冀東典型蔬菜種植區(qū)設施土壤重金屬特征.pdf

第12卷 第4期 食品安全質量檢測學報 Vol 12 No 4 2021年2月 Journal of Food Safety and Quality Feb 2021 基金項目 國家重點研發(fā)計劃項目 2016YFD0801007 天津市重點研發(fā)計劃項目 19YFYZSN00030 天津市科技支撐重點項目 17YFZCNC00420 天津市蔬菜現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系創(chuàng)新團隊項目 ITTVRS2017012 Fund Supported by the National Key Research and Development Project 2016YFD0801007 the Tianjin Key Research and Development Project 19YFYZSN00030 the Tianjin Key Research and Development Project 17YFZCNC00420 and the Innovation Team of Tianjin Vegetable Research Science ITTVRS2017012 通信作者 程奕 碩士 研究員 主要研究方向為農產品質量安全 E mail cychengyi99 Corresponding author CHENG Yi Master Professor Tianjin Academy of Agricultural Sciences Tianjin 300192 China E mail cychengyi99 0 v u r 李 峰 1 高賢彪 1 陳秋生 2 張玉婷 2 張 強 2 梁 靜 2 梁海恬 1 何宗均 1 程 奕 3 1 天津市農業(yè)資源與環(huán)境研究所 天津 300380 2 天津市農業(yè)質量標準與檢測技術研究所 天津 300380 3 天津市農業(yè)科學院 天津 300192 摘 要 目的 探究冀東典型蔬菜種植區(qū) 唐山市和承德市 設施土壤重金屬特征 方法 對設施大棚進行調 查并采集表層土壤樣品 檢測其重金屬 即鎘 Cd 汞 Hg 砷 As 鉛 Pb 鉻 Cr 銅 Cu 鋅 Zn 含量 并依據HJ T 333 2006 溫室蔬菜產地環(huán)境質量評價標準 進行了土壤質量評價 結果 除As外 其他重 金屬均超過河北省土壤背景值 國家環(huán)境保護局 最高為Hg 為背景值的3 46倍 Cd與棚齡呈顯著負相關 關系 P 0 05 從地理分布來看 Hg呈現(xiàn)西高東低的分布特征 而As Pb則呈現(xiàn)南高北低的分布特征 從 重金屬單項質量指數來看 Cd Hg As Cr Zn均未超標 Cu Pb超標率分別為7 37 和22 11 屬輕度 污染 從重金屬綜合質量指數看 3 16 的土壤為超標土壤 屬輕度污染 超標率較高的區(qū)縣為隆化縣 樂 亭縣 灤平縣 寬城縣和灤南縣 重金屬綜合質量指數與土壤pH呈極顯著負相關關系 P 0 01 結論 冀 東典型蔬菜種植區(qū)設施土壤存在Cu Pb的輕度污染現(xiàn)象 后續(xù)需要對蔬菜中的Cu Pb進行調查以評估蔬 菜產品的安全性 關鍵詞 冀東 設施土壤 重金屬 蔬菜種植區(qū) Characteristics of heavy metals in greenhouse soils on typical vegetable cultivation regions of east Hebei LI Feng 1 GAO Xian Biao 1 CHEN Qiu Sheng 2 ZHANG Yu Ting 2 ZHANG Qiang 2 LIANG Jing 2 LIANG Hai Tian 1 HE Zong Jun 1 CHENG Yi 3 1 Tianjin Institute of Agricultural Resources and Environment Tianjin 300380 China 2 Tianjin Institute of Agricultural Quality Standard and Testing Technology Tianjin 300380 China 3 Tianjin Academy of Agricultural Sciences Tianjin 300192 China ABSTRACT Objective To investigate the characteristics of heavy metals in