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(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 湿地生态与环境重点实验室，吉林 长春 130102；2.中国科学院大学，北京 100049；3.哈尔滨师范大学 黑龙江省普通高等学校地理环境遥感监测重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150025)

0 引 言

蔬菜作为我们日常生活中不可缺少的食物，给人体提供了丰富的维生素、矿物质和膳食纤维等营养物质，其质量安全直接影响人体健康[1]。大量的蔬菜种植基地主要分布在人口集中的城市郊区，形成了城郊补给城市的供应方式[2]，城郊土壤的环境质量成为蔬菜种植是否符合食品质量安全的关键控制要素。随着工业化、城镇化进程的不断加快，工业上“三废”的排放、农业上化肥农药的施用以及生活垃圾不合理的堆放处理，严重污染人类赖以生存的生活环境，重金属在土壤中不断累积，农田土壤已经受到严重污染[3-5]。城镇化进程加快导致大量菜地被征用，部分菜地被征用的同时也意味着蔬菜基地更加靠近工厂、公路及居民区等污染源，城郊农田土壤污染不仅直接威胁区域生态环境，还会通过影响蔬菜安全生产危害人体健康[6]。

长春市是我国著名的老工业基地，城市周边近郊区土壤易受到大气沉降、生活废水和农药化肥中的重金属污染[7]，目前的研究主要集中于土壤中重金属污染来源解析，而对土壤蔬菜系统之间关系研究的较少。本研究选取长春市城郊蔬菜土壤为研究区域，阐明蔬菜—土壤系统中重金属的含量、富集系数及累积特征，并对蔬菜土壤进行潜在生态风险评价，对保证长春市城郊食品安全并为其健康食用蔬菜提供科学合理的参考具有重要的意义、利于地方蔬菜业的可持续生产发展[8]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

长春市是我国重要的工业基地城市，处于松嫩平原和松辽分水岭的结合部位，地势东南高、西北低。属北温带大陆性季风气候区，年均降水量约为570.4 mm，年平均日照时间约为2 700 h，年平均气温为4.8 ℃，平均无霜期为145 d。长春市蔬菜总播种面积约为6.4×104hm2，总产量达2.89×106t[9]，蔬菜种植主要集中在城郊工农业交错区域。

1.2 样品采集与分析

1.2.1 样品采集。2015年9月，在长春市近郊区(43°46′～43°59′N， 125°7′～125°30′E)的蔬菜种植区，依据蔬菜种植分布情况，避开公路、堆肥及垃圾处理厂等污染区域，共采集54个代表性的土壤样品，采样点位如图1所示。依据NY/T5335-2006《无公害食品产地环境质量调查规范》和NY/T5295-2004 《无公害食品产地环境评价准则》采样标准[10]，在样点的 4个方位采集0～20 cm表层土壤约1 kg，充分混合均匀，按照四分法取得土壤样品随后装入聚乙烯塑料袋中带回实验室，自然风干。同时，采集143个蔬菜样品，主要包括叶菜类：白菜(Brassicapekinensis(Lour.)Rupr.)；茄果类：辣椒(CapsicumannuumL)、茄子(Solanummelongena)、西红柿(Lycopersiconesculentum)；根茎类：胡萝卜(DaucuscarotaL)、萝卜(RaphanussativusL)。

1.2.2 样品处理与分析。土壤样品自然风干，去除动植物残体及石块等，研磨、过100目筛，采用HNO3- HClO4- HF法(GB/T 17138-1997) 消解；蔬菜样品用去离子水洗净，在80℃的温度下烘干，粉碎后置于干燥皿中，采用HNO3-HClO4法消解。样品中Pb、Cr和Cd的含量采用原子吸收分光光度法测定，Hg、As含量采用原子荧光光度法测定，分析测定中采用国家标准土壤样品(GBW07046)进行全过程质量控制，每批样品需带两个空白实验，以消除实验过程中的误差。

1.3 评价方法

土壤：依据长春市土壤环境背景值[11]，采用单项污染指数法和内梅罗综合污染指数评价区域土壤重金属含量[12-13]；采用Hakanson潜在生态危害指数法(RI)[14]评价重金属的潜在生态风险等级。蔬菜：采用富集系数(Bio-concentration factor，BCF)评价植物对土壤中重金属元素的积累富集能力[15]。

图1 长春市城郊蔬菜地土壤采样点分布图Fig.1 Location map of the sampling sites of vegetable soil in Changchun suburb

