麥玉輪作區農田土壤重金屬調查及評價

李鵬，張惠娟，徐莉，李輝信，胡鋒，焦加國*

（1.南京農業大學資源與環境科學學院/江蘇省有機固體廢棄物資源化協同創新中心，南京 210095；2.浙江省農業科學院環境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021）

土壤是地球生態系統的重要組成部分，土壤屬性影響著地表生物的生長，尤其是各種化學物質含量的超標不但影響植物正常生長，而且通過食物鏈等途徑進入人體及其他動物體內富集，從而影響機體健康。在過去的50 a中，大約有2.2萬t Cr、93.9萬t Cu、78.3萬t Pb和135萬t Zn被排放到全球環境中，而土壤通常是最易積累重金屬的部分之一。2014年原環境保護部和原國土資源部發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，耕地的點位超標率高達19.4%。重金屬污染不僅能夠引起土壤生物化學功能發生變化，還能夠影響土壤動物及微生物活性，抑制植物根系生長，致使作物產量和品質降低。據原農業部調查，每年受重金屬污染及因重金屬污染減產的糧食超過2 200萬t，合計損失至少200億元。中國經濟的快速增長使得農業土壤重金屬含量及其來源成為了日益關注的問題。

開展重金屬污染土壤的生態環境質量研究可以了解土壤重金屬的污染現狀，較好地評價土壤中重金屬的污染程度和相應的生態效應等是保障糧食安全和生態健康的基礎。目前國際上比較常用的土壤重金屬污染評價方法有以下幾種：（1）單因子指數評價法，該方法是以土壤環境質量標準臨界值為標準來評價重金屬元素的污染程度；（2）內梅羅綜合污染指數法，該方法涵蓋了各單項污染指數，能綜合反映出各種污染物對土壤環境質量的影響；（3）富集因子法，該方法通過選擇標準元素對樣品濃度進行標準化，可有效判斷人類活動所引起的重金屬累積；（4）地累積指數法，該方法通過元素在土壤中實測含量與目標元素地球化學背景值相比來評價重金屬污染情況；（5）潛在生態危害指數法，該方法將重金屬含量和環境生態效應、毒理學綜合起來反映重金屬污染程度及其潛在生態危害。因為各種方法對土壤環境污染評價的側重點不同，所以通常需要幾種方法結合使用，從單個重金屬污染程度、綜合污染情況、重金屬累積以及生態風險等多方面全面評估。已有許多研究通過重金屬污染評價方法報告了世界各地農田土壤重金屬的污染情況。MARRUGO-NEGRETE等的調查發現，哥倫比亞北部Sinú河灌溉農業土壤中重金屬的濃度存在較低的環境風險，具體表現在Ni的高度污染，Zn和Cu的中度至高度污染，Pb、Cd和Hg的中度污染。我國近1/6的耕地存在重金屬污染，其中西南地區土壤重金屬含量高于其他地區。土壤中的重金屬來源主要有人為活動和自然過程。自然來源與巖性和成因過程有關，而人為活動輸入到農田土壤中的重金屬含量可不斷積累，在一定程度上威脅生態環境安全。

旱地兩熟區占我國旱地總面積的近60%，且超過60%的耕作旱地用于冬小麥和夏玉米的雙季種植，供應了我國56%以上的小麥和25%以上的玉米產出，因此調查旱地兩熟區典型輪作農田土壤重金屬含量對于保障糧食安全尤為重要。然而以往的研究多關注的是旱地一熟區和水田兩熟區土壤重金屬含量，而對旱地兩熟區農田土壤鮮有報道。本研究選取我國旱地兩熟區典型麥玉輪作系統為研究對象，采用單因子污染指數（P）、內梅羅綜合污染指數（）和生態風險評價（）3項指標綜合評價旱地兩熟區麥玉輪作農田土壤重金屬污染程度及生態風險，并利用富集因子指數（）、主成分分析和聚類分析解析麥玉輪作區土壤重金屬的潛在來源，以期對區域土壤環境質量建設和糧食安全評估提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

旱地兩熟區是指在我國旱作農業中實行一年兩熟制的地區。它是我國旱作農業重要區域，同時也是主要的糧食產區，該區域位于22°26′~41°04′N，97°31′~122°41′E，橫跨暖溫帶、亞熱帶和青藏高原氣候帶（圖1），其土壤類型、年均溫度和降雨量見表1。旱地兩熟區耕地面積占全國總耕地面積的1/4，主要分為華北地區、西北地區、江淮地區、川中地區和云南地區，是小麥、玉米、花生、油菜四大糧油作物主產區，同時也是多樣化經濟作物及農產品生產供應的核心區域。

