文章信息
- 姚荣江, 杨劲松, 谢文萍, 伍丹华, 余世鹏, 张新
- YAO Rong-jiang, YANG Jin-song, XIE Wen-ping, WU Dan-hua, YU Shi-peng, ZHANG Xin
- 江苏沿海某设施农区土壤重金属累积特点及生态风险评价
- Accumulation and potential ecological risk assessment of heavy metals in greenhouse soils from coastal area of Jiangsu Province
- 农业环境科学学报, 2016, 35(8): 1498-1506
- Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(8): 1498-1506
- http://dx.doi.org/10.11654/jaes.2016-0118
文章历史
- 收稿日期: 2016-01-24
2. 中国科学院南京分院东台滩涂研究院, 江苏 东台 224200
2. Dongtai Institute of Tidal Flat Research, Nanjing Branch of the Chinese Academy of Sciences, Dongtai 224200, China
随着工农业的迅速发展和居民生活水平的提高,人们对蔬菜、水果的跨季节需求越来越强烈,设施栽培特别是大棚蔬菜栽培的面积不断扩大,在设施农业中占有很大比重[1]。据统计,江苏省以设施蔬菜为主的设施农业面积已超过66.67 万hm2,占耕地比重达14.6%,其中位于江苏东台市的设施蔬菜栽培面积占全省的10.4%,成为沿海地区现代农业发展的亮点[2-3]。在带来巨大经济效益的同时,近年来长期设施栽培引发的一系列土壤退化问题亦越来越受重视[4],如设施土壤长期处于高温、高湿、高复种指数、高施肥量、无降水淋洗等特殊环境条件[5],随着栽培年限的不断增长易出现酸化、板结、次生盐渍化、养分失衡、重金属累积、微生物区系改变等障碍问题[6]。重金属由于具有潜伏性、难降解性、富集性等特点,且易进入食物链对食品安全和人体健康带来极大威胁,成为当前备受关注的环境问题[7]。
近年来,国内外围绕着设施栽培土壤重金属累积特点[8-9]、来源识别[10-11]、影响因素[12-13]、生态风险评估[14-15]、生态修复[16]等方面开展了大量的研究工作,针对设施栽培土壤重金属环境地球化学过程及其对农产品质量安全与人类健康风险评价,已成为环境土壤学研究的热点。目前的研究主要集中在土壤重金属的总量方面,对设施农地重金属有效态含量的研究较少;事实上,重金属在土壤中的赋存形态受土壤本身特性和人为活动等因素的影响,且不同形态的重金属表现出不同生物毒性与迁移特征,判断土壤重金属的毒性响应以及生态风险更大程度上取决于其赋存形态[17]。江苏沿海地区作为我国东部最具发展潜力的区域之一,随着近年来现代高效农业的规模化、工厂化发展,土壤潜在重金属污染风险亦日趋加剧,但目前关于设施土壤重金属全量、有效态含量的累积特点及其潜在生态风险评价的研究鲜有报道。为此,本文以江苏沿海地区近年来高效农业发展迅猛的东台市弶港镇某设施农地为例,研究种植方式和棚龄对设施土壤主要重金属Pb、Cr、Cd、As 全量与有效态含量的影响,分析重金属有效态含量与理化性质的关联性,探讨设施农地土壤重金属污染综合潜在生态风险评价,旨在为沿海设施农区土壤重金属污染的合理预防和风险消减提供依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于江苏省东台市沿海经济区的堤利村和洋边村,地处弶港镇镇区西部,地理位置为120°49'23.7''~120°50'20.6''E,32°42'55.0''~32°44'55.1''N,介于1955年与1975年围垦的海堤之间,东距黄海海岸带10.1 km(图 1)。