全 文 ：设施菜地重金属的剖面分布特征*
李树辉1 摇 曾希柏1**摇 李莲芳1 摇 白玲玉1 摇 王道龙2
( 1 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 /农业部农业环境与气候变化重点开放实验室, 北京 100081; 2 中国农业科
学院农业资源与农业区划研究所, 北京 100081)
摘摇 要摇 以山东省寿光市种植 1 ~ 12 年的蔬菜大棚及相邻的小麦地为对象,研究了设施菜地
中 As、Cd、Cu、Zn、Cr、Ni 6 种重金属在土壤剖面中的分布特征.结果表明:在 0 ~ 150 cm 土层
内,随着土层深度的增加,设施菜地与小麦地中 6 种重金属含量均呈下降趋势;与小麦地相
比,相同土层设施菜地中 6 种重金属的含量均明显较高,设施菜地 0 ~ 20 cm 土层中 As、Cd、
Cu、Zn、Cr、Ni的含量分别比小麦地相同土层高出 35郾 0% 、146郾 2% 、65郾 6% 、36郾 4% 、21郾 5%和
14郾 0% ,120 ~ 150 cm土层分别高出 10郾 6% 、178郾 5% 、19郾 4% 、20郾 2% 、15郾 2%和 9郾 3% ,20 ~
120 cm各土层中的含量亦高于小麦地.设施菜地 0 ~ 20 cm 土层中,Cd、Cu、Zn 含量与种植年
限呈显著正相关,随着种植年限的增加,其累积速率分别为 0郾 027、1郾 153 和 2郾 830 mg·kg-1·
a-1;设施菜地中 6 种重金属的含量与土壤有机碳、全氮含量呈正相关,除 Ni和 As外的 4 种重
金属含量亦与土壤全磷含量呈极显著相关,有机肥等的施用可能在一定程度上导致设施菜地
中重金属的累积.
关键词摇 设施菜地摇 土壤剖面摇 重金属摇 累积
文章编号摇 1001-9332(2010)09-2397-06摇 中图分类号摇 X53摇 文献标识码摇 A
Distribution characteristics of heavy metals in soil profile of facility vegetable fields. LI Shu鄄
hui1, ZENG Xi鄄bai1, LI Lian鄄fang1, BAI Ling鄄yu1, WANG Dao鄄long2 ( 1Ministry of Agriculture Key
Laboratory of Agro鄄Environment & Climate Change, Institute of Environment and Sustainable Devel鄄
opment in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 2 Institute
of Resource and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, Chi鄄
na) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(9): 2397-2402.
Abstract: Taking the facility vegetable fields having been planted for 1-12 years and the adjacent
wheat land in Shouguang City of Shandong Province as test objects, this paper studied the distribu鄄
tion characteristics of arsenic (As), cadmium (Cd), copper (Cu), zinc (Zn), chromium (Cr),
and nickel (Ni) in their soil profiles (0-150 cm). With the increase of soil depth, the test heavy
metals contents in the soil profiles all had a decreasing trend, and in the same soil layers, the con鄄
tents were obviously higher in facility vegetable fields than in wheat land. Comparing with those in
the same soil layers of wheat land, the average contents of As, Cd, Cu, Zn, Cr, and Ni in 0-20
and 120-150 cm soil layers of facility vegetable fields were 35郾 0% , 146郾 2% , 65郾 6% , 36郾 4% ,
and 21郾 5% , and 10郾 6% , 178郾 5% , 19郾 4% , 20郾 2% , 15郾 2% , and 9郾 3% higher, respectively,
and the average contents of the heavy metals in 20-120 cm soil layer of facility vegetable fields were
also higher in some degree. In the 0-20 cm soil layer of facility vegetable fields, the Cd, Cu, and
Zn contents had significant positive correlations with planting years (P<0郾 05), with the accumula鄄
tion rates of Cd, Cu, and Zn being 0郾 027, 1郾 153, and 2郾 830 mg·kg-1·a-1, respectively. In fa鄄
cility vegetable fields, the test six heavy metals contents were significantly positively correlated with
the contents of soil organic carbon and total nitrogen, and the Cd, Cu, Zn, and Cr contents were
significantly correlated with the content of soil total phosphorus (P<0郾 01). Applying organic fertil鄄
izer could induce the heavy metals accumulation in the soils of facility vegetable fields to some ex鄄
tent.