greenhouse soils on typical vegetable cultivation regions of east Hebei Tangshan city and Chengde city Methods Surface soil samples were collected and detected for heavy metals Cd Hg As Pb Cr Cu Zn and the soil quality was assessed with the HJ T 333 2006 Environmental quality evaluation standards for farmland of greenhouse vegetables production Results DOI 10 19812 ki jfsq11 5956 ts 2021 04 022 第4期 李 峰 等 冀東典型蔬菜種植區(qū)設施土壤重金屬特征 1363 The heavy metal concentrations were higher than the background values of Hebei province except As and the highest was Hg which was 3 46 times higher than the background value Significant negative correlation was found between Cd and the service life of greenhouse P 0 05 Hg decreased from west to east while As and Pb decreased from south to north geographically According to the single quality index of heavy metal Cd Hg As Cr Zn of soils were all under the limit levels Soil samples were found to exceed the environmental quality evaluation standards mild contaminated for Cu or Pb and the over limit ratios were 7 37 and 22 11 respectively According to the comprehensive quality index of heavy metals 3 16 of the soils were over limit and mainly distributed in Longhua county Laoting county Luanping county Kuancheng county and Luana county Extreme significant negative correlation was found between pH values and the comprehensive quality index of heavy metals P 最大單項質量指數 6 重金屬單項樣本超標率 重金屬單項超標樣本 總數 監(jiān)測樣本總數 100 重金屬綜合樣本超標率 重金屬綜合超標樣本 總數 監(jiān)測樣本總數 100 溫室蔬菜產地環(huán)境質量等級劃定見表2 與重金屬相 關的土壤環(huán)境質量評價指標限值見表3 表 2 環(huán)境質量等級劃定 Table 2 Classification of environmental quality levels 環(huán)境質量等級 土壤各單項或綜合質量指數 等級名稱 1 0 7 清潔 2 0 7 1 0 尚清潔 3 1 0 超標 表 3 土壤環(huán)境質量評價指標限值 mg kg Table 3 Limits of environmental quality evaluation standards mg kg 項目 pH 7 5 土壤環(huán)境質量基本控制項目 Cd 0 30 0 30 0 40 Hg 0 25 0 30 0 35 As 30 25 20 Pb 50 50 50 Cr 150 200 250 土壤環(huán)境質量選擇控制項目 Cu 50 100 100 Zn 200 250 300 1 4 數據分析 采用SPSS軟件進行數據分析 分析統(tǒng)計方法為方差 分析 多重比較 Duncan 和相關性檢驗 Pearson 2 結果與分析 