長春市城郊蔬菜—土壤系統(tǒng)重金屬分布特征及生態(tài)風險評價

, ,, ,,,

(1.中國科學院 東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所 濕地生態(tài)與環(huán)境重點實驗室，吉林 長春 130102；2.中國科學院大學，北京 100049；3.哈爾濱師范大學 黑龍江省普通高等學校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150025)

0 引 言

蔬菜作為我們日常生活中不可缺少的食物，給人體提供了豐富的維生素、礦物質和膳食纖維等營養(yǎng)物質，其質量安全直接影響人體健康[1]。大量的蔬菜種植基地主要分布在人口集中的城市郊區(qū)，形成了城郊補給城市的供應方式[2]，城郊土壤的環(huán)境質量成為蔬菜種植是否符合食品質量安全的關鍵控制要素。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，工業(yè)上“三廢”的排放、農業(yè)上化肥農藥的施用以及生活垃圾不合理的堆放處理，嚴重污染人類賴以生存的生活環(huán)境，重金屬在土壤中不斷累積，農田土壤已經受到嚴重污染[3-5]。城鎮(zhèn)化進程加快導致大量菜地被征用，部分菜地被征用的同時也意味著蔬菜基地更加靠近工廠、公路及居民區(qū)等污染源，城郊農田土壤污染不僅直接威脅區(qū)域生態(tài)環(huán)境，還會通過影響蔬菜安全生產危害人體健康[6]。

長春市是我國著名的老工業(yè)基地，城市周邊近郊區(qū)土壤易受到大氣沉降、生活廢水和農藥化肥中的重金屬污染[7]，目前的研究主要集中于土壤中重金屬污染來源解析，而對土壤蔬菜系統(tǒng)之間關系研究的較少。本研究選取長春市城郊蔬菜土壤為研究區(qū)域，闡明蔬菜—土壤系統(tǒng)中重金屬的含量、富集系數及累積特征，并對蔬菜土壤進行潛在生態(tài)風險評價，對保證長春市城郊食品安全并為其健康食用蔬菜提供科學合理的參考具有重要的意義、利于地方蔬菜業(yè)的可持續(xù)生產發(fā)展[8]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長春市是我國重要的工業(yè)基地城市，處于松嫩平原和松遼分水嶺的結合部位，地勢東南高、西北低。屬北溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年均降水量約為570.4 mm，年平均日照時間約為2 700 h，年平均氣溫為4.8 ℃，平均無霜期為145 d。長春市蔬菜總播種面積約為6.4×104hm2，總產量達2.89×106t[9]，蔬菜種植主要集中在城郊工農業(yè)交錯區(qū)域。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集。2015年9月，在長春市近郊區(qū)(43°46′～43°59′N， 125°7′～125°30′E)的蔬菜種植區(qū)，依據蔬菜種植分布情況，避開公路、堆肥及垃圾處理廠等污染區(qū)域，共采集54個代表性的土壤樣品，采樣點位如圖1所示。依據NY/T5335-2006《無公害食品產地環(huán)境質量調查規(guī)范》和NY/T5295-2004 《無公害食品產地環(huán)境評價準則》采樣標準[10]，在樣點的 4個方位采集0～20 cm表層土壤約1 kg，充分混合均勻，按照四分法取得土壤樣品隨后裝入聚乙烯塑料袋中帶回實驗室，自然風干。同時，采集143個蔬菜樣品，主要包括葉菜類：白菜(Brassicapekinensis(Lour.)Rupr.)；茄果類：辣椒(CapsicumannuumL)、茄子(Solanummelongena)、西紅柿(Lycopersiconesculentum)；根莖類：胡蘿卜(DaucuscarotaL)、蘿卜(RaphanussativusL)。

1.2.2 樣品處理與分析。土壤樣品自然風干，去除動植物殘體及石塊等，研磨、過100目篩，采用HNO3- HClO4- HF法(GB/T 17138-1997) 消解；蔬菜樣品用去離子水洗凈，在80℃的溫度下烘干，粉碎后置于干燥皿中，采用HNO3-HClO4法消解。樣品中Pb、Cr和Cd的含量采用原子吸收分光光度法測定，Hg、As含量采用原子熒光光度法測定，分析測定中采用國家標準土壤樣品(GBW07046)進行全過程質量控制，每批樣品需帶兩個空白實驗，以消除實驗過程中的誤差。

