天津設施蔬菜土壤重金屬積累及風險評價研究

張慧　王曉風　趙會薇　李夢琦　張余良　肖輝

摘??? 要：為探明天津市設施土壤中重金屬累積現狀及風險，調查分析了天津市10個涉農區的設施土壤（0～20 cm）中Cd、Pb、As、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni8種重金屬的積累及生態風險評價。結果表明：Cd是天津市設施土壤唯一的污染物，平均含量為0.55 mg·kg-1，超過天津市背景值的551%；靜海區、西青區2個采樣點的Cd超過風險篩選值，超出率為8.46%、37.54%，Cd在西青區表現為中等危害。其余7種重金屬在各區均表現為輕度危害。10個區中，東麗區、靜海區、薊州區的綜合污染指數為0.72、0.80、0.73，屬于警戒級別；西青區的綜合污染指數為1.03，輕度污染；其余6區的綜合污染指數均在0.7以內，為安全級。10個區的潛在生態風險指數均低于150，表現為輕微生態危害。綜上所述，天津市設施種植中要著重注意Cd的富集問題及修復措施。

關鍵詞：設施土壤；重金屬；風險評價；天津

中圖分類號：X825???????? 文獻標識碼：A????????? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006－6500.2023.08.012

Accumulation and Risk Assessment of Heavy Metals in Facility Vegetable Soil in Tianjin

ZHANG Hui1， WANG Xiaofeng1， ZHAO Huiwei2， LI Mengqi1， ZHANG Yuliang1， XIAO Hui1

（1. Institute of Agricultural Resources and Environment， Tianjin Academy of Agricultural Sciences， Tianjin 300384， China; 2. The Semi-arid Agriculture Science and Technology Research Center of China， Shijiazhuang， Hebei 050051， China）

Abstract： To explore the accumulation risk of heavy metals in facility soils， the investigation of Cd， Pb， As， Hg， Cr， Cu， Zn and Ni of 10 agricultural districts in Tianjin were analyzed.The results showed that Cd was the only pollutant in the facility soil in Tianjin， with an average of 0.55 mg·kg-1， which exceeded the background value of Tianjin by 551%.Cd in Jinghai and Xiqing district exceeded the risk screening value by 8.46% and 37.54%. Cd in Xiqing district was moderately harmful.The other 7 heavy metals showed less harm in other districts.Among the 10 districts， Nemero composite pollution index of Dongli， Jinghai and Jizhou district was 0.72， 0.80 and 0.73， belonged to the alert level.The Nemero composite pollution index of Xiqing district was 1.03， indicating mild pollution.The Nemero composite pollution index of the other 6 districts was within 0.7， considered as safety.The potential ecological index of the 10 districts was lower than 150， indicating slight ecological harm.In conclusion， Cd enrichment should be cared in Tianjin facility planting.

Key words： facility soil; heavy metals; risk assessment; Tianjin

設施蔬菜生產在承載著人口、資源等多重壓力中大力發展起來[1]。我國設施蔬菜約有467萬hm2，占到全球覆蓋面積的80%以上[2]，是一項解決我國人多地少、制約可持續發展的有效技術工程。另一方面，設施蔬菜存在有機肥、化肥和農藥的過量投入，導致酸堿化、質量失衡、重金屬積累等一系列土壤退化問題[3]。土壤質量的降低會導致產量受損，而重金屬的積累將會影響食品的品質與安全[4]。

