陈毛华

(阜阳职业技术学院， 安徽 阜阳 236031)

改革开放40年来，我国设施蔬菜产业发生了翻天覆地的变化，不仅解决了市民四季蔬菜周年供应问题，而且在丰富蔬菜产品种类、增加菜农收入和产业扶贫方面作出了重要贡献[1]。目前，我国设施蔬菜种植面积还在不断扩大[2]，设施蔬菜供应的产量约占当年蔬菜总产量的32%[1]。设施菜地长期处于半封闭、高温高湿和缺乏淋溶的条件，菜农施用农药、化肥势必会形成重金属在设施菜地的积累[3-4];长期和高频率利用设施栽培蔬菜可导致重金属以一定的形态在蔬菜中富集，对人类健康形成一定的风险[5]。研究表明，国内如山西省[6]、北京市[7]和陕西省[8-9]等地的设施菜地已受到不同程度的重金属污染。国外设施栽培模式主要是无土栽培，且大多数用于花卉栽培，施肥和田间管理技术相对比较成熟，进入人体食物链较少，因此国外学者对设施土壤中重金属积累的关注较少[10]。重金属在土壤环境中具有隐蔽性、长期性、渐进性、区域性和难以逆转性等特点[10]，在设施栽培蔬菜中，设施的使用年限往往都比较长，设施菜地重金属含量随种植年限的增加而不断累积[11-13]，从而导致相应的环境风险增加。在露地栽培向设施栽培转变过程中，土壤pH显著降低[14]，重金属溶解度显著升高[15]，引起重金属形态发生变化[16]，加速重金属元素向植物体内迁移和转化速度，使得土壤对重金属的吸附减少[17]。受到农业生产中施肥和施药的影响，设施菜地耕作层中重金属含量与土壤养分有明显的正相关性[18]，同时，施用有机肥也可导致重金属活性增强而加速重金属的迁移[19]，促使更多的重金属被蔬菜所富集[20]。设施菜地的重金属累积日益严重，越来越受到人们的关注[10，21]。阜阳市是一个设施蔬菜生产大市，下辖有3区、4县和1个县级市，其中阜南县、颍州区为全国蔬菜产业重点县、区。当地光照充足，气候温暖，雨量适中，土壤类型为砂姜黑土。阜阳市蔬菜种植总面积约为14万hm2，其中设施蔬菜面积约为4万hm2，占比28.57%，其设施蔬菜栽培以早春和秋延后蔬菜为主。阜阳市广大居民食用的蔬菜50%左右来源于阜阳当地的设施栽培。目前，对阜阳市设施菜地的土壤环境调查研究较少。为了解阜阳市设施菜地的土壤情况，对阜阳市设施菜地土壤进行采样调查，对其重金属含量进行测定分析，采用单因子污染指数法、综合污染指数法和潜在生态危害指数法对阜阳市设施菜地土壤重金属污染现状进行评价，以期为阜阳市设施蔬菜安全生产和土壤污染监测等提供基础科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试土样：采自阜阳市所辖的颍州区、颍泉区、颍东区、阜南县、临泉县、太和县、颍上县和界首市3区5县市的8个无公害蔬菜生产基地，设施土壤类型以砂姜黑土和淤土为主，土壤呈碱性[22]。在每个蔬菜生产基地现场选择5个棚室，每个棚室采集3个平行混合样品，采样深度为0～20 cm，每个样品用木铲收集大约0.5 kg土装入聚乙烯自封袋以备实验分析，共采集样品120份。采集的土壤样品混匀后进行自然风干处理，去除植物叶片、根系、石块等杂质后，研磨过0.15 mm(100目)尼龙筛混匀后放置于干燥室标记备用[22]。

仪器试剂：原子吸收分光光谱仪(TAS-986，北京普析公司)，重金属的标准溶液Zn(GSB07-1259-2000)、Cu(GSB07-1257-2000)、Pb(GSB07-1258-2000)、Cd(GSB07-1276-2000)、Cr(GSB07-1284-2000)、Ni(GSB07-1260-2000)，购自国家环境保护部标准样品研究所，酸均为优级纯，水为去离子水。

1.2 方法

1.2.1 样品测定 参照《农田土壤环境质量监测技术规范》[23]和《耕地质量监测技术规程》[24]，准确称取0.5 g(精确至0.000 1 g)样品于微波消解罐中，加入6 mL硝酸和2 mL氢氟酸，按照一定的程序进行消解(表1)。消解后，加入1 mL HClO4在180℃于赶酸器上赶酸，待冷却后全部转移，定容至50 mL容量瓶待测。