1.3 評價方法

土壤：依據長春市土壤環(huán)境背景值[11]，采用單項污染指數法和內梅羅綜合污染指數評價區(qū)域土壤重金屬含量[12-13]；采用Hakanson潛在生態(tài)危害指數法(RI)[14]評價重金屬的潛在生態(tài)風險等級。蔬菜：采用富集系數(Bio-concentration factor，BCF)評價植物對土壤中重金屬元素的積累富集能力[15]。

圖1 長春市城郊蔬菜地土壤采樣點分布圖Fig.1 Location map of the sampling sites of vegetable soil in Changchun suburb

2 結果與討論

2.1 蔬菜地土壤重金屬含量分布特征

長春市城郊蔬菜地表層土壤重金屬含量特征，見表1。Pb、Cr、Cd、Hg和As元素平均含量分別為31.7 mg·kg-1、55.2 mg·kg-1、0.13 mg·kg-1、0.08 mg·kg-1和11.6 mg·kg-1，分別是土壤背景值的1.55倍、1.10倍、1.57倍、2.47倍和1.13倍，表明菜地土壤中的重金屬累積較明顯；其最大值是分別是國家土壤環(huán)境質量一級標準的1.32倍、0.82倍、1.48倍、1.43倍和1.19倍，但其含量均未超過國家土壤環(huán)境質量二級標準。菜地土壤 Pb、Cr、Cd、Hg和As的高含量區(qū)主要分布在長春市城郊東北與西南部，見圖2。長春市能源以燃煤為主，化工企業(yè)、交通運輸和設備制造業(yè)等支柱產業(yè)主要分布于城郊結合帶，由于長春市常年盛行西南風，環(huán)境中的重金屬可通過大氣沉降向西南和東北方向遷移，最終進入城郊東北與西南部土壤。變異系數可以在一定程度上反映重金屬元素在土壤中的分布特征以及被人類活動影響的程度[16-18]。菜地土壤重金屬變異系數表現為Hg>Cd>As>Pb>Cr，其中，Hg、Cd的變異系數較大，其數值分別為55.7%和39.8%，屬于中等變異水平。

表1 長春市城郊蔬菜地表層土壤重金屬含量特征Table 1 Heavy metal concentration of vegetable soils in Changchun suburb

圖2 長春市城郊蔬菜地土壤中重金屬分布圖Fig.2 The distribution graph of heavy metals of the vegetable soil in Changchun suburb

2.2 蔬菜地土壤重金屬污染特征

長春市城郊蔬菜地土壤重金屬污染指數，見表2。與土壤環(huán)境背景值相比，Pb、Cr、Cd和As的單項污染平均指數(Pi)分別為1.55、1.10、1.50和1.13，均處于輕度污染水平，Hg的Pi均值為2.64，處于中度污染水平；在工業(yè)區(qū)集中的東北與西南地區(qū)的Hg、As累積指數最高可達7.13、3.29，達到了高度污染水平。綜合污染指數(Ps)的平均值為2.18，處于中度污染水平，重金屬呈現明顯的累積現象。對于部分研究區(qū)域土壤種植蔬菜前需開展土壤污染風險評估，但沒有蔬菜地達到不能用于種植蔬菜的污染程度。

表2 長春市城郊蔬菜地土壤重金屬污染指數Table 2 Heavy metal pollution index of vegetable soil in Changchun suburb

