蔬菜温室长期种植下土壤重金属累积风险评价

　　摘要：利用中国农业大学曲周实验站有机种植长期定位试验，比较了有机种植（ORG）、无公害种植（LOW）和常规种植（CON）3种不同种植模式下土壤中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As、Ni7种重金属含量的差异，并采用单因子指数法、内梅罗综合累积指数法和潜在生态风险指数法分别对土壤中重金属的累积风险和生态风险进行了评价。结果表明：经过15a的种植，与2002年的初始值相比，3种种植模式下土壤重金属均有明显的累积。其中土壤中Cd累积较为明显，分别提高了312.50%、175.00%、100.00%，有机和无公害种植模式下土壤Cd含量超过了温室蔬菜产地环境质量评价标准，其他重金属含量虽也有一定程度累积，但均未超标。以初始值为参考，评价结果表明，3种种植模式下土壤重金属累积指数表现为ORG>LOW>CON，有机种植存在较高的土壤重金属累积风险。以温室蔬菜产地标准值为参比值，可以看出经过15a的长期定位试验，各个重金属元素均未造成生态系统的风险，3种种植模式的综合生态风险也都属轻微生态危害程度，但相比较而言，3种种植模式生态风险指数表现为ORG>LOW>CON，因此应加强有机农场有机肥质量监控，以确保有机农业的健康发展。

　　关键词：土壤重金属；累积风险；污染评价；有机种植；长期定位试验

　　目前重金属对土壤环境的污染已经引起国际社会的广泛关注，根据《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国农田土壤点位超标率为19.4%，以Cd、Ni和Cu等重金属污染最为突出。造成土壤重金属污染有很多来源，其中施肥是农田重金属污染的主要原因之一。Zhou等[1]研究了22年施肥和耕作对红壤中重金属积累的影响，结果表明：施用有机肥会显著增加土壤中Cu、Zn、Cd的积累，其中Cd甚至超过了国家土壤标准的3倍；王美等[2]对肥料中重金属的含量状况以及施肥对土壤重金属累积影响的研究进展进行了系统分析和总结，研究表明，有机肥中的重金属含量高于化肥，施用有机肥比不施肥提高了土壤Cu、Zn、Pb、Cd的含量。由此可见，施用有机肥对土壤重金属的污染值得深入研究。设施农业一般施用有机肥量都比较大，因此其造成的土壤重金属污染问题尤为显著。Zhang等[3]对北京通州的设施蔬菜土壤中Cu、Cd的蓄积状况进行了调查，结果表明，设施蔬菜土壤中Cu、Cd浓度明显增加，部分土壤样品超过了我国设施蔬菜生产农田环境质量评价标准；茹淑华等[4]分析了设施蔬菜土壤中重金属含量的差异，结果表明，设施蔬菜土壤中Cd、As、Cu和Zn平均含量均显著高于露地蔬菜，且随着种植年限增加，蔬菜土壤中Cd、Pb和Hg含量均呈明显上升趋势。

　　1材料与方法

　　1.1试验地概况

　　本试验为有机蔬菜温室长期定位试验，于2002年3月在中国农业大学曲周实验站（36°52′N，115°01′E）进行，实验站位于河北省邯郸市曲周县北部，属温带半湿润季风气候区，光、热、水等气候资源比较丰富，但受季风的强烈影响，冬春寒冷干燥，夏季温暖多雨，属一年两熟种植区。年均降水量604mm。原始土壤为盐化潮褐土，试验前为多年菜田。温室分为3种不同种植模式：有机种植（ORG）、无公害种植（LOW）和常规种植（CON），3种蔬菜种植模式分别在3个温室进行。每个温室东西长52m，南北宽7m，钢架结构，占地面积约0.04hm2。每个温室内人工平分为3个小区，各温室3个小区之间处理均相同，进行重复试验。试验前土壤重金属含量及pH值见表1。

　　1.2试验设计

　　长期定位试验已连续进行了15a，主要种植作物为春季番茄（3—7月）和秋冬季黄瓜（9月—次年1月）。试验设3个处理：（1）有机种植（ORG）：只施用有机肥（EM堆肥和干鸡粪），不施用化肥，有机肥施用量达到25t·hm-2·a-1；病虫害防治以人工防治和物理防治为主。（2）无公害种植（LOW）：以有机肥（EM堆肥和干鸡粪）为主，施用量为15t·hm-2·a-1，少量施用化肥，化肥施用量为400kg·hm-2；病虫害防治以生物防治为主，病虫害严重时使用低毒低残留的化学农药进行防治。