土壤重金屬是一種重要的潛在污染物，在生物體內富集會造成持久的污染，主要來源有土壤母質、交通、工業、礦采等方面，其中農藥、化肥、有機肥的大量施用是設施農業重金屬重要的人為污染源[5]。研究表明，雞糞、秸稈與復合肥的長期施入可導致設施土壤重金屬不同程度的積累，產生污染，增加其生態風險[6]。王倩倩[7]研究發現，Cd、Cu、Zn與土壤養分具有較高的同源性，主要受到設施農業種植過程中施肥制度的影響。進一步通過地球化學模型LeachXS模擬顯示，有機肥的施用通過提高液相中溶解性有機物和重金屬含量提升了土壤重金屬的活性[8]，增加農產品的重金屬積累風險。多數研究區域的設施蔬菜土壤受到重金屬的污染積累影響，一種或幾種重金屬決定了區域的土壤污染風險水平。山東省設施蔬菜土壤中Cd、Hg、Zn為主要污染物[9]，江蘇省土壤中的Pb為主要污染物，且設施土壤全量與有效態Pb、Cr、Cd含量往往高于常規大田土壤[10]。重金屬積累常常又與種植年限顯著相關[11]。盧維宏等[11]采用線性關系擬合模型預測，堿性土壤中有效態Cu在19年后累積量達到風險限量值，Zn在91年后達到風險限量值。掌握重金屬的污染現狀，開展多區域調查及評價是保障農資質量與安全的重要工作。

土壤重金屬污染評價中廣泛應用的有內梅羅綜合污染指數法、富集因子法、地累積指數法和潛在生態危害指數法等方法[12]。其中，潛在生態指數法是最常用的重金屬污染評價方法。采用單因子和綜合污染指數方法評價河北省4個設施蔬菜生產縣的重金屬，青縣 Cd等級為二級（尚清潔），其他均為一級（清潔）[13]。王莉霞等[14]采用潛在生態風險指數評價天水市設施土壤重金屬90%以上點位處于安全水平，潛在生態風險為輕微—中度等級，Hg是最大的潛在風險因子。評估長期施肥措施的潛在風險，結果發現，雞糞、秸稈、K2SO4、生石灰與復合肥處理下土壤的綜合污染狀況最為嚴重，20年后污染將加劇[6]。

天津地處華北平原東北部，轄16個行政區，其中涉農區有10個，以種植菠菜、西紅柿、芹菜、黃瓜、辣椒等蔬菜為主，是北方地區的重要蔬菜供應區之一。近年來，設施蔬菜種植面積不斷擴大[15]，重金屬持久性累積，對蔬菜安全生產和蔬菜產業可持續發展及人體健康造成潛在威脅。例如，在天津市武清區的土壤調查中發現，設施菜地比露天菜地表層土壤具有更高的Cu、Zn和Cd，并且淺層土壤比深層土壤更容易聚集Cu、Zn和Cd。分析天津市郊區土壤的污染源，結果發現，Cr和Ni主要為自然源，Cu、Zn、Pb和Cd來自自然源和人為源，As則主要為人為源[16]。本研究以天津涉農區的設施蔬菜土壤為對象，調查分析土壤重金屬含量及評價污染風險，旨在為設施農業的可持續發展和農產品的安全供應提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

天津市地處華北平原的北部，海河的下游，總面積11 660 km2，大部分屬于沖積平原，以砂性土、壤質土、黏性土為主。溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為11.6 ℃，降雨量為500～610 mm。

1.2 試驗設計

2021年在天津市的北辰區（BC）、寶坻區（BD）、濱海新區（BH）、東麗區（DL）、靜海區（JH）、津南區（JN）、薊州區（JZ）、寧河區（NH）、武清區（WQ）、西青區（XQ）10個區的設施蔬菜取樣，對其進行土壤重金屬的調查和評價。依據集中種植設施蔬菜的代表性，共采集66個點，每個采樣點3個重復，用不銹鋼土鉆采樣，深度0～20 cm。原子吸收光譜儀測定Cd、Pb、As、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni8種土壤重金屬指標[17]。鑒于天津鹽堿地土壤pH > 7.5采用GB 15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》中“pH > 7.5的其他”作為標準及參考天津市重金屬背景值[18]（表1）進行評價。

1.3 土壤重金屬污染和風險評價方法

采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法對土壤重金屬污染進行評價，公式如下：

式中，Pi表示單因子指數，Pi<1表示土壤未收改評價因子污染，Pi>1代表收到重金屬污染，Pi值越大，污染越重；Ci表示重金屬的實測值；Si表示重金屬的評價標準（本研究采用篩選值作為評價標準，表2）；P綜合表示內梅羅綜合污染指數；Piave表示單因子指數平均值；Pimax表示i采樣點重金屬污染單項污染指數的最大值。

