蔬菜温室长期种植下土壤重金属累积风险评价

本文摘要：利用中国农业大学曲周实验站有机栽种长年定位试验，较为了有机栽种（ORG）、无公害栽种（LOW）和常规栽种（CON）3 种有所不同栽种模式下土壤中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As、Ni 7 种重金属含量的差异，并使用单因子指数法、内梅罗综合积累指数法和潜在生态风险指数法分别对土壤中重金属的积累风险和生态风险展开了评价。结果表明：经过15 a 的栽种，与2002 年的初始值比起，3 种栽种模式下土壤重金属皆有显著的积累。

利用中国农业大学曲周实验站有机栽种长年定位试验，较为了有机栽种（ORG）、无公害栽种（LOW）和常规栽种（CON）3 种有所不同栽种模式下土壤中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As、Ni 7 种重金属含量的差异，并使用单因子指数法、内梅罗综合积累指数法和潜在生态风险指数法分别对土壤中重金属的积累风险和生态风险展开了评价。结果表明：经过15 a 的栽种，与2002 年的初始值比起，3 种栽种模式下土壤重金属皆有显著的积累。其中土壤中Cd积累更为显著，分别提升了312.50%、175.00%、100.00%，有机和无公害栽种模式下土壤Cd 含量多达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积累，但皆并未微克。

以初始值为参照，评价结果表明，3 种栽种模式下土壤重金属积累指数展现出为ORGLOWCON，有机栽种不存在较高的土壤重金属积累风险。以温室蔬菜产地标准值为荐比值，可以显现出经过15 a 的长年定位试验，各个轻金属元素皆并未导致生态系统的风险，3 种栽种模式的综合生态风险也都科严重生态危害程度，但相比较而言，3 种栽种模式生态风险指数展现出为ORGLOWCON，因此不应强化有机农场有机肥质量监控，以保证有机农业的身体健康发展。前 言目前重金属对土壤环境的污染早已引发国际社会的普遍注目，根据《全国土壤污染状况调查公报》表明，我国农田土壤点位微克率为19.4%，以Cd、Ni 和Cu 等重金属污染尤为引人注目。

导致土壤重金属污染有很多来源，其中播种是农田重金属污染的主要原因之一。Zhou 等研究了22 年播种和耕作对红壤中重金属累积的影响，结果表明：用药有机肥不会明显减少土壤中Cu、Zn、Cd 的累积，其中Cd 甚至多达了国家土壤标准的3 倍；王美等对肥料中重金属的含量状况以及播种对土壤重金属积累影响的研究进展展开了系统分析和总结，研究指出，有机肥中的重金属含量低于化肥，用药有机肥比不播种提升了土壤Cu、Zn、Pb、Cd 的含量。由此可见，用药有机肥对土壤重金属的污染有一点深入研究。

设施农业一般用药有机肥量都较为大，因此其导致的土壤重金属污染问题最为明显。Zhang 等对北京通州的设施蔬菜土壤中Cu、Cd 的蓄积状况展开了调查，结果表明，设施蔬菜土壤中Cu、Cd 浓度明显增加，部分土壤样品多达了我国设施蔬菜生产农田环境质量评价标准；茹淑华等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 平均值含量皆明显低于露地蔬菜，且随着栽种年限减少，蔬菜土壤中Cd、Pb 和Hg 含量皆呈圆形显著下降趋势。有所不同栽种模式下土地管理措施有显著差异，这些差异不会对土壤质量产生深刻印象的影响。

传统观念指出有机肥比化肥安全性，从而忽略了畜禽有机肥用药带给的环境风险。由于畜禽养殖业大量用于不含重金属的饲料添加剂，因此畜禽粪便等原材料也不存在重金属污染风险，Holzel 等、Qian 等检测了猪粪、牛粪等畜禽有机肥，均找到了一定量重金属的不存在。Luo 等研究指出畜禽粪便对农业土壤中总Cd、Cu 和Zn 的投放分别占了55%、69%和51%，因此有适当对有机栽种的环境风险问题展开研究。

有机农业在我国蓬勃发展的时间较为晚，长年定位试验较为较少，重金属积累又是一个长年的过程，因此本研究在河北曲周中国农业大学实验站展开有机栽种长年定位试验，同时原作无公害和常规栽种作为对照，更为不利于说明了有机栽种土壤中重金属积累状况。同时使用有所不同方法对有机栽种的土壤重金属污染风险展开评价，以期为有机农业土壤中重金属污染风险的掌控获取理论依据。

