全 文 ：中国生态农业学报 2015年 7月 第 23卷 第 7期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jul. 2015, 23(7): 877885


* 环保公益性行业科研专项(201309036)和国家科技专题项目(2012BAD14B01)资助
** 通讯作者: 吕贻忠, 研究方向为土壤化学、土壤污染及退化等。E-mail: lyz@cau.edu.cn
姜瑢, 主要研究有机农业土壤质量。E-mail: jrong15@163.com
收稿日期: 20141216 接受日期: 20150429
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.141436
华北地区有机种植和常规种植模式下土壤
重金属含量及污染评价*
姜 瑢 吕贻忠** 申思雨
(中国农业大学资源与环境学院 北京 100193)
摘 要 为探讨有机种植与常规种植两种不同种植方式对土壤重金属含量和污染特性的影响, 本文在华北 5
个地区选取典型的有机蔬菜和有机小麦种植基地及附近相似条件的常规种植地块, 比较了土壤中 Cu、Zn、Pb、
Cr、Cd、As 共 6 种重金属含量的差异, 并采用不同评价方法对不同种植方式下土壤中重金属的污染程度进行
了评价。结果表明: 与常规种植相比, 有机种植减轻了土壤酸化和盐渍化, 提高了土壤有机质含量和阳离子交
换量, 在一定程度上有利于降低土壤中重金属的生物有效性。与土壤背景值相比, 所有调查地区的土壤重金属
均有不同程度的增加和积累。与常规种植相比, 有机种植模式能有效降低土壤中 Cd、Cr 含量, 有机小麦种植
地块因长期施用大量有机肥导致土壤中 Cu、Zn、As 大量富集; 而常规温室菜田同时施用大量的有机肥、化肥
及农药, 土壤中 Cu、Zn、As 富集的风险比有机种植模式高; 露天蔬菜有机种植地块土壤中 Cu、Zn、As 含量
与常规地块差异不明显。综合污染指数评价结果显示, 调查地区土壤均属于轻污染程度, 主要贡献因子为 Cd、
Cu、Zn, 有机种植降低了土壤中重金属的综合污染水平; 地累积指数法评价结果表明, 调查地区处于无污染到
中等污染水平, 最明显的污染元素是 Cd, 有机种植降低了土壤中重金属污染的程度和风险; 潜在生态危害指
数评价结果表明, 所调查地块存在轻微潜在生态风险, 其中产生较大生态危害的是 Cd, 表现出轻微生态危害
程度。本研究表明, 有机种植减轻了土壤中重金属综合污染水平和污染风险, 并减轻了土壤重金属的潜在生态
危害。
关键词 有机种植 常规种植 土壤 重金属 污染评价
中图分类号: S159.3; S152.4+5; S151.9+3 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2015)07-0877-09
Assessment of heavy metal content and pollution in organic and
conventional farming soils in North China
JIANG Rong, LYU Yizhong, SHEN Siyu
(College of Resource and Environment, China Agriculture University, Beijing 100193, China)
Abstract To study the effects of conventional and organic farming systems on soil heavy metals contents and heavy metals
pollution degree, an experiment was conducted in typical organic and conventional vegetable and wheat fields in five regions of
North China (Suning, Quzhou of Hebei Province; Feicheng, Gaotang, and Cao County of Shandong Province). The contents of Cu,
Zn, Pb, Cr, Cd and As in 020 cm soils under conventional and organic cropping systems of greenhouse vegetable, open-air
vegetable and wheat were measured in the five regions. The pollution degrees of heavy metals under different cropping systems were
assessed by using single and comprehensive pollution indexes, geo-accumulation index, and potential ecological hazard coefficient
and potential ecological risk index. The results showed that compared with conventional farming, organic farming balanced soil pH,
alleviated soil salinization, significantly increased soil organic matter content and cation exchange capacity (CEC) and reduced
biological effectiveness of heavy metals in soils in different regions. Also compared with background values, soil contents of heavy
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metals increased and accumulated to different degrees in five regions. Compared with conventional farming, organic farming
effectively reduced contents Cr and Cd in soil. There was obvious enrichment and accumulation of Cu, Zn and As in organic wheat
fields because of long-term application of large amounts of organic manure. The use of large quantities of organic manure, chemical
fertilizers and pesticides in conventional greenhouse vegetable fields increased the accumulation of Cu, Zn and As in soil than in
organic greenhouse vegetation fields. The contents of Cu, As and Zn in open-air organic vegetable fields were not significantly
different from those in conventional vegetable fields. The comprehensive pollution index evaluation showed that soils in different
investigated regions were lightly polluted and the main contributors were Cd, Cu and Zn. The geo-accumulation index evaluation
showed no-pollution to moderate pollution levels in the investigated fields of different regions. Cd is the most obvious pollution
heavy metal. Potential ecological hazard index assessment showed a slight potential of ecological risk in the investigated regions and
that Cd had a higher ecological risk and showed a slight ecological damage. The research results showed that compared with
conventional farming, organic farming comprehensively reduced pollution levels and pollution risks of heavy metals and alleviated
ecological hazards of heavy metal in soils in the investigated regions.