冀東典型蔬菜種植區(qū)各區(qū)縣及棚齡組土壤pH 重金 屬含量以及河北省表層土壤背景值見表4 冀東典型蔬菜 種植區(qū)設施大棚土壤pH范圍為4 74 8 38 平均值為 6 71 0 55 從pH分布來看 中性土壤所占比例最大 為 41 05 其次是弱堿性土壤和酸性土壤 分別為31 58 和 26 32 堿性土壤所占比例最小 為1 05 說明設施大棚 中存在部分土壤酸化現(xiàn)象 2 1 土壤重金屬的積累及地理分布 土壤Cd Hg As Pb Cr Cu Zn含量的平均值 分別為0 19 0 05 0 12 0 05 10 5 1 6 38 62 11 82 105 29 28 34 44 46 16 2及99 31 27 69 mg kg 分別為河 北省表層土壤背景值的2 0 3 46 0 77 1 8 1 54 2 04 及1 27倍 表4 說明除As之外 其余6種重金屬在設施 土壤中均有不同程度的積累 土壤Hg含量與經度呈現(xiàn)極顯著的負相關關系 P 0 01 表5 即經度越高 土壤Hg含量越低 土壤Hg 呈現(xiàn)西高東低的分布特征 土壤As Pb含量與緯度均呈現(xiàn)顯著的負相關關系 P 0 05 表5 即緯度越高 土壤As Pb含量越低 土壤 As Pb呈現(xiàn)南高北低的分布特征 2 2 土壤重金屬在不同區(qū)縣的分布 土壤Cd含量最高的區(qū)縣為寬城縣 顯著高于最低的 玉田縣 遷安市 興隆縣 承德縣和灤平縣 P 0 05 與其 他區(qū)縣間無顯著差異 表4 土壤Hg含量最高的區(qū)縣為灤 第4期 李 峰 等 冀東典型蔬菜種植區(qū)設施土壤重金屬特征 1365 平縣 顯著高于最低的隆化縣 P 0 05 與其他區(qū)縣間無 顯著差異 土壤Pb含量最低的是興隆縣 顯著低于其他區(qū) 縣 P 0 05 最高的為豐潤區(qū) 灤南縣 遷安市 承德縣 顯 著高于除最低兩區(qū)縣外的其他區(qū)縣 P 0 05 表4 土壤As Cr Cu Zn含量最高與最低的區(qū)縣各不相同 在各區(qū)縣間 均無顯著差異 表4 表 4 冀東各區(qū)縣及棚齡組土壤 pH 及重金屬含量 mg kg Table 4 pH values and heavy metal concentrations of greenhouse soils in different counties or in different service life in east Hebei mg kg 重金屬 pH Cd Hg As Pb Cr Cu Zn 河北省表層土壤 背景值 15 0 094 0 036 13 6 21 5 68 3 21 8 78 4 區(qū)縣組 豐南區(qū) 6 91 0 4 a 0 202 0 031 ab 0 109 0 039 ab 10 73 1 28 a 38 81 11 4 abc 106 06 28 78 a 49 38 11 62 a 88 28 8 a 玉田縣 6 82 0 5 a 0 167 0 056 b 0 139 0 068 ab 10 91 1 78 a 34 25 11 45 abc 106 75 25 85 a 45 38 16 12 a 93 88 18 16 a 豐潤區(qū) 6 74 0 21 a 0 199 0 056 ab 0 125 0 045 ab 10 18 1 15 a 46 17 14 41 a 108 67 45 39 a 57 13 56 a 106 83 27 75 a 曹妃甸區(qū) 6 83 0 52 a 0 18 0 044 ab 0 1 0 02 ab 10 92 1 35 a 37 67 7 84 abc 132 33 24 95 a 44 67 19 71 a 108 17 24 64 a 灤南縣 6 39 0 64 a 0 181 0 06 ab 0 136 0 055 ab 10 81 1 71 a 43 62 11 72 a 104 08 30 46 a 37 77 14 12 a 100 92 30 18 a 樂亭縣 6 7 0 48 a 0 192 0 044 ab 0 124 0 055 ab 10 88 1 79 a 37 82 10 3 abc 99 82 28 11 a 44 47 16 64 a 103 71 31 65 a 灤縣 6 5 0 55 a 0 205 0 082 ab 0 127 0 075 ab 9 9 0 1 a 39 1 73a bc 103 33 35 92 a 36 67 24 95 a 97 4 58 a 遷安市 6 46 0 53 a 0 164 0 036 b 0 124 