待测液中重金属元素含量用原子吸收分光光谱仪测定，其中Zn用火焰原子吸收光谱法测定，Cu、Pb、Cd、Cr、Ni用石墨炉原子吸收光谱法测定[25]。

表1 微波消解程序

1.2.2 重金属污染评价 目前对土壤重金属污染评价方法很多[26]，因不同重金属的生物毒性不同，对土壤和环境特别是农业生态环境影响程度不一，结合采集的样品数据，采用单因子指数评价法、地累积指数法和潜在生态风险指数法对研究区域设施菜地土壤中6种重金属进行污染评价分析。

1) 单因子污染指数。单因子污染指数是指单个重金属因子的污染情况。单因子污染指数Pn<1为清洁水平， 1≤Pn<2为轻度污染， 2≤Pn<3为中度污染，Pn>3为重度污染。计算公式：

Pn=Cn/Sn

(1)

式中，Pn为研究区域内某个重金属污染因子n污染指数值，Cn为研究区域内某个重金属污染因子n实际测定值，Sn为研究区域内某个重金属污染因子n评价标准值，以《温室蔬菜产地环境质量评价标准HJ/T 333—2006》中的规定值作为评价标准值[27]。

2) 重金属地累积指数。地累积指数主要是用于研究沉积物中重金属污染程度的定量指标[28]，也可用于环境中不同重金属的污染评价[29]。地累积指数可以简便、直观判断重金属污染级别，并且综合考虑人为活动因素的影响[22]，其判断标准见表2，计算公式：

Igeo=log2[Cn/(1.5Bn)]

(2)

式中，Igeo为研究区域某种重金属的地积累指数，Cn为研究区域内某种重金属n实际测定值，Bn为研究区域内某种重金属n在沿淮淮北地区地球化学基准值[30]，1.5是研究区域成岩作用引起的背景值变动而设定的系数[31]。

表2 重金属污染程度与Igeo值的关系

Table 2 Relationship between heavy metal pollution degree andIgeoValue

等级GradeIgeo级别 Classification0<0无污染10～1无污染-中度污染21～2中度污染32～3中度污染-重度污染43～4重度污染54～5重度污染-严重污染6>5严重污染

3) 潜在生态危害指数和潜在生态风险指数。潜在生态危害指数是研究区域内单个重金属潜在生态危害风险，潜在生态风险指数是指研究区域内多个重金属污染对生态系统造成的危害及存在的生态风险，其判断标准见表3，计算公式：

(3)

(4)

1.3 数据处理

采用Excel 2007对试验数据进行统计分析。

表3 生态危害系数、生态风险指数与危害等级的关系

Table 3 Relationship between ecological harm coefficient (Ei),ecological risk index (RI) and damage grading

Ei单项污染物生态风险等级Ecological risk grade of single pollutantRI综合潜在生态风险等级Ecological risk grade of integrated pollutants<40轻微<110轻微40～80中等110～200中等80～160较重200～400强160～320重≥400很强≥320严重

2 结果与分析

2.1 阜阳市设施菜地土壤重金属含量

从表4可知，阜阳市各辖区的设施菜地土壤中Zn、Cu、Pb、Cd、Cr和Ni含量变幅分别为124.96～211.26 mg/kg、15.67～23.40 mg/kg、29.96～163.03 mg/kg、0～0.040 mg/kg、40.14～100.87 mg/kg和66.53～248.83 mg/kg。与温室蔬菜产地环境质量评价标准的限定值相比，Zn、Cu、Cd及Cr的平均含量均没有超过限定值，阜阳市颍州区和颍泉区的Pb含量超过限定值，8个采样点Ni含量均超过限定值，是限定值的1.33～4.98倍。

表4 阜阳市设施菜地样点主要重金属含量

注：限值为《温室蔬菜产地环境质量评价标准HJ 333—2006》中的温室土壤环境质量指标限值(6.5

Note: the limit value refers to that of greenhouse soil environmental quality index inGreenhouseVegetable Producing Area Environmental Quality Assessment Standard HJ/T 333-2006 (6.5

