不同年限設(shè)施菜地土壤中重金屬和抗生素污染特征

苑學(xué)霞，方麗萍，張?zhí)?，張?/p>

1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所/山東省食品質(zhì)量與安全檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013；3.山東省土地調(diào)查規(guī)劃院，山東 濟(jì)南 250014

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、植物生長(zhǎng)和生物生產(chǎn)的基礎(chǔ)。幾十年來，土壤中重金屬和抗生素污染不容樂觀。根據(jù)全國(guó)土壤污染調(diào)查公報(bào)，中國(guó)土壤污染以無機(jī)污染為主，超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)占位的82.8%，Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Ni 8種無機(jī)污染物點(diǎn)位超標(biāo)率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、4.8%（環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部，2014）。與重金屬不同，農(nóng)田土壤中的抗生素來源較為單一，主要來源于畜禽糞等有機(jī)肥的施用和污水的灌溉。據(jù)報(bào)道，2013年中國(guó)36種常見抗生素排放量為5.4萬(wàn)噸，其中84.0%來源于動(dòng)物排泄（豬：44.4%；雞18.8%；其他動(dòng)物20.9%），排放到土壤（54%）和水體（46%）中，涉及的抗生素的種類有磺胺類、四環(huán)素類、氟喹諾酮類、大環(huán)內(nèi)酯類、β-內(nèi)酰胺類等（Zhang et al.，2015）。土壤作為重金屬和抗生素的重要儲(chǔ)存庫(kù)，已經(jīng)成為各國(guó)科學(xué)家關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。

中國(guó)蔬菜種植面積增加迅速，2015年全國(guó)蔬菜種植面積達(dá)到2 200×104hm2，其中設(shè)施蔬菜種植面積為400×104hm2以上，占蔬菜種植總面積的18%以上，是世界上設(shè)施蔬菜種植面積最大的國(guó)家（中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部和中國(guó)農(nóng)業(yè)年鑒編輯委員會(huì)，2016）。設(shè)施菜地環(huán)境同露地環(huán)境明顯不同，具有封閉性、可控性、缺少雨水淋洗、復(fù)種指數(shù)高和持續(xù)施肥且施肥量大等特點(diǎn)；并且設(shè)施栽培蔬菜大多在冬春反季節(jié)進(jìn)行，形成了高溫、弱光、高濕的人工小氣候環(huán)境，土壤理化性質(zhì)、土壤微生物種群數(shù)量和結(jié)構(gòu)等都與露地土壤有顯著差異（Li et al.，2019；Zhang et al.，2019a），而土壤理化性質(zhì)和微生物直接或間接影響重金屬和抗生素在自然中的遷移轉(zhuǎn)化過程（Martínez-Alcalá et al.，2009；趙方凱等，2017）。Huang et al.（2019）通過對(duì)336篇文章進(jìn)行meta分析發(fā)現(xiàn)，蔬菜地和水稻田土壤中重金屬（Cd、Hg、Pb、Cu、Zn）含量高于其他耕作類型土壤中。對(duì)山東濰坊、泰安、濱州、東營(yíng)四地9個(gè)溫室土壤中抗生素進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)力霉素、磺胺二甲嘧啶、泰樂菌素均有不同程度檢出（趙祥，2017）。因此，設(shè)施菜地中重金屬和抗生素污染問題更應(yīng)該引起我們足夠的重視。

本試驗(yàn)以土壤中7種重金屬和15種抗生素為研究對(duì)象，分析不同種植年限對(duì)設(shè)施菜地土壤中重金屬和抗生素的污染特征及可能來源，旨在為設(shè)施菜地土壤污染防控及設(shè)施蔬菜安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與測(cè)定

研究地點(diǎn)位于山東省陽(yáng)谷縣。通過調(diào)查，確定4個(gè)蔬菜大棚：大棚結(jié)構(gòu)、種植模式及作物等基本一致（冬暖式大棚；作物以蕓豆為主，芹菜、西紅柿、菠菜與蕓豆輪作），種植年限分別為2、4、7、15年。大棚內(nèi)所用肥料主要為雞糞、豬糞等糞肥和商品化有機(jī)肥與化學(xué)肥料配合施用。同時(shí)采集每個(gè)溫室旁玉米地土壤作為對(duì)照，所用肥料主要是尿素、復(fù)合肥等化學(xué)肥料。采樣時(shí)，每個(gè)大棚由東向西取3個(gè)重復(fù)，取樣點(diǎn)位于南北向栽培畦中間位置，即由東向西一條直線上均勻分布3個(gè)點(diǎn)，分別單獨(dú)標(biāo)記作為3個(gè)重復(fù)。取樣深度0—20 cm。將采集的土壤樣品混勻，除去土樣中的植物根系、石塊等雜質(zhì)，按四分法分取一部分風(fēng)干后，用瑪瑙棒研磨，過60目篩，4 ℃條件下避光保存，用于重金屬測(cè)定。一部分進(jìn)行真空冷凍干燥（48—72 h），研磨，過60目篩，4 ℃條件下避光保存，用于抗生素測(cè)定。

