我国设施农田土壤重金属污染评价与空间分布特征

由表 3 可知，南部地区Cd、Hg 地累积指数平均值分别为1.05 和0.20，分别显示中度污染和轻度污染，其余元素地累积指数平均值均小于0，显示无污染。南部地区Cd 地累积指数显示无污染、轻度污染、中度污染和中强污染的点位数分别占总点位数的33.3%、33.3%、22.2%和11.2%；与南部地区相似，北部地区Cd、Hg 地累积指数分别为0.74 和0.37，均属轻度污染状态，其余元素地累积指数均小于0，Cd 无污染、轻度污染、中度污染和中强污染的点位数分别占总点位数的10.0%、40.0%、40.0%和10.0%。西北部地区Hg 地累积指数平均值为1.45，达中度污染，但西北部地区Hg 含量数据较少，无法全面地反映整体污染状况，评价结果可能存在较大偏差；其余7 种重金属元素的地累积指数平均值均小于0，但个别地区Cd、Cu、Zn 和Pb 最大地累积指数大于0，说明西北部地区个别区域存在污染现象。从评价结果来看，我国设施农田重金属污染最严重的是Cd 污染，其次为Hg 污染，此外，Cu 污染也应引起重视。

2.3设施农田土壤重金属累积趋势

南部、北部和西北部3 大区域不同年限设施农田重金属含量的统计结果(表 4)表明除南部地区Pb 以外，经过>10 a 种植时间各区域土壤重金属含量均呈现不同程度的增加，其中，Cd 含量增幅最大。南部、北部和西北部地区>10 a 种植时间土壤Cd 平均含量比 < 3 a 种植时间土壤分别增加103.8%、123.1%和110.7%；而土壤Cu 含量分别增加50.0%、36.1%和61.1%，土壤Zn 含量分别增加31.0%、23.2%和50.1%。从不同地区来看，种植时间>10 a 时，南部地区土壤As 含量增加105.6%，而北部和西北部地区仅分别增加8.4%和3.8%；南部和西北部地区Ni 含量分别增加63.5%和40.4%，而北部地区仅增加7.8%。西北部地区Cr 含量增加56.1%，南部和北部地区分别增加12.6%和7.6%。此外，南部地区Pb 含量出现随年限增加而降低的情况，这可能是由于南部部分地区土壤Pb 背景值较高。3 大地区土壤在种植3~6 a 时重金属含量增幅较大，这主要是由于当种植3~6 a 时，重金属元素累积到限制作物正常生长的临界浓度时，农户便会采取一些措施来减少损失，如揭棚、翻耕甚至休耕等，待土壤条件稍有改善再进行种植，所以导致种植年限>6 a 后，重金属累积速率有所下降。

2.4设施农田土壤重金属垂直分布特征

不同地区设施农田土层重金属含量的垂直分布特征见表 5。由表 5 可知，各地区土壤重金属含量随土壤深度增加而下降，但个别土壤出现不减反增的情况。南部、北部和西北部地区>20~40 cm土层与表层(0~20 cm)相比，Cd 含量分别降低43.3%、78.6%和33.3%，Cr 含量分别降低41.0%、9.7%和1.5%，As 含量分别降低34.4%、5.1%和26.7%，Pb 含量分别降低5.8%、8.1%和4.7%。与>20~40 cm 土层相比，南部、北部地区>40~60 cm 土层Cd 含量分别降低25.0%和33.3%；南部地区As、Cr 和Pb 含量分别降低14.3%、15.3%和10.8%，而北部地区As、Cr 和Pb 含量反而升高15.7%、7.0%和0.8%；与>40~60 cm 土层相比，南部地区>60~80 cm 土层Cd、As、Cr 和Pb 含量分别降低38.6%、61.1%、25.5%和24.1%。

3 讨 论

3.1分区的合理性和数据有效性问题

笔者充分收集了近20 a 来我国设施农田重金属的研究结果并对其进行统计分析。收集过程中，华南地区广东、广西和福建等地以及西南地区四川、重庆和贵州等地均未见相关研究，且我国设施农业分布呈现明显的区域化特点，主要集中在环渤海湾及黄淮海地区、长江中下游地区以及西北地区。故参考农业气候区划，并同时考虑文献中不同研究地区土壤pH 值，将收集到的数据分为南部、北部和西北部3 大区域进行统计分析。关于数据的准确性方面，虽然收集的时间尺度较长，但对设施农田重金属的研究多集中在近10 a，样品的分析方法业已规范，检测精度相对较高，且在数据统计分析过程中剔除了异常值。考虑到数据分布的不均匀性，对样点较为集中的区域，只保留最新的研究数据，以提高分析结果的准确性。在数据统计方面，既统计了各个地区多个点位土壤重金属含量的平均值，也统计了区域的最大值和最小值，但以平均值评价各地区设施农田重金属污染水平可能存在一定偏差。

3.2 我国设施农田重金属污染空间分布特征

从收集到的数据可看出，我国设施农田土壤重金属含量呈现一定的空间分布特征，南部地区土壤Cd、Pb 和Hg 平均含量最高，北部地区As、Cu、Zn 和Cr 平均含量最高，而西北部地区Ni 平均含量则最高。地累积指数表明南部地区土壤Cd 和Hg 为中度污染和轻度污染，北部地区土壤Cd、Hg 均为轻度污染，而西北部地区土壤Hg 为中度污染，其余元素的平均地累积指数均显示无污染；此污染趋势与不同地区设施农田土壤重金属含量水平所显示的结果基本一致，曾希柏等对我国菜地重金属的研究也表明Cd、Hg 污染较严重。设施农田土壤Cu、Zn 和Pb 含量与种植年限呈显著正相关关系，但是不同重金属元素累积速率有所差异，其中Cu 和Zn 累积速率最快，Cr、Pb 次之，而Cd 累积速率最慢，这与贾月慧等对北京郊区设施菜地的研究结果一致。