2 结果与讨论

2.1 蔬菜地土壤重金属含量分布特征

长春市城郊蔬菜地表层土壤重金属含量特征，见表1。Pb、Cr、Cd、Hg和As元素平均含量分别为31.7 mg·kg-1、55.2 mg·kg-1、0.13 mg·kg-1、0.08 mg·kg-1和11.6 mg·kg-1，分别是土壤背景值的1.55倍、1.10倍、1.57倍、2.47倍和1.13倍，表明菜地土壤中的重金属累积较明显；其最大值是分别是国家土壤环境质量一级标准的1.32倍、0.82倍、1.48倍、1.43倍和1.19倍，但其含量均未超过国家土壤环境质量二级标准。菜地土壤 Pb、Cr、Cd、Hg和As的高含量区主要分布在长春市城郊东北与西南部，见图2。长春市能源以燃煤为主，化工企业、交通运输和设备制造业等支柱产业主要分布于城郊结合带，由于长春市常年盛行西南风，环境中的重金属可通过大气沉降向西南和东北方向迁移，最终进入城郊东北与西南部土壤。变异系数可以在一定程度上反映重金属元素在土壤中的分布特征以及被人类活动影响的程度[16-18]。菜地土壤重金属变异系数表现为Hg>Cd>As>Pb>Cr，其中，Hg、Cd的变异系数较大，其数值分别为55.7%和39.8%，属于中等变异水平。

表1 长春市城郊蔬菜地表层土壤重金属含量特征Table 1 Heavy metal concentration of vegetable soils in Changchun suburb

图2 长春市城郊蔬菜地土壤中重金属分布图Fig.2 The distribution graph of heavy metals of the vegetable soil in Changchun suburb

2.2 蔬菜地土壤重金属污染特征

长春市城郊蔬菜地土壤重金属污染指数，见表2。与土壤环境背景值相比，Pb、Cr、Cd和As的单项污染平均指数(Pi)分别为1.55、1.10、1.50和1.13，均处于轻度污染水平，Hg的Pi均值为2.64，处于中度污染水平；在工业区集中的东北与西南地区的Hg、As累积指数最高可达7.13、3.29，达到了高度污染水平。综合污染指数(Ps)的平均值为2.18，处于中度污染水平，重金属呈现明显的累积现象。对于部分研究区域土壤种植蔬菜前需开展土壤污染风险评估，但没有蔬菜地达到不能用于种植蔬菜的污染程度。

表2 长春市城郊蔬菜地土壤重金属污染指数Table 2 Heavy metal pollution index of vegetable soil in Changchun suburb

2.3 蔬菜地土壤重金属潜在生态风险评价

长春市城郊地蔬菜土壤重金属单项生态风险指数，见表3。Pb、Cr、Cd、Hg和As的潜在生态风险指数的平均值分别为7.7、2.2、44.9、106和11.3。Pb、Cr和As的Ei均小于40，为轻微级风险等级；Hg、Cd处于中等潜在生态风险等级分别占40.7%和51.9%，较强生态风险等级占48.2%和5.56%，Hg很强生态风险等级占11.1%。综合生态风险指数范围为69.1～416，其中处于中等与较强生态风险等级的分别占46.3%和9.26%(表4)，且集中在城郊东北与西南地区(图3)，平均值为171，处于中等生态风险等级(表4)；表明城郊北部局部区域具有较强的生态风险危害，应控制重金属的污染来源，加强对新能源的开发与利用。

表4 长春市城郊蔬菜地土壤重金属综合潜在生态风险指数Table 4 Comprehensive potential ecological risk index of heavy metals of vegetable soil in Changchun suburb

图3 长春市城郊蔬菜地土壤中重金属综合潜在生态风险指数分布图Fig.3 The distribution graph of comprehensive potential ecological risk index of heavy metals of vegetable soil in Changchun suburb

2.4 蔬菜重金属含量特征分析

长春市城郊蔬菜中重金属含量统计，见表5。蔬菜中Pb、Cr、Cd、Hg和As的平均含量分别为78.2 μg·kg-1、53.6 μg·kg-1、1.86 μg·kg-1、5.29 μg·kg-1和212 μg·kg-1，其最大值分别为440 μg·kg-1、341 μg·kg-1、23.3 μg·kg-1、9.50 μg·kg-1和436 μg·kg-1，其中有5个采样点白菜Pb含量超过国家食品安全限量值，其余重金属含量均低于安全限量值，因此，应加强Pb等重金属来源的管控。Pb、Cd和Hg含量表现为叶菜类>茄果类>根茎类；Cr含量表现为叶菜类>根茎类>茄果类；As含量表现为根茎类>叶菜类>茄果类；总体上叶菜类的重金属含量比其他种类蔬菜同种重金属含量高，主要是因为其叶片器官蒸发量大，易发生富集，同时也容易受到大气沉降的影响[18-20]。

表5 长春市城郊不同种类蔬菜重金属含量及其分布特征Table 5 The concentration of heavy metals and their distribution characteristics of different kinds of vegetables in Changchun suburb(μg·kg-1)