研究区属亚热带和暖温带的过渡区,季风显著,常年平均气温15℃,无霜期220 d,日照2 130.5 h,多年平均降水量1 061.2 mm,蒸发量882.8 mm,雨热同季,降水季节性分布不均,其中6—9月雨季降水量平均占全年近65%。该区土壤发育于江淮冲积-海相沉积物母质,土壤含盐量较高,质地以砂壤和粉砂壤为主,其土壤性质为淤长型平原海岸的典型代表。研究区东临弶港镇镇区,近5 年来大面积发展韭菜、青椒、西瓜等设施大棚种植,设施农业面积占耕地面积比例达40%以上。
1.2 样品采集与处理根据实地调查和农户走访结果依据研究区设施农业布局特点,考虑不同设施种植制度、棚龄等因素,于2014年12月上旬对24 栋设施大棚进行表层土样采集,其中韭菜大棚9个(3 年棚龄),前茬西瓜大棚6个(2 年棚龄,目前种植西兰花和萝卜),青椒大棚9个(3 年棚龄),同时采集5 个未有设施种植历史的对照样点。本研究共计采集29 个表层土样,覆盖了目前研究区的主要设施种植类型并能反映研究区土壤环境污染状况。各采样点均用GPS 进行定位,其空间位置如图 1 所示,设施大棚采样及相关调查情况列于表 1。每栋设施大棚内样点均按照“S”形多点采样法,采集6个0~20 cm深度的表层土壤,现场均匀混合后用四分法从中选取1 kg 土样装入自封袋中作为代表该点的混合样品。采集的土壤样品带回实验室自然风干后去除碎片、砾石和植物等杂物,用研钵磨碎,分别过10 目、20 目和100目的尼龙网筛,并将其干燥保存。
1.3 样品处理与分析采集的土壤样品测定的指标包括Pb、Cr、Cd、As四种金属元素全量与有效态含量、土壤有机质、阳离子交换量、粘粒含量(<0.002 mm)和pH值。在土壤样品中加入王水-H2O2 消煮以及磷酸作抑制剂后提取全量Pb、Cd,加入HF-HClO4-HNO3消煮后提取全量Cr,采用HNO3-H2SO4消解后加入NaBH4反应方法提取全量As,采用DTPA-TEA 提取有效态Pb、Cd 和Cr,用稀盐酸提取有效态As[18]。用原子吸收光谱石墨炉法测定Pb、Cd 元素含量,用原子吸收火焰法测定Cr元素含量,用原子荧光光度法测定As 元素含量。土壤重金属分析的质量控制采用国家标准物质进行加标回收,各重金属含量的回收率分别为Pb(97.6%~105.3%)、Cr(98.4%~110.7%)、Cd(96.9%~112.1%)、As(98.2%~113.5%),符合美国EPA 标准要求的80%~120%的范围。土壤有机质、阳离子交换量、粘粒含量和pH 值的测定分别采用重铬酸钾稀释热法、EDTA-乙酸铵交换法、吸管法和电位法[19]。
1.4 生态风险评价方法本文采用国内外具有较大影响和广泛使用的H覿kanson 潜在生态危害指数法(Potential ecologicalrisk index)对研究区土壤重金属的生态危害进行评价。该方法是国际上土壤/沉积物重金属研究方法之一,不仅将土壤重金属的含量考虑在内,而且将重金属的生态效应、环境效应与毒理学联系在一起,定量地划分出重金属的潜在风险程度。潜在生态风险指数法计算过程与步骤、重金属毒性响应系数的确定参考文献[20]。本文参考《温室蔬菜产地环境质量评价标准(HJ/T 333—2006)》作为研究区土壤重金属元素的评价标准值,采用的土壤重金属潜在生态风险程度分级标准如表 2所示。
1.5 统计分析本文采用的数据分析方法包括描述性统计分析、单样本t 检验、单因素方差分析和Pearson 相关分析。利用描述性统计分析和单样本t 检验方法明确研究区土壤重金属含量状况,结合单因素方差分析揭示不同设施作物类型、棚龄等因素对重金属全量、有效态含量和潜在生态风险指数的影响,采用Pearson 相关分析研究重金属有效态含量与土壤基本理化性质的相关性。数据分析均采用SPSS15.0软件完成。