土壤重金屬生態風險采用Hakanson提出的潛在生態風險指數法（The potential ecological risk index，RI）評價，計算公式如下：

式中，RI為評價區域土壤的潛在生態危害指數（表2）；Eri為評價區域土壤中某一污染物的潛在生態危害指數；Tri為評價區域內某一污染物的毒性響應系數（Cd=30，Hg=40，As=10，Cr=2，Cu=Ni=Pb=5，Zn=1）[19]；Cri為污染物的污染系數；C測 i?? 為污染物的實測濃度；Cni為該元素的評價標準。

1.4 數據統計與分析

土壤重金屬含量區間差異采用單因子方差分析，利用R 3.5.1 （R Development Core Team）的 “agricolae” 和 “stats”數據包進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 設施蔬菜土壤重金屬含量分析

天津10個涉農區的設施蔬菜土壤中，Cd、As、Hg、Cu、Zn平均含量為0.55、10.83、0.12、34.30、107.20 mg·kg-1，比天津背景值高出511%、13%、43%、19%、35%，主要與近幾年肥料、農藥大量使用和大氣沉降增加有關；Pb、Cr、Ni平均含量為19.09、50.41、30.04 mg·kg-1，比天津背景值低9%、40%、10%，重金屬的降低主要與植物的重金屬轉移、富集相關。

統計分析發現，土壤中的Pb、As、Hg、Cr4種重金屬的分布存在明顯的地域差異性（P< 0.05），而Cd、Cu、Zn、Ni4種重金屬的區域差異不明顯（表3）。主要污染物為Cd，其中靜海區Cd含量為（0.65±0.11）mg·kg-1、西青區Cd含量為（0.83±0.36） mg·kg-1，采樣點的Cd含量超過風險篩選值的8.46%、37.54%。這可能會對農產品、土壤環境造成風險，應當加強土壤和農產品的協同監測，采取安全利用措施。其余7種重金屬均在風險篩選值范圍內，且遠低于相應的風險篩選值。

2.2 設施蔬菜土壤重金屬污染指數分析

單因子污染指數如表4所示。其中，鎘在靜海區、西青區的單因子污染指數為1.08、1.38，大于1，代表土壤中存在鎘污染，其余地區在標準以內。Pb的單因子污染指數在0.10～0.16，As的單因子污染指數在0.24～0.47，Hg的單因子污染指數在0.01～0.12，Cr的單因子污染指數在0.15～0.34，Cu的單因子污染指數在0.23～0.37，Zn的單因子污染指數在0.29～0.50，Ni的單因子污染指數在0.10～0.12，均在1以下，代表了土壤未受到該重金屬的污染。由此計算的內梅羅綜合污染指數顯示，10個區中，東麗區、靜海區、薊州區的綜合污染指數為0.72、0.80、0.73，在指數0.7以上，需要警戒該區域的重金屬污染，污染水平為尚清潔；西青區的綜合污染指數為1.03，在指數1.0以上，表明該區存在輕度的重金屬污染，需要注意產品中的重金屬含量。

2.3 設施蔬菜土壤重金屬生態風險評價

單一重金屬潛在危害指數（表5）顯示，Cd在西青區的單一重金屬潛在危害指數表現為中等生態危害，數值為41.26，高于40輕微危害標準；Cd在其他9個區表現為輕微危害。Pb在天津10個涉農區的潛在危害指數為0.52～0.79，As的潛在危害指數為2.43～4.70，Hg的潛在危害指數為0.42～4.95，Cr的潛在危害指數為0.29～0.67，Cu的潛在危害指數為1.16～1.87，Zn的潛在危害指數為0.29～0.50，Ni的潛在危害指數為0.50～0.60。這7種重金屬的潛在危害指數均在40以下，表現為輕微危害。

土壤重金屬潛在區域生態風險評價結果（表5）表明，北辰區、寶坻區、濱海新區、東麗區、靜海區、津南區、薊州區、寧河區、武清區、西青區的生態風險指數，分別為35.66、28.78、34.95、37.78、41.39、33.46、37.20、27.28、30.39、53.68，均在150標準以下，均表現為輕微生態危害。