1 材料与方法1.1试验地概况本试验为有机蔬菜温室长年定位试验，于2002 年3 月在中国农业大学曲周实验站（36°52′ N，115° 01′ E）展开，实验站坐落于河北省邯郸市曲周县北部，科温带半湿润季风气候区，光、热、水等气候资源比较丰富，但不受季风的反感影响，冬春严寒潮湿，夏季寒冷多雨，科一年两煮种植区。年均降水量604 mm。完整土壤为盐化潮褐土，试验前为多年菜田。温室分成3种有所不同栽种模式：有机栽种（ORG）、无公害栽种（LOW）和常规栽种（CON），3 种蔬菜栽种模式分别在3 个温室展开。

每个温室东西长52 m，南北宽7 m，钢架结构，占地面积大约0.04 hm2。每个温室内人工平分成3 个小区，各温室3 个小区之间处置皆完全相同，展开反复试验。试验前土壤重金属含量及pH 值见表格 1。

1.2试验设计长年定位试验已倒数展开了15 a，主要栽种作物为春季番茄（3―7 月）和秋冬季黄瓜（9 月―次年1 月）。试验设3个处置：（1）有机栽种（ORG）：只用药有机肥（EM肥料和干鸡粪），不用药化肥，有机肥施用量超过25 t?hm-2?a-1；病虫害预防以人工预防和物理预防居多。

（2）无公害栽种（LOW）：以有机肥（EM肥料和干鸡粪）居多，施用量为15 t?hm-2?a-1，少量用药化肥，化肥施用量为400 kg?hm-2；病虫害预防以生物防治居多，病虫害相当严重时用于低毒较低残余的化学农药展开预防。（3）常规栽种（CON）：使用常规管理方式，有机肥施用量为9 t?hm-2?a-1，化肥施用量为2 t?hm-2?a-1；病虫害预防以化学防治居多。有所不同栽种方式下的养分投放、农药用药及灌溉情况闻表格 2。

1.3样品收集每个栽种模式地块各另设3 个小区，每个小区内采行S 形布点采样，每5 个点为一个混合样，取样时再行清理地表杂物，均匀分布收集0~20 cm 的土壤，多点混合后的样品按四分法权衡，保有1 kg 左右，用塑封袋装好送回室内。土壤样品经大自然风干，除去石砾和作物根系残渣，按拒绝磨细过0.15 mm 尼龙滤后，用作测量土壤重金属指标。

1.4测定方法重金属Cd、Cr、As、Ni、Cu、Zn、Pb 的测定方法参考国家环境保护标准（HJ 832―2017），使用微波辅助消除ICP-MS 测量，土壤样品在高压消除罐中用硝酸-盐酸-氢氟酸展开前处置，测量过程中使用国家标准土样GBW07427 展开质量监控。1.5数据处理原始数据再行经过Microsoft Excel 程序展开整理，运用SPSS 单因素方差分析对有所不同栽种模式下土壤环境质量指标展开显著性检验，Least significance difference（LSD）法展开均值较为。本研究以2002 年土壤重金属含量初始值作为基础，使用单因子指数法、内梅罗综合积累指数法对土壤中重金属积累风险及等级展开评价，从而评价有所不同栽种模式对土壤重金属积累的影响。

利用重金属数据，根据公式（1）和公式（2）计算出来单因子积累指数（Pi）和内梅罗综合积累指数（P）。(1) (2)式中：Pi 为土壤中各重金属的积累指数；Ci 为土壤中各重金属的测算含量，mg?kg-1；Si为2002 年土壤中各重金属含量的初始值，mg?kg-1；（Ci/Si）max为土壤轻金属元素中积累指数最大值；（Ci/Si）ave为土壤各积累指数的平均值。另外，本研究还以温室蔬菜产地标准为荐比值，使用潜在生态风险指数法对有所不同栽种模式下土壤重金属的生态风险展开评价。

根据公式（3）和公式（4）计算出来各重金属的单项潜在生态风险参数（Ei）和多种重金属的潜在生态风险指数（RI）。(3)(4)式中：Ci 和C0 分别为第 i 种重金属的监测浓度和《HJ 333―2006温室蔬菜产地环境质量评价标准》中的规定值；Ti 为单种重金属的毒性数据，在本研究中土壤重金属的毒性系数使用徐争启等的方法展开计算出来，获得Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、As 和Ni 的毒性系数分别为5、1、5、30、2、10和5。2 结果与分析2.1有机栽种土壤中重金属含量各试验地有所不同栽种模式下土壤中7 种少见重金属的测量结果如表格 3 右图。