Keywords Organic farming; Conventional farming; Soil; Heavy metal; Pollution assessment
(Received Dec. 16, 2014; accepted Apr. 29, 2015)
良好的土壤环境是保证农产品质量安全的前提,
目前重金属对土壤环境的污染已经引起国际社会的
广泛关注。重金属污染物在土壤中移动性差、滞留
时间长、不能被微生物降解, 重金属累积量的增加
不但会造成土壤污染, 影响农产品产量与品质, 而
且可通过食物链危害动物和人类的生命和健康[12]。
有机农业有多种种植方式, 不同种植方式下水肥管
理等存在明显差异, 研究有机种植土壤中重金属含
量特征, 对控制有机种植土壤重金属污染, 保证有
机食品质量安全具有重要意义。国外开展了大量有机
农产品与常规农产品中重金属含量的比较研究 [35],
大部分研究发现与常规农产品相比, 有机产品中重
金属含量低, 污染风险小, 有机食品相对更加安全。
在国内一些有机肥与无机肥的比较研究较多, 且以
施肥为研究对象的长期定位试验较多 [69], 但是鲜
有人研究有机种植和常规种植两种不同种植方式下
土壤重金属含量特征, 针对其重金属污染的评价更
少。本研究同时选取典型的有机蔬菜与有机小麦种
植基地及附近条件相似的常规种植地块, 其中包括
温室菜田、露天菜田、普通粮田 3种不同种植模式,
通过实地调查取样, 比较了不同种植体系下土壤中
重金属含量差异 , 并采用多种评价方法进行评价 ,
为有机种植中重金属污染的控制提供理论依据, 促
进我国有机农业的健康发展。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
本研究在华北地区选择了河北省沧州市肃宁县
有机蔬菜种植基地(115°50′14.3′′E, 38°23′43.2′′N)、山
东省泰安市肥城市有机蔬菜种植基地(116°55′7.6′′E,
38°23′43.2′′N)、河北省邯郸市曲周县有机小麦种植
基地(115°0′50.1′′E, 36°51′55.7′′N)、山东省聊城市高
唐县有机小麦种植基地(116°16′41.0′′E, 36°50′10.0′′N)、
山东省菏泽市曹县有机小麦种植基地(115°34′54.3′′E,
34°50′40.8′′N)作为研究对象, 调查地区详细信息见
表 1。5个调查地区均属温带大陆性季风气候, 年平
均气温 12~14 , ℃ 年降水量 500~750 mm, 无霜期
200 d左右, 年平均日照 2 300~2 900 h。所选的 5个
有机基地在实施有机种植以前与周围相邻常规种植
地块的土壤性状、土地利用方式以及种植作物等方
面基本一致。
1.2 研究方法
1.2.1 土壤样品的采集与前处理
每个有机种植基地与常规种植地块各设 4 个小
区 , 每个小区内采取棋盘式布点取样 , 均匀采集
0~20 cm的土壤, 样品采集时间为 2014年 5月。多
点混合后的样品按四分法取舍, 保留 1 kg 左右, 用
塑封袋装好带回室内。土壤样品经自然风干, 去除
石砾和作物根系残渣 , 按要求磨细分别过孔径为
2 mm和 0.15 mm的尼龙筛, 用于测定土壤常规理化
性质和重金属含量。
1.2.2 土壤理化性质及重金属含量测定
土壤质地采用吸管法 , pH 采用 pH 计测定(水
土比为 2.5︰1), 电导率 (EC)采用电导率仪测定
(水土比为 5︰1), 土壤有机质采用重铬酸钾滴定
法测定 , 阳离子交换量 (CEC)采用乙酸钠火焰光
度法测定 [10]。
土壤中 Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As 的含量用电
感耦合等离子体质谱仪 (Agilent ICP-MS 7500ce,
Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)测定。土
壤样品在高压消解罐中用氢氟酸双氧水硝酸进行
前处理, 测定过程中采用国家标准土样 GBW07427
进行质量监控。
第 7期 姜 瑢等: 华北地区有机种植和常规种植模式下土壤重金属含量及污染评价 879


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表 1 调查地区不同种植模式基本情况
Table 1 Basic situations of different cropping systems in the investigated regions
地区
Region
种植方式
Cropping
system
有机种植
时间
Organic
cropping time
种植模式
Cropping
pattern
当季作物
Cultivatio
n crop
主要施用肥料及施肥量
Application of fertilizer
主要施用农药
Application of pesticide
有机
Organic
40%牛粪, 20%猪粪和 40%鸡粪混合发酵有机肥 75 t·hm2
Organic compost 75 t·hm2 (including 40% cow manure, 20%
pig manure , 40% chicken manure)
无 None
肃宁
Suning
常规
Conventional
2010 温室蔬菜
Green-
house
vegetable
番茄
Tomato
猪粪 60 t·hm2, 复合肥 1.125 t·hm2
Pig manure 60 t·hm2, compound fertilizer 1.125 t·hm2
可杀得、百菌清等杀菌剂及菊酯类杀
虫剂等
Kocide chlorothalonil and pyrethroid
insecticides
