通州区设施菜地土壤重金属积累特征研究

张慧智 , 李 红

(北京市农林科学院 农业综合发展研究所，北京 100097)

设施农业是一种高投入、高产出的现代农业产业形态。在当前技术水平条件下，设施农业生产中物质的高投入、低利用率，不仅使得重金属等污染元素在土壤环境中大量累积，随之带来的食品安全隐患也正日益受到广泛关注。众多研究者对我国各地设施菜地中重金属的累积特征进行了大量研究。大多数研究表明目前我国设施种植土壤中重金属含量尚未超过国家土壤环境质量二级标准，但是设施土壤中重金属含量随种植年限增加呈明显富集趋势，长期过量施用化肥和有机肥被认为是重金属积累的主要来源[1-6]。通州区是北京市蔬菜供应的主产地，开始设施蔬菜生产的时间早、种植面积大，各类环境问题相比其他区县更加突出。同时，通州区也是北京市的污灌区之一，土壤环境问题一直备受关注。选择通州区作为研究对象分析设施蔬菜生产中的土壤环境污染问题，对于促进首都设施蔬菜安全生产与设施土壤可持续利用具有非常重要的现实意义。

1 材料与方法

选取北京市通州区设施农业发展较好的宋庄镇、西集镇、张家湾镇、漷县镇、永乐店镇和于家务乡采集设施蔬菜土样。根据各镇面积大小、土壤类型、土地利用类型以及设施蔬菜种植面积分布等特点,采用多点采样法进行土壤采样。在选定的温室或大棚中多个部位分别采集耕层土壤样品（0～20 cm深度），共采集耕层土样158个，采样时间2011年4月至5月。同时，每个镇采集2个露地蔬菜种植土壤、1个大田土壤作为对照样点，共采集对照样18个。

经预处理的土样利用盐酸、硝酸、氢氟酸、高氯酸4种酸进行消化溶解，用原子吸收分光光度法测定土样溶解液中重金属Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、Ni的含量，重金属Hg采用冷原子吸收法测定。土壤pH值采用电极法测定，水土比例2.5:1。土壤有机质采用重铬酸钾氧化法测定；土壤阳离子交换容量（CEC）采用乙酸铵交换法测定；全盐量采用重量法进行测定；碱解氮、有效磷、有效钾采用LY/T 1230-1999中提供的方法进行测定。

2 结果与分析

2.1 设施菜地土壤理化特征

设施菜地土样的理化特征值如表1所示。可见，土样pH值的平均值为7.6，属于中性偏碱性的土壤，有利于土壤中重金属的固定。土样的阳离子交换容量均值为205 mmol/kg，具有较好的阳离子吸持能力，对土壤中重金属吸持能力较强，有利于其固定。土样的有机质含量平均值为2.6%，处于北方土壤的中等偏高水平，有利于土壤中重金属的固定，但是增加了重金属的生物毒害风险。

表1 设施菜地土壤理化特征值

2.2 设施菜地土壤中重金属含量

对设施菜地土壤中的 Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、Ni、Hg进行总量测定，结果表明（如表2所示）：设施蔬菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Zn、Hg积累明显；调研选取的土样中，这5种重金属的含量均达到或超过土壤背景值的2倍；其中部分土样中Cr、Cu、Pb、Zn、Hg含量的最大值已经远远高于土壤环境背景值，Cr、Cu、Zn、Hg甚至超过了土壤环境质量二级标准的限定值，土壤已经受到重金属的污染。

表2 通州区设施菜地土壤中重金属含量 （mg/kg）

与露地菜田土壤中重金属含量相比，设施菜地土壤中Cd、Cu、Cr、Zn含量稍低于露地菜田（如图1所示）。设施菜地生产量大于露地菜田，部分重金属随农产品收割走；露地菜田中尘土沉降带入，这可能是导致设施蔬菜地重金属含量低于露地菜田的主要原因。设施菜地和露地菜田土壤中各类型重金属含量普遍高于大田土壤，京郊农民在种菜过程中喜好施用大量各类畜禽粪便作为底肥，而畜禽粪便中含有较高浓度的重金属，是重金属污染元素进入土壤环境的主要途径。

图 1 设施蔬菜地土样与对照样土壤重金属含量平均值

设施蔬菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Zn均出现了严重的富集现象（超过土壤环境背景值）（如图2所示）。其中，全部土样均存在重金属Zn富集的问题，超过95%的土样存在重金属Cu、Cr富集的问题，79%的土壤存在Cd富集的问题。土样中Cd的超标率最高（超过我国土壤环境质量二级标准限定值），为11.84%；其次为Cu；各有1例土样中Cr、Zn超标。

