2022, Vol. 43
2. 河南大学地理与环境学院, 开封 475004;
3. 河南省濮阳市生态环境局濮阳县分局, 濮阳 457100;
4. 河南大学河南省土壤重金属污染控制与修复工程研究中心, 开封 475004
, SUN Rui-ling3 , ZHENG Kai-xuan1,2 , LIU Yi-dan1,2 , RUAN Xin-ling1,2,4 , WANG Yang-yang1,2,4
2. College of Geography and Environmental Science, Henan University, Kaifeng 475004, China;
3. Bureau of Ecology and Environment of Puyang County Branch, Puyang 457100, China;
4. Henan Engineering Research Center for Control&Remediation of Soil Heavy Metal Pollution, Henan University, Kaifeng 475004, China
1980年以来, 蔬菜产业在我国迅速发展, 蔬菜大棚技术的应用对我国蔬菜种植业来说是一次全新的技术革命, 为我国带来了全新的蔬菜种植和管理方式. 2017年我国蔬菜年产量高达7.9亿t, 接近全世界的1/2[1].近些年, 随着精准扶贫工作的持续推进, 蔬菜产业已成为推动乡村振兴的重要支柱产业, 我国蔬菜种植面积持续上升, 2018年, 我国蔬菜种植面积达到了2.044×107 hm2[1].大棚蔬菜由于经济收益高, 在我国蔬菜种植业中占据十分重要的地位.
然而在种植过程中, 许多菜农盲目追求高产, 过量使用化肥和农药, 造成大棚土壤理化性质发生改变[2]和重金属积累[3], 从而使蔬菜产量下降、品质降低, 造成严重的经济损失和环境问题.有研究显示, 随着蔬菜大棚种植年限的延长, 土壤有机质、全氮和全磷均呈增加的趋势, 土壤pH值明显降低[2]; 蔬菜大棚长期高强度种植会造成土壤团粒粒径丰度降低, 影响土壤的稳定性[4]; 蔬菜大棚种植年限对土壤微生物群落及多样性也有显著影响[5].蔬菜大棚长期连作不仅会影响土壤的理化特性和生物特性, 还会对土壤重金属含量产生严重影响.
重金属作为典型持久性有毒污染物, 在土壤中可以通过迁移、转化、富集等途径影响农产品质量, 最终通过食物链危害人体健康[6~8].植物可以通过根部吸收土壤重金属并在可食用部分积累, 当人们食用受重金属污染的食物时, 将引发重金属的毒性效应[8].相关研究显示, 黄壤农田土壤中Cr和Pb会随着种植年限的增加出现明显累积, Cu含量随着种植年限的增加呈现出波浪式递增的变化特征[9].万红友等[10]的研究发现随着种植年限的增加, 菜地土壤CEC略有升高, 菜地土壤中Hg、As、Cr和Ni含量呈下降趋势, 但是蔬菜中重金属含量却出现了一定程度的上升.此外, 由于设施农田对土壤肥力需求较高, 含微量重金属肥料的长期大量施用也会导致重金属在土壤中累积[11]. Chen等[12]的研究指出重金属能够在温室土壤中积累, 进而被果蔬吸收影响人体健康.虽然重金属在农田中积累及对农作物的危害已经有较多学者研究, 但分析设施农田种植年限与土壤的理化性质、重金属含量及重金属潜在生态风险关系的研究甚少, 且目前国内潜在生态风险评估主要用于工矿业重金属污染场地[13~16], 针对农业活动区特别是蔬菜大棚土壤重金属的研究并不多见.
本文以河南省汝州市杨楼镇蔬菜大棚土壤为研究对象, 分析不同种植年限蔬菜大棚表层土壤理化性质、重金属含量和赋存形态的变化规律, 并采用单项和综合潜在生态风险指数法对蔬菜大棚土壤重金属生态风险进行评价.
1 材料与方法 1.1 样品采集供试土壤采自河南省汝州市杨楼镇某村的蔬菜大棚, 该地区位于河南省中西部, 位于东经112°31′~113°07′, 北纬33°56′~34°20′之间, 属于温带大陆性季风气候, 四季分明, 冬春二季鲜有雨雪, 天气较为干燥; 夏季气温高雨量集中; 秋季凉爽, 天气晴朗.年平均气温为14.8℃, 年平均日照数为2258.8 h, 年平均降水量为606.5 mm.土壤类型为潮土, 适宜种植蔬菜.