Key words: facility vegetable field; soil profile; heavy metal; accumulation.
*国家“十一五冶科技支撑计划项目(2007BAD89B03,2006BAD05B01)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zengxb@ ieda. org. cn
2010鄄02鄄10 收稿,2010鄄07鄄03 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 9 月摇 第 21 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2010,21(9): 2397-2402
摇 摇 近年来,随着工业化、城市化的发展,人类活动
对耕地质量的负面影响也日益凸显[1-2],尤其以农
田中重金属的累积问题更为突出[3-5] . 菜地是受人
类活动干扰较大的农田土壤,尤其是随着设施农业
技术的逐步普及,设施菜地的质量演变等问题正受
到越来越多的关注[6-8] .在前人的研究中,对设施菜
地的酸化、盐渍化及土传病害影响等的报道较
多[9-10],认为设施种植导致土壤酸化和盐渍化并存、
土传病害增多.近年来,设施菜地中重金属的累积问
题也开始引起研究者的关注[11-12],认为在设施菜地
农业化学品大量投入的背景下,土壤中某些重金属
呈现出累积的趋势,并对设施菜地的安全生产构成
一定威胁.但这些研究大多局限于区域调查或统计
的结果,对设施菜地剖面中重金属的分布及随时间
变化规律的研究较少. 本文以山东省寿光市圣城街
道的蔬菜生产基地为对象,探讨了 As、Cd、Cu、Zn、
Cr、Ni 6 种重金属在不同种植年限设施菜地中的垂
直分布规律,以期为设施菜地的质量管理提供参考.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区域概况
研究区域位于山东省寿光市圣城街道蔬菜生产
基地,属暖温带季风性大陆气候,年均降雨量 608郾 2
mm,年均气温 12郾 4 益,全年逸0 益的持续时间为
276 d,无霜期 195 d. 土壤类型为潮土,当地主要种
植的蔬菜包括西红柿(Lycopersicon esculentum)、黄瓜
(Cucurbita maxima)、苦瓜(Telfairia occidentalis)等,
一般每年种植 1 ~ 2 茬,并通过轮作以减少病虫害发
生等.区域内设施大棚已经连片建设,其种植年限一
般为 1 ~ 12 a.蔬菜种植中,肥料的施用以有机肥和
复合肥为主,有机肥包括猪粪、鸡粪和豆粕等,年累
计施用量(以鲜质量计)221郾 1 t·hm-2;复合肥(N 颐
P 颐 K2O = 15 颐 15 颐 15 ) 的年累计施用量约为
17郾 5 t·hm-2;所施用的农药多为高效低毒的生物
农药或复混农药,有机磷、有机氯等高毒农药已停止
使用多年.菜地的灌溉水源均来自深层地下水,水质
较好.
1郾 2摇 采样与分析方法
在研究区域内,主要选择距离相近的 1 ~ 12 年
的蔬菜大棚进行取样和调查,采样和调查大棚的种
植年限及数量分别为 1 年(1 个)、2 年(1 个)、4 年
(2 个)、5 年(1 个)、6 年(2 个)、7 年(3 个)、8 年(1
个)、10 年(1 个)、12 年(2 个).在选择大棚时考虑
所有大棚土壤本底值的相对一致性,并使其在种植
蔬菜类型、强度和管理上基本一致,且基本上为相邻
的大棚,以保证其相互间具有可比性.各大棚土样均
按“S冶形布点进行采集,每个大棚采集 5 个样点,每
个样点均按 0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~
100、100 ~ 120 和 120 ~ 150 cm 分层采集,各层次土
样各自混合均匀后作为该大棚的剖面样品. 由于当
地的蔬菜大棚均是在小麦地基础上建立的,因此,用
同样方法采集了大棚附近的小麦地作为对照土壤
(CK).采集的大棚及对照土样按四分法取 1郾 5 kg
带回室内处理分析.
采集的土样风干后,去掉植物根系、落叶、石块
等杂质,用玛瑙研钵研磨,分别过 20 目、100 目尼龙
筛,贮存备用. 重金属 As、Cd、Cu、Zn、Cr、Ni 含量的
分析采用 HNO3 鄄H2O2 消煮, ICP鄄MS ( PQ鄄ExCell,
TJA Solutions, USA)仪测定. 试验过程中所用试剂
均为优级纯,试验用水为超纯水.
