賈 麗，喬玉輝，陳 清，李花粉，邵小明1，，馬和平

最近十年來，我國設(shè)施蔬菜種植規(guī)模一直維持在4×106hm2，已經(jīng)開始由數(shù)量型轉(zhuǎn)為質(zhì)量型發(fā)展[1]，雖然高投入及高復(fù)種指數(shù)的特點使得設(shè)施種植利用較少的土地面積生產(chǎn)出全國近1/3的蔬菜產(chǎn)品[2]，但長期連作和高投入導(dǎo)致設(shè)施菜田土壤環(huán)境質(zhì)量及蔬菜產(chǎn)品安全問題也引起了廣泛關(guān)注[3]。設(shè)施菜田作為高復(fù)種指數(shù)、高肥料投入、頻繁耕作和灌溉等人為干擾強度大的耕地土壤，加之肥料、有機物料及農(nóng)藥等農(nóng)用物資投入品的質(zhì)量安全存在一系列問題，導(dǎo)致土壤重金屬一直呈不斷累積的態(tài)勢[4]。

設(shè)施菜田土壤與農(nóng)田土壤重金屬累積原因不完全相同，農(nóng)田土壤重金屬累積主要受大氣沉降、畜禽糞便及化肥攜帶等因素的影響[5]，而設(shè)施菜田土壤重金屬累積的主要污染源為無機肥料和有機廢棄物（如：糞肥、污泥等）的還田等[6]。不同來源糞便重金屬含量有一定差異，如：豬糞中Cd、As、Hg、Cu、Zn和Ni六種元素平均含量比牛、羊和家禽糞便高數(shù)倍；家禽糞便中Pb和Cr的平均含量最高[7]。另外，在設(shè)施菜田中使用含重金屬的無機物料（如：含Cd的磷肥）也是重金屬在設(shè)施菜田中發(fā)生富集的重要來源[8]。因此，無機和有機物料來源的重金屬在設(shè)施菜田中發(fā)生富集，最終會影響菜田土壤環(huán)境及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量[9]?；诂F(xiàn)狀，許多學(xué)者對設(shè)施菜田土壤重金屬污染狀況、生態(tài)風(fēng)險評價及來源分析等方面展開了多個位點或區(qū)域上的研究工作[10-14]，但研究區(qū)域相對較小，結(jié)果也存在一定差異，從全國尺度范圍內(nèi)的設(shè)施菜田土壤污染現(xiàn)狀、累積特征及污染來源等研究較為缺乏，導(dǎo)致目前對我國設(shè)施菜田土壤重金屬污染現(xiàn)狀總體認識不足，對蔬菜產(chǎn)品質(zhì)量影響不清楚，設(shè)施菜田土壤污染防控重點及政策缺乏科學(xué)指導(dǎo)。

因此，本研究以我國設(shè)施菜田土壤為研究對象，通過文獻查閱和樣品采集兩種方式收集了大量的數(shù)據(jù)，利用數(shù)理統(tǒng)計相關(guān)知識分析設(shè)施菜田土壤重金屬污染現(xiàn)狀及特征，采用相關(guān)性及多元統(tǒng)計中的聚類分析等方法進行了設(shè)施菜田土壤重金屬污染源解析，并結(jié)合肥料重金屬污染狀況，提出設(shè)施菜田土壤重金屬累積的主要影響因素，從而為全面了解我國設(shè)施蔬菜種植土壤重金屬元素累積現(xiàn)狀、特點和污染來源，以及為設(shè)施土壤環(huán)境及重金屬污染防控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 文獻查閱

本研究以重金屬[重金屬（heavy metal）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、砷（As）、鉻（Cr）、汞（Hg）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鎳（Ni）]、蔬菜土壤等為主題詞，在中國知網(wǎng)、萬方、維普及Web of Science數(shù)據(jù)庫中進行檢索，從中篩選出涉及我國設(shè)施種植、采樣點遠離礦區(qū)及公路、非污水灌溉等蔬菜種植生產(chǎn)的文獻，獲取菜田0～20 cm土壤重金屬含量的樣本組401組（一個樣本組代表了通過單個或多個樣本計算得到的一組平均數(shù)，如文獻中實際采集十個土壤樣本并測得多種重金屬含量，通過計算其平均值最終得到一組數(shù)據(jù)，該組數(shù)據(jù)就代表了十個樣本重金屬含量水平）（表1）。其中，黃淮海與環(huán)渤海設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)，獲取土壤重金屬含量的樣本組233組（表2）。文獻樣本數(shù)據(jù)庫要素包括文獻要素和樣本要素（表層土壤重金屬范圍及含量、采樣時間、樣本來源地、pH）。數(shù)據(jù)來源于發(fā)表時間在2006—2018年期間的文獻共101篇，由于篇幅限制，未能在本文中一一列出。在這些文獻中，86%的數(shù)據(jù)組來自2011—2018年的文獻，14%的數(shù)據(jù)組來自2006—2010年的文獻。