从表格 1 可以显现出，试验开始前，土壤中重金属含量初始值皆合乎温室蔬菜产地环境质量评价标准，土壤环境质量较好。经过15 a 的栽种，与初始值比起，3 种栽种模式下土壤重金属皆有显著的积累，其中ORG 和LOW 栽种下Cd 多达了温室蔬菜产地标准，有一定的环境风险，须要引发推崇。但其余重金属含量都没多达温室蔬菜产地标准，基本合乎农业用地标准。

从土壤各重金属指标的含量来看，3种栽种模式土壤中Zn、Cd 和Cr 含量有明显差异，基本展现出为ORGLOWCON。与初始值比起，ORG、LOW 及CON 栽种下土壤中Zn 含量分别提升199.80%、96.64%、54.72%，土壤中Cd 含量分别提升312.50%、175.00%、100.00%，土壤中Cr 含量分别减少253.74%、178.46%、147.70%。

虽然3 种栽种模式下土壤中Cu 和As 差异不显著，但它们在土壤中的富含效应都很显著，与初始值比起，Cu 分别减少113.71%、64.87%、23.73%，As 分别减少126.56%、163.20%、100.99%。2.2有机栽种土壤中重金属污染评价2.2.1 重金属积累评价单因子指数法是目前国内标准化的一种重金属污染评价方法，单因子积累指数Pi≤1，污染等级为洗手；Pi1 为污染水平，且Pi越大，积累就越相当严重。为全面体现各轻金属元素对土壤的有所不同起到，引人注目高浓度轻金属元素对环境质量的影响，同时使用了内梅罗综合积累指数法。

内梅罗综合积累指数P≤0.7 污染等级为安全性，0.7 P≤1 污染等级为警戒水平，1 P≤2 污染等级归属于轻度积累，2 P≤3 时超过中度积累，P越大积累就越相当严重。从表格 4 可以显现出，3 种栽种模式下土壤中7 种重金属的Pi 值各不相同，其中有机栽种下Cd 和Cr 科重度积累，有机栽种下Cu、Zn、Pb、无公害栽种下Cd、无公害和常规栽种下Cr 以及3 种栽种模式下As 科中度积累，其他均为轻度积累。相比较而言，Ni 在土壤中积累风险比较较小，在3 种栽种模式下都为轻度积累。

总体来看，综合积累指数展现出为ORGLOW CON，其中ORG综合积累指数小于3，科重度积累，而LOW 和CON 综合积累指数在2~3 之间，科中度积累。2.2.2 重金属生态风险评价潜在生态风险指数法是由瑞典科学家Hakanson 明确提出并用作评价土壤中重金属的方法，不仅体现了某一特定环境中各种污染物的影响，也体现了多种污染物的综合影响，并以定量的方法区分出有潜在危害程度，是一种综合反应土壤中重金属对生态环境影响潜力的方法。

单项潜在生态风险系数Ei 40 归属于严重生态危害，40≤Ei 80 归属于中等生态危害，多种重金属潜在生态风险指数RI 150 正处于严重生态危害，Ei和RI 值越大，生态危害程度越大。根据表格 5，土壤中潜在生态风险仅次于的元素为Cd，展现出出有严重生态危害程度，其次是As、Ni、Pb、Cu、Cr，危害程度大于的是Zn。

3 种栽种模式下的各个轻金属元素Ei值都大于40，皆并未导致生态系统的风险。潜在生态危害指数RI 可以密切相关轻金属元素对当地生态系统的影响，体现总的污染导致的生态风险。如表格 5 右图，3 种栽种模式的RI 值均大于150，归属于严重生态危害程度。

相比较而言，3 种模式下7 种重金属的综合生态风险指数展现出为ORGLOWCON，有机栽种模式下土壤中潜在的生态风险指数最低。3 讨伐 论土壤重金属含量的变化受成土母质和人为资源输出的影响很大，而且土壤重金属是目前很不受注目的土壤污染之一，土壤中重金属含量对土壤环境质量有相当大影响。目前重金属早已沦为我国农业生产中不可忽视的最重要污染物，重金属含量的减少不但不会导致土壤污染，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身体健康。

本研究对重金属的污染评价分成积累评价和生态风险评价两部分，积累评价是为了评估有所不同栽种模式土壤中重金属的积累程度，国内有数很多研究报导了长年播种持续性经常出现土壤轻金属元素的积累富含现象，而有机栽种长年大量用药有机肥否也不会不存在类似于的问题，有一点我们注目和研究；生态风险评价是为了评估试验地重金属的污染风险，土壤重金属不会迁入到其他生态系统，通过污染食物、大气和水环境间接影响环境质量，对人类的存活和发展具有相当严重的威胁，因此对土壤重金属污染风险展开评价具备重大意义。长年定位试验地展开了长约15 a 的蔬菜温室栽种，且施肥量较小，因此3 种栽种模式下土壤重金属都有有所不同程度的积累，富含效应较为显著。然而Ni 在3 种栽种模式下积累风险皆较小，有可能是由于所施有机肥和化肥中Ni 的含量较低，尽管长年用药但没向土壤中输出过多的Ni，因此调查地区土壤Ni 含量皆较低。