1郾 3摇 数据处理
根据蔬菜大棚的种植年限,将所得数据分为对
照 CK、1 ~ 4 a、5 ~ 8 a、9 ~ 12 a 4 个不同的种植年限
段进行分析,以便从总体上得出不同种植年限的菜
地土壤剖面中重金属元素的分布特征. 各种重金属
含量的统计分析均采用 SPSS 12郾 0 软件进行,显著
性检验利用 Duncan氏新复极差法(琢=0郾 05).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同种植年限下土壤剖面中重金属分布特征
从图 1 可以看出,随着土壤深度的增加,各种植
年限下的 6 种重金属含量均在一定程度上呈下降趋
势,其中以 Cd 最为明显,其在种植年限为 1 ~ 4 a、
5 ~ 8 a、9 ~ 12 a时 120 ~ 150 cm 土层中的含量分别
比相应的 0 ~ 20 cm 土层降低约 65郾 3% 、75郾 3%和
84郾 7% .对照土壤中除了 As 外,其他 5 种重金属元
素也表现出了相似的趋势,即随土壤深度的增加,各
重金属的含量呈逐渐下降趋势.以上结果说明,随着
土壤深度的增加,研究区域设施菜地中重金属含量
存在较明显的由高至低的垂直变化趋势;从不同种
植年限土壤剖面中重金属的含量比较来看,除个别
土层的某些重金属元素外,种植年限为 1 ~ 4 a、5 ~ 8
a、9 ~ 12 a各土层重金属含量与相同土层的对照相
比均较高,将各种植年限相同土层的重金属元素含
量取平均值与对照土壤比较可以发现,0 ~ 20 cm 土
层中重金属 As、Cd、Cu、Zn、Cr、Ni 含量分别比相同
土层的对照增加了 35郾 0% 、 146郾 2% 、 65郾 6% 、
36郾 4% 、21郾 5%和14郾 0% ,120 ~ 150 cm土层中重
8932 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
图 1摇 不同种植年限土壤剖面中重金属含量分布
Fig. 1摇 Distribution of heavy metal contents in the soil profile with different cultivation years.
金属 As、Cd、Cu、Zn、Cr、Ni 含量分别比对照增加约
10郾 6% 、178郾 5% 、19郾 4% 、20郾 2% 、15郾 2%和 9郾 3% .
由此可见,设施菜地中 6 种重金属元素均具有一定
的累积特性,并可能同时存在一定程度的由表层向
下层迁移的趋势.
摇 摇 将种植年限与各种重金属元素在 0 ~ 20 cm 土
层中的含量进行相关分析可以发现(图 2),重金属
Cd、Cu、Zn含量表现出随种植年限的增加而增加的
趋势,其中种植年限与Cd含量间的相互关系可用
图 2摇 表层(0 ~20 cm)土壤 Zn、Cu、Cd含量与设施年限的关系
Fig. 2摇 Relationship between Zn, Cu, Cd content in surface soil
layer (0-20 cm) and cultivation years.
y=0郾 027t+0郾 046 (R2 =0郾 6135)来表示,根据该关系
式,可以求得 0 ~ 20 cm 土层中 Cd 的累积速率为
0郾 027 mg·kg-1·a-1;种植年限与 Cu含量间的相互
关系可用y=1郾 153t+14郾 451(R2 = 0郾 4016)表示,Cu
含量的累积速率为 1郾 153 mg·kg-1·a-1;种植年限
与 Zn 含量间的相互关系可用 y=2郾 893t + 45郾 105
(R2 = 0郾 6135 ) 表 示, Zn 的 累 积 速 率 可 达 到
2郾 830 mg·kg-1·a-1 .该结果表明,在调查区域蔬菜
地 0 ~ 20 cm土层中存着重金属元素含量随种植年
限的增加而累积的现象,特别是重金属 Cd、Cu、Zn
的累积更为明显.
进一步对其他土层中重金属含量与种植年限进
行相关分析,发现二者间的相关性并不显著.这可能
与土壤剖面状况及各重金属元素的吸附、解吸特性,
形态转化规律以及其在剖面中的迁移等有很大的关
系.