有机
Organic
毛豆仁加工下脚料与牛粪、猪粪、鸡粪发酵有机肥 15 t·hm2
15 t·hm2 organic compost fermented with livestock manure and
soybean residues
除虫菊素生物农药
Biological pesticide pyrethrin
肥城
Feicheng
常规
Conventional
1997 露天蔬菜
Open-air
vegetable
毛豆
Green
soybean
毛豆仁加工下脚料与牛粪、猪粪、鸡粪发酵有机肥 15 t·hm2,
复合肥 700 kg·hm2
15 t·hm2 organic compost fermented with livestock manure
and soybean residues, and 700 kg·hm2 compound fertilizer
苦参碱
Matrine
有机
Organic
70%鸡粪、30%菇渣混合发酵有机肥 45 t·hm2
45 t·hm2 organic compost fermented with 70% chicken
manure and mushroom residue
苦参碱生物农药
Matrine biological pesticides
曲周
Quzhou
常规
Conventional
2011 普通粮田
Grain field
小麦
Wheat
复合肥 825 kg·hm2, 尿素 300 kg·hm2
Compound fertilizer 825 kg·hm2, urea 300 kg·hm2
毒蚜螨、三唑酮、吡虫啉、马拉硫磷等
Phostex, triazolone, imidacloprid,
malathion and so on
有机
Organic
牛粪兔粪混合发酵的有机肥 75 t·hm2
Cow and rabbit manure compost 75 t·hm2
苦参碱生物农药
Matrine biological pesticides
高唐
Gaotang
常规
Conventional
2009 普通粮田
Grain field
小麦
Wheat
复合二铵 750 kg·hm2, 尿素 450 kg·hm2
Diammonium 750 kg·hm2, urea 450 kg·hm2
毒蚜螨、三唑酮、吡虫啉、马拉硫磷等
Phostex, triazolone, imidacloprid,
malathion and so on
有机
Organic
牛粪发酵堆肥 15 t·hm2, 发酵沼液 75~90 t·hm2
Cow mature compost 15 t·hm2, biogas slurry 7590 t·hm2
除螨素生物农药
Murvesco biological pesticides
曹县
Caoxian
常规
Conventional
1994 普通粮田
Grain field
小麦
Wheat
复合肥 750 kg·hm2, 尿素 300 kg·hm2
Compound fertilizer 750 kg·hm2, urea 300 kg·hm2
毒蚜螨、三唑酮、吡虫啉、马拉硫磷等
Phostex, triazolone, imidacloprid,
malathion and so on

1.2.3 土壤重金属污染评价
为了准确评价不同种植方式对土壤环境的影响 ,
本研究选取表 2 中河北省和山东省土壤背景值作为
评价标准来评价土壤环境质量, 评价方法采用单因
子指数法、内梅罗综合污染指数法、地累计指数法、
潜在生态危害指数法。
表 2 土壤重金属背景值及国家等级标准
Table 2 Soil background values and soil environmental quality standards of heavy metals μgg1
Cr Cd Cu Zn As Pb
山东省土壤背景值
Soil background value of Shandong Province
68.3 0.094 21.8 78.4 13.6 21.5
河北省土壤背景值
Soil background value of Hebei Province
66.0 0.084 24.0 63.5 9.3 25.8
土壤质量环境国家Ⅰ级标准
National primary soil environmental quality standard
90 0.2 35 100 15 35
土壤环境质量国家Ⅱ级标准(6.5National second soil environmental quality standard (6.5200 0.3 100 250 30 300
土壤环境质量国家Ⅱ级标准(pH>7.5)
National second soil environmental quality standard (pH>7.5)
250 0.6 100 300 25 350

1.2.3.1 单因子指数法与内梅罗综合污染指数法
单因子指数法是目前国内通用的一种重金属污
染评价的方法[11], 单因子污染指数 Pi≤1, 污染等级
为清洁, Pi>1为污染水平, 且 Pi越大, 污染越严重。
为全面反映各重金属元素对土壤的不同作用, 突出
高浓度重金属元素对环境质量的影响, 采用内梅罗
(N. L. Neiow)综合污染指数法 [12], 综合污染指数
P≤0.7污染等级为安全, 0.7≤P≤1污染等级为警戒
水平, 1≤P≤2污染等级属于轻污染, 2≤P≤3时达
到中污染等级, P越大污染越严重。
880 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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1.2.3.2 地累积指数法