2.3 蔬菜地土壤重金屬潛在生態(tài)風險評價

長春市城郊地蔬菜土壤重金屬單項生態(tài)風險指數，見表3。Pb、Cr、Cd、Hg和As的潛在生態(tài)風險指數的平均值分別為7.7、2.2、44.9、106和11.3。Pb、Cr和As的Ei均小于40，為輕微級風險等級；Hg、Cd處于中等潛在生態(tài)風險等級分別占40.7%和51.9%，較強生態(tài)風險等級占48.2%和5.56%，Hg很強生態(tài)風險等級占11.1%。綜合生態(tài)風險指數范圍為69.1～416，其中處于中等與較強生態(tài)風險等級的分別占46.3%和9.26%(表4)，且集中在城郊東北與西南地區(qū)(圖3)，平均值為171，處于中等生態(tài)風險等級(表4)；表明城郊北部局部區(qū)域具有較強的生態(tài)風險危害，應控制重金屬的污染來源，加強對新能源的開發(fā)與利用。

表4 長春市城郊蔬菜地土壤重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數Table 4 Comprehensive potential ecological risk index of heavy metals of vegetable soil in Changchun suburb

圖3 長春市城郊蔬菜地土壤中重金屬綜合潛在生態(tài)風險指數分布圖Fig.3 The distribution graph of comprehensive potential ecological risk index of heavy metals of vegetable soil in Changchun suburb

2.4 蔬菜重金屬含量特征分析

長春市城郊蔬菜中重金屬含量統(tǒng)計，見表5。蔬菜中Pb、Cr、Cd、Hg和As的平均含量分別為78.2 μg·kg-1、53.6 μg·kg-1、1.86 μg·kg-1、5.29 μg·kg-1和212 μg·kg-1，其最大值分別為440 μg·kg-1、341 μg·kg-1、23.3 μg·kg-1、9.50 μg·kg-1和436 μg·kg-1，其中有5個采樣點白菜Pb含量超過國家食品安全限量值，其余重金屬含量均低于安全限量值，因此，應加強Pb等重金屬來源的管控。Pb、Cd和Hg含量表現為葉菜類>茄果類>根莖類；Cr含量表現為葉菜類>根莖類>茄果類；As含量表現為根莖類>葉菜類>茄果類；總體上葉菜類的重金屬含量比其他種類蔬菜同種重金屬含量高，主要是因為其葉片器官蒸發(fā)量大，易發(fā)生富集，同時也容易受到大氣沉降的影響[18-20]。

表5 長春市城郊不同種類蔬菜重金屬含量及其分布特征Table 5 The concentration of heavy metals and their distribution characteristics of different kinds of vegetables in Changchun suburb(μg·kg-1)

2.5 蔬菜重金屬富集特征

長春市城郊蔬菜對重金屬富集系數，見表6。富集系數越大，表示植物越容易從土壤中吸收該元素，富集能力強，即元素的遷移性越強。Pb、Cd和Hg的富集系數表現為葉菜類>茄果類>根莖類，Cr富集系數表現為葉菜類>根莖類>茄果類，As富集系數表現為根莖類>葉菜類>茄果類，葉菜類蔬菜易發(fā)生富集，主要受大氣沉降，葉片器官蒸發(fā)量大的影響，應控制重金屬的污染來源。蔬菜對重金屬平均富集系數表現為：Hg>As>Cd>Pb>Cr，其中Hg、As與Cd的富集系數明顯高于其他重金屬，說明6種蔬菜總體上表現對Hg、As與Cd富集能力強，主要與其遷移能力較強，并且主要分布在土壤表層有關[19]。

表6 長春市城郊土壤-蔬菜系統(tǒng)中重金屬富集系數(BCF(%))Table 6 Bio-concentration factor of heavy metals in soil-vegetable system in Changchun suburb

3 結 論

(1)長春市城郊蔬菜地土壤Pb、Cr、Cd、Hg和As含量均低于國家土壤環(huán)境質量二級標準，適宜種植蔬菜及其他作物；但其含量高于土壤背景值，有明顯的累積現象；其高含量區(qū)主要分布在長春市城郊東北與西南部，Hg、Pb的變異系數較大，屬于中等變異水平。

(2)長春市城郊蔬菜地土壤呈現中度污染水平，達到中等潛在生態(tài)風險等級，但北部局部地區(qū)達到較強生態(tài)風險等級，且主要是由于Hg的高度累積所致；Pb、Cr和As均處于輕微級生態(tài)風險等級，總體上Cd處于中等生態(tài)風險等級，Hg處于較高生態(tài)風險等級，應著重加強控制土壤Hg、Cd的污染來源。