0 045 ab 10 65 2 61 a 44 13 15 31 a 108 75 21 46 a 44 25 19 61 a 109 88 26 31 a 興隆縣 7 01 0 13 ab 0 164 0 033 b 0 11 0 053 ab 8 6 0 66 a 21 67 2 08 c 92 67 29 14 a 48 19 16 a 107 31 43 a 寬城縣 6 79 0 38 ab 0 25 0 016 a 0 145 0 064 ab 8 7 0 28 a 41 5 2 12 ab 84 5 3 54 a 31 2 83 a 72 5 7 78 a 平泉縣 6 73 0 73 ab 0 2 0 056 ab 0 153 0 065 ab 9 77 0 69 a 35 33 13 65 abc 95 22 2 a 45 21 68 a 100 29 69 a 承德縣 7 49 0 8 a 0 166 0 078 b 0 113 0 076 ab 9 97 2 05 a 42 33 7 23 a 122 33 9 24 a 31 12 53 a 80 33 27 06 a 隆化縣 6 2 0 64 b 0 204 0 041 ab 0 075 0 007 b 9 85 0 21 a 28 5 10 61 abc 99 21 21 a 42 5 66 a 104 56 57 a 灤平縣 6 52 1 1 ab 0 168 0 086 b 0 17 0 014 a 10 2 1 13 a 23 5 6 36 bc 97 49 5 a 48 5 26 16 a 112 5 6 36 a 棚齡組 5年以下 6 76 0 44 a 0 206 0 04 a 0 124 0 05 a 10 11 1 57 a 36 58 12 84 a 105 67 27 41 a 40 33 15 4 a 96 67 26 04 a 6 10年 6 69 0 59 a 0 199 0 05 a 0 135 0 05 a 10 41 1 63 a 39 10 89 a 105 41 31 88 a 46 83 17 a 99 48 32 2 a 11 20年 6 69 0 54 a 0 178 0 05 a 0 19 0 06 a 10 76 1 55 a 38 56 11 72 a 106 56 28 23 a 45 38 17 07 a 101 29 25 43 a 20年以上 6 73 0 48 a 0 175 0 05 a 0 18 0 05 a 10 43 1 71 a 39 4 13 38 a 102 75 25 45 a 41 95 14 21 a 97 25 27 1 a 注 同列數字右上角的不同字母表示顯著性差異 P 0 05 表 5 設施土壤重金屬與背景因子的相關關系 n 95 Table 5 Correlation analysis between heavy metal concentrations of greenhouse soils and the background factors n 95 經度 緯度 棚齡 pH As Hg Pb Cd Cr Cu Zn 經度 1 緯度 223 1 棚齡 0 074 0 148 1 pH 0 024 0 049 0 047 1 As 0 033 204 0 099 0 107 1 Hg 291 0 187 0 065 0 118 0 076 1 Pb 0 166 227 0 081 0 073 0 001 0 05 1 Cd 0 075 0 031 250 0 147 0 069 0 06 0 172 1 Cr 0 016 0 059 0 001 0 173 0 078 0 002 0 033 0 164 1 Cu 0 05 0 061 0 05 0 045 0 039 0 069 0 051 0 094 0 087 1 Zn 0 164 0 065 0 007 0 115 0 023 0 048 0 069 0 023 0 165 0 051 1 注 表示0 05水平上的顯著相關 表示0 01水平上的極顯著相關 1366 食品安全質量檢測學報 第12卷 2 3 土壤重金屬在不同棚齡組的分布 土壤Cd含量最低的棚齡組為20年以上 含量最高的 棚齡組分別為5年以下 隨著棚齡的增加 土壤Cd在棚齡 組間呈現(xiàn)下降趨勢 但無顯著差異 表4 土壤Cd含量與 棚齡呈現(xiàn)顯著負相關關系 P 0 05 即棚齡越大 土壤Cd 含量越低 表5 土壤Hg As Pb Cr Cu Zn含量最低的棚齡組分 別為20年以上 5年以下 5年以下 20年以上 5年以下 5年以下 含量最高的棚齡組分別為6 10年 