地累积指数法(index of geo-accumulation, Igeo)
最早是由Muller于 1969年提出用于评价沉积物中重
金属的含量, 通常也称为 Muller 指数[13]。不仅考虑
了人为污染因素、环境地球化学背景值, 还特别考
虑到自然成岩作用对背景值的影响[14]。地累积指数
Igeo≤0 时 , 属于无污染程度 , 风险级别为 0, 0<
Igeo≤1 时污染程度为轻度中等污染, 风险级别为
1, Igeo值越大污染程度越大, 风险级别越高。
1.2.3.3 潜在生态危害指数法
潜在生态风险指数法 (potential ecological risk
index, RI)是由瑞典科学家 Hakanson 提出来的用于
评价土壤中重金属的方法[15], 不仅反映了某一特定
环境中各种污染物的影响, 也反映了多种污染物的
综合影响 , 并以定量的方法划分出潜在危害程度 ,
是一种综合反映土壤中重金属对生态环境影响潜力
的方法[16]。单项潜在生态风险指数 Ei<40 属于轻微
生态危害, 40≤Ei <80属于中等生态危害, 多种重金
属潜在生态风险指数 RI<150 处于轻微生态危害, Ei
和 RI值越大, 生态危害程度越大。
1.2.4 数据处理与分析
数据分析使用 SAS 软件进行处理, 采用单因素
方差分析, 进行多重比较。
2 结果与分析
2.1 不同种植方式下土壤基本理化性质
由表 3 所示 , 调查基地土壤质地均为粉质壤
土 , 土壤类型主要为潮土和棕壤 , 蔬菜基地土壤
pH为中性 , 粮田基地土壤 pH为弱碱性 , 蔬菜基地
土壤 pH 低于粮田土壤。土壤电导率反映土壤盐分
的累积状况 , 常规种植地块土壤电导率高于有机
基地 , 主要因为常规地块施用大量化肥 , 化肥的
副成分残留及转化物造成可溶性盐分含量增加。
有机种植基地施用大量有机肥 , 土壤有机质含量
明显高于常规种植地块 , 土壤黏粒含量略有所增
加。土壤阳离子交换量是土壤复合胶体的属性 , 与
土壤保水保肥能力和缓冲能力密切相关 , 与重金
属元素在土壤的允许容量也相关 , 相比常规地块 ,
有机种植基地土壤阳离子交换量大 , 土壤保肥及
缓冲能力强。
表 3 不同调查地区不同种植方式下土壤基本理化性质
Table 3 Physical and chemical properties of soils under two cropping systems in different regions
地区
Region
种植方式
Cropping system
类型
Type
质地
Texture
黏粒含量
Silt content
(%)
pH
电导率
Electrical
conductivity
(dsm1)
阳离子交换量
Cation exchange
capacity
(cmolk1)
有机质
Organic matter
(gkg1)
有机种植
Organic
潮土
Flucvo-aquic soil
粉质壤土
Silty loam
22.78±2.18a 7.18±0.04b 0.48±0.07b 17.36±0.73a 28.07±1.98a肃宁
Suning
常规种植
Conventional
潮土
Flucvo-aquic soil
粉质壤土
Silty loam
21.06±1.85a 7.42±0.15a 0.74±0.02a 16.66±0.18b 23.56±2.35b
有机种植
Organic
棕壤
Brown soil
粉质壤土
Silty loam
22.14±1.69a 7.07±0.03a 0.12±0.01b 11.54±0.62a 14.72±1.35a肥城
Feicheng
常规种植
Conventional
棕壤
Brown soil
粉质壤土
Silty loam
21.54±1.45a 7.05±0.02a 0.18±0.01a 11.33±0.45a 12.40±1.56b
有机种植
Organic
潮褐土
Salinization brown soil
粉质壤土
Silty loam
22.25±1.91a 8.13±0.06a 0.16±0.02a 14.72±0.83a 14.96±1.23a曲周
Quzhou
常规种植
Conventional
潮褐土
Salinization brown soil
粉质壤土
Silty loam
21.84±1.68a 8.36±0.05a 0.15±0.01a 14.15±0.95a 13.36±0.98b
有机种植
Organic
潮土
Flucvo-aquic soil
粉质壤土
Silty loam
20.44±2.99a 8.41±0.03a 0.11±0.01a 15.84±0.63a 20.93±1.74a高唐
Gaotang
常规种植
Conventional
潮土
Flucvo-aquic soil
粉质壤土
Silty loam
19.05±1.19a 8.34±0.02a 0.12±0.01a 14.76±0.56b 15.25±1.16b
有机种植
Organic
棕壤
Brown soil
粉质壤土
Silty loam
23.09±1.77a 8.11±0.09a 0.22±0.02b 18.11±058a 31.73±2.94a曹县
Caoxian
常规种植
Conventional
棕壤
Brown soil
粉质壤土
Silty loam
22.79±1.95a 7.96±0.04b 0.25±0.03a 15.23±1.08b 17.66±0.74b
不同小写字母表示在 0.05水平差异显著, 下同。Different lowercase letters stands for significant difference at 0.05 level, the same below.