(3)除5個采樣點白菜中Pb含量超標外，長春市郊區(qū)蔬菜重金屬含量均未超國家食品安全限量值。所選蔬菜對重金屬平均富集系數表現為：Hg>As>Cd>Pb>Cr，其中Hg、As與Cd 的富集系數明顯高于其他元素，說明其遷移能力較強，易被蔬菜吸收。葉菜類較其他類蔬菜的重金屬含量和富集系數相對較高。

參考文獻(References)：

[1] 陳志良,黃 玲,周存宇,等.廣州市蔬菜中重金屬污染特征研究與評價[J].環(huán)境科學,2017,38(1): 389-398.

CHEN Z L,HUANG L,ZHOU C Y,et al.Characteristics and evaluation of heavy metal pollution in vegetables in Guangzhou[J].Environmental Sciences,2017,38(1): 389-398.

[2] 張 莉,羅晴珊,王 茜,等.我國華東地區(qū)城郊蔬菜重金屬污染現狀和對策[J].江西科學,2017,35(4): 569-573.

ZHANG L,LUO Q S,WANG Q,et al.Status and countermeasures of heavy metal pollution in vegetables in suburbs of east China[J].Jiangxi Science,2017,35(4): 569-573.

[3] 龔夢丹,朱維琴,顧燕青,等.杭州蔬菜基地重金屬污染及風險評價[J].環(huán)境科學,2016,37(6): 2329-2337.

GONG M D,ZHU W Q,GU Y Q,et al.Evaluation on heavy metal pollution and its risk in soils from vegetable bases of Hangzhou[J].Environmental Sciences,2016,37(6): 2329-2337.

[4] 謝 華,劉曉海,陳同斌,等.大型古老錫礦影響區(qū)土壤和蔬菜重金屬含量及其健康風險[J].環(huán)境科學,2008,29(12): 3503-3507.

XIE H,LIU X H,CHEN T B,et al.Concentration and health risk of heavy metals in vegetables and soils in region affected by an ancient tin ore[J].Environmental Sciences,2008,29(12): 3503-3507.

[5] 王蘭化,李明明,張 鶯,等.華北地區(qū)某蔬菜基地土壤重金屬污染特征及健康風險評價[J].地球學報,2014,35(2): 191-196.

WANG L H,LI M M,ZHANG Y,et al.Pollution characteristics and health risk assessment of heavy metals in soil of a vegetable base in north China[J].Acta Geoscientica Sinica,2014,35(2): 191-196.

[6] 劉 強.吉林省典型城市郊區(qū)菜地重金屬污染與累積效應研究[D].北京: 中國科學院大學,2014.

LIU Q.Contamination and cumulative effect of heavy metal in peri-urban vegetable soils in typical cities of Jilin province[D].Beijing: University of Chinese Academy of Sciences,2014.

[7] 王起超,方鳳滿,李志博.長春市汞界面交換通量的研究[J].中國環(huán)境科學,2005,25(4): 475-479.

WANG Q C,FANG F M,LI Z B.Exchange flux of mercury on the interface exchange in Changchun city[J].China Environmental Science,2005,25(4): 475-479.

[8] 方鳳滿,汪琳琳,謝宏芳,等.蕪湖市三山區(qū)蔬菜中重金屬富集特征及健康風險評價[J].農業(yè)環(huán)境科學學報,2010,29(8): 1471-1476.

FANG F M,WANG L L,XIE H F,et al.Enrichment characteristic and health risk assessment of heavy metals in vegetables in Sanshan district,Wuhu city,China[J].Journal of Agro-Environment Science,2010,29(8): 1471-1476.

[9] 吉林省統(tǒng)計局.吉林省統(tǒng)計年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，2016.

Statistical bureau of Jilin province.Statistical yearbook of Jilin province[M].Beijing:China Statistics Press,2016.