2郾 2摇 土壤重金属含量与土壤有机碳的相关性
将不同种植年限、不同土层深度下土壤中各种
重金属的含量与有机碳含量间进行相关分析,发现
各种重金属的含量与土壤有机碳含量间均具有显著
的相关性(图 3),且均可以用直线方程式 Y = aX+b
来表示(式中:Y 为土壤中某种重金属的含量,单位
为 mg·kg-1;X 为土壤有机碳含量,单位为 g·
kg-1).土壤中 As、Cd、Cu、Zn、Cr、Ni含量与有机碳含
量的相关系数 ( r) 分别为 0郾 413、 0郾 559、 0郾 761、
0郾 761、0郾 524 和 0郾 400,均为极显著正相关. 这种结
99329 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李树辉等: 设施菜地重金属的剖面分布特征摇 摇 摇 摇 摇
果的原因可能是设施菜地大量施用集约化养殖场有
机肥,在使土壤有机质含量增加的同时[10],也使相
应的重金属元素在土壤中累积[12] .在上述 6 种重金
属中,土壤中 Cd、Cu、Zn 的含量与土壤有机碳含量
的相关性更显著,而这 3 种重金属也是有机肥中含
量相应较高的[13],进一步说明了土壤中重金属的累
积与有机肥的施用具有较显著的相关性.
2郾 3摇 土壤重金属含量与土壤全氮、全磷含量的相关性
将不同种植年限、不同土层深度下土壤中 6 种
重金属的含量与土壤全氮、全磷含量进行相关分析
(表 1),结果表明,土壤全氮含量与各种重金属含量
间均存在显著的正相关关系,其中,全氮含量与 As、
Cd、Cu、Zn、Cr、Ni 含量间的 r 分别为 0郾 402、0郾 465、
0郾 744、0郾 780、0郾 502、0郾 406,且均为极显著正相关.
土壤中全磷含量则与除 Ni 以外的所有重金属含量
间均存在正相关关系. 表明土壤重金属的累积可能
在一定程度上也与化肥、特别是磷肥的施用有
关[14] .同时,各种重金属相互之间亦存在一定的相
关性,如 As 含量与 Cu、Zn、Cr、Ni 含量间均存在极
显著的相关关系,但与 Cd含量无明显相关性;Cd 含
量与除 As、Ni 以外的重金属间均存在显著相关关
系,Cu、Zn、Cr 与其他所有重金属间均存在相关关
系,Ni与除 Cd 外的重金属间存在显著相关关系.这
说明相关重金属之间可能存在某种程度的同源性.
As与 Cu、Zn、Cr、Ni的累积是基本同步的,说明其在
来源上也可能存在较强的相似关系,而 Cd 与 Cu、
Zn、Cr 的累积亦存在一定的累积同步性和来源相
似性.
图 3摇 土壤重金属含量与有机碳含量的相关关系
Fig. 3摇 Correlations between heavy metal contents and organic carbon content in soil.
表 1摇 土壤重金属含量与总氮、总磷含量的相关系数
Tab. 1摇 Correlation between heavy metal contents and total N, total P contents in soil