图2 设施蔬菜地重金属富集土样比率与重金属污染土样比率

2.3 设施蔬菜地土壤中Cu、Cd随种植年限（棚龄）的富集特征

设施蔬菜土壤Cu、Cd含量与棚龄之间在0.01水平均存在显著正相关关系，其Pearson相关系数分别为0.941与0.885。

2.3.1 铜（Cu）

设施蔬菜地土壤Cu含量在第1 a种植后有所下降，低于周边麦田和露地菜田土壤Cu含量，此后，其含量随种植年限增加而显著增加（如图3所示）。大棚蔬菜土壤中Cu的富集速度明显大于日光温室蔬菜土壤中Cu的富集速度。5 a棚龄大棚土壤Cu含量是1年棚的近2倍。2 a以上棚龄大棚土壤中Cu含量均高于日光温室土壤中Cu含量。

图3 不同利用类型土壤中铜（Cu）含量随棚龄的变化

2.3.2 镉（Cd）

小于10 a棚龄的设施蔬菜地土壤Cd含量低于露地菜田土壤Cd含量，但是普遍高于大田土壤中Cd含量；各种植年限大棚土壤中Cd含量均显著高于日光温室土壤中Cd含量，说明在大棚环境中土壤更易积累重金属Cd（如图4所示）。

20 a棚龄的日光温室一般为简易温室，其土壤环境中重金属积累问题较为严重，其土壤Cu和Cd含量是1～2 a新棚的2～3倍，其中Cd含量已经超过国家土壤环境质量二级标准，土壤已经受到污染。20 a棚龄设施土壤的pH值显著降低(<7.3)，土壤酸化增加了重金属的环境风险。

图4 不同利用类型土壤中镉（Cd）含量随棚龄的变化

2.4 土壤性质对土壤中重金属含量的影响

设施蔬菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Zn与土壤阳离子交换容量（CEC）和有机质含量呈显著正相关关系，与pH值呈显著负相关关系；而铅、镍和汞未表现出与这几类土壤性质明显的相关性。增加土壤有机质、提高土壤pH值和CEC，均有利于土壤中重金属的固定。土壤中Cd、Cu、Zn含量与土壤中有效态钾、磷存在显著正相关关系，增加土壤中有效态钾和磷含量，有助于上述重金属固定。

表3 设施蔬菜地土壤重金属含量与土壤理化性质之间的相关分析

3 结 论

通州区设施蔬菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Zn均出现了严重的富集现象，部分样点受到了这4种重金属的污染。土样中重金属Hg、Pb、Ni含量尚处于安全阈值内，但是也有部分样点出现明显富集现象。

设施蔬菜地土壤中Cu、Cd发生明显富集，但5 a以下棚龄的大棚和日光温室土壤中Cu、Cd浓度显著低于露地菜田中相关浓度；说明尽管设施土壤中重金属发生富集，但是其农产品的健康风险依然小于露地种植的产品。设施蔬菜地土壤中Cu、Cd浓度随种植年限增加而显著增加，且大棚土壤中的积累速度快于日光温室。设施生产活动过量施加化肥和有机肥等可能是导致设施土壤重金属积累的主要原因。设施蔬菜土壤中铜、镉含量与土壤有机质含量、pH值、土壤阳离子交换容量等因素均存在显著相关关系。在减缓与控制设施蔬菜土壤中Cu、Cd的积累时，需综合考虑各种因素的影响。

[1]杜慧玲，冯两蕊，郭平毅,等.土壤重金属元素含量与大棚使用年限的相关性研究[J].山西农业科学，2006（3）：56-59.

[2]刘庆，杜志勇，史衍玺，等.基于GIS的山东寿光蔬菜产地土壤重金属空间分布特征[J].农业工程学报，2009（10）：258-263.

[3] 刘苹，杨力，于淑芳，等.寿光市蔬菜大棚土壤重金属含量的环境质量评价[J].环境科学研究，2008（5）：66-71.

[4]蒋光月，郭熙盛，朱宏斌，等.合肥地区大棚土壤7种重金属相关环境质量评价[J].土壤通报，2008（5）：1230-1232.

[5]王俊，郭颖，吴蕊，史奕，陈欣.不同种植年限和施肥量对日光温室土壤锌累积的影响[J].农业环境科学学报，2009（1）：89-94.

[6] 姜菲菲，孙丹峰，李红.北京市农业土壤重金属污染环境风险等级评价[J].农业工程学报，2011（8）：330-337.

[7] 陈同斌.北京市土壤重金属含量背景值的系统研究[J].环境科学，2004（1）：117-121.