表1 旱地兩熟區麥玉輪作制150個采樣點的基本信息Table 1 Information of the wheat-maize cropping system in 150 farmland fields in China

圖1 我國旱地兩熟區的主要分布及采樣點位置Figure 1 Geographic locations of soil sample sites under wheat-maize cropping systemin China′s upland

1.2 樣品采集

2016年5—6月，在旱地兩熟輪作區典型小麥-玉米輪作制下，通過選擇各?。ɑ蛑陛犑校┚哂写硇钥h/區常年耕種的農田采集土壤樣品（非工礦企業區周邊、大中城市郊區以及污灌區），每個縣/區隨機選取3個農田取樣，共采集土壤樣品150個，樣點分布見圖1。樣品采集中避開特殊污染或者特殊地形部位。

在每個農田中，在10 m×10 m的網格中使用土鉆（直徑5.0 cm）隨機選取8~10個點（深度0~20 cm）采樣，并充分混合成一個樣品，使用GPS確定樣點坐標。將樣品裝入聚氯乙烯塑料袋密封后帶回實驗室，自然風干后，清除大碎屑、石塊，用瑪瑙研缽磨碎，過孔徑0.154 mm尼龍篩，混勻待分析檢測。整個處理過程避免與金屬物品接觸。

1.3 土壤樣品分析

將0.1 g土壤裝入聚四氟乙烯管中，并依次加入體積比1∶1的HNO-HClO混酸5 mL、HF 5 mL，于電熱消解儀（Lab Tech DigiBlock ED54）消解土壤樣品至完全，空白和標準樣品（GSS-3）同時消解，以確保消解和用于回收率計算。消解完全的樣品使用ICP-MS（Thermo Scientific iCAPQ）測定重金屬含量。

1.4 污染評價方法

為綜合評估旱地兩熟區典型輪作制農田土壤重金屬污染程度，采用單因子污染指數（P）、內梅羅綜合污染指數（）、富集因子（）和生態風險評價（）4項指標。這些指標能夠完成單個元素、整體土壤環境質量及生態風險的全面評估。根據表2中各公式，對所有樣本進行污染指數計算。

表2 本研究使用的污染指數評價方法Table 2 Evaluation methods of heavy metal pollution in this study

1.5 數據處理

數據經Excel 2016整理匯總，利用SPSS18.0軟件進行描述性統計。利用ArcGIS10.3繪制旱地兩熟區區域分布圖。利用R 3.1.3統計軟件的ggplot 2包繪制箱型圖并進行主成分分析，利用cluster包進行分層聚類分析繪制樹狀圖。

2 結果與討論

2.1 土壤重金屬含量描述統計分析

土壤重金屬含量描述性統計分析結果如表3所示。耕層土壤Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb和Hg的平均含量分別為（47.71±17.85）、（16.69±7.06）、（17.03±14.48）、（39.50±22.55）、（29.04±9.21）、（0.15±0.14）、（17.84±18.10）、（0.05±0.03）mg·kg。重金屬As、Cd、Pb含量高于全國土壤背景值，說明在成土母巖差異基礎上，這3種重金屬受人為活動影響較大。一般在表層土壤中重金屬含量最高。8種重金屬變異系數由高到低依次為Pb、Cd、Cu、Hg、Zn、Ni、Cr、As，其中以Pb、Cd、Cu、Hg、Zn變異系數較大，表明其含量空間差異強，變異較大。此外，偏度和峰度也可以反映重金屬含量的分布特征，根據偏度和峰度值可以判斷是否為正態分布，如果二者的值靠近0，說明基本呈現正態分布。8種重金屬的偏度和峰度值均與0有較大的距離，表明它們空間變異度大，其中Pb的變異最強。

表3 土壤重金屬含量描述性統計分析（n=150）Table 3 Statistical summary of heavy metal elements in soils of wheat-maize cropping system（n=150）

2.2 土壤重金屬污染評價

參照國家土壤環境質量標準，對土壤重金屬含量和來源的特征進行描述，以分析土壤的污染程度。旱地兩熟區土壤重金屬污染評價見圖2。單因子污染指數分析結果顯示（圖2a），不同重金屬元素污染程度大小為As>Cd>Cr>Cu>Pb>Ni>Zn>Hg，其中只有As的單因子污染指數大于1，為1.01，達到污染水平。這與LIU等的研究結果一致。但與薛占軍的研究結果不同，這主要由于薛占軍的研究僅關注河北污灌農田，而本研究范圍較廣，集中在麥玉輪作系統。在150個樣點中，As、Cd和Cu的單因子污染指數出現污染樣點較多，且明顯集中在云南地區，這主要是由于該地區元素背景值含量高和人為活動的影響。內梅羅綜合污染指數表明，旱地兩熟區綜合污染指數在0.10~0.85之間，平均值為0.38，屬尚清潔。