11 20年 20 年以上 11 20年 6 10年 11 20年 土壤Hg As Pb Cr Cu Zn含量在不同棚齡組間均無顯著差異 表4 2 4 土壤重金屬單項質量指數 綜合質量指數及其 分布 土壤Cd Hg As Cr Zn的質量指數平均值分別為 0 62 0 16 0 44 0 19 0 40 0 07 0 57 0 16 0 42 0 12 所 有樣品均未超標 表6 土壤Pb質量指數平均值為0 77 0 24 其中 22 11 的土壤為超標土壤 表6 在調查的14個區(qū)縣中 有7個 區(qū)縣大棚土壤存在Pb污染 占比50 Pb超標率為 11 76 66 67 這些超標區(qū)縣主要集中在唐山市 其中豐 潤區(qū)超標率最高 為66 67 灤南縣 遷安市 豐南區(qū)超 標率均超過了25 表7 土壤Cu質量指數平均值為0 55 0 26 其中 7 37 的 土壤為超標土壤 表6 在調查的14個區(qū)縣中 有6個區(qū) 縣大棚土壤存在Cu污染 占比42 86 Cu超標率為 6 25 50 表7 這些超標區(qū)縣中 灤平縣超標率最高 為50 但樣品總數較少 代表性較弱 除此之外 其他 區(qū)縣超標率較低 最高僅為16 67 土壤重金屬綜合質量指數范圍為0 44 1 11 平均值 為0 74 0 14 其中 3 16 的土壤為超標土壤 表6 重金 屬綜合超標率最高的區(qū)縣為隆化縣 樂亭縣 灤平縣 寬 城縣和灤南縣 均高于45 表7 其中 隆化縣 灤平縣 寬城縣由于取樣量較少 代表性較弱 樂亭縣和灤南縣取 樣較多 且綜合超標率較高 需要特別關注 另外 遷安市 灤縣 豐潤區(qū) 興隆縣 平泉縣綜合超標率也達到33 33 也需要引起重視 相關性分析表明 重金屬綜合質量指數 與土壤pH呈現(xiàn)極顯著的負相關關系 P 0 01 即pH越低 重金屬綜合質量指數越高 3 結論與討論 設施土壤重金屬含量特征與地質構成及成土母質息 息相關 2 7 本研究發(fā)現(xiàn) 從地理分布來看 土壤Hg呈現(xiàn) 西高東低的分布特征 可能與冀東地區(qū)的地質構成及人為 活動有關 2 冀東地區(qū)處于華北板塊 西伯利亞板塊和太 平洋板塊復合作用帶 是河北省主要的鐵 金聚集區(qū) 銅 鉬鉛鋅等多金屬礦也占有很大份額 在空間上具有明顯的 近東西向帶狀分布特點 16 宋澤峰等 17 研究了河北平原土 壤內Hg的空間分布特征 結果顯示在表層土壤中Hg含量 分布呈現(xiàn)出西高東低的趨勢 東部Hg的分布明顯表現(xiàn)為 沿河道相的流域性低值區(qū) 與本研究相似 表 6 基于不同重金屬的土壤質量等級分布 Table 6 Distribution pattern of soil quality levels for different heavy metals 質量等級 Cd質量指數 Hg質量指數 As質量指數 Pb質量指數Cr質量指數Cu質量指數Zn質量指數 重金屬綜合質量指數 清潔 60 00 87 37 100 36 84 78 95 85 26 98 95 45 26 尚清潔 40 00 12 63 41 05 21 05 7 37 1 05 51 58 污染 22 11 7 37 3 16 表 7 重金屬超標土壤的分布 Table 7 Distribution pattern of soils with over limited heavy metals 唐山市區(qū)縣 Pb超標率 Cu超標率 綜合超標率 承德市區(qū)縣 Pb超標率 Cu超標率 綜合超標率 豐南區(qū) 25 6 25 25 興隆縣 33 33 玉田縣 12 50 25 寬城縣 50 豐潤區(qū) 66 67 33 33 平泉縣 16 67 16 67 33 33 曹妃甸區(qū) 16 67 16 67 承德縣 灤南縣 38 46 7 69 46 15 隆化縣 100 樂亭縣 11 76 11 76 52 94 灤平縣 5050 灤縣 33 33 遷安市 50 37 5 第4期 李 峰 等 冀東典型蔬菜種植區(qū)設施土壤重金屬特征 1367 從地形來看 冀東地區(qū)具有顯著的北高南低的地形 特征 本研究發(fā)現(xiàn) 冀東地區(qū)土壤As Pb呈現(xiàn)南高北低的 分布特征 這種特征與冀東地區(qū)以灤河為代表的沖積特征 相符合 即北部地區(qū)多金屬礦區(qū)母質風化成含有As Pb 等重金屬的土壤 在河流沖刷下 As Pb等重金屬在沖積 平原土壤中積累 導致了南部地區(qū)高于北部地區(qū) 另外 南部區(qū)域工業(yè)發(fā)達 設施大棚種植時間相對較長 污灌等 