程通過噴灌澆水額外施加水溶化肥和葉面肥。陸良縣蔬菜種植基地常用有機肥為豬糞和雞糞，水溶化肥主要包括氮磷鉀復合肥、氨基酸水溶肥以及腐殖酸類肥料，葉面肥主要包括甲殼素、海藻肥、氨基酸葉面肥、氮磷鉀葉面肥以及微量元素肥料。經統(tǒng)計，露地菜地、設施菜地的有機肥施用量分別為15.5～24.5、30.0～44.5 t/(hm2·a)，水溶化肥施用量分別為7.5～8.5、10.5～11.0 t/(hm2·a)，葉面肥施用量分別為0.1、0.2 t/(hm2·a)。

1.2 樣品采集與分析

依據(jù)《農田土壤環(huán)境質量監(jiān)測技術規(guī)范》(NY/T 395—2012)，在距離道路200 m以外的地方采集土壤樣品。采樣于2018年12月進行，共選擇40個采樣點，其中露地菜地12個，設施菜地28個。結合研究區(qū)蔬菜種植區(qū)的實際狀況，采用梅花點法采集表層(0～20 cm)土壤樣品，四分法取樣1.5 kg混合均勻后裝入聚乙烯塑料袋中。蔬菜種植使用的肥料直接從種植戶家里收集或到農資銷售點購買，每份肥料樣品1.5 kg。

土壤樣品帶回實驗室后自然陰干，去除植物殘體和石塊后研磨過100目篩。采用王水-HClO4對土壤樣品進行消解，采用石墨爐原子吸收分光光度法測定Cd、Pb含量，采用火焰原子吸收分光光度法測定Cr、Cu、Zn含量，采用原子熒光光譜法測定As含量。每個樣品均設置3個重復與標準樣品和空白樣品同時測定以保證數(shù)據(jù)的可靠性。肥料中重金屬元素的測定參考《肥料 汞、砷、鎘、鉛、鉻含量的測定》(NY/T 1978—2010)進行消解，Cd、Pb、Cr、Cu和Zn采用原子吸收分光光度法測定，As采用原子熒光光譜法測定。

1.3 評價方法

1.3.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)可用于反映自然變化與人類活動對重金屬分布的影響，是評價區(qū)域重金屬污染的一個重要指數(shù)[8]。地累積指數(shù)計算見式(1)：

Igeo=log2[Ci/(kBi)]

(1)

式中：Igeo為重金屬的地累積指數(shù)；Ci為重金屬i的實測值，mg/kg；Bi為重金屬i的背景值，mg/kg，本研究采用云南省土壤背景值；k為修正系數(shù)，一般取值為1.5[9]。

1.3.2 內梅羅綜合指數(shù)法

內梅羅綜合指數(shù)是一種常用于土壤重金屬污染評價的方法，計算公式見式(2)、式(3)[10]：

Pi=Ci/Si

(2)

(3)

地累積指數(shù)與內梅羅綜合指數(shù)的等級劃分標準見表1。

根據(jù)羅曼·英伽登的觀點，文學作品分為四個獨立又相互關聯(lián)的層次，在文本的這四個層次里，有大量的“未定點”或“空白”。也就是說《綜合英語》系列教材文本作為一種“意向性客體”的文學作品形式之一，本身存在著大量的“未定點”或“空白”，這些“空白”存在于文本以下四個相對獨立且相互關聯(lián)的層次中。

表1 地累積指數(shù)與內梅羅綜合指數(shù)的等級劃分

2 結果與討論

2.1 土壤重金屬含量特征

陸良縣菜地土壤重金屬質量濃度統(tǒng)計結果見表2。由表2可知，研究區(qū)采樣點Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、As的平均值均高于云南省土壤背景值，分別為土壤背景值的1.54、1.63、1.03、1.64、1.25、1.60倍，說明研究區(qū)菜地土壤6種重金屬存不同程度的富集現(xiàn)象。根據(jù)土壤樣品平均pH所對應的重金屬風險篩選值，除Cd的平均值超過了GB 15618—2018中的風險篩選值外，其他5種重金屬的平均值均低于風險篩選值。40個采樣點中，Cd的超標率最高(67.5%)，其余依次為As、Cu、Pb、Zn，超標率分別為20.0%、15.0%、7.5%、2.5%，Cr未超標。由于云南省土壤中重金屬的背景值整體偏高，為區(qū)分土壤原生污染和次生污染的問題，對研究區(qū)土壤重金屬的變異系數(shù)進行分析，Cr、Cu的變異系數(shù)為21.3%、20.2%，介于15%～36%[11]，屬于中等變異，其他4種重金屬變異系數(shù)均大于36%，屬于高度變異，其中Pb變異系數(shù)最大，受外界影響最大。