N P As Cd Cu Zn Cr Ni
N 1
P 0郾 821** 1
As 0郾 402** 0郾 114 1
Cd 0郾 465** 0郾 436** 0郾 158 1
Cu 0郾 744** 0郾 631** 0郾 746** 0郾 315** 1
Zn 0郾 780** 0郾 633** 0郾 696** 0郾 406** 0郾 883** 1
Cr 0郾 502** 0郾 271** 0郾 845** 0郾 309** 0郾 772** 0郾 777** 1
Ni 0郾 406** 0郾 067 0郾 923** 0郾 131 0郾 720** 0郾 689** 0郾 905** 1
**P<0郾 01.
0042 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 不同种植年限菜地土壤剖面中重金属的分布
从本研究结果来看,设施菜地中重金属 As、Cd、
Cu、Zn、Cr、Ni均不同程度地存在由表层向下层土壤
垂直迁移的现象,在一定程度上增加了土壤重金属
淋溶至地下水的风险,但随着种植年限的继续延长,
土壤中的重金属是否存在向更下层土体的迁移还有
待进一步研究.大量研究发现,长期施用有机物料后
的土壤,重金属均有由表层向深层土壤迁移的现
象[15-16] .设施菜地属于有机肥投入较高而土壤有机
质丰富的土壤.据研究,森林土壤有机质层淋溶液对
土壤金属元素有很大的解吸作用[17],与此同时,施
用有机肥可产生大量的可溶性有机质(dissolved or鄄
ganic matter, DOM) [18], 导致重金属的活性增
强[19-22],也加速了重金属的迁移. 如据 Kalbitz 和
Wennrich[22]的研究表明,土壤剖面中 Cr、Hg、Cu、As
的含量与 DOM 含量呈正相关. 本研究土壤剖面中
各重金属含量与土壤有机碳含量呈显著正相关,表
明有机质与重金属含量密切相关,有机质含量高的
土壤中重金属的迁移能力可能也较强. 另有研究表
明,干湿交替及淹水条件会使土壤溶液中 DOM 浓
度升高[23],温度升高可导致 DOM 的淋滤作用增
强[24],从而使土壤中的重金属等污染物随着 DOM
向土壤深层迁移[25] .此外,当灌溉或降雨时,土壤剖
面中由根孔、结构孔隙形成的水分优势流可促进重
金属向深层土壤迁移[26-27] .由此看来,高温环境、干
湿交替、频繁灌溉以及土壤有机质累积等因素均可
导致设施菜地土壤重金属向下层迁移,并可能会对
地下水安全构成威胁.
3郾 2摇 设施菜地中重金属累积的原因
根据此前相关学者的研究结果,导致菜地土壤
中重金属累积的原因主要是污水灌溉、工矿活动、汽
车尾气排放等.近年来,设施菜地重金属的累积及其
安全风险问题正逐步引起业界的关注[28] .在本研究
中,设施菜地中重金属出现了一定的累积趋势,尤以
耕层土壤(0 ~ 20 cm)的累积较严重,且各种重金属
的含量均有随种植年限增加而逐步升高的趋势,这
与以往的诸多研究结果是一致的[29-30] .设施菜地由
于长期处于半封闭的生产环境,具有气温高、湿度
大、复种指数高、肥料等生产资料投入量多等特点,
其人为干扰强度明显高于传统生产方式下的蔬菜
地. 本研究中设施菜地有机肥施用量平均达
221郾 1 t·hm-2·a-1,经统计分析,有机肥施用量与
Cu含量间呈显著正相关,其相互关系可用 y =
0郾 0042x+20郾 585(R2 = 0郾 3048)表示[其中,y 为土壤
中 Cu含量(mg·kg-1);x为设施菜地中多年有机肥
的总施用量(t·hm-2)].这表明有机肥的施用可能
在一定程度上直接导致了土壤中 Cu 的累积,但有
机肥的施用量与其他几种重金属元素含量间未发现
显著相关.同时,根据以往的研究[31],由于不同类型
或来源的有机肥其重金属含量的差异,其对土壤中
相应重金属含量的影响亦有较大差异,其中以施用
集约化养殖场的猪粪和鸡粪等的影响较大,说明有
机肥、特别是集约化养殖场猪粪、鸡粪的大量施用,
可能是当地重金属累积的重要原因之一.
4摇 结摇 摇 论
设施菜地 0 ~ 150 cm剖面中重金属存在一定的
累积趋势,从剖面分布看,表层和亚表层重金属的含
量明显较高,随着土层深度的增加,重金属含量呈现
出不断降低的趋势;与对照比较,相同土层设施菜地
中重金属含量明显较高,这可在一定程度上给地下
水安全带来环境风险.
设施菜地 0 ~ 20 cm 土层中,重金属 Cd、Cu、Zn
的含量随种植年限的增加呈现出累积的趋势,相关
分析表明,其含量与种植年限具有显著正相关关系.
设施菜地中重金属 As、Cd、Cu、Zn、Cr、Ni 的含
量与土壤有机碳、全氮含量间具有显著正相关,除
Ni以外的其他 5 种重金属含量与全磷含量呈极显
著相关,其结果在一定程度上预示着集约化养殖场
的猪粪、鸡粪等的大量施用可能将在某种程度上导
致设施菜地重金属的累积.
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作者简介摇 李树辉,男,1975 年生,博士研究生.主要从事农
业环境演变与调控研究,发表论文 4 篇. E鄄mail: lish@ most.
cn.
责任编辑摇 肖摇 红
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