2.2 不同种植方式下土壤中重金属含量特征
表层土壤重金属积累的变化受成土母质和人为
资源输入的影响极大, 而且重金属累积目前是很受
关注的土壤污染之一[17]。本研究测定了土壤中 6 种
主要重金属污染物的含量, 由表 4 所示, 与河北省
和山东省土壤背景值[18]相比, 土壤中重金属有不同
程度的增加和积累, 且以 Cd 最为严重, 其次是 Cu
和 Zn。相比普通粮田土壤, 温室菜田土壤中重金属
积累的程度更明显, 但基本没有超过土壤环境质量
国家Ⅱ级标准[19], 符合国家农产品产地环境标准的
第 7期 姜 瑢等: 华北地区有机种植和常规种植模式下土壤重金属含量及污染评价 881


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要求, 有机种植基地中, 只有曹县有机基地土壤 As
含量、曲周有机基地 Cr含量超过国家Ⅰ级标准。
从土壤中 Cu、Zn、As的测定结果看, 在曲周、
高唐、曹县地区普通粮田有机小麦种植基地土壤中
的 Cu、Zn、As 含量相比常规地块有不同程度的富
集, 肥城地区露天菜田有机基地土壤中 Cu、Zn、As
含量略低于常规地块, 肃宁地区温室菜田有机种植
基地土壤中 Zn、Cu、As 的含量明显低于常规种植
地块, 分别降低 47.59%、28%、13.69%。曲周、高
唐、曹县 3 个有机小麦种植基地与常规种植地块相
比, 土壤中 Cu含量分别提高 1.94%、5.59%、32.33%,
Zn含量分别提高 2.05%、12.69%、24.11%, As含量
提高 4.30%、14.63%、80.44%, 曹县有机基地进行
有机种植时间最长、而且施肥量最大, 富集效应相
对最明显。
由土壤中 Cr、Cd、Pb含量的测定结果看, 在调
查地区, 有机种植基地土壤中 Cr、Cd含量在不同程
度上低于常规种植地块, 有机种植基地土壤中 Pb含
量略高于常规地块。5 个调查地区有机种植基地土
壤中 Cd含量分别低于常规地块 38%、7.14%、6.67%、
11.82%、10.53%, 土壤中 Cr含量分别低于常规地块
8.36%、0.2%、7.69%、37.98%、15.32%。
表 4 不同调查地区不同种植方式下土壤中 6种重金属含量
Table 4 Heavy metals contents of soils under two cropping systems in different regions μgg1
地区
Region
种植方式
Cropping system
Cr Cd Cu Zn As Pb
有机种植 Organic 44.63±4.35a 0.09±0.03b1) 33.72±2.83b1) 93.44±7.61b1) 4.16±0.89a 21.39±0.93a 肃宁
Suning 常规种植 Conventional 48.70±6.04a 0.15±0.02a1) 64.34±5.55a1)2) 129.78±4.89a1)2) 4.82±0.82a 19.78±0.72a
有机种植 Organic 58.57±2.38a 0.13±0.02a1) 20.25±3.21a 58.29±3.23a 4.49±0.58a 24.81±1.32a1) 肥城
Feicheng 常规种植 Conventional 58.69±3.76a 0.14±0.03a1) 20.39±2.57a 59.38±2.18a 4.56±0.45a 24.09±0.78a1)
有机种植 Organic 99.79±3.25b1)2) 0.14±0.02a1) 21.52±1.13a 69.58±5.26a1) 4.85±0.93a 24.76±0.85a 曲周
Quzhou 常规种植 Conventional 108.10±4.26a1)2) 0.15±0.03a1) 21.11±2.06a 68.18±4.31a1) 4.65±0.35a 24.61±0.27a
有机种植 Organic 42.73±2.57b 0.10±0.03a1) 20.78±0.35a 58.86±3.75a 12.69±0.67a 22.05±1.08a1) 高唐
Gaotang 常规种植 Conventional 68.90±2.14a 0.16±0.04a1) 19.68±0.44a 52.23±3.93b 11.07±0.51a 20.72±0.26a
有机种植 Organic 52.66±6.27b 0.17±0.03a1) 31.15±3.56a1) 79.44±5.61a1) 17.34±0.25a1) 23.57±0.95a1) 曹县
Caoxian 常规种植 Conventional 62.19±1.14a 0.19±0.07a1) 23.54±1.84b1) 64.01±3.34b1) 9.61±1.44b 21.82±0.87b1)
1): 超过土壤背景值; 2): 超过土壤环境质量国家Ⅰ级标准(见表 2)。“1)” means exceeding the background value; “2)” means exceeding
national primary soil environmental quality standards (Table 2).