　　2结果与分析

　　2.1有机种植土壤中重金属含量

　　各试验地不同种植模式下土壤中7种常见重金属的测定结果如表3所示。从表1可以看出，试验开始前，土壤中重金属含量初始值均符合温室蔬菜产地环境质量评价标准，土壤环境质量良好。经过15a的种植，与初始值相比，3种种植模式下土壤重金属均有明显的累积，其中ORG和LOW种植下Cd超过了温室蔬菜产地标准，有一定的环境风险，需引起重视。但其余重金属含量都没有超过温室蔬菜产地标准，基本符合农业用地标准。

　　2.2有机种植土壤中重金属污染评价

　　2.2.1重金属累积评价单因子指数法是目前国内通用的一种重金属污染评价方法[11]，单因子累积指数Pi≤1，污染等级为清洁；Pi>1为污染水平，且Pi越大，累积越严重。为全面反映各重金属元素对土壤的不同作用，突出高浓度重金属元素对环境质量的影响，同时采用了内梅罗综合累积指数法[12]。内梅罗综合累积指数P≤0.7污染等级为安全，0.7<Ps1污染等级为警戒水平，1<Ps2污染等级属于轻度累积，2<Ps3时达到中度累积，P越大累积越严重。

　　3讨论

　　土壤重金属含量的变化受成土母质和人为资源输入的影响极大，而且土壤重金属是目前很受关注的土壤污染之一[14]，土壤中重金属含量对土壤环境质量有很大影响。目前重金属已经成为我国农业生产中不可忽视的重要污染物，重金属含量的增加不但会造成土壤污染，影响农产品产量与品质，而且可通过食物链危害动物和人类的生命健康[15]。本研究对重金属的污染评价分为累积评价和生态风险评价两部分，累积评价是为了评估不同种植模式土壤中重金属的累积程度，国内已有很多研究报道了长期施肥下会出现土壤重金属元素的累积富集现象，而有机种植长期大量施用有机肥是否也会存在类似的问题，值得我们关注和研究；生态风险评价是为了评估试验地重金属的污染风险，土壤重金属会迁移到其他生态系统，通过污染食物、大气和水环境间接影响环境质量，对人类的生存和发展有着严重的威胁[13]，因此对土壤重金属污染风险进行评价具有重大意义。

　　4结论

　　（1）从土壤各重金属指标的含量来看，3种种植模式土壤中Zn、Cd和Cr含量有显著差异，基本表现为ORG>LOW>CON，其中Cd累积最为严重，在有机和无公害种植模式下超过了温室蔬菜产地环境质量评价标准，甚至在有机种植下还达到了重度累积，需引起重视。（2）与2002年土壤初始值相比，3种种植模式下土壤重金属累积风险表现为ORG>LOW>CON，其中有机种植属重度累积，而无公害和常规种植属中度累积，因此有机种植会对土壤产生一定的重金属累积风险。（3）以温室蔬菜产地标准为参比值，经过15a的长期定位试验，3种种植模式下的各个重金属元素均未造成生态系统的风险，试验地没有产生较大的环境风险，3种种植模式的综合生态风险指数表现为ORG>LOW>CON，因此应加强有机农场有机肥质量监控，以确保有机农业的健康发展。

　　参考文献：

　　[1]ZhouSW,LiuJ,XuMG,etal.Accumulation,availability,anduptakeofheavymetalsinaredsoilafter22-yearfertilizationandcropping[J].EnvironmentalScienceandPollutionResearch,2015,22（19）：15154-15163.

　　[2]王美,李书田.肥料重金属含量状况及施肥对土壤和作物重金属富集的影响[J].植物营养与肥料学报,2014,20（2）：466-480.WANGMei,LIShu-tian.Heavymetalsinfertilizersandeffectofthefertilizationonheavymetalaccumulationinsoilsandcrops[J].JournalofPlantNutritionandFertilizer,2014,20（2）：466-480.

　　[3]ZhangHZ,LiH,WangZ,etal.HeavymetalsingreenhousevegetablesoilsinBeijing：Accumulationcharacteristicsofcopperandcadmium[C]//InternationalConferenceonBiomedicalEngineeringandBiotech?nology.IEEE,2012：1499-1502.

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