土壤中重金屬含量測(cè)定：采用HNO3-HCl-HClO4消解法提取，Cr、Cu、Ni采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀進(jìn)行測(cè)定；Cd和Pb采用石墨爐原子吸收分光光譜儀進(jìn)行測(cè)定；As和Hg采用王水消解，原子熒光光譜儀進(jìn)行測(cè)定（Ma et al.，2017；Wang et al.，2015）。

土壤中抗生素含量測(cè)定：本研究選取15種抗生素，包括四環(huán)素類（Tetracylines，TCs）：四環(huán)素（Tetracycline，TC）、土霉素（Oxytetracycline，OTC）、金霉素（Chlorotetracycline，CTC）、多西環(huán)素（Doxycycline，DC）；磺胺類（Sulfonamides，SAs）：磺胺嘧啶（Sulfadiazine，SDZ）、磺胺間甲氧嘧啶（Sulfamonomethoxine，SMM）、磺胺二甲嘧啶（Sulfadimidine，SDD）、磺胺甲噁唑（Sulfamethoxazole，SMZ）、磺 胺 喹 噁 啉（Sulfaquinoxaline，SQX）；氟 喹 諾 酮 類（Fluoroquinolones，F(xiàn)Qs）：環(huán)丙沙星（Ciprofloxacin，CFX）、恩諾沙星（Enrofloxacin，ENR）、達(dá)氟沙星（Danofloxacin，DAN）、沙拉沙星（Sarafloxacin，SAR）和氯霉素類（Chloramphenicols，CPs）：氟苯尼考（Florfenicol，F(xiàn)F）、甲砜霉素（Thiamphenicol，SCP）等4類抗生素。

采用超高效液相色譜-質(zhì)譜/質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)定。四環(huán)素類、磺胺類和氟喹諾酮類抗生素樣品前處理及分析條件參考Zhou et al.（2012）方法，氯霉素類抗生素樣品前處理及分析條件參考Qian et al.（2016）方法。

1.2 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法

陽(yáng)谷縣地處黃河下游沖積平原，其地形、地貌、土壤性質(zhì)和農(nóng)業(yè)條件等在黃河下游潮土區(qū)具有典型性，因此以黃河下游潮土區(qū)重金屬元素的背景值（李廷芳等，1991）作為該區(qū)土壤重金屬元素的背景參考值。

采用富集因子（Enrichment factor，EF）和污染負(fù)荷指數(shù)（Pollution load index，PLI）對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行污染評(píng)價(jià)，以Al作為參比元素（Wang et al.，2015）。

其中，Ci(s)為土壤中被檢出重金屬含量，Cn(s)為土壤中被檢出參比元素（Al）含量，Ci(b)為背景土壤中重金屬含量，Cn(s)為背景土壤中參比元素（Al）含量。根據(jù)富集因子對(duì)重金屬富集水平進(jìn)行分級(jí)：EF＜1為無富集；EF=1—2為輕微富集；EF=2—5為中度富集；EF=5—20為重度富集；EF=20—40為嚴(yán)重富集；EF＞40為極重富集（Wang et al.，2015）。

其中，CF為土壤中每種金屬含量與背景值之比，n是金屬數(shù)量（本研究中為7）。PLI值＞1表示污染，而PLI值＜1表示無污染（Seshan et al.，2010）。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Microsoft Office Excel 2010對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用SPSS 23.0 Duncan多重比較來判斷顯著性差異（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年限設(shè)施菜地土壤中重金屬污染特征

不同年限設(shè)施菜地內(nèi)外土壤中各元素含量如表1所示，結(jié)果表明，2、4、7年棚內(nèi)外土壤中Cd的含量沒有顯著差異，而15年棚內(nèi)土壤中Cd的含量顯著高于棚外。2年棚內(nèi)外土壤中Cu的含量差異不顯著，4、7、15年棚內(nèi)土壤中Cu的含量顯著高于棚外，并且棚內(nèi)土壤中Cu的含量隨著設(shè)施蔬菜耕種年數(shù)的增加而顯著增加。2、4年棚內(nèi)外土壤中的Hg含量沒有顯著差異，但7、15年棚內(nèi)菜地土壤中顯著高于棚外。不同年限設(shè)施菜地內(nèi)外土壤中As、Cr、Ni、Pb的含量沒有顯著差異。