[10] 何龍雪,王 洋,劉 強,等.長春市近郊蔬菜地中As、Hg的分布特征與潛在生態(tài)風險評價[J].土壤與作物,2014,3(3): 117-121.

HE L X,WANG Y,LIU Q,et al.Distribution characteristics and potential ecological risk assessment of asenic and mercury in vegetable soils of Changchun suburb[J].Soils and Crops,2014,3(3): 117-121.

[11] 孟憲璽,李生智.吉林省土壤元素背景值研究[M].北京: 科學出版社,1995: 154-159.

MENG X X,LI S Z.Study on background value of soil elements in Jilin province[M].Beijing: Science Press,1995:154-159.

[12] 高 清,顧優(yōu)麗,龔夢丹,等.杭州市和睦濕地農田土壤重金屬污染評價及關聯特征研究[J].濕地科學與管理,2014,10(2): 48-52.

GAO Q,GU Y L,GONG M D,et al.An assessment and characterization of heavy metal pollution in the farmland of Hemu wetland[J].Wetland and Science and Management,2014,10(2): 48-52.

[13] 周 雅,畢春娟,周梟瀟,等.上海市郊工業(yè)區(qū)附近蔬菜中重金屬分布及其健康風險[J].環(huán)境科學,2017,38(12): 5292-5298.

ZHOU Y,BI C J,ZHOU X X,et al.Distribution characteristics and health risk of heavy metals in vegetables near the industrial areas in Shanghai[J].Environmental Sciences,2017,38(12): 5292-5298.

[14] 蔡怡敏,陳衛(wèi)平,彭 馳,等.順德水道土壤及沉積物中重金屬分布及潛在生態(tài)風險評價[J].環(huán)境科學,2016,37(5): 1763-1770.

CAI Y M,CHEN W P,PENG C,et al.Spatial distribution and potential ecological risk assessment of heavy metals in soils and sediments in Shunde waterway,Southern China[J].Environmental Sciences,2016,37(5): 1763-1770.

[15] MATTINA M I,LANNUCCI-BERGER W,MUSANTE C,et al.Concurrent plant uptake of heavy metals and persistent organic pollutants from soil[J].Environmental Pollution,2003,124(3): 375-378.

[16] 劉 慶,王 靜,史衍璽,等.基于GIS的農田土壤重金屬空間分布研究[J].安全與環(huán)境學報,2007,7(2): 109-113.

LING Q,WANG J,SHI Y X,et al.On the spatial distribution of heavy metal in the cropland based on GIS[J].Journal of Safety and Environment,2007,7(2): 109-113.

[17] 郭 平,謝忠雷,李 軍,等.長春市土壤重金屬污染特征及其潛在生態(tài)風險評價[J].地理科學,2005,25(1): 108-112．

GUO P,XIE Z L,LI J,et al.Specificity of heavy metal pollution and the ecological hazard in urban soils of Changchun city，China[J].Scientia Geographica Sinica,2005,25(1): 108-112．

[18] 楊忠平,盧文喜,龍玉橋.長春市城區(qū)重金屬大氣干濕沉降特征[J].環(huán)境科學研究,2009,22(1): 28-34.

YANG Z P,LU W X,LONG Y Q.Atmospheric dry and wet deposition of heavy metals in Changchun city,China[J].Research of Environmental Sciences,2009,22(1): 28-34.

[19] 胡霓紅,文 典,王富華,等.珠三角主要工業(yè)區(qū)周邊蔬菜產地土壤重金屬污染調查分析[J].熱帶農業(yè)科學,2012,32(4): 67-71.

HU N H,WEN D,WANG F H,et al.Investigation and analysis of heavy metals in vegetable producing soils around main industrial areas in the Pearl River Delta[J].Chinese Journal of Tropical Agriculture,2012,32(4): 67-71.

[20] 楊忠平,盧文喜,劉新榮,等.長春市城市近地表灰塵重金屬污染來源解析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2010,24(12): 155-160.

YANG Z P,LU W X,LIU X R,et al.Heavy metal identification for near-surface urban dust in Changchun city[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2010,24(12): 155-160.