2.5 蔬菜重金属富集特征

长春市城郊蔬菜对重金属富集系数，见表6。富集系数越大，表示植物越容易从土壤中吸收该元素，富集能力强，即元素的迁移性越强。Pb、Cd和Hg的富集系数表现为叶菜类>茄果类>根茎类，Cr富集系数表现为叶菜类>根茎类>茄果类，As富集系数表现为根茎类>叶菜类>茄果类，叶菜类蔬菜易发生富集，主要受大气沉降，叶片器官蒸发量大的影响，应控制重金属的污染来源。蔬菜对重金属平均富集系数表现为：Hg>As>Cd>Pb>Cr，其中Hg、As与Cd的富集系数明显高于其他重金属，说明6种蔬菜总体上表现对Hg、As与Cd富集能力强，主要与其迁移能力较强，并且主要分布在土壤表层有关[19]。

表6 长春市城郊土壤-蔬菜系统中重金属富集系数(BCF(%))Table 6 Bio-concentration factor of heavy metals in soil-vegetable system in Changchun suburb

3 结 论

(1)长春市城郊蔬菜地土壤Pb、Cr、Cd、Hg和As含量均低于国家土壤环境质量二级标准，适宜种植蔬菜及其他作物；但其含量高于土壤背景值，有明显的累积现象；其高含量区主要分布在长春市城郊东北与西南部，Hg、Pb的变异系数较大，属于中等变异水平。

(2)长春市城郊蔬菜地土壤呈现中度污染水平，达到中等潜在生态风险等级，但北部局部地区达到较强生态风险等级，且主要是由于Hg的高度累积所致；Pb、Cr和As均处于轻微级生态风险等级，总体上Cd处于中等生态风险等级，Hg处于较高生态风险等级，应着重加强控制土壤Hg、Cd的污染来源。

(3)除5个采样点白菜中Pb含量超标外，长春市郊区蔬菜重金属含量均未超国家食品安全限量值。所选蔬菜对重金属平均富集系数表现为：Hg>As>Cd>Pb>Cr，其中Hg、As与Cd 的富集系数明显高于其他元素，说明其迁移能力较强，易被蔬菜吸收。叶菜类较其他类蔬菜的重金属含量和富集系数相对较高。

参考文献(References)：

[1] 陈志良,黄 玲,周存宇,等.广州市蔬菜中重金属污染特征研究与评价[J].环境科学,2017,38(1): 389-398.

CHEN Z L,HUANG L,ZHOU C Y,et al.Characteristics and evaluation of heavy metal pollution in vegetables in Guangzhou[J].Environmental Sciences,2017,38(1): 389-398.

[2] 张 莉,罗晴珊,王 茜,等.我国华东地区城郊蔬菜重金属污染现状和对策[J].江西科学,2017,35(4): 569-573.

ZHANG L,LUO Q S,WANG Q,et al.Status and countermeasures of heavy metal pollution in vegetables in suburbs of east China[J].Jiangxi Science,2017,35(4): 569-573.

[3] 龚梦丹,朱维琴,顾燕青,等.杭州蔬菜基地重金属污染及风险评价[J].环境科学,2016,37(6): 2329-2337.

GONG M D,ZHU W Q,GU Y Q,et al.Evaluation on heavy metal pollution and its risk in soils from vegetable bases of Hangzhou[J].Environmental Sciences,2016,37(6): 2329-2337.

[4] 谢 华,刘晓海,陈同斌,等.大型古老锡矿影响区土壤和蔬菜重金属含量及其健康风险[J].环境科学,2008,29(12): 3503-3507.

XIE H,LIU X H,CHEN T B,et al.Concentration and health risk of heavy metals in vegetables and soils in region affected by an ancient tin ore[J].Environmental Sciences,2008,29(12): 3503-3507.

[5] 王兰化,李明明,张 莺,等.华北地区某蔬菜基地土壤重金属污染特征及健康风险评价[J].地球学报,2014,35(2): 191-196.

WANG L H,LI M M,ZHANG Y,et al.Pollution characteristics and health risk assessment of heavy metals in soil of a vegetable base in north China[J].Acta Geoscientica Sinica,2014,35(2): 191-196.

[6] 刘 强.吉林省典型城市郊区菜地重金属污染与累积效应研究[D].北京: 中国科学院大学,2014.

LIU Q.Contamination and cumulative effect of heavy metal in peri-urban vegetable soils in typical cities of Jilin province[D].Beijing: University of Chinese Academy of Sciences,2014.

[7] 王起超,方凤满,李志博.长春市汞界面交换通量的研究[J].中国环境科学,2005,25(4): 475-479.