2.2 阜阳市设施菜地菜地土壤重金属污染评价

2.2.1 单因子污染指数 从表5可知，按照土壤单项污染程度分级标准，Zn、Cu、Cd和Cr的单因子污染指数(Pn)平均值为0.63、0.18、0.003和0.32，均小于1，属于清洁水平。Pb的Pn平均值为1.18，属于轻度污染水平，主要表现为阜阳市颍州区和颍泉区的Pn值较高，属于轻度污染水平，其余下辖县市Pn值均在清洁水平。研究区域Ni的Pn平均值为3.44，属于重度污染水平，以阜南县、临泉县及太和县等蔬菜生产大县Pn值较高。

表5 阜阳市设施菜地重金属单因子污染指数

2.2.2 地累积指数 从设施菜地土壤中重金属污染地累积指数平均值看，单个重金属污染强弱依次为Ni>Zn>Pb>Cr>Cu>Cd(表6)。其中，Cu、Cd、Cr的地累积指数(Igeo)平均值分别为-1.20、-1.25、-1.09，数值均小于0，均属于无污染水平，说明Cu、Cd、Cr等重金属未造成污染。Zn和Pb的Igeo平均值为0.66、0.41，介于无污染至中度污染水平，个别研究区域Zn和Pb的Igeo值大于1，甚至大于2，呈现出中度至严重污染，说明Zn和Pb在一定程度上污染比较严重，需引起高度重视。Ni的Igeo平均值为1.53，属于中度污染水平，个别研究区域Igeo值大于2，说明Ni已造成一定的污染。

表6 阜阳市设施菜地重金属地累积指数

2.2.3 潜在生态风险系数与生态风险指数 从表7可知，各采样点的重金属潜在生态风险系数和均值均小于35，属于轻微污染水平，表明阜阳市研究区域设施菜地土壤各重金属的单项污染风险较低。从综合潜在生态风险指数看，研究区域重金属的RI值小于61，表明6种重金属对研究区域菜地土壤潜在生态风险处于轻微等级，总体上属于轻微污染。各个区域对生态总风险最大贡献的主要是Pb和Ni。

表7 阜阳市设施菜地重金属生态危害系数与潜在生态风险指数

Table 7 Ecological harm coefficient of heavy metals (Ei) and potential ecological risk index (RI) in Fuyang greenhouse vegetable soils

采样点重金属元素生态风险系数Ecological harm coefficient of heavy metalsZnCuPbCdCrNi生态风险指数Ecological risk index颍州区Yingzhou District1.903.2732.747.270.938.9755.07颍泉区Yingquan District2.033.4316.3418.180.9919.1960.17颍东区Yingdong District2.163.149.275 1.5022.9344.00阜南县Funan County3.213.019.02-0.9832.5848.80临泉县Linquan County2.802.817.555.911.2933.5453.90太和县Taihe County2.373.286.43-1.9228.2042.20颍上县Yingshang County2.114.196.02-2.3520.8535.52界首市Jieshou City2.653.177.24-1.9319.0834.07均值 Mean2.403.2911.839.091.4923.1746.72

3 结论与讨论

3.1 阜阳市设施菜地土壤重金属含量

设施菜地土壤重金属的研究主要集中于Zn、Cu、Pb、Cd、Cr、Ni、Hg、As等元素[8-14]，大多数设施菜地土壤重金属已经累积[32]，并且呈现出不同的污染程度。就污染的普遍性和程度而言，各地的设施和栽培条件有一定差异，国内多个地区设施菜地以Cd污染最严重[3]，其次为Pb和Cu。研究结果表明，阜阳市设施菜地土壤重金属含量与温室蔬菜产地环境质量评价标准的限定值相比，Zn、Cu、Cd、Cr平均含量均未超过限定值；阜阳市颍州区和颍泉区Pb含量超过限定值，其他区域Pb含量接近限定值。Ni平均含量，均超过限定值，是限定值的1.33～4.98倍。一般来说，Pb污染源主要来自于交通中汽车尾气排放和大气沉降，阜阳市颍州区、颍泉区的交通条件和当地居民经济条件好于其他县市区，当地家庭人均汽车保有量增加，引起大气、土壤、水体等生态环境Pb含量同步增加。尤其是近年来阜阳整个地区固定资产投资增长强劲，在工业技术改造、基础设施投资方面增速位居安徽省第一，未来还将加大投入，可以预期土壤中Pb含量还将进一步升高，由此带来的生态环境中Pb污染对人类健康风险逐步升高。设施菜地由于有遮盖物，在一定程度上减轻了设施菜地土壤Pb污染。吉林四平市典型的设施蔬菜生产系统中除Pb以外的重金属元素含量显著高于玉米地和林地[33]，这与前期开展的露天菜地研究结果相同[22]。但阜阳设施菜地土壤中Pb含量仍接近于限定值，来源可能是杀虫剂和除草剂残留所致[20]。