表1 不同年限設(shè)施菜地內(nèi)外土壤中重金屬含量Table 1 Heavy metal concentration in soil from inside and outside vegetable greenhouse after different cultivating years mg·kg-1

不同處理間pH值沒有顯著差異。所有土壤中重金屬含量均低于GB 15618—2018中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（pH＞7.5）（生態(tài)環(huán)境部和國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局，2018）。

EF值用于評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)土壤中某種重金屬富集程度影響（Huang et al.，2019）。PLI值用于評(píng)價(jià)多種重金屬污染負(fù)荷情況（Suresh et al.，2011）。以黃河下游潮土區(qū)重金屬元素的背景值作為參比值，計(jì)算得到土壤中重金屬的EF及PLI值（見表2），并根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行污染評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，設(shè)施菜地種植及年限對(duì)各元素EF值的影響與其對(duì)含量的影響基本一致。根據(jù)EF值，除15年棚內(nèi)Cd達(dá)到重度富集外，其他處理土壤中Cd均為中度富集。對(duì)于Hg元素，7、15年棚內(nèi)達(dá)到中度富集，其他處理均為輕微富集。對(duì)于Pb元素，15年棚內(nèi)達(dá)到中度富集，其他處理均為輕微富集。對(duì)于As、Cr、Ni元素，所有處理均屬于無富集或輕微富集。根據(jù)PLI值，所有處理均＞1，為污染狀態(tài)。其中7、15年棚內(nèi)PLI值顯著高于棚外，表明經(jīng)過7年和15年設(shè)施蔬菜耕作后，土壤中重金屬污染較大田耕作污染嚴(yán)重。

2.2 不同年限設(shè)施菜地土壤中抗生素污染特征

不同年限設(shè)施菜地內(nèi)外土壤中抗生素含量見圖1，未檢出的抗生素未在圖中顯示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有棚內(nèi)土壤中檢測(cè)的15種抗生素總量均高于棚外，在2、4、15年棚內(nèi)抗生素總含量分別是棚外的2.36、2.02、2.63倍。特別是在15年棚內(nèi)，抗生素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54.41 μg·kg-1。檢出最高的為四環(huán)素類和氟喹諾酮類抗生素，磺胺類抗生素有少量檢出，氯霉素類抗生素未檢出。

4種四環(huán)素類抗生素（TC、OTC、CTC和DC）均有檢出。除7年棚外，2、4、15年棚內(nèi)四環(huán)類抗生素總含量均高于棚外。所檢測(cè)的5種磺胺類抗生素中有3種抗生素（SDZ、SMM和SDD）檢出，但所檢出的值很低，均低于1 μg·kg-1。所檢測(cè)的4種氟喹諾酮類抗生素中檢出的為CFX和ENR，棚內(nèi)喹諾酮類抗生素總含量均高于棚外。在15年棚內(nèi)，土壤中CFX、ENR質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9.60、11.00 μg·kg-1。

3 討論

雖然本研究中所有土壤中重金屬含量均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，但是7年棚菜地土壤中Cu和Hg、15年棚菜地土壤中Cd、Cu和Hg富集明顯，15年棚內(nèi)Cd甚至達(dá)到重度富集。井永蘋等（2016）對(duì)山東壽光設(shè)施大棚的研究現(xiàn)Cd是設(shè)施菜地中主要的污染因子，Cu是潛在的污染因子。張懷志等（2017）對(duì)山東濰坊的研究表明Cd和Hg分別有97.8%和80.8%的點(diǎn)位處于中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及以上水平。因此，設(shè)施菜地土壤中Cd、Cu和Hg應(yīng)引起充分的重視。各種農(nóng)用投入品的輸入是土壤中重金屬的重要來源。據(jù)報(bào)道，每年中國(guó)輸入到農(nóng)田土壤中55%的Cd來源于畜禽糞便，8%來源于化學(xué)肥料；69%的Cu來源于畜禽糞便，34%來源于化學(xué)肥料；8%的Hg來源于畜禽糞便，30%來源于化學(xué)肥料（Luo et al.，2009）。畜禽糞便作為肥料施用于設(shè)施菜地中非常普遍。在畜禽集約化養(yǎng)殖中，一些飼料添加劑（如微量元素）被用來促進(jìn)生長(zhǎng)、提高生產(chǎn)力。在動(dòng)物飼料中常見的微量元素中，約90%的銅（Cu）在糞便中丟失，并且大部分抗生素在糞便和尿液中排出（Qian et al.，2016）。魏益華等（2019）研究發(fā)現(xiàn)豬糞有機(jī)肥農(nóng)用主要風(fēng)險(xiǎn)因子為Cu、Cd和Zn，牛糞有機(jī)肥農(nóng)用主要風(fēng)險(xiǎn)因子為Cu，植物性農(nóng)業(yè)廢棄物有機(jī)肥農(nóng)用主要風(fēng)險(xiǎn)因子為Cd，與本研究結(jié)果基本一致。在常用的幾類化學(xué)肥料中，磷肥以及一些含磷復(fù)合肥會(huì)混雜重金屬，有研究發(fā)現(xiàn)在過磷酸鈣肥料中Cu、Cd含量高于氮肥、鉀肥和三元復(fù)合肥，而在商品有機(jī)肥中檢測(cè)到較高含量的Hg（王美等，2014）。含銅殺菌農(nóng)藥的使用也可能是土壤中Cu累積的一個(gè)原因（Luo et al.，2009）。另外，設(shè)施蔬菜常用地膜栽培，地膜生產(chǎn)過程中加入含Cd的熱穩(wěn)定劑，這也可能也是設(shè)施菜地中Cd富集的原因之一（孫碩等，2019）。