选择种植年限分别为5、7、10和24 a的12个蔬菜大棚, 每种棚龄的蔬菜大棚选取3个进行土壤样品采集.利用梅花形布点法进行采样, 采样深度为0~20 cm, 每个大棚采样3个, 每个采样点采集5个土壤样品混匀, 选择附近常规农田(CK1)和露天菜地土壤样品(CK2)作为对照, 其中CK1以小麦和玉米常年轮作为主, CK2是近5年由常规农田转变成的露天菜地, 主要以种植萝卜和白菜为主, 二者均以施用化肥为主, 但单位施肥量远少于蔬菜大棚土壤.样品采集后装入自封袋中, 带回实验室, 在室内去除石块、植物根茎叶等杂质后, 自然风干后冷藏待用.蔬菜大棚的种植和施肥情况见表 1.
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表 1 蔬菜大棚种植和施肥情况 Table 1 Planting and fertilization of vegetable greenhouse |
1.2 实验方法
土壤理化性质测定方法: pH值测定采用pH计(土水比为1∶5); 有机质测定采用重铬酸钾容量法; 阳离子交换量(CEC)测定采用NH4OAc-NH4Cl法; 速效磷测定采用碳酸氢钠法; 速效钾测定采用NH4OAc浸提-火焰光度计法; 脱氢酶测定采用TTC法; 过氧化氢酶测定采用高锰酸钾容重法; 碱解氮测定采用扩散法; 具体测定方法参考鲍士旦[17]主编的土壤农化分析.
土壤中Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的总量测定采用HNO3-HF-HClO4消煮法.具体为: 0.1000 g土壤样品加入6 mL硝酸, 摇匀放置过夜, 将过夜后的样品放置赶酸器上, 在120℃条件下持续加热1 h, 冷却10 min; 加入3.5 mL氢氟酸, 摇匀, 在140℃条件下持续加热1 h, 冷却10 min; 加入2 mL高氯酸, 在160℃条件下持续加热1 h, 取出冷却0.5 h, 最后加入1 mL 1∶1硝酸, 定容过滤, 使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES, ICAP6200, 英国)测定滤液重金属含量.
Cd、Cu、Pb、Zn和Ni的形态分布采用优化的BCR连续提取法进行提取, 具体为: 0.5000 g样品经以下4个步骤顺序提取: ①0.11 mol·L-1醋酸溶液[(22±5)℃]、振荡16 h提取弱酸提取态; ②0.1 mol·L-1 NH2OH·HCl溶液[pH值为2, (22±5)℃]振荡16 h提取可还原态; ③30% H2O2水浴1 h[(85±2)℃, 重复两次], 再用1 mol·L-1 NH4Ac溶液[pH值为2, (22±5)℃]振荡16 h提取可氧化态; ④残渣态用土壤全量重金属消解方法消解前3步剩余的土壤残渣.重金属各形态含量使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, X SERIES2, 美国)测定.
1.3 潜在生态风险评价利用单项潜在生态风险指数法和综合潜在生态风险指数法对蔬菜大棚土壤重金属污染现状进行评价.计算公式如下:
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(1) |
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(2) |
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(3) |
式中, Cfi为第i种重金属的污染系数; Ci为底泥样品中第i种重金属的浓度; Cni为第i种重金属的元素背景值; Eri为第i种重金属的潜在生态风险系数; Tri为第i种重金属的毒性系数; RI为多种重金属的综合潜在风险指数.
本研究采用河南省主要元素的土壤环境背景值[18]作为评价标准, 重金属的毒性系数采用徐争启等[19]计算的结果为准, 通过马建华等[20]的方法对污染指数分级标准进行适当调整(表 2), 通过比较说明不同种植年限对蔬菜大棚土壤重金属累积的影响.
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表 2 单项和综合潜在生态风险指数分级 Table 2 Classification of single and comprehensive potential ecological risk index |
1.4 数据分析
利用Excel 2016对原始数据进行处理, 利用Origin8.0和IBM SPSS Statistics 21对数据进行绘图和统计分析, 采用单因素方差分析(ANOVA)评价指标的差异显著性(P＜0.05).所有指标的值均以相同种植年限大棚土壤相应指标的平均值±标准差表示.