2 结果与讨论 2.1 土壤重金属含量状况分析研究区常规大田和设施大棚土壤重金属全量与有效态含量的描述性统计特征值列于表 3。无论是全量还是有效态含量,不同土地利用方式下土壤重金属含量的变异较大。从重金属全量来看,常规大田土壤Pb 含量介于38.3~47.8 mg·kg-1,Cr 含量介于45.7~63.6 mg·kg-1,而设施大棚土壤Pb 含量介于42.9~59.9mg·kg-1,Cr 含量介于53.2 ~ 75.9 mg·kg-1;从变异系数来看,研究区常规大田土壤重金属全量的变异系数为4.59%~25.25%,设施大棚土壤重金属全量的变异系数为2.82%~21.31%,除As、Pb 为弱变异强度外,其余均属中等变异强度。以《温室蔬菜产地环境质量评价标准(HJ/T 333—2006)》的指标限值作为该区土壤重金属元素的参考值,除设施大棚土壤Pb 超标率达75%以外,未见其他土壤重金属含量超标现象;单样本t 检验(双尾)显示,研究区常规大田土壤Pb、Cr、Cd、As全量均显著低于参考值(P<0.01),设施大棚土壤除Pb 全量显著高于参考值(P<0.05)外,Cr、Cd 和As 全量均显著低于参考值(P<0.01),表明近年来研究区土壤重金属Pb 累积量明显高于其他元素。从有效态含量来看,常规大田土壤Pb、Cr、Cd、As 有效态含量的均值分别为1.80、0.373、0.019、0.061 mg·kg-1,设施大棚土壤对应的均值分别为2.07、0.455、0.020、0.064 mg·kg-1,总体来看现阶段该区重金属的环境风险和生态毒性尚不显著。与已有研究结果[21]的比较显示目前研究区土壤环境质量状况整体良好,仅Pb 含量超过温室蔬菜产地环境质量标准限值。
表 4 列出了常规大田与设施大棚种植条件下土壤重金属Pb、Cr、Cd、As 全量与有效态含量的统计对比结果。单因素方差分析(P<0.05)显示,设施大棚土壤Pb、Cr、Cd 全量与有效态含量均显著高于常规大田,而土壤As全量和有效态含量无显著差异。这表明研究区设施大棚的种植与管理方式已引起土壤Pb、Cr、Cd 元素的显著富集,如设施大棚土壤Pb 全量比常规大田高20.2%,Cd 全量高出31.7%,Cr 有效态含量高出22.0%。事实上,大量报道显示设施栽培的高水、肥投入条件往往导致重金属元素随着生物有机肥、农药化肥、农膜、污灌等进入土壤[22]。在本研究区,设施大棚施用畜禽粪便有机肥45~60 t·hm-2·a-1,氮磷复合肥900 kg·hm-2·a-1,可能是导致Pb、Cr、Cd 发生富集的主要因素;土壤As含量差异较小可能与设施栽培下As污染来源较少有关。综上,由设施栽培种植管理方式导致的重金属带入、人为干扰已对研究区土壤重金属含量状况产生较显著影响。
2.2 棚龄对土壤重金属含量的影响不同种植方式与棚龄条件下土壤各重金属全量与有效态含量的统计比较(P<0.05)如图 2 所示(图中重金属全量、有效态含量的显著性检验分别用小写和大写字母标识)。从土壤Pb全量与有效态含量对比来看,西瓜和青椒大棚土壤Pb全量与有效态含量均显著高于常规大田,而3 年棚龄的韭菜大棚土壤Pb 全量显著高于常规大田;棚龄超过4 年的青椒大棚土壤Cr 全量最高,且青椒大棚土壤Cr 有效态含量整体最高,显著高于常规大田和1 年棚龄韭菜大棚;棚龄超过2 年的青椒大棚土壤Cd 全量、有效态含量明显高于常规大田和其他类型设施土壤;土壤As全量与有效态含量受种植方式与棚龄的影响较小。统计分析表明:各设施种植条件下土壤Pb、Cr 全量与Cd 有效态含量无显著差异,但青椒大棚土壤Cd 全量、Cr 有效态含量显著高于韭菜和西瓜大棚。由此可知,设施种植作物种类对重金属含量存在不同程度的影响,目前青椒大棚土壤的重金属含量整体最高,其次是西瓜大棚,韭菜大棚土壤重金属含量最低。导致该现象的因素除了种植方式与田间管理外,可能还与设施作物的吸收富集作用密切相关[23]。已有研究表明重金属在作物内的累积量表现为叶菜类跃根菜类跃果菜类,叶菜类、茄果类对Cd 富集作用较强,对Pb、As 的积累较低[24],瓜类对重金属Pb、Cd的富集作用较弱[25]。