人為外源輸入因素也可能是導致其土壤As Pb含量較高 的重要原因 2 研究表明 設施大棚棚齡 種植年限 與土壤某些重金 屬之間表現(xiàn)出一定的相關性 可能與棚齡的變化影響到土 壤重金屬的輸入輸出平衡有關 18 20 在本研究中 隨著棚 齡的增加 土壤Pb含量在不同棚齡組間呈現(xiàn)上升趨勢 土 壤Cd含量呈現(xiàn)下降趨勢 土壤As Hg Cr Cu Zn含 量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢 10年或20年以后土壤中含量 均下降 原因可能與設施大棚的種植特點及外部環(huán)境因素 有關 設施大棚種植初期 由于含有重金屬的肥料等外源 投入品數量的急速增加 導致了土壤重金屬含量的快速升 高 后來隨著種植時間的延長 環(huán)境污染治理力度的加大 重金屬通過作物吸收或淋溶移出土壤的速度逐漸大于外源 輸入速度 從而導致其含量下降 本研究同時發(fā)現(xiàn) 土壤 Cd含量與棚齡呈現(xiàn)顯著負相關關系 P 0 05 即棚齡越大 土壤Cd含量越低 這說明隨著種植年限的增加 Cd污染 風險逐漸降低 這對于土壤環(huán)境污染治理具有積極的意義 郭軍康等 18 茹淑華等 19 井永蘋等 20 研究發(fā)現(xiàn) 隨著種 植年限增長 蔬菜土壤中Cd Pb Hg Cu Zn等元素含 量呈明顯上升趨勢 且部分地區(qū)種植年限分別與土壤Pb 和Hg含量呈極顯著正相關 部分地區(qū)Cd達到中度污染水 平或出現(xiàn)嚴重超標現(xiàn)象 Cu Zn含量超過土壤背景值 這 些結論部分與本研究結果類似 但Cd卻與本研究結果相 反 原因可能為冀東典型蔬菜種植區(qū)土壤Cd的源匯平衡 狀況與其他研究區(qū)域不同所致 在本研究中 土壤中部分 重金屬含量隨著種植年限的增加而降低 這些重金屬的去 向除了隨作物收獲移出土壤之外 還包括其在土壤垂直剖 面的遷移 這種行為及其對地下水環(huán)境的影響需要引起足 夠重視 后續(xù)可通過土壤剖面取樣分析及地下水環(huán)境監(jiān)測 來進行風險評估 從重金屬單項質量指數來看 冀東地區(qū)大棚表層土 壤中 Cd Hg As Cr Zn均未超標 Cu Pb存在樣品超 標現(xiàn)象 屬輕度污染 需重點關注豐潤區(qū) 從重金屬綜合 質量指數看 3 16 的土壤為超標土壤 屬輕度污染 需重 點關注樂亭縣和灤南縣 研究表明 冀東地區(qū)土壤存在不 同程度的重金屬污染 孫厚云等 21 發(fā)現(xiàn)承德市灤河流域農 用地表層土壤中Pb Cd元素分別有27 69 和25 38 的樣 品屬中等以上累積水平 李隨民等 22 發(fā)現(xiàn)唐山一秦皇島地 區(qū)表層土壤主要的重金屬污染元素是Ni Cr Cu Cd Cd 元素污染主要集中在唐?？h西部和西北部 王巖等 23 發(fā)現(xiàn) 曹妃甸區(qū)農田土壤中Cu的污染指數最大 Zn Pb次之 Cd 雖沒超過國家標準 但已出現(xiàn)污染累積現(xiàn)象 曹妃甸區(qū)的 重金屬超標可能與上世紀的污灌有關 2 24 這些研究結果 與本研究結果部分類似 后續(xù)需要對銅 鉛等重金屬超標 地區(qū)蔬菜中的重金屬含量進行調查監(jiān)測 以評估蔬菜產品 的安全性 保障食品安全 居民健康及農業(yè)可持續(xù)發(fā)展 本研究發(fā)現(xiàn) 重金屬綜合質量指數與土壤pH呈現(xiàn)極 顯著的負相關關系 P 0 01 即pH越低 重金屬綜合質量 指數越高 土壤環(huán)境風險越大 這可能與pH降低導致的外 源重金屬的活化與表層積累有關 同時 冀東地區(qū)設施大 棚存在部分土壤酸化現(xiàn)象 酸性土壤比例高達26 32 說 明土壤酸化與土壤重金屬綜合污染風險關系密切 這種 pH與重金屬的耦合效應需要引起高度重視 后期需要進 行持續(xù)監(jiān)測以便于在更大的時間尺度上對其環(huán)境風險進行 科學評估 參考文獻 1 河北省人民政府辦公廳 河北省統(tǒng)計局編 河北農村統(tǒng)計年鑒 2015 M 北京 中國統(tǒng)計出版社 2015 General Office of the Peoples Government of Hebei Province Hebei Provincial Bureau of Statistics Hebei rural statistical yearbook M Beijing China 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