3 討論與結論

自20世紀90年代以來，我國設施蔬菜種植取得了重大成就，保障了周年生產及均衡供應，同時也面臨著諸多問題，投入高、土壤質量退化問題突出。設施蔬菜的土壤重金屬富集能力高于一般露天蔬菜。調查發現，設施蔬菜中化肥、有機肥的投入是露天蔬菜的2.77倍、1.25倍[20]。隨著種植年限的增長，土壤中重金屬的全量和有效量含量呈明顯累積趨勢。種植年限超過15年的土壤中全量Cu、Zn和Cd 達到了露天的1.57倍、2.16倍、1.67倍，與土壤有機質間關系顯著，表現為來源上的高度相似性[2]。李樹輝[21]調查北方典型區域的設施菜地的研究表明，重金屬的輸入途徑主要來自于化肥和有機肥，其中有機肥對設施菜地重金屬的輸入量遠遠超過化肥，氮肥和鉀肥對土壤重金屬累積的影響較小。任順榮等[22]發現，長期施用尿素對土壤中Cd、Cr、As和Hg影響較小，但要注意磷肥對土壤Cd積累的顯著影響[23]。進一步對雞糞、豬糞、牛糞、羊糞、農作秸稈、菜籽餅、味精下腳料、糠醛渣和造紙廢棄物的重金屬含量分析發現，這些有機物和廢棄物是造成不同的重金屬污染的重要來源，同時均存在Cd含量超標問題[24]，尤以豬糞中重金屬超標最為嚴重，說明Cd污染面源廣、風險大。

本研究分析了8種重金屬，同樣發現Cd為天津設施蔬菜的唯一重要污染物，設施土壤的平均Cd含量為0.55 mg·kg-1，超過天津市背景值的551%；靜海區、西青區采樣點的Cd超過風險篩選值的8.46%、37.54%，Cd僅在西青區的潛在危害指數表現為中等生態危害，其他區表現均表現為輕微生態危害。Cd在山東、河南、吉林、甘肅設施蔬菜土壤的每年積累速率分別為0.033、0.001、0.035、0.025 mg·kg-1，參考以上4個地方的每年平均積累速率0.023 mg·kg-1[21]，天津設施土壤將在2.17年后超過污染篩選值，對農產品質量具有很大的潛在風險。Cd是農業活動的標志元素，常作為農藥的有效成分被廣泛使用，易揮發和遷移[25]。設施土壤Cd污染主要來源于大量施用的有機肥、化肥、農藥，以及灌溉用水。

綜合評價來看，東麗區、靜海區、薊州區的綜合污染指數屬于警戒級別；西青區的綜合污染指數在指數1.0以上，存在輕度污染；其余6個區的綜合污染指數為安全級。10個區的潛在區域生態風險評價結果均表現為輕微生態危害，表明天津地區設施蔬菜土壤重金屬污染整體生態危害較小。西青區、靜海區是天津蔬菜的重要產區，具有特色的國家地理標志產品，尤其是蘿卜、西瓜、小棗種植面積大，肥力和水力投入較大，具有廣泛的潛在污染源。劉雅明等[26]運用相關性矩陣分析發現，西青區、靜海區的重金屬鉻、鎘、鉛、汞存在極顯著關系，變化存在極顯著的協同性，存在同源污染。宇妍[16]發現，天津設施蔬菜土壤Cd的來源主要為人為源，而Ni、As、Cd 和 Pb 更多的主要源于成土母質，表明化肥、農藥、有機肥和污水灌溉等人為活動在重金屬積累中貢獻最大，在重金屬的治理降污中應先從這幾個方面入手。