表2 不同年限設(shè)施菜地內(nèi)外土壤中重金屬EF和PLI值Table 2 EF and PLI value in soil from inside and outside vegetable greenhouse after different cultivating years

圖1 不同年限設(shè)施菜地內(nèi)外土壤中抗生素含量Fig.1 Antibiotic concentration in soil from inside and outside vegetable greenhouse after different cultivating years

在檢測(cè)的15種抗生素中，檢出的抗生素有9種。其中四環(huán)素類和氟喹諾酮類抗生素為主要檢出抗生素。Li et al.（2017）研究也發(fā)現(xiàn)施用牛糞和雞糞可顯著增加土壤中金霉素、土霉素、諾氟沙星的含量。與重金屬不同，農(nóng)田土壤中的抗生素來源較為單一，主要來源于畜禽糞便等有機(jī)肥的施用和污水的灌溉。多項(xiàng)研究在養(yǎng)殖場(chǎng)雞、豬、牛糞便中檢出多個(gè)種類的抗生素（Guo et al.，2016；Pan et al.，2011）。本研究中發(fā)現(xiàn)棚內(nèi)抗生素總量均高于棚外，且在15年棚內(nèi)最高。徐秋桐（2019）認(rèn)為畜禽糞便的施用頻率、畜禽糞便中抗生素的殘留水平直接影響進(jìn)入農(nóng)田抗生素的含量，影響農(nóng)田中抗生素的積累。因此設(shè)施菜地內(nèi)封閉性、缺少雨水淋洗、復(fù)種指數(shù)高和持續(xù)施肥且施肥量大等均是導(dǎo)致本研究中抗生素積累的因素。另外，畜禽糞便施入土壤之前進(jìn)行堆肥處理可有效去除部分抗生素（Zhang et al.，2019b），建議畜禽糞在施用前對(duì)其進(jìn)行堆肥處理，以減少抗生素向農(nóng)田和環(huán)境的輸入。

此外，有研究發(fā)現(xiàn)重金屬可能是土壤中抗生素抗性的共同選擇劑或交叉選擇劑（Zhang et al.，2018），重金屬Cu與抗生素抗性基因的顯著正相關(guān)表明Cu會(huì)直接或間接影響抗生素抗性基因的產(chǎn)生（Deng et al.，2020）。重金屬會(huì)促進(jìn)質(zhì)粒介導(dǎo)的抗性基因的水平轉(zhuǎn)移，對(duì)抗性基因的接合、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)導(dǎo)過程均有促進(jìn)作用（Ding et al.，2016）。土壤中重金屬和抗生素不再是兩種獨(dú)立的存在，而是土壤中微生物產(chǎn)生抗性的共同參與者。因此，需要對(duì)重金屬和抗生素復(fù)合污染進(jìn)行更深入研究。

4 結(jié)論

（1）所有土壤中重金屬含量均低于GB 15618—2018中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

（2）設(shè)施菜地土壤中Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb均有不同程度富集。與棚外相比，7、15年棚內(nèi)Cu和Hg富集明顯，15年棚內(nèi)Cd富集明顯，達(dá)到重度富集。PLI表明經(jīng)過7年和15年設(shè)施蔬菜耕作后，土壤中重金屬污染較大田耕作污染嚴(yán)重。

（3）所有棚內(nèi)土壤中15種抗生素總量均高于棚外，在2、4、15年棚內(nèi)抗生素總含量分別是棚外的2.36、2.02、2.63倍。其中檢出最高的為四環(huán)素類和氟喹諾酮類抗生素，磺胺類抗生素有少量檢出，氯霉素類抗生素未檢出。