2.3 不同种植方式下土壤中重金属污染评价
2.3.1 单因子指数法与内梅罗综合污染指数法
从表 5 中单因子污染指数的结果看, 只有肃宁
常规温室菜田土壤中 Cu和曹县地区土壤中 Cd的 Pi
大于 2, 属于中污染水平, 其他属于轻污染或清洁水
平。5 个调查地区除了肃宁常规种植地块综合污染
指数大于 2, 达到中污染, 其他综合污染指数均在
1~2之间 , 属于轻污染 , 其中主要贡献因子是 Cd、
表 5 不同调查地区不同种植方式土壤重金属的污染指数
Table 5 Pollution indexes of heavy metals in soils of two cropping systems in different regions
单因子污染指数(Pi) Single pollution index 地区
Region
种植方式
Cropping system Cr Cu Zn As Cd Pb
综合污染指数(P)
Comprehensive pollution index
有机种植 Organic 0.65 1.551) 1.191) 0.31 0.99 0.99 1.281) 肃宁
Suning 常规种植 Conventional 0.71 2.951)2) 1.661) 0.35 1.601) 0.92 2.301)2)
有机种植 Organic 0.89 0.84 0.92 0.48 1.551) 0.93 1.281) 肥城
Feicheng 常规种植 Conventional 0.89 0.85 0.94 0.49 1.671) 0.96 1.361)
有机种植 Organic 1.461) 0.99 0.89 0.36 1.491) 1.151) 1.291) 曲周
Quzhou 常规种植 Conventional 1.581) 0.97 0.87 0.34 1.601) 1.141) 1.361)
有机种植 Organic 0.65 0.87 0.93 1.361) 1.151) 0.85 1.071) 高唐
Gaotang 常规种植 Conventional 1.041) 0.82 0.82 1.191) 1.311) 0.80 1.161)
有机种植 Organic 0.80 1.301) 1.251) 1.861) 2.021)2) 0.91 1.721) 曹县
Caoxian 常规种植 Conventional 0.94 0.98 1.011) 1.031) 2.261)2) 0.85 1.801)
1): 污染等级为轻污染; 2): 污染等级为中污染。“1)” means the light pollution degree; “2)” means the moderate pollution degree.
882 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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Zn、Cu。5 个有机种植基地土壤综合污染指数均小
于常规种植地块, 说明有机种植方式有利于降低土
壤的综合污染水平。肃宁有机温室菜田的综合污染
指数与常规种植地块差异最明显, 说明与常规种植
方式相比, 有机温室菜田比有机露天菜田和有机粮
田更明显地降低了土壤重金属的综合污染水平。
2.3.2 地累积指数法
从表 6 中地累积指数的结果看, 在调查地区,
土壤中重金属多数处于无污染到中等污染程度范围
内。Pb 元素地累积指数均小于 0, 均未对土壤造成
污染。肃宁有机基地只有 Cu 处于轻度~中等污染程
度, 肃宁常规地块 Cu、Zn 和 Cd 处于轻度~中等污
染程度。肥城有机基地与常规地块 Cd 元素处于轻
度~中等污染。曲周有机基地各元素均未对土壤造成
污染, 曲周常规地块的 Cr 和 Cd 达到轻度~中等污
染。高唐有机基地与常规地块各元素地累积指数均
小于 0, 处于无污染水平。曹县有机基地 As 和 Cd
元素处于轻度~中等污染程度, 常规地块 Cd 处于轻
度~中等污染水平。考虑到自然成岩作用可能会引起
土壤背景值变动, 在调查地区最明显的污染元素主
要是 Cd, 整体上相比常规种植, 有机种植降低了土
壤中重金属污染的程度和风险。
表 6 不同调查地区不同种植方式土壤重金属的地累积指数
Table 6 Geo-accumulation indexes of heavy metals in soils of two cropping systems in different regions
地累积指数(Igeo) Index of geo-accumulation 地区
Region
种植方式
Cropping system Cr Cu Zn As Cd Pb
有机种植 Organic 1.20 0.041) 0.33 2.29 0.60 0.59 肃宁
Suning 常规种植
Conventional
1.07 0.981) 0.141) 2.08 0.091) 0.71
有机种植 Organic 0.76 0.83 0.71 1.64 0.051) 0.68 肥城
Feicheng 常规种植
Conventional
0.75 0.82 0.68 1.61 0.151) 0.64
有机种植 Organic 0.04 0.60 0.76 2.07 0.01 0.38 曲周
Quzhou 常规种植
Conventional
0.081) 0.63 0.79 2.13 0.091) 0.39
有机种植 Organic 1.21 0.79 0.69 0.14 0.38 0.81 高唐
Gaotang 常规种植
Conventional
0.52 0.87 0.87 0.33 0.20 0.90
有机种植 Organic 0.91 0.21 0.26 0.311) 0.431) 0.72 曹县
Caoxian 常规种植
Conventional
0.67 0.61 0.57 0.54 0.591) 0.83
1): 污染程度为轻度~中等污染, 风险等级为 1。1): The pollution degree is lightmoderate, and the risk of pollution level is 1.

