不同种植年限温室土壤铅的空间分布特征

孙艳征　曹文会

摘要 为了探究长期温室蔬菜种植条件下土壤重金属铅的空间分布特征，选取衡水饶阳县蔬菜种植基地，以不同种植年限的温室大棚土壤为研究对象。采用改进的欧共体标准物质局四步连续提取法（BCR），分析3个土壤层次中全铅、各形态铅、有效态铅含量以及随种植年限出现的积累特性和空间分布特征。结果表明，0～20 cm土壤表层、20～40 cm土壤亚表层全铅含量随种植年限延长表现出积累特性，40～60 cm层全铅含量则表现出随种植年限延长含量降低的趋势；在3层土壤中，表层土壤全铅含量最多，亚表层次之，40～60 cm层全铅含量最少；3个层次各形态铅含量表现为可还原态>残渣态>可氧化态>弱酸态；表层土壤中有效态铅含量最高，危害性较大；表层土壤生物有效性系数随种植年限延长表现出下降的趋势。根据土壤环境质量标准，研究区内土壤Pb含量仍处于一个较低的范围内，但潜在危害较大。

关键词 温室土壤；种植年限；铅含量；生物有效性

中图分类号 S158.4；F301 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）19-062-04

随着我国工业的快速发展，地球环境中的土壤、大气、水体均不同程度地受到重金属的污染[1]。畜禽粪便的不善管理以及化肥和农药等的不合理使用都会对土壤的理化性质造成破坏[2]。土壤的生态环境质量直接关系到农产品安全[3]。土壤中的重金属可以通过作物吸收进入食物链而被人体摄入，严重威胁人类健康。温室土壤长期处于半封闭状态，湿度高，水分蒸发大，雨水淋溶作用不足，土地利用频率较高。在农业生产中，农民单一考虑作物增产，往往忽视管理过程的科学性。诸多不科学现象伴随着生产过程，如肥料施用过量，农药使用不合理。随着温室土壤种植年限的延长，生产过程中会出现很多农业问题，如病虫害严重，作物品质下降，减产等。究其原因，在于温室土壤环境质量的恶化。重金属污染在土壤中非常隐蔽，而且存在形态复杂，土壤环境一旦遭受污染，很难对其进行监测和治理，因此对于土壤重金属污染的监测和治理成为众多科研工作者的研究热点和难点。土壤中重金属对生态环境和植物所造成的损害不仅取决于重金属元素的总含量，而且重金属的存在状态在很大程度上影响对土壤环境和植物的危害。

铅是一种对人体毒害非常严重的重金属元素，严重干扰人体机能的正常运行，并且存在诸多潜在危害。以衡水饶阳县蔬菜种植基地为例，笔者对不同种植年限温室土壤中重金属铅进行分析，探索长期温室耕作条件下土壤重金属铅的含量及空间分布，以期为温室土壤的农业生产管理和土壤与土地资源的可持续利用提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集 土壤样品于2013年6月采自河北省衡水饶阳县蔬菜种植基地的温室大棚。该地土壤类型为潮土。温室大棚的种植模式相同，均为种植黄瓜，每年两茬。对不同种植年限（18、15、12、10、5年）的土壤样品进行采集、分析。在土壤样品采集时进行多点取样。每棚内按“S”形路线取样，每点重复3次，分别对表层（0～20 cm）、亚表层（20～40 cm）及深层（40～60 cm）土壤进行采集，同时采集棚外土壤作为对照。

1.2 样品处理 将采集的土壤样品在室内进行风干，剔除杂质，研磨，分别过1.00、0.25及0.15 mm尼龙筛，装袋，贴标签，备用。对处理好的土壤样品进行重金属赋存形态和全量的提取、测定。

对土壤中重金属存在形态的浸提方法以BCR法为基础，经黄光明等[4]进行改进。具体步骤如下：①弱酸提取态（简称弱酸态）：用0.11 mol/L醋酸40 ml振荡浸提1 h，然后以3 800 r/min离心20 min，过滤，即为弱酸态提取液；②可还原态：用20 ml超纯水（试验用水均为超纯水）洗涤剩余物，振荡15 min，离心20 min后分离上层清液，剩余物用0.1 mol/L盐酸羟胺振荡提取16 h，按步骤①离心过滤，即为可还原态提取液；③可氧化态：剩余物按步骤②进行洗涤，上述步骤的剩余物经浓度30%双氧水氧化处理后，用1 mol/L醋酸铵溶解、振荡浸提16 h，离心，过滤，即为可氧化态提取液；④残渣态：残渣态含量是用全铅含量减去其他形态含量之和。该方法能较好地反映土壤中重金属的分布状况。