天津地處海河下游，東臨渤海灣，地下水位高，土壤鹽漬化程度嚴重，土壤肥力低下，導致該地設施農田對有機肥、改良劑需求量高[15]，因此帶來的重金屬積累風險較大。尋求合理的改良辦法是保證鹽堿地設施農業可持續健康發展的重要途徑。化學與生物方法是目前常用重金屬修復措施，例如：合理施用石灰、生物炭、腐植酸、海泡石等化學鈍化修復物質，調節土壤 pH、有機質等來降低土壤重金屬生物有效性[27]，以達到緩解其造成的環境脅迫效應、降低在蔬菜可食用部分中的累積量和健康風險。添加園林腐熟物以及復合改良劑都可以降低有效鐵、有效錳、有效銅含量。羥基磷灰石和生物炭組合可以有效降低58.44%土壤有效態Cd[28]。利用微生物的吸附和轉化作用可以降低土壤重金屬，Tunali等[29]報道頭孢菌能夠有效吸附Pb，吸附量隨著pH變化。為更好地改善土壤性質，綠肥種植對土壤肥力及土壤重金屬有效性等有著重要影響。種植豆科綠肥在顯著改善土壤養分、提高土壤質量的同時，能夠降低土壤有效Cd含量[30]。種植C/N較高的褐皮山黧豆顯著降低土壤As有效性，對Cd、As富集能力較高[31]。

天津市的設施蔬菜保障了周邊城市供應，同時也存在土壤質量問題的不確定性。本研究調查了天津10個涉農區設施土壤Cd、Pb、As、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni8種重金屬。通過評價發現，Cd平均含量為0.55 mg·kg-1，超過天津市背景值的551%；靜海區、西青區2個采樣點的Cd超過風險篩選值，超出率為8.46%、37.54%，是天津市唯一的重要污染物，Cd在西青區表現為中等危害。其余7種重金屬在各區均表現為輕度危害。東麗區、靜海區、薊州區的綜合污染指數屬于警戒級別；西青區的綜合污染指數為輕度污染；其余6區的綜合污染指數為安全級。10個區的潛在生態風險指數均表現為輕微生態危害。通過本次調查，未來在設施蔬菜種植中要著重注意Cd的富集問題及尋求良好的修復措施。

參考文獻：

[1] PASTERNAK D， RAPPEPORT E. Use of alternative energy sources in protected agriculture[J]. Outlook on Agriculture， 1982， 11（1）： 16-20.

[2] 盧維宏， 劉娟， 張乃明， 等. 設施菜地土壤重金屬累積及影響因素研究[J]. 中國環境科學， 2022， 42（6）： 2744-2753.

[3] 劉兆輝， 江麗華， 張文君， 等. 山東省設施蔬菜施肥量演變及土壤養分變化規律[J]. 土壤學報， 2008， 45（2）： 296-303.

[4] 苑學霞， 方麗萍， 張太平， 等. 不同年限設施菜地土壤中重金屬和抗生素污染特征[J]. 生態環境學報， 2020， 29（8）： 1669-1674.

[5] 張又文. 天津市不同土地利用類型土壤重金屬的積累特征及污染評價[D]. 沈陽： 沈陽農業大學， 2019.

[6] 沃惜慧， 楊麗娟， 曹庭悅， 等. 長期定位施肥下設施土壤重金屬積累及生態風險的研究[J]. 農業環境科學學報， 2019， 38（10）： 2319-2327.

[7] 王倩倩. 天津典型設施菜地土壤-蔬菜中重金屬分布特征及生態風險[D]. 天津： 天津師范大學， 2018.

[8] 徐巖， 李靜， 方文. 有機肥連續施用對菜田重金屬行為的影響——基于地球化學模型研究[J]. 生態學報， 2022， 42（4）： 1512-1526.

[9] 井永蘋， 李彥， 薄錄吉， 等. 不同種植年限設施菜地土壤養分、重金屬含量變化及主導污染因子解析[J]. 山東農業科學， 2016， 48（4）： 66-71.

[10] 姚榮江， 楊勁松， 謝文萍， 等. 江蘇沿海某設施農區土壤重金屬累積特點及生態風險評價[J]. 農業環境科學學報， 2016， 35（8）： 1498-1506.

[11] 盧維宏， 劉娟， 張乃明， 等. 中國典型設施栽培土壤Cu、Zn累積特征及風險預測[J]. 農業工程學報， 2021， 37（11）： 189-196.

[12] 王玉軍， 吳同亮， 周東美， 等. 農田土壤重金屬污染評價研究進展[J]. 農業環境科學學報， 2017， 36（12）： 2365-2378.