2 结果与讨论 2.1 不同种植年限对蔬菜大棚土壤理化性质的影响不同种植年限蔬菜大棚土壤理化性质变化如表 3所示.随着种植年限的延长, 土壤pH值呈现先上升后下降的趋势, 5 a种植大棚土壤pH值较常规农田土壤上升0.96个单位; 与常规农田土壤相比, 蔬菜大棚土壤有机质、速效磷、速效钾和碱解氮均呈现不同程度的富集, 种植年限5 a时大棚土壤有机质、速效磷、速效钾和碱解氮含量分别较常规农田土壤增加了68.23%、200.89%、5.13%和77.07%; 土壤CEC呈现增加的趋势, 种植年限5 a时大棚土壤CEC含量较露天土壤增加了24.82%; 同一种植年限蔬菜大棚土壤脱氢酶活性波动较大, 但不同种植年限土壤脱氢酶的活性(均值)无显著性差异, 而过氧化氢酶活性则呈现下降趋势, 24 a种植大棚土壤过氧化氢酶活性较常规农田土壤下降了22.29%.
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表 3 不同种植年限大棚土壤理化性质1) Table 3 Physical and chemical properties of greenhouse soil in different planting years |
据报道, 不同肥料的施用对土壤pH的影响不同, 5 a和10 a分别以施用农家肥和有机肥为主, 同时施用少量的化肥, 因此pH值较对照组(CK2)无显著性差异, 该结果与王金林等[21]的研究报道一致. 7 a和24 a种植年限的土壤以施用化肥为主, 与对照组相比pH值均出现了显著的增加, 而前期报道显示长期施用化肥会导致土壤酸化和pH值降低[21], 本研究中pH升高可能与部分农户向大棚土壤中添加草木灰或石灰以调节土壤环境有关.土壤pH值变化会影响土壤物理、化学和生物特性, 进而影响土壤肥力和养分的有效性[22], 但是长期过度施肥也会降低土壤过氧化氢酶的活性[23].与速效钾和碱解氮相比, 随着种植年限的延长, 土壤速效磷含量的增幅最大, 主要由于磷素不易挥发和不易淋溶, 且容易被土壤固定, 常年大量施用磷肥或含磷复合肥导致土壤中磷素出现了一定的累积[24].施用有机肥能够显著提高土壤碱解氮含量, 原因是土壤中95%以上的氮素为有机氮[25], 而有机肥和农家肥的施用成为了土壤氮素的主要来源, 且相关性分析显示碱解氮和有机质的含量呈显著正相关(表 4).总的来说, 随着种植年限的变化, 土壤pH值及速效磷、速效钾和有机质等理化性质均出现了显著的变化, 这与前人的研究结果一致[26, 27].
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表 4 不同种植年限蔬菜大棚土壤理化性质的相关性分析1)(n=9) Table 4 Correlation analysis of soil physical and chemical properties in different planting years |
相关性分析显示(表 4), 种植年限与土壤pH值、有机质、速效磷和CEC呈正相关, 与pH值的相关系数为0.387, 达到显著相关水平(P≤0.05), 与有机质的相关系数为0.529, 达到极显著相关水平(P≤0.01); 种植年限与速效钾、碱解氮、脱氢酶、过氧化氢酶活性呈负相关, 与过氧化氢酶活性的相关系数为0.482, 达到极显著相关水平(P≤0.01).表明种植年限对pH值、有机质和过氧化氢酶活性的影响较大, 对土壤其它理化性质的影响较小.有机质、速效磷、速效钾和碱解氮两两之间呈显著正相关(P≤0.01), 说明其具有同源性, 均来源于种植过程中各种肥料的施用[28].