1.3 样品分析 各形态的提取液经原子吸收分光光度计法进行测定。土壤有效态重金属采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法测定。对全量铅的分析，首先是根据《王水回流消解原子吸收法》进行消解。该方法是由中华人民共和国农业部颁发的农业行业标准。在过滤、定容消解完成产物后，采用原子吸收分光光度法测定。试验数据分析采用Excel 2007软件处理和图表编制。

1.4 生物有效性的测定 有效态重金属含量占重金属总量的百分比，称为重金属生物有效性系数。相比于全量重金属和重金属有效态含量，它更能反映重金属对于环境的危害和对土壤的冲击[5]。其计算公式为：

Ac=Aci/Bci×100%

式中，Ac为土壤中Pb元素的活性；Aci为Pb元素的有效态含量；Bci为Pb元素的全量值。

2 结果与分析

2.1 土壤全铅含量 根据土壤环境质量标准[6]，土壤铅含量≤35 mg/kg定为一级土壤。由图1可知，采样区内全铅含量最高，达6.83 mg/kg。可见，该采样区土壤重金属铅含量还处于一个较低范围。

2.1.1 各层土壤铅含量比较。由图1可知，作为对照的土壤样品全铅含量最低（3.77 mg/kg），种植18年的温室土壤重金属铅含量达到最大值（6.83 mg/kg）。总体趋势表现为：随着种植年限的延长，重金属铅表现出积累特性；亚表层土壤全铅含量从对照到种植年限为12年的温室土壤也表现出随年限增长而增加的趋势。种植12年的土壤全铅含量达最高，为4.30 mg/kg；当种植年限为5年时，40～60 cm层土壤全铅含量出现最高值（3.59 mg/kg）；铅含量最小值是种植15年的温室土壤1.35 mg/kg。大体趋势是随着种植年限的延长，全铅含量降低。

2.1.2 重金属铅含量在空间上的分布。由图1可知，表层土壤重金属铅含量最高，亚表层次之，40～60 cm层最低。随种植年限的增长，表层与亚表层铅含量的差值也在变大。

由于连作的原因，温室土壤养分供应不足。为保证作物产量、品质，农户常会施加有机肥、农药等。大多数有机肥、农药中都含有铜、锌、铅等重金属，而多数农药又难溶于水，易被黏土和有机质吸附，随水淋失较少，所以农药大部分存在于表土层中[7]，表现出表土层中重金属铅全量含量较多。许多研究已表明，高强度的农业活动会影响土壤重金属的富集。种植历史的延续会引起土壤中的重金属的不断累积[8-9]。

2.2 土壤各种铅形态含量

2.2.1 表层土壤各种铅形态含量。由图2可知，在种植年限不同的温室土壤，0～20 cm表层土壤中铅的各形态含量表现为可还原态>残渣态>可氧化态>弱酸态。可还原态铅含量最高，表明进入土壤中的铅与土壤中铁锰氧化物结合能力较强。有研究表明，铁锰氧化物主要通过吸附或共沉淀作用积累铅元素[10]。该作用机制对于土壤环境的氧化还原条件极敏感。当土壤的酸碱度发生变化时，如pH下降，结合态的铅元素则会被活化释放，转化成作物可以吸收的铅，进而产生"二次污染”。残渣态是铅元素极其稳定的形态。这部分铅活度几乎为0，在短期内基本上不具备生物有效性，对环境几乎不存在潜在风险[11]。可还原态、残渣态、可氧化态铅均随种植年限延长表现出积累特性。弱酸态易被作物吸收，易转化成其他形态，含量非常低。

一般认为，弱酸态、可还原态和可氧化态铅有生物可利用性，统称为生物有效态铅[12]。由图3可知，该采样区内生物有效态铅占全铅含量的百分比表现出随种植年限延长而逐渐降低的趋势；残渣态占全铅含量的百分比则逐年升高。总体来说，生物有效态铅占全铅的比值均超过60%，有效态铅随种植年限延长含量一直升高。这说明该采样区内土壤重金属铅的生态危害较大。