2.3.3 潜在生态危害指数法
从潜在生态危害系数的结果 (表 7)可以看出 ,
在调查地区土壤中潜在生态风险最大的元素为 Cd,
表现出轻微生态危害程度, 其次是As、Cu和 Pb, 危
害程度最小的是 Zn、Cr。除了肃宁有机基地和高
唐有机基地与高唐常规地块 , 其他各地土壤中 Cd
元素 Ei 值为 40~60, 对于生态系统存在轻微的风
险。其他各元素的 Ei<40, 均未造成生态系统的风
险。潜在生态危害指数 RI 可以表征重金属元素对
当地生态系统的影响 , 可以反映总的污染造成的
生态风险。如表 7 所示 , 调查地区 6 种重金属的综
合潜在生态风险指数 RI<150, 属于轻微潜在生态
危害程度 , 除了曹县有机基地潜在生态危害指数
略高于常规种植地块 , 其他有机种植基地土壤中
重金属的潜在生态危害指数低于常规种植地块 ,
其中肃宁有机温室蔬菜基地与常规地块之间的差
异最明显。
3 讨论
本文研究结果表明, 与常规种植相比, 有机种
植有利于保持土壤 pH, 减缓土壤酸化和盐渍化, 提
高了土壤有机质含量、阳离子交换量和黏粒含量。有
效态是重金属在土壤中较活跃的形态, 决定了其生
物有效性及环境风险程度, 而重金属在土壤中的形
态受土壤本身特性的影响, 与土壤施肥条件有关[20]。
大量研究表明, 土壤中有机质对重金属离子有较强
的亲和势, 有机质能提供阳离子交换位, 有机质基
团和官能团与重金属易形成络合物[21], 土壤阳离子
交换量增大促进土壤胶体对土壤重金属离子的吸附
固定作用, 土壤黏粒含量提高, 会降低重金属在土
壤中的移动 [22], 电导率较高时, 土壤中可交换离子
含量高, 易发生与重金属离子的相互替换。因此, 有
机种植在一定程度上有利于降低土壤中重金属的生
物有效性。
第 7期 姜 瑢等: 华北地区有机种植和常规种植模式下土壤重金属含量及污染评价 883


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表 7 不同调查地区不同种植方式土壤中重金属的潜在生态危害系数和潜在生态危害指数
Table 7 Potential ecological hazard coefficients and potential ecological risk indexes of heavy metals in soils of different cropping
systems in different regions
潜在生态危害系数(Ei) Potential ecological hazard coefficient 地区
Region
种植方式
Cropping system Cr Cu Zn As Cd Pb
潜在生态危害指数(RI)
Potential ecological risk
index
有机种植 Organic 1.31 7.73 1.19 3.06 29.68 4.97 47.95 肃宁
Suning 常规种植
Conventional
1.43 14.76 1.66 3.54 47.871) 4.60 73.85
有机种植 Organic 1.77 4.22 0.92 4.83 46.431) 4.67 62.84 肥城
Feicheng 常规种植
Conventional
1.78 4.25 0.94 4.90 50.001) 4.81 66.67
有机种植 Organic 2.92 4.94 0.89 3.57 44.681) 5.76 62.75 曲周
Quzhou 常规种植
Conventional
3.17 4.84 0.87 3.42 47.871) 5.72 65.89
有机种植 Organic 1.29 4.33 0.93 13.65 34.64 4.27 59.11 高唐
Gaotang 常规种植
Conventional
2.09 4.10 0.82 11.90 39.29 4.02 62.21
有机种植 Organic 1.60 6.49 1.25 18.65 60.711) 4.57 93.26 曹县
Caoxian 常规种植
Conventional
1.88 4.90 1.01 10.33 67.861) 4.23 90.22
1)表示生态风险为轻微生态危害。1) means that the ecological risk belongs to slight degree.