研究结果表明，有机栽种下Zn、Cd 和Cr 积累更为相当严重，这主要是因为目前集约化畜禽养殖业普遍用于的饲料添加剂中所含大量的Zn、Cd、Cr 等重金属，而这些重金属无法被动物几乎吸取，大部分随粪便排泄体外，因此与普通化肥比起，畜禽粪便有机肥中这些元素的含量更高。其次，根据评价结果，虽然3种栽种模式生态风险都科严重生态危害程度，但相比较而言仍是有机栽种下土壤重金属污染尤为相当严重，Kumar 等、王开峰等、唐政等的研究也都找到有机栽种土壤中重金属污染风险较小，反对了本文的评价结果。农业生产中，重金属主要源于农用物资，而本研究区是有机栽种长年定位试验站，试验区不不受工业废物及污水灌溉影响，试验地又是温室大棚管理模式，所以也不不存在由降尘带给的重金属污染，因此有机栽种重金属积累主要源自长年大量用药有机肥中的轻金属元素。

由于在非大自然养殖条件下，规模化养殖的饲料添加剂和农药中一般来说所含多种重金属，因此利用养殖场的畜禽粪制作的有机肥也必定所含重金属。在有机栽种过程中，如果无法掌控有机肥来源，用药的商品有机肥质量参差不齐，难免会给土壤带给一定重金属污染的风险。

根据15 a 长年定位试验的土壤轻金属元素积累情况，估计土壤中重金属平均值年增加量，同时参考潜在生态风险指数法划界的等级值估计出有土壤对重金属的最低支撑年限，为今后有机栽种合理管控风险获取参照。7 种重金属元素中Cd 积累最慢，若依然按照这种速率积累，则5 a 后Cd 的生态风险将超过严重生态危害水平，因此今后在有机栽种的各个环节中不应尽可能回避这种风险，强化对有机肥源的监控，合理播种，避免重金属在土壤中的富含和污染，以增进有机栽种的持续身体健康发展。本研究在长年定位试验的基础上对蔬菜温室有所不同栽种模式下土壤重金属污染状况展开了研究，经过15 a 的长年定位栽种数据可信，且目前国内有机栽种长年定位试验站较少，因此对于有机栽种身体健康合理发展具备很好的糅合意义。同时，本文综合运用有所不同评价方法对有所不同栽种模式下土壤重金属污染展开综合评价，单因子指数法和内梅罗综合指数法是国内标准化的重金属污染评价方法，以2002 年初始值为评价标准，体现了有所不同栽种模式下土壤重金属的积累程度，潜在生态风险指数法是土壤重金属潜在生态风险评价的一种常用方法，以温室蔬菜产地标准作为参比值，对有所不同栽种模式的生态风险展开了评价，全面地体现了土壤污染状况，评价结果可信，对理解长年有机栽种模式下土壤重金属积累特点与污染风险有一定的参照意义。

近年来，有机农业的面积和种植者数目大大减少，全球有机食品市场正在以年均20%~30%的速度快速增长，因此为确保有机农业身体健康可持续发展，必需对大量用药有机肥带给的土壤重金属污染维持高度重视，也必须对更好的有机农场展开调查和检测分析，并强化有机农场有机肥质量监控。4 结 论（1）从土壤各重金属指标的含量来看，3 种栽种模式土壤中Zn、Cd 和Cr 含量有明显差异，基本展现出为ORGLOWCON，其中Cd 积累尤为相当严重，在有机和无公害栽种模式下多达了温室蔬菜产地环境质量评价标准，甚至在有机栽种下还超过了重度积累，须要引发推崇。

（2）与2002 年土壤初始值比起，3 种栽种模式下土壤重金属积累风险展现出为ORGLOWCON，其中有机栽种科重度积累，而无公害和常规栽种科中度积累，因此有机栽种不会对土壤产生一定的重金属积累风险。（3）以温室蔬菜产地标准为荐比值，经过15 a 的长年定位试验，3 种栽种模式下的各个轻金属元素皆并未导致生态系统的风险，试验地没产生较小的环境风险，3 种栽种模式的综合生态风险指数展现出为ORG LOWCON，因此不应强化有机农场有机肥质量监控，以保证有机农业的身体健康发展。

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