表2 陸良縣菜地土壤重金屬質量濃度統(tǒng)計

研究區(qū)露地菜地和設施菜地土壤重金屬質量濃度箱線圖見圖1。顯著性分析結果表明，露地菜地和設施菜地Cd、Pb、Cr、Cu、As含量無顯著差異，而Zn含量有顯著差異。露地菜地Cd、Pb存在極端點，設施菜地Pb、Cr、Zn、As均有極端點，可以推測研究區(qū)設施菜地重金屬至少受兩種不同因素影響[12]。

圖1 菜地土壤重金屬質量濃度箱線圖Fig.1 Box plot of heavy metals mass concentration in vegetable soil

2.2 土壤重金屬污染評價

綜合利用地累積指數(shù)法和內梅羅綜合指數(shù)法評價蔬菜種植區(qū)土壤重金屬污染狀況。地累積指數(shù)法評價結果見表3。露地菜地6種重金屬的Igeo平均值都小于0，表明露地菜地土壤處于無污染水平；但設施菜地Cu、As處于輕度污染水平，其余4種重金屬處于無污染水平；此外，設施菜地和露地菜地相比Igeo更高，說明設施菜地6種重金屬的污染程度較露地菜地嚴重。張懷志等[13]對濰坊市菜地土壤重金屬污染情況調查結果也顯示設施菜地重金屬污染程度比露地菜地嚴重。YI等[14]對湖南農田土壤重金屬污染源調查表明農田土壤污染與牲畜糞便重金屬輸入量較大有關，而李發(fā)等[15]對有機肥中重金屬的研究也表明牲畜糞便有機肥中Cu、As存在超標現(xiàn)象。

表3 菜地土壤重金屬地累積指數(shù)及污染等級

研究區(qū)菜地土壤內梅羅綜合指數(shù)評價結果見表4。由表4可見，土壤樣品有15.00%處于安全水平，40.00%處于警戒線水平，處于輕度污染、中度污染的土壤樣品分別占40.00%、5.00%，說明研究區(qū)菜地土壤受污染比例達45.00%。其中，露地菜地受輕度污染和中度污染的比例分別為25.00%、8.33%，而設施菜地受輕度污染和中度污染的比例分別為46.43%、3.57%，總體來看設施菜地受污染程度更高，需要得到重點關注。

2.3 施肥過程對土壤重金屬的輸入

通常來說，大氣沉降和牲畜糞便是重金屬進入農田土壤的主要途徑[16]，但重金屬的大氣沉降主要發(fā)生在人口集中和工礦業(yè)較為發(fā)達的地區(qū)[17-19]，云南省地處我國西南地區(qū)，工業(yè)發(fā)展較為落后，陸良縣作為農業(yè)大縣受工礦業(yè)影響較小，因此重點關注施肥對菜地重金屬的輸入情況。研究區(qū)菜地所施肥料中的重金屬質量濃度見表5。總體看來，有機肥中6種重金屬含量均較高，其中雞糞有機肥中Pb、Cu、Zn、As質量濃度分別高達335.15、285.03、82.21、75.15 mg/kg，這可能與雞飼料存在不同程度的重金屬超標有關[20]。不同類型肥料中，氨基酸葉面肥中Cd質量濃度最高(9.00 mg/kg)，可能與氨基酸葉面肥制作原料中Cd含量偏高有關[21]。

表5 肥料中重金屬的質量濃度

結合采樣過程中對研究區(qū)蔬菜施肥狀況的調查，可推算出施肥過程對菜地重金屬的輸入情況，結果見表6。兩種種植模式下，土壤重金屬均主要來源于有機肥， Pb、Cu、Zn和As的輸入量均較大，Cd、Cr輸入量相對較小。由于設施菜地的復種率高，有機肥施用量大，所以對設施菜地土壤中重金屬的輸入量更大。

表6 肥料對土壤重金屬年輸入量

2.4 土壤重金屬同源性分析

2.4.1 土壤重金屬相關性分析

表7 研究區(qū)菜地土壤重金屬相關性分析1)