與綜合污染指數法主要反映的多種污染物整體污染水平不同，潛在生態風險評價法更側重于對多種重金屬協同作用的評價。旱地兩熟區土壤重金屬潛在生態風險指數見圖2b。結果表明，As的潛在生態風險指數最大，達到19.36，表現為輕微污染。從整體上看，多種重金屬的環境風險綜合指數為47.69，表現為較低的潛在生態風險。

圖2 旱地兩熟區麥玉輪作農田土壤重金屬污染指數Figure 2 Soil heavy metal pollution index of wheat-maize cropping system in dryland in farmland

比較旱地兩熟區五大區域間綜合污染與潛在生態風險情況發現（表4），五大區域均處于清潔狀態，且以川中丘陵綜合污染指數最低；而在生態風險評估中以云南高原最高，接近中等風險，五大區域均為較低的潛在生態風險。

表4 旱地兩熟區綜合污染及潛在風險情況（均值±標準差）Table 4 Comparison of heavy metal contents among the areas in double cropping system in the dryland（Mean±SD）

富集因子（）用于評價人為活動對土壤中重金屬濃度的影響。使用Fe的含量來確定人為活動對重金屬積累的預期效應，主要因為Fe在土壤中發生的變異性低。值接近1表示地殼起源，>10被認為是非地殼來源。>1.0表明人為來源，而<1.0表示可能的金屬消耗。各重金屬的富集指數結果如圖2c所示。根據TAYLOR分類，Cr（0.86）、Ni（0.67）、Cu（0.75）、Zn（0.59）、Hg（0.91）的平均值均小于1，表明不富集；As（3.00）、Cd（1.55）、Pb（1.53）表現為輕度富集，通常是由人為活動產生的重金屬。哥倫比亞北部Sinú河灌溉農業土壤Ni輕微富集，是受附近鎳鐵冶煉廠影響，其他重金屬不富集（Zn、Cu、Pb、Hg、Cd）。土壤中重金屬的移動發生在厭氧條件下，而旱作農業土壤通常為非厭氧條件，重金屬移動性較差，易積累。As、Cd、Pb的富集可能與農田集約化管理有關。

2.3 土壤重金屬來源分析

土壤重金屬相關性分析矩陣中元素間的關系提供了地質環境中重金屬來源和途徑的信息。根據相關性分析結果發現（圖3），重金屬間均呈顯著正相關。其中，Cr和Ni（=0.76，<0.01），Ni和Cu（=0.68，<0.01），Cu和Cr（=0.63，<0.01）之間呈極顯著正相關。Zn和Cr（=0.65，<0.01）、Ni（=0.60，<0.01）、Pb（=0.63，<0.01）之間呈極顯著正相關。Cd和Zn（=0.60，<0.01），Cd和Cu（=0.57，<0.01），Cu和Zn（=0.54，<0.01）之間呈極顯著正相關。

重金屬間的相關性較強表明它們在旱地兩熟區農田土壤中來源相近。使用主成分分析，將變量歸類成組，使得屬于一個組的變量彼此高度相關，以進一步評估研究區域內重金屬的污染程度和來源。

重金屬含量的PCA結果如圖4所示。前兩組主成分特征值大于1，對總方差累積貢獻率達68.1%。因此，這兩部分在研究區域的重金屬污染來源中發揮了重要作用。其中第一部分（PC1）中Ni、Cr、Cu、Cd和Zn具有較高因子載荷（53.4%），是最重要的部分，由于各金屬元素的變異性可能受母巖控制，因此PC1可認為是來源于同一組母巖。HUANG等的研究發現，我國揚中地區表層土壤中Cr和Ni來源于母巖的風化和隨后的成土過程。第二部分（PC2）Hg、As和Pb因子載荷較高。PC2的貢獻率為14.7%，由于在一些土壤中各元素含量較高，可定義為一組人為來源，具體涉及該區域的長期農業活動。從圖4可以明顯看出，8種重金屬元素均受母巖和人為來源影響，只是個別元素更偏重于某一來源。存在于天然土壤中的這些元素來源于母質的風化及隨后的成土過程。