WANG Q C,FANG F M,LI Z B.Exchange flux of mercury on the interface exchange in Changchun city[J].China Environmental Science,2005,25(4): 475-479.

[8] 方凤满,汪琳琳,谢宏芳,等.芜湖市三山区蔬菜中重金属富集特征及健康风险评价[J].农业环境科学学报,2010,29(8): 1471-1476.

FANG F M,WANG L L,XIE H F,et al.Enrichment characteristic and health risk assessment of heavy metals in vegetables in Sanshan district,Wuhu city,China[J].Journal of Agro-Environment Science,2010,29(8): 1471-1476.

[9] 吉林省统计局.吉林省统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2016.

Statistical bureau of Jilin province.Statistical yearbook of Jilin province[M].Beijing:China Statistics Press,2016.

[10] 何龙雪,王 洋,刘 强,等.长春市近郊蔬菜地中As、Hg的分布特征与潜在生态风险评价[J].土壤与作物,2014,3(3): 117-121.

HE L X,WANG Y,LIU Q,et al.Distribution characteristics and potential ecological risk assessment of asenic and mercury in vegetable soils of Changchun suburb[J].Soils and Crops,2014,3(3): 117-121.

[11] 孟宪玺,李生智.吉林省土壤元素背景值研究[M].北京: 科学出版社,1995: 154-159.

MENG X X,LI S Z.Study on background value of soil elements in Jilin province[M].Beijing: Science Press,1995:154-159.

[12] 高 清,顾优丽,龚梦丹,等.杭州市和睦湿地农田土壤重金属污染评价及关联特征研究[J].湿地科学与管理,2014,10(2): 48-52.

GAO Q,GU Y L,GONG M D,et al.An assessment and characterization of heavy metal pollution in the farmland of Hemu wetland[J].Wetland and Science and Management,2014,10(2): 48-52.

[13] 周 雅,毕春娟,周枭潇,等.上海市郊工业区附近蔬菜中重金属分布及其健康风险[J].环境科学,2017,38(12): 5292-5298.

ZHOU Y,BI C J,ZHOU X X,et al.Distribution characteristics and health risk of heavy metals in vegetables near the industrial areas in Shanghai[J].Environmental Sciences,2017,38(12): 5292-5298.

[14] 蔡怡敏,陈卫平,彭 驰,等.顺德水道土壤及沉积物中重金属分布及潜在生态风险评价[J].环境科学,2016,37(5): 1763-1770.

CAI Y M,CHEN W P,PENG C,et al.Spatial distribution and potential ecological risk assessment of heavy metals in soils and sediments in Shunde waterway,Southern China[J].Environmental Sciences,2016,37(5): 1763-1770.

[15] MATTINA M I,LANNUCCI-BERGER W,MUSANTE C,et al.Concurrent plant uptake of heavy metals and persistent organic pollutants from soil[J].Environmental Pollution,2003,124(3): 375-378.

[16] 刘 庆,王 静,史衍玺,等.基于GIS的农田土壤重金属空间分布研究[J].安全与环境学报,2007,7(2): 109-113.

LING Q,WANG J,SHI Y X,et al.On the spatial distribution of heavy metal in the cropland based on GIS[J].Journal of Safety and Environment,2007,7(2): 109-113.

[17] 郭 平,谢忠雷,李 军,等.长春市土壤重金属污染特征及其潜在生态风险评价[J].地理科学,2005,25(1): 108-112．

GUO P,XIE Z L,LI J,et al.Specificity of heavy metal pollution and the ecological hazard in urban soils of Changchun city，China[J].Scientia Geographica Sinica,2005,25(1): 108-112．

[18] 杨忠平,卢文喜,龙玉桥.长春市城区重金属大气干湿沉降特征[J].环境科学研究,2009,22(1): 28-34.

YANG Z P,LU W X,LONG Y Q.Atmospheric dry and wet deposition of heavy metals in Changchun city,China[J].Research of Environmental Sciences,2009,22(1): 28-34.

[19] 胡霓红,文 典,王富华,等.珠三角主要工业区周边蔬菜产地土壤重金属污染调查分析[J].热带农业科学,2012,32(4): 67-71.

HU N H,WEN D,WANG F H,et al.Investigation and analysis of heavy metals in vegetable producing soils around main industrial areas in the Pearl River Delta[J].Chinese Journal of Tropical Agriculture,2012,32(4): 67-71.

[20] 杨忠平,卢文喜,刘新荣,等.长春市城市近地表灰尘重金属污染来源解析[J].干旱区资源与环境,2010,24(12): 155-160.

YANG Z P,LU W X,LIU X R,et al.Heavy metal identification for near-surface urban dust in Changchun city[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2010,24(12): 155-160.