2.4.2 土壤重金屬主成分分析

為進一步研究菜地土壤6種重金屬的污染來源，利用SPSS 22軟件對重金屬含量數(shù)據(jù)進行主成分分析，結果見表8。根據(jù)特征值大于1的原則，露地菜地篩選出兩個主成分，累積方差貢獻率為79.8%，設施菜地篩選出3個主成分，累積方差貢獻率為78.3%，都可以解釋6種重金屬含量數(shù)據(jù)的大部分信息。

由表8可知，露地菜地第1主成分中Cd、Cr、Cu、Zn和As具有較高載荷，而第2主成分中Pb和Zn具有較高載荷，其中Zn在兩個主成分中均有較高的富集信息，說明Zn可能存在兩種不同來源[24]。設施菜地第1主成分中Cd、Pb和Zn具有較高載荷，第2主成分中Cr、As具有較高載荷，第3主成分中僅Cu載荷較高，說明研究區(qū)種植模式的不同導致重金屬污染來源的差異性。

表8 菜地土壤重金屬主成分分析

2.5 土壤重金屬來源解析

根據(jù)研究區(qū)菜地種植情況，結合重金屬間的相關性和主成分分析，對菜地土壤重金屬的來源進行解析[25-26]。露地菜地第1主成分的貢獻率為55.1%，并且Cd、Cr、Cu、Zn和As的載荷均大于0.6，說明5種重金屬間存在較高的同源性。土壤重金屬污染主要受人類活動和自然因素影響，研究區(qū)域內沒有大型工礦企業(yè)，主要從事農業(yè)種植，農業(yè)種植的過程中大量肥料的施用造成土壤中重金屬的輸入，因此露地菜地第1主成分可認定為肥料施用。Pb和Zn在露地菜地第2主成分中有較大載荷，大氣環(huán)境中Pb、Zn通常具有相似的來源[27]，均是機動車污染的標志性元素[28]，因此第2主成分可認定為交通污染。Zn在第1主成分和第2主成分上載荷都比較高，認為具有兩種來源，說明露地菜地土壤中Zn受肥料施用和交通污染兩種來源的影響。

研究區(qū)設施菜地土壤重金屬主成分分析結果顯示，第1主成分中Cd、Pb、Zn載荷較高，分別為0.736、0.783、0.786，主要反映了Cd、Pb和Zn的富集特征。設施菜地高復種率和高肥的種植模式將雞糞和豬糞等有機肥中的Pb和Zn大量帶入農田土壤中，因此設施菜地第1主成分是肥料施用。第2主成分的貢獻率為21.1%，主要貢獻元素為Cr和As，這兩種重金屬含量平均值明顯低于篩選值，表明污染風險比較低，可認為主要受自然因素(成土母質)影響[29]。由于設施菜地中Pb和As存在顯著相關性(見表7)，并且雞糞和豬糞等有機肥對Pb和As的輸入量都比較大，說明設施菜地土壤中As還可能來源于肥料施用。第3主成分的貢獻率為17.3%，其中Cu具有較高載荷，設施菜地Cu與其他重金屬的相關性不明顯，但在土壤中存在輕度污染的累積效應，有一定的生態(tài)風險。含銅農藥是蔬菜病害防治中的常用殺菌劑，是農業(yè)土壤銅污染的主要來源[30]，因此第3主成分可以代表農藥使用。

3 結 論

(1) 陸良縣菜地土壤中僅Cd的平均值超過GB 15618—2018中土壤污染風險篩選值，且Cd超標率高達67.5%，其余5種重金屬平均值都低于篩選值；地累積指數(shù)法評價結果表明，露地菜地土壤中6種重金屬均未出現(xiàn)污染，設施菜地Cu、As處于輕度污染水平；菜地土壤重金屬內梅羅綜合指數(shù)法評價結果顯示，研究區(qū)菜地土壤整體處于輕度污染和中度污染，設施菜地受污染采樣點占50.00%，高于露地菜地的33.33%。

(2) 由于設施菜地的復種率高，有機肥施用量大，因此對設施菜地土壤中重金屬的輸入量更大。

(3) 菜地土壤重金屬來源解析結果表明，露地菜地中Cd、Cu、Cr和As主要與肥料施用有關，Pb主要來源于交通污染，Zn受肥料施用和交通污染兩種來源的影響；設施菜地中Cd、Pb、Zn主要來源于肥料施用，Cr主要受成土母質影響，As受成土母質和肥料施用兩種因素影響，Cu主要來源于農藥使用。