随土层深度的增加，各地区土壤重金属含量整体呈下降趋势，但南部地区几种重金属含量随土层加深而下降的趋势大于北部、西北部地区(表 5)。李树辉对山东寿光的研究表明，不同土层中重金属As、Cd、Cu、Zn、Cr 和Ni 含量随种植年限的延长均有不同程度的增加，侯鹏程对上海松江地区的研究也得出类似结论。由此可见，重金属在设施农田中均存在累积特性，且存在由表层向下迁移的趋势。已有研究表明土壤pH 值降低，重金属溶解度则显著升高，因此，随灌溉水向下迁移的淋溶趋势也就越大。同时，施用有机肥也可导致重金属活性增强而加速重金属的迁移。此外，干湿交替、淹水和温度升高也可导致重金属随溶解性有机质(DOM)的淋滤作用增强。由此可见，土壤酸化、高温环境、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。

3.3关于我国设施农田土壤重金属污染来源的探讨

研究表明设施农田土壤重金属含量与肥料的施用有密切关系。薛延丰等对江苏沿海地区的研究认为Cd、Cu 和Zn 与有机质、速效氮和速效磷可能具有相似的来源。李树辉对吉林四平、甘肃武威的研究表明有机肥和化肥的施用可能是导致设施农田土壤Cd、Zn、Cr、Cu 和Pb 等累积的重要原因，但氮肥和钾肥对土壤重金属累积的影响较小。任顺荣等通过定位试验发现长期施用尿素未显著提高土壤Cd、Cr、As 和Hg 含量，氮磷钾肥料配施和氮磷肥料配施两种处理之间土壤Cr、Hg 和As 含量不存在显著差异，但磷肥能够显著增加土壤Cd 含量。由此可见，施用磷肥可能是土壤Cd 累积的主要来源。有机肥中重金属含量远高于化肥，而不同种类有机肥中重金属含量也有所差异，以畜禽粪便为主要原料的商品有机肥中Cu、Zn 含量高于以造纸废弃物、腐植酸和作物秸秆等为原料的商品有机肥。王美等报道施用有机肥的土壤Cu、Zn、Pb 和Cd 含量比不施用有机肥的土壤增加0.08~13.98、0~26.5、1.63~5.31 和0~0.34 mg·kg^-1。

畜禽粪便已经成为最主要的基肥之一，农户为追求高产会施入大量有机肥，加之，设施农田复种指数高，导致肥料投入量更大。由此可见，施用有机肥能加大土壤污染风险，造成土壤重金属，尤其是Cu、Zn 的累积，这可能是我国设施农田土壤重金属的最主要来源。尤其是北部地区的山东、河北等省是我国设施农田比较发达的地区，设施大棚集约化程度高，种植年限长，农业投入品总量大，导致土壤中As、Cu、Zn 和Cr 含量较高。

除肥料外，工业三废的排放依旧是我国农田土壤重要的污染源。曾希柏等认为污泥/垃圾等固体废弃物的农业利用，是我国菜地土壤重金属含量增高的一个重要原因。于彩莲等对哈尔滨蔬菜大棚的研究表明Cd 超标严重可能与采样地长期污灌历史有关。我国南部地区以及北部地区的辽宁、吉林等省经济相对发达，采矿、冶炼和造纸等工业排放，以及历史污灌等都造成农田重金属污染，部分农田改为设施农田后，土壤重金属污染仍存在。张小敏等对我国农田土壤重金属分布特征的研究表明，南方地区由于工业活动和矿区开采，导致土壤Cd 累积明显强于北方地区。另外，Pb 的工业污染源主要来自大气沉降，肥料中Pb 含量较低，设施菜地长期处于覆膜状态，大气沉降对其影响相对较小。

此外，含有Cd、Pb 等重金属元素的农药、薄膜等其他农业生产投入品也会造成设施农田土壤重金属累积。茹淑华等对河北省设施菜地的研究发现，由于老棉田、经济作物田多年使用Hg、铜制剂和砷制剂等含重金属的农药，改造为设施农田后依然残留大量重金属污染物。此外，我国不同地区土壤的元素背景值不同，也是影响设施农田重金属污染分布特征的重要因素，如西部高原地区西藏和青海等土壤背景值普遍较高，可能是导致西北部地区设施农田土壤Ni 含量高于南部、北部地区的重要原因。

4 结 论

通过对国内外关于我国设施农田重金属研究文献的分析统计，发现我国设施农田重金属呈现一定的空间分布特征，主要表现在以下方面：南部、北部和西北部3 大地区设施农田土壤重金属含量及其分布规律各异，其中，Cd、Pb 和Hg 含量以南部地区为最高，与我国南部地区工业活动频繁且受到农业投入品的影响有关；而As、Cu、Zn 和Cr 含量则以北部地区为最高，除受到工业活动的影响外，近年来北部地区设施农业发展迅速，肥料(尤其是有机肥)施用量较大，可能也是造成这一现象的原因；Ni 含量以西北部地区为最高，主要是由于西北部地区Ni 的土壤背景值较高。我国设施农田土壤重金属含量随种植年限的延长而呈现不同程度的增加，表明重金属在设施农田中有明显累积，3 大地区均以Cu、Zn 的累积速率最快。设施农田重金属含量呈现随土层加深而下降的趋势。

延伸阅读：

农田重金属污染土壤植物修复技术研究