2.2 不同种植年限对蔬菜大棚土壤重金属总量的影响不同种植年限蔬菜大棚土壤中Ni、Cu、Zn、Cd和Pb的含量如图 1所示.从中可知, 与对照组相比, 各种植年限蔬菜大棚土壤中重金属的含量均出现了一定程度的增加.与CK1和CK2相比, 种植年限为5 a和24 a的大棚土壤中Ni含量具有明显的差异性[图 1(a)].土壤中Cu的含量在5 a连续种植的蔬菜大棚中浓度达到最高, 与CK2相比, 土壤中Cu含量增加了129.18%[图 1(b)], 种植年限为10 a和24 a时土壤中Cu含量仍显著高于CK1和CK2.与露天菜地相比, 种植5 a的蔬菜大棚土壤中Zn含量显著提高了204.43%[图 1(c)], 种植7、10和24 a的蔬菜土壤中Zn含量呈上升趋势, 但含量远小于5 a种植.由图 1(d)可知, 与CK2相比, 种植5、7、10和24 a的大棚土壤中Cd含量均呈现上升趋势, 平均上升幅度分别为15.79%、68.42%、26.31%和147.37%.大棚土壤中Pb含量与Ni相似[图 1(e)], 种植7和10 a的大棚土壤中Ni含量与CK1相比无显著变化, 但5、7和24 a的大棚土壤中Pb含量与CK1相比具有差异性.
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图 1 不同种植年限土壤Ni、Cu、Zn、Cd和Pb含量 Fig. 1 Contents of Ni, Cu, Zn, Cd, and Pb in soil of different planting years |
蔬菜大棚土壤重金属含量较对照组在一定程度上有所增加, 其中Cu、Zn和Cd的增加最为明显, 说明随着蔬菜大棚种植年限的延长, 土壤中的重金属都有一定程度的累积[29~31], 而Pb和Cd更容易被植物富集且具有较强的生物毒性, 可能会造成较大的健康风险[32].任顺荣等[33]的研究显示长期施不同肥料土壤中Cu、Zn和Cd含量均呈上升趋势, 有机肥的施用可以显著提高Cu和Zn的含量, 而Cd的累积则主要源于所施用的磷肥.同时, 前期研究显示市售饲料中Cu和Zn含量较高, 从而导致养殖废水及牲畜粪便中含有较多的Cu和Zn, 而当动物粪便或养殖废水被用作有机肥施入农田后, 可造成土壤中Cu和Zn的含量显著偏高[34].因此, 在种植5 a的蔬菜大棚土壤中出现重金属含量的峰值, 可能是由于菜农在短期内施用了大量含重金属的农家肥造成了土壤中多种重金属的显著累积[35].
2.3 不同种植年限对蔬菜大棚土壤重金属形态的影响不同种植年限蔬菜大棚土壤中Ni、Cu、Zn、Cd和Pb形态分布如图 2所示.由图 2(a)可知, 弱酸提取态和可氧化态Ni的平均含量占比基本保持不变, 可还原态Ni的含量有显著的增加, 而残渣态Ni的含量占比则呈现逐年降低的趋势, 种植年限为24 a时残渣态Ni含量占比较CK1降低了5.52%.弱酸提取态和可还原态Cu含量占比先增加后降低, 蔬菜大棚土壤Cu主要以残渣态存在, 其变化趋势与总Cu含量变化相反[图 2(b)].与CK1相比, 种植5 a的大棚土壤中弱酸提取态Cu占比增加了93.36%, 可还原态Cu占比例增加了232.06%, 残渣态Cu占比减少了31.65%.在种植5 a的大棚土壤中弱酸提取态和可还原态Zn平均含量占比为23.22%和36.13%, 可氧化态Zn含量所占比例较低, 在2.89%和4.15%之间[图 2(c)].由图 2(d)所示, 可还原态Cd是蔬菜大棚土壤中Cd的主要存在形态, 其占比在44.79%和55.74%之间, 土壤中弱酸提取态Cd含量占比与种植年限呈现一定的正相关, 种植24 a的蔬菜大棚土壤中残渣态Cd占比较CK2减少30.04%, 且土壤中残渣态Cd总体含量呈“W”型变化.各种植年限的蔬菜大棚土壤中弱酸提取态Pb含量占比极低, 不超过0.1%[图 2(e)], 可还原态和残渣态Pb总体占据90%以上且二者变化趋势相反, 可氧化态Pb含量随着种植年限的增加变化不明显, 与CK1相比, 种植24 a的蔬菜大棚土壤中可还原态Pb所占比例增加13.31%, 残渣态Pb占比减少12.96%.