2.2.2 亚表层土壤各种铅形态含量。由图4可知，20～40 cm土壤亚表层各种形态铅含量表现为可还原态>残渣态>可氧化态>弱酸态。由表1可知，亚表层土壤的可还原态含量在种植10年的温室土壤达到最大值，在种植15年达到最小，可还原态含量总体趋势是随种植年限延长先升高后下降；残渣态含量随种植年限延长总体趋势表现为升高，种植12年的温室土壤残渣态含量最多，含量最少的是对照土壤；弱酸态、可氧化态含量均较少。

2.2.3 40～60 cm土层土壤中各种铅形态含量。由图5可知，40～60 cm土层土壤中各形态铅含量大小依次为可还原态>残渣态>可氧化态>弱酸态。可还原态铅在种植年限为5年的温室土壤中达到最大值，在种植15年的温室土壤达到最小值。大体趋势为随种植年限的延长，可还原态含量降低；残渣态、可氧化态、弱酸态则表现出不规则的趋势。与对照相比，各种植年限残渣态含量均表现出明显的积累态势，其来源可能包括外源带入及其他形态铅的转化。

3个层次土壤中各形态铅含量大小均表现为可还原态>残渣态>可氧化态>弱酸态。这说明表层铅会影响下层土壤中铅的形态、含量，推测是表层土壤铅向下迁移，受土壤pH的影响，加之母质中铁锰含量较高，土壤中的铅较易与高价化态的铁锰氧化物结合，导致土壤中可还原态铅含量较多。

2.3 各层土壤中有效态铅含量累积特征 有效态铅是一种以水溶态和离子交换态存在于土壤中的铅。这部分铅可以被作物直接吸收。由图6可知，表层土壤有效态铅含量的范围为0.54～0.81 mg/kg，大体随着种植年限的延长出现下降的趋势；20～40 cm层土壤有效态铅含量范围为0.45～1.12 mg/kg，有效态含量在种植年限为10年的温室土壤出现最大值；40～60 cm层土壤有效态含量范围为0.38～0.71 mg/kg，有效态含量趋势为先升高后降低，最大值在种植年限为10年的温室土壤取得。总体趋势是表层土壤有效态铅含量高于其他两个层次，主要是因为表层是耕作层，受人为活动的影响较大。

2.4 表层土壤全铅、有效态铅含量特征及其生物有效性

2.4.1 表层土壤全铅、有效态铅含量特征。由表2可知，从种植年限为5年到种植年限为12年的温室土壤，全铅含量呈现出不断升高的趋势，有效态铅含量则表现出减少的趋势；从种植年限为15年到种植年限为18年的温室土壤，则表现出全铅含量不断升高，有效态铅含量也不断升高。

2.4.2 生物有效性。由表2可知，在不同种植年限的温室土壤，生物有效性存在较大差异，有效态铅活度较大，易在土壤中迁移，进而被作物吸收利用，在植物体内富集，最终达到食物链的顶端，进入人体，危害人体健康。

3 结论

（1）全铅含量最高出现在0～20 cm土壤表层，并且随着温室种植年限的延长，表现出积累特性。这主要是因为耕层土壤受人为因素的影响较多；20～40 cm亚表层土壤全铅含量低于表层土壤中铅的含量，也表现出随种植年限延长而增加的趋势；40～60 cm土层土壤全铅量最低，含量随种植年限延长表现出现降低趋势，主要是因为该层受到的人为活动较少。

（2）0～20 cm土壤表层中各形态铅含量均随种植年限延长表现出积累特性；亚表层土壤中残渣态含量随种植年限延长总体表现出升高的趋势；40～60 cm土层土壤中可还原态铅表现出随种植年限延长而含量降低的趋势。表层土壤中生物有效态含量占全铅含量的百分比均超过60%，而这部分铅可以被作物吸收利用，判断表层土壤重金属铅的危害较大。3个土壤层次中各形态铅含量表现为可还原态>残渣态>可氧化态>弱酸态，优势形态是可还原态。

（3）有效态铅是植物能直接吸收利用的。在3个土壤层次中，表层土壤有效态铅含量最高，推测有效态含量与耕作复杂程度有关。

（4）在种植年限为5～ 12年的温室土壤，生物有效性系数呈现出减小的趋势。

（5）参照土壤环境质量标准，研究区土壤铅元素含量仍处于一个较低范围。但是，采样区内生物有效态铅占全铅含量的比例值均已超过60%，表明采样区内土壤重金属铅的潜在生态危害较大。

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