旱地兩熟區是我國主要糧食供給區之一，長期的農業活動必然會影響農田土壤重金屬含量。對我國揚中地區的重金屬污染調查發現，與底層土壤相比，表層土壤富含As、Hg、Pb、Cu、Zn和Cd，這最有可能與用于改善農作物生產和質量的高投入農用化學品有關。耕作土壤Pb含量增加歸因于礦物肥料的使用，主要是磷酸鹽肥料，此外磷酸鹽肥料中Hg濃度為0.005~0.690 mg·kg，這反映了分層聚類分析（圖5）組2中Pb和Hg的關聯。Cd在人為來源上同樣主要由于化肥的施用，其通常作為磷酸鹽巖中的雜質存在，施肥土壤Cd濃度與未施肥相比顯著增加；Cu移動性較差，是農田管理中進入土壤的主要元素之一，尤其與含Cu殺蟲劑、殺菌劑及化肥施用有關。土壤中重金屬（Zn、Cd、Cu）水平的提高與礦物肥料的使用密切相關，大量化學肥料的使用，導致重金屬在農業土壤中不斷積累。另外，我國農田受到大氣沉積物中重金屬的污染，以大氣沉降形式投入到農業系統的重金屬可能是農業土壤Pb、Zn、Cu和As負載的重要來源。煤燃燒排放的飛灰是大氣污染物來源之一，飛灰富含的Pb、Cd、Zn、Cu、Cr等重金屬元素會以干濕沉降的形式進入土壤。

基于PCA分析結果進行進一步的分層聚類（圖5），共分為3個主要集群。組1僅包含As，表明As與其他元素有不同的人為來源。全球因人為活動輸入土壤中的As高達5.2萬~11.2萬t·a。施用有機肥是農業土壤環境中As污染的重要來源。LI等的調查結果顯示，北京朝陽區生豬養殖場豬糞中As含量高達19.2 mg·kg，而雞糞中As含量高達39.6 mg·

圖3旱地兩熟區麥玉輪作農田土壤重金屬元素間的相關性分析Figure 3 Pearson correlation matrix for heavy metal in soil samples

圖5旱地兩熟區麥玉輪作農田土壤重金屬元素的樹狀圖Figure 5 Dendrogram obtained by hierarchical clustering analysis for the heavy metals

圖4旱地兩熟區麥玉輪作農田土壤重金屬主成分分析Figure 4 Principal component analysis of heavy metals of wheatmaize cropping systemin dryland kg。以旱地兩熟區壽光為例，農業管理集約化程度高、有機肥和化肥施用量大，As的含量有逐年升高的趨勢?；手幸粤追蔄s含量較高，CHARTER等調查分析了市場上的各種磷肥，發現甲氨磷、二氨磷、磷礦粉的As含量分別為8.1~17.8、6.8~12.4 mg·kg和3.2~32.1 mg·kg。煤燃燒產生的飛塵和灰渣中含有大量的As，特別是灰塵微粒中的As含量更高，這也是農田As的重要來源。WANG等的調查發現，我國26個省區297個煤炭樣品中As的含量高于世界平均水平。有研究發現無機態As中三價As的毒性是五價As的60倍，As雖表現為污染，但在旱地土壤中，氧化性較強，所以對As的價態及其生物有效性需進一步研究，以確定其危害性。組2由Hg和Pb組成，可能與農業管理（如礦物肥料）的人為來源有關。組3包括Cd、Zn、Cu、Cr和Ni，與PC1一致，可概括為母巖來源，Zn、Cu和Cd還受到一定人為來源影響，如農業管理中施用化肥、殺蟲劑和殺菌劑及大氣沉降。

3 結論

（1）我國旱地兩熟區麥玉輪作農田土壤重金屬整體表現為清潔狀態。

（2）旱地兩熟區麥玉輪作農田土壤重金屬As、Pb、Hg、Cd、Zn、Cu、Cr和Ni的來源均受母巖和人為活動共同影響，但不同重金屬受影響的側重不同。

（3）土壤高強度利用下，人為活動的農田管理措施勢必會促使土壤重金屬積累，因此要對一切可能輸入土壤重金屬的源頭進行防控。

致謝：本文以公益性行業（農業）科研專項“旱地兩熟區耕地培肥與合理農作制”項目（201503121）研究工作為基礎。實驗得到了山東省農業科學院董曉霞研究員、安徽農業大學董召榮教授、北京市土肥工作站賈小紅研究員、農業農村部環境保護科研監測所修偉明副研究員、山東農業大學寧堂原教授、山西農業大學崔福柱副教授、四川省農業科學院沈學善副研究員、云南省農業科學院郭云周研究員、中國農業大學曾昭海副教授、中國農業科學院棉花研究所王國平副研究員和中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所冀宏杰副研究員的大力支持，特此致謝！