从重金属的测量结果来看, 不同种植方式下土
壤中各重金属含量存在一定差异。在调查地区, 有
机种植降低了 Cr、Cd在土壤中富集的风险。陈海燕
等[23]测试了市场中常售的化肥中各重金属含量, 研究表
明复合肥中含有大量 Cr, 平均含量高达 84.2 mg·kg1。黄
青青等[24]调查了我国磷肥中重金属含量, 发现磷肥
尤其是进口磷肥中重金属Cd含量较高, 大量施用的
化肥是土壤中 Cd 和 Cr 的重要来源。本研究中, 有
机种植基地限制化肥的施用, 减少了 Cd 和 Cr 元素
进入土壤的途径 , 使其在土壤中的含量相对下降 ,
降低了这些元素在土壤中的威胁, 而常规种植地块
施用化肥, 因此导致这些元素在土壤中富集, 这与
多数研究结果一致[67]。土壤中 Pb 主要来源于大气
沉降和污泥的施用, 而调查地区均远离公路和矿区,
也没有施入污泥等固体废弃物, 有机基地土壤中 Pb
含量只是略高于常规地块, 无明显差异。
目前, 集约化畜禽养殖业广泛使用的饲料添加
剂中含有大量的 Cu、Zn、As等重金属, 动物不能完
全吸收, 大部分随粪便排出体外, 制成的有机肥中
这些元素含量很高。张树清等[25]、刘荣乐等[26]、陈
丽娜等[27]调查了大量的规模化养殖场畜禽粪便中重
金属含量, 研究结果都表明畜禽粪便中 Cu、Zn、As
等元素残留量非常大, 与普通化肥调查分析结果[2829]
相比, 畜禽粪便有机肥中这些元素含量更高。有机
小麦种植基地长期大量施用畜禽粪便制成的有机肥,
而常规小麦种植地块基本不施用有机肥, 导致有机
小麦基地土壤中 Cu、Zn、As有明显累积和富集, 含
量高于常规种植地块。肥城常规种植地块所使用有
机肥种类和数量与有机种植基地基本一致, 因此该
地有机基地与常规地块土壤中 Cu、Zn、As 含量无
明显差异。肃宁有机基地土壤中 Cu、Zn、As 含量
明显低于常规地块, 这是因为常规温室菜田长期施
用大量猪粪且施用量与有机基地水平相当, 大量研
究表明, 与其他畜禽粪便相比猪粪中的重金属含量
尤其是 Cu、Zn和 As的含量相对更高[3033], 同时常
规温室菜田还施用大量杀虫剂和杀菌剂农药, 部分
化学农药组成上含有 As、Cu等元素。
任顺荣等[8]、徐明岗等[9]、卢东等[34]研究表明,
长期施用以畜禽排泄物为原料的有机肥, 可使土壤
重金属含量提高, 特别是 Cu、Zn 增加幅度较大。
Zaccone 等[4]研究表明, 相比常规种植, 有机种植体
系显著降低了土壤中 Cd、Cr 含量, 但土壤中 Pb、
Zn含量相比常规更高, 与本文结果一致。
与普通粮田的种植模式不同, 蔬菜种植中农业
生产投入大, 经济产出高。菜农为了保证高产, 常常
过量施肥, 温室蔬菜比露天蔬菜复种指数高, 肥料
投入量相对更大, 而且蔬菜种植尤其是设施蔬菜种
植过程中病虫害多发, 常规菜田经常使用大量的杀
虫剂杀菌剂等化学农药。常规蔬菜种植尤其是设
施蔬菜种植过程中不仅施用大量有机肥 , 同时投
入大量化肥和农药等农用物资 , 提高了土壤中重
金属累积的几率和速率。与常规蔬菜种植方式相
比 , 有机蔬菜种植方式有利于降低土壤中重金属
污染的风险。
本文以河北省和山东省土壤背景值为标准, 采
用不同评价方法对土壤中重金属进行评价。3 种评
884 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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价方法表明, 有机种植降低了土壤中重金属的综合
污染水平和污染风险, 同时减轻了土壤中重金属潜
在生态危害。在调查地区与土壤背景值相比, 有机
种植基地土壤中污染程度比较严重的是 Cu、Zn, 另
外由于Cd在土壤中自然背景值较低, 人为地球化学
的作用以及工农业生产活动, 很容易导致土壤中 Cd
含量提高, 使其在土壤中生态风险程度相对其他元
素较高, Pb、Cr、As 在土壤中污染风险相对较小。
由于不同有机基地采用不同来源的有机肥培肥土壤,
对土壤造成的重金属污染结果就大相径庭, 所以有
机种植过程中, 应合理采用各种肥源, 加强对有机
肥源的监控, 合理施肥, 防止重金属在土壤中的富
集累积和污染, 以促进有机种植的持续健康发展。
4 结论
1)在调查地区 , 相比常规种植 , 有机种植有利
于保持土壤 pH, 提高土壤有机质含量、CEC 值, 有
机种植在一定程度上有利于降低土壤中重金属的生
物有效性。
2)在调查地区 , 与常规种植相比 , 总体上有机
种植模式能有效降低土壤中 Cd、Cr的含量, 有机小
麦种植基地因长期施用巨量有机肥导致土壤中 Cu、
Zn、As相对富集; 常规温室菜田同时施用大量有机
肥和大量化肥及农药, 使其土壤中 Cu、Zn、As富集
的风险比温室蔬菜有机质种植模式高。露天有机蔬
菜基地土壤中 Cu、Zn、As 含量与常规地块差异不
明显。
3)3 种评价方法评价结果表明, 有机种植降低
了土壤中重金属的综合污染水平和污染风险, 同时
减轻了土壤中重金属潜在生态危害。
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