[13] 趙會薇， 楊風霞， 霍立勇， 等. 河北省4個設施蔬菜生產縣域重金屬含量特征及質量評價[J]. 山西農業科學， 2018， 46（2）： 240-245.

[14] 王莉霞， 柴小琴， 金豆豆， 等. 天水市蔬菜大棚土壤重金屬污染特征及生態風險評價[J]. 水土保持通報， 2021， 41（3）： 110-117.

[15] 高賢彪， 肖輝. 天津濱海鹽漬土壤發展設施農業可行性分析[J]. 天津農業科學， 2020， 26（1）： 1-4.

[16] 宇妍. 天津市近郊葉菜類蔬菜和菜地土壤重金屬含量調查及風險評估[D]. 楊凌： 西北農林科技大學， 2013.

[17] 鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 北京： 中國農業出版社， 1981.

[18] 中國環境監測總站. 中國土壤元素背景值[M]. 北京： 中國環境科學出版社， 1990： 330-497.

[19] 徐爭啟， 倪師軍， 庹先國， 等. 潛在生態危害指數法評價中重金屬毒性系數計算[J]. 環境科學與技術， 2008， 31（2）： 112-115.

[20] 楊治平， 張建杰， 張強， 等. 山西省保護地蔬菜長期施肥對土壤環境質量的影響[J]. 農業環境科學學報， 2007， 26（2）： 667-671.

[21] 李樹輝. 北方設施菜地重金屬的累積特征及防控對策研究[D]. 北京： 中國農業科學院， 2011.

[22] 任順榮， 邵玉翠， 高寶巖， 等. 長期定位施肥對土壤重金屬含量的影響[J]. 水土保持學報， 2005， 19（4）： 96-99.

[23] 馬榕. 重視磷肥中重金屬鎘的危害[J]. 磷肥與復肥， 2002， 17（6）： 5-6.

[24] 劉榮樂， 李書田， 王秀斌， 等. 我國商品有機肥料和有機廢棄物中重金屬的含量狀況與分析[J]. 農業環境科學學報， 2005， 24（2）： 392-397.

[25] 陳林， 馬琨， 馬建軍， 等. 寧夏引黃灌區農田土壤重金屬生態風險評價及來源解析[J]. 環境科學， 2023， 44（1）： 356-366.

[26] 劉雅明， 王祖偉， 王子璐， 等. 長期種植對設施菜地土壤中重金屬分布的影響及生態風險評估[J]. 天津師范大學學報（自然科學版）， 2020， 40（6）： 54-61， 80.

[27] 袁興超， 李博， 朱仁鳳， 等. 不同鈍化劑對鉛鋅礦區周邊農田鎘鉛污染鈍化修復研究[J]. 農業環境科學學報， 2019， 38（4）： 807-817.

[28] 喬建晨. 鈍化材料對設施土壤鎘穩定性和鹽基離子動態變化的影響研究[D]. 保定： 河北大學， 2020.

[29] TUNALI S， AKAR T， ？魻ZCAN AS， et al. Equilibrium and kinetics of biosorption of lead（II） from aqueous solutions by Cephalosporium aphidicola[J]. Separation and Purification Technology， 2006， 47（3）： 105-112.

[30] 王赟， 付利波， 梁海， 等. 綠肥作物對云南旱地土壤鎘有效性的影響[J]. 農業環境科學學報， 2021， 40（10）： 2124-2133.

[31] 呂本春， 王應學， 楊偉， 等. 豆科綠肥作物對云南堿性土壤鎘砷有效性的影響及其對鎘砷富集能力[J]. 農業環境科學學報， 2022， 41（10）： 2212-2222.

收稿日期：2022-11-16

基金項目：河北省創新能力提升計劃項目（19244010D）；天津市農業科學院青年科技創新項目（2021008）；天津市創新平臺專項（19PTZWHZ00040）

作者簡介：張慧（1987—），女，山東濟南人，助理研究員，博士，從事土壤生態學研究。

通訊作者簡介：肖輝（1981—），男，山東泰安人，副研究員，碩士，從事土壤生態學研究。