韭菜大棚土壤Pb、Cr、As全量与有效态含量随着棚龄的增加差异较小,但3年棚龄韭菜大棚Cd全量与有效态含量显著高于1年棚龄。两个棚龄的西瓜大棚土壤Pb、Cr、Cd、As全量与有效态含量没有显著差异,这可能与种植方式和棚龄差异较小有关,由于研究区西瓜地连作障碍严重制约品质与产量,1~2 年棚龄的设施西瓜地较常见,基本不存在棚龄超过3年的设施西瓜地。随着棚龄的增加,设施青椒土壤Pb、Cr、As全量与有效态含量差异较小,但Cd全量与有效态含量显著增加。总体来看,本研究仅土壤Cd含量随棚龄增加表现出富集特点,而Pb、Cr、As的时间累积效应尚不明显。事实上,众多研究表明设施栽培土壤重金属含量一般与种植年限呈显著正相关,但其还受重金属类型、蔬菜种类、施肥管理等因素影响,如黄霞等[26]研究发现山东寿光地区设施栽培2~4年棚龄的土壤中重金属含量最高,陈碧华等[27]研究表明大棚菜田土壤Cr含量和种植年限不相关;白玲玉等[28]研究发现,与土地利用年限相比,农用化学品的质量和数量是导致不同利用方式下土壤重金属含量差异的重要原因。
2.3 土壤重金属有效态含量与土壤基本理化性质相关性分析研究区土壤重金属有效态含量与重金属全量、粘粒含量(Clay)、有机质(SOM)、阳离子交换量(CEC)、土壤pH的相关性如表 5所示。土壤Pb、Cr、Cd、As有效态含量与全量呈极显著正相关,且土壤Pb、Cr 和Cd有效态含量与粘粒含量、阳离子交换量和pH显著负相关,即重金属Pb、Cr、Cd 的生物有效性随粘粒含量的增多而降低;pH越高的土壤,其重金属的生物有效性越低,主要原因是pH 下降时土壤粘粒矿物和有机质表面的负电荷减少导致对重金属的吸附能力下降;土壤重金属有效态随阳离子交换量的升高而降低,主要是由于阳离子交换量的上升导致土壤对重金属离子吸附固持作用增大,降低了有效性。土壤Pb、Cr、Cd 有效态含量与有机质呈显著正相关,原因在于土壤有机质主要由生物分子和腐殖质(以胡敏酸和富里酸为主)组成,大量研究表明[29]富里酸呈强酸性,能显著促进污染土壤重金属的解吸,提高其有效性,而胡敏酸吸收容量较高,能显著降低污染土壤重金属的溶出。本文重金属Pb、Cr、Cd有效态与土壤有机质呈极显著正相关可能与该区域土壤有机质中含有较高的富里酸有关。土壤As有效态含量与土壤pH显著正相关,但与其他理化性质相关性不显著。这是由于土壤As的危害程度受酸碱性和氧化还原电位影响较大,土壤pH值高导致As吸附量减少(研究区土壤pH介于7.6~8.3),使得As离子向溶液中解吸,水溶性As含量增加;在低pH土壤中,As离子能被土壤中带正电荷的氢氧化铁等吸附剂迅速吸附,降低其有效性,因而As的生物有效态随pH值的升高而增加[30]。
2.4 设施土壤重金属的单项潜在生态风险图 3 列出了研究区设施大棚土壤单一重金属污染系数Cfi和潜在生态风险系数Eir的统计特征值。重金属Pb、Cr、Cd、As 污染系数的平均值分别为1.05、0.25、0.14 和0.38,平均污染程度Pb最高,其次是As,Cr 和Cd 平均污染程度最低(图 3a)。从污染系数的频数分布来看:设施大棚土壤Cr、Cd 和As 全部处于轻度污染程度,Pb 整体处于中等污染程度;其中Pb 有6个样点处于轻度污染程度,其余18 个样点处于中等污染程度;不存在处于较强和很强重金属污染程度的样点。