研究区域设施菜地的Ni含量超过评价限定值，Zn含量比较高。Ni、Zn污染源极大可能主要来自于工业企业“三废”的排放。土壤中的Ni污染来源于工业污染和矿山开采产生的废物的渗透与沉积，Zn的工业污染源主要是冶炼、镀锌、纺织等工业废水和污泥、废渣[34]。阜阳地区的工业污染和矿山开采相对较少，属于典型的农业区域。前人指出寿光的蔬菜大棚土壤有Ni和Zn超标的现象[35]。通过现场调查和个别访谈，阜阳地区的设施蔬菜栽培从设施使用的材料、蔬菜品种、栽培技术和管理人员等全部复制山东寿光模式，由此可以推断，Ni、Zn的来源可能来自于设施建造中产生的，通过定点切割、电焊钢管，导致Ni、Zn可能进入灌溉水源，致使设施菜地中Ni、Zn含量较高。王显[36]研究指出，土壤Zn含量高值分布区域与镀锌钢管大棚、机械制造、彩钢制造厂及交通线路一线区域相吻合，和本结论吻合。

阜阳设施菜地中的Zn、Cu、Cd、Cr平均含量低于温室蔬菜产地环境质量评价标准的限定值，但仍有一定的含量。这些重金属的来源除了土壤母质自然因素外，人为因素不可忽视。主要有以下一些原因：第一，设施菜地土壤长期处于高温、高湿和高蒸发量的半封闭环境，使得重金属离子在水分蒸发作用下富集在菜地耕作层，造成重金属在耕作层的含量较高。第二，菜农为了取得更大蔬菜产量，对设施菜地进行高投入，往往会过量施用化肥、农药及畜禽粪便，重金属含量超高的化肥、有机肥的施用是土壤中Cu、Cr、Cd的重要来源[18]，从而造成设施土壤中重金属的不断积累。第三，土壤中重金属含量会随着设施使用年限的增加呈大幅持续升高趋势[37]，尤其是5年以上大棚，土壤重金属含量显著高于露天菜地[37]。第四，设施菜地土壤出现酸化，土壤重金属存在形态发生变化，造成重金属更容易在植物体内积累进而威胁到人类和动物的健康[9]。

3.2 阜阳市设施菜地土壤污染评价

单因子污染指数法的研究结果表明，阜阳市设施菜地表层土壤Zn、Cu、Cd、Cr属于清洁水平；Pb属于轻度污染，Ni则属于重度污染。用地累积指数进行评价表明，阜阳市设施菜地土壤中重金属污染的强弱为Ni>Zn>Pb>Cr>Cu>Cd，研究区域受到Zn、Pb的污染处于中度污染水平以下，Ni处于中度污染水平，个别研究区域Zn、Pb、Ni污染比较严重，未受到Cu、Cd、Cr的污染。这也表明随着经济的不断发展，Zn、Pb、Ni正成为新时期不可忽视的重要污染源。集约化的设施农业生产方式更利于土壤重金属的累积[33]，更多的外源性输入途径来自于设施菜地灌溉用水和施用的农药、化肥。相比较而言，通过水源和施用农药进入土壤的重金属影响有限，更多可能是施用化肥的影响。在栽培措施上要注意化学肥料与有机肥料配合施用，提高肥料使用效率。通过推广使用水肥一体化技术、配方施肥技术，改变施肥方式，推进有机肥资源利用，坚持绿色防控、统防统治和科学用药，实现农药和化肥使用量零增长，维护设施土壤健康。

潜在生态风险指数法的研究结果表明，研究区域的6种重金属未构成生态系统风险，研究区域的设施土壤综合潜在生态风险程度处于轻度水平。6种重金属的平均潜在生态风险系数为Ni>Pb>Cd>Cu>Zn>Cr，各个区域对生态总风险最大贡献的主要是Ni、Pb，阜阳城郊菜地土壤重金属调查也得出相同结论[22]。