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(a)Ni,(b)Cu,(e)Zn,(d)Cd,(e)Pb 图 2 不同种植年限土壤Ni、Cu、Zn、Cd和Pb形态分布 Fig. 2 Fraction distributions of Ni, Cu, Zn, Cd, and Pb in soil of different planting years |
随着种植年限的增加, 蔬菜大棚土壤中弱酸提取态和可还原态重金属含量所占的比例逐渐增加, 而残渣态占比逐渐减少.弱酸提取态是重金属在碳酸盐矿物上构成的共沉淀结合态[36], 当土壤pH降低, 该形态重金属易释放而进入环境[37].反之, 当土壤pH和氧化还原电位较高时, 有利于可还原态重金属的形成[37].长期的耕作和施肥能够影响土壤重金属有效态(弱酸提取态+可还原态+可氧化态)含量, 这与施肥的带入和土壤理化性质的改变有关, 特别是受CEC、速效磷和pH值的影响[11].赵一鸣等[38]的研究指出, 土壤pH值与有机物结合态和铁锰氧化态含量呈正相关关系, 该研究结果与本研究基本一致.总的来说, 随着种植年限的增加以及大棚土壤中肥料和农药的大量施用, 土壤中重金属逐渐向活性更高的形态转化, 重金属更易被农作物吸收从而进入人体, 增加了对人体健康危害的风险[39].
2.4 不同种植年限蔬菜大棚土壤重金属的生态风险评估从表 5可知, 土壤中Ni、Zn和Pb的单项潜在生态风险指数平均值均小于30, 属于轻度风险等级, Cu含量在种植7 a大棚土壤中略高, 其生态风险指数平均值为37.02, 达到中等风险等级.Cd在CK1、CK2、5 a和10 a种植大棚土壤中的单项潜在生态风险指数均大于60, 属于较强风险程度, 在7 a和24 a种植大棚土壤中的单项潜在生态风险指数高达146.34和216.38, 属于很强风险程度, 原因可能是7 a和24 a种植蔬菜大棚土壤pH值高于其他种植年限的大棚土壤, 而pH升高有利于铁-锰结合态及碳酸盐结合态Cd的形成, 可交换态Cd含量明显下降[38], 因此不利于植物吸收, 从而导致Cd在土壤中大量累积.此外, 由于Cd易被多种农作物吸收和富集[40], 因此, 蔬菜大棚土壤中Cd含量的增加对农产品安全及人体健康具有较大的威胁.
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表 5 不同种植年限蔬菜大棚土壤重金属单项潜在生态风险指数 Table 5 Single potential ecological risk index of heavy metals in vegetable greenhouse soil with different planting years |
蔬菜大棚土壤重金属的综合潜在生态风险指数如图 3所示.从中可知, 各种植年限土壤重金属的综合潜在生态风险均达到了较强等级, 且24 a种植大棚土壤重金属的综合潜在风险指数大于200, 达到了很强生态风险等级, 且根据国家土壤环境质量农业用地管控标准(GB 15618-2018), Cu、Zn和Cd在部分大棚土壤中存在超标(风险筛选值)的现象.因此, 建议在连续耕作的大棚中种植不易富集Cu、Zn和Cd的农作物, 可以一定程度上减少作物对重金属的吸收, 从而降低对人体健康的潜在影响[29].
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图 3 不同种植年限蔬菜大棚土壤重金属综合潜在生态风险指数 Fig. 3 Comprehensive potential ecological risk index of heavy metals in vegetable greenhouse soils with different planting years |
(1) 与对照组土壤相比, 7 a和24 a种植的蔬菜大棚土壤pH有所提高, 有机质、速效磷和碱解氮等肥力组分在5 a种植土壤也有一定程度的累积, 过氧化氢酶活性呈下降趋势; 种植年限与土壤pH和有机质呈显著正相关, 与过氧化氢酶的活性呈显著负相关.
(2) 各种植年限蔬菜大棚土壤中Ni、Cu、Zn、Cd和Pb含量与对照组相比都有所增加, 其中Cu、Zn和Cd含量的增加幅度在5 a种植大棚土壤中最大.且随着种植年限的增加, 土壤中重金属弱酸提取态和可还原态含量的增加会加速重金属在土壤-作物系统中迁移.
(3) 大棚土壤中Cd随着种植年限的增加具有很强的生态风险, 除7 a种植土壤的Cu单项潜在生态风险指数达到中等风险等级, Pb、Zn、Ni和其他种植年限土壤中的Cu均属于轻度污染风险级别.根据综合潜在生态风险指数, 种植24 a的蔬菜土壤具有很强生态风险, 其他各种植年限的大棚土壤重金属均具有较强生态风险.
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