从图 3b 显示的研究区设施大棚土壤重金属Pb、Cr、Cd、As 潜在生态风险系数Eir的统计特征值来看,其平均值分别为5.23、0.504、4.08 和3.80,整体均处于轻度潜在生态风险,4 种重金属的潜在生态危害趋势为Pb>Cd>As>Cr。与已有研究[21]相比,近年来研究区土壤Pb生态风险系数大幅提高,这与设施栽培条件下投入大量肥料、农药导致Pb富集密切相关。比较图 3a 和图 3b 可知,设施大棚土壤Pb 的污染系数和潜在生态风险系数均最高,尽管Cd 污染系数均值最低,但其潜在生态风险系数高于Cr 和As,这主要与Cd的毒性响应系数显著高于Pb、Cr、As有关。
2.5 土壤重金属的综合潜在生态风险从表 6 列出的研究区土壤重金属潜在生态风险指数RI的统计特征值来看:所有设施大棚样点土壤重金属RI值在12.05~15.92 之间,均属轻度综合潜在生态风险程度;韭菜大棚土壤RI值的平均值为12.95,西瓜大棚为13.31,青椒大棚为14.46,表现为青椒大棚>西瓜大棚>韭菜大棚。单因素方差分析显示,青椒大棚土壤重金属潜在生态风险显著高于西瓜大棚和韭菜大棚(P<0.05),但西瓜大棚与韭菜大棚间土壤重金属潜在生态风险差异不显著。此外,常规大田土壤RI值的平均值为11.59,且青椒、西瓜和韭菜大棚土壤重金属潜在生态风险均显著高于常规大田(P<0.05)。
不同种植方式与棚龄下土壤重金属综合潜在生态风险指数RI如图 4所示。可以看出,种植方式和棚龄对土壤重金属综合潜在生态风险指数具有重要影响;常规大田土壤重金属潜在生态风险指数最低,超过2 年棚龄的青椒大棚土壤重金属潜在生态风险指数最高,且显著高于其他种植方式。同一设施栽培条件下,3 年棚龄的韭菜大棚土壤重金属潜在生态风险指数显著高于1 年棚龄,2 年棚龄的青椒大棚土壤重金属潜在生态风险指数均显著高于1 年棚龄。事实上,诸多研究表明,设施大棚土壤重金属的含量一般与种植年限呈显著正相关,且重金属综合潜在生态风险指数RI 亦随着种植年限的增加而升高[31]。这与本文的研究结果也是一致的。
总体来看,目前研究区设施大棚土壤环境质量较安全,重金属潜在生态风险程度尚处于轻度,但是随着今后该区高效农业的发展与农业集约化程度的提高,有机肥、化肥、农药等大量投入将不可避免引起该区土壤环境质量的变化。因此,在当前设施种植和人为活动尚未引起土壤重金属潜在生态风险超标的情况下,该地区土壤重金属污染的综合防治尤为重要。首先加强监测监控,在主要农产品产区建立土壤污染(重金属)长期定位监测点,进行基本农田、蔬菜地等土壤重金属污染状况及其成因、归趋的调查和监测;其次强化源头减量,推动农业废弃物资源化利用和无害化处理,设施大棚中避免重金属含量较高有机肥、化肥和农药的施用是防止土壤重金属累积的重要保障;最后推进生态阻控,合理部署农田水分管理、原位钝化、耕地轮休,以及耕作制度改革等农艺削减措施,种植超积累植物以生态修复或者在土壤中施加石灰以降低重金属的生物有效性[32]。
3 结论(1)目前设施农区土壤环境质量状况整体良好,仅Pb 全量超过温室蔬菜产地环境质量评价标准限值,各土壤重金属有效态含量整体较低,其环境风险和生态毒性尚不显著。
(2)设施大棚土壤Pb、Cr、Cd 全量与有效态含量显著高于常规大田,且设施大棚土壤重金属含量青椒大棚>西瓜大棚>韭菜大棚,土壤Cd 全量与有效态含量随棚龄增加表现出富集特点。
(3)土壤Pb、Cr、Cd 有效态含量与粘粒含量、阳离子交换量和pH 显著负相关,与有机质呈显著正相关,土壤As有效态含量仅与土壤pH显著正相关。
(4)设施农区土壤重金属污染处于轻度综合潜在生态风险程度,土壤重金属污染的综合潜在生态风险指数依次为青椒大棚>西瓜大棚>韭菜大棚,且综合潜在生态风险指数随棚龄的增加而升高。
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