1.1.2 樣品采集

參照農(nóng)業(yè)部制定的《全國設(shè)施蔬菜重點區(qū)域發(fā)展規(guī)劃（2015—2020年）》所涉及的設(shè)施栽培區(qū)域，按照隨機取樣法布點并采集設(shè)施菜田土壤樣本。采樣時期為上茬作物收獲或拉秧后（翻耕前），且避開剛施肥的土壤。在蔬菜大棚或溫室內(nèi)按“Z”型進行五點采樣，避開設(shè)施兩側(cè)各5 m地方，采樣深度為0～20 cm，得到一份2 kg左右的混合土樣，共采集樣品548份（表1）。黃淮海與環(huán)渤海設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)，獲取土壤重金屬含量的樣本組310組（表2）。樣品采集時間在2017—2018年。

表1 我國設(shè)施菜田土壤樣品區(qū)域分布Table 1 The distribution of greenhouse soil samples in China

1.2 土壤樣品分析

文獻查閱收集的土壤樣品和采集的土壤樣品在土壤理化性質(zhì)（pH、有機碳、全氮、速效磷、速效鉀）及重金屬含量（Cd、Pb、As、Cr、Hg、Cu、Zn、Ni）的測定方法上基本相同。理化性質(zhì)測定方法參照鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》（第三版）[15]。采用土水比1∶5，pH計測定土壤pH，凱氏法測定土壤全氮含量，碳酸氫鈉浸提硫酸鉬銻抗分光光度法測定土壤速效磷含量，醋酸銨浸提火焰光度法測定土壤速效鉀含量，鉻酸氧還滴定法測定土壤有機碳含量。重金屬元素含量采用王水微波消解，ICP-MS（Agilent ICP-MS 7700ce，Agilent Technologies，USA）及原子熒光法測定[16]，在整個分析測定過程中通過加入空白、重復(fù)測定以及國家標(biāo)準(zhǔn)土壤參比物質(zhì)GBW07455（GSS-26）進行全程質(zhì)量控制，各重金屬的回收率介于85%～105%。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

文中重金屬的統(tǒng)計分析以總有效數(shù)據(jù)組數(shù)計算。由于部分文獻中未給出土壤pH值，文中在涉及重金屬超標(biāo)率時剔除了未標(biāo)明土壤pH值的數(shù)據(jù)。同時，在種植年限變化分析時，剔除了種植年限不明確的數(shù)據(jù)。利用SPSS 18.0及Origin 8.0對數(shù)據(jù)進行分析和作圖。

1.4 土壤種植年限分布

為分析種植年限對土壤重金屬含量的影響，從設(shè)施土壤重金屬總數(shù)據(jù)庫中篩選出具有種植年限信息的數(shù)據(jù)，共獲取363組數(shù)據(jù)，Cd、Pb、As、Cr、Cu、Zn的樣本組數(shù)分別為328、310、285、297、266、304組，其中，通過文獻查閱獲取的數(shù)據(jù)組數(shù)依次為120、102、77、89、58組和 96組，代表樣點數(shù)分別為 1348、1454、841、556、1423個和1354個，年限分布范圍為1～30年；從本研究實地調(diào)研采集的土壤樣本獲取數(shù)據(jù)組數(shù)208組，分別代表208個樣點數(shù)，年限分布范圍為1～25年。

1.5 相關(guān)性分析及聚類分析

為進一步更好地分析土壤重金屬含量的影響因素，針對所有文獻查閱和實地調(diào)研采樣樣點，將其中具有理化性質(zhì)及與之相對應(yīng)的重金屬含量等數(shù)據(jù)信息的591組數(shù)據(jù)單獨建立一個數(shù)據(jù)庫，基本統(tǒng)計信息如表3所示。同時，采用相關(guān)分析和多元統(tǒng)計分析中的聚類分析進行了土壤重金屬源解析。聚類分析主要是利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件，對土壤重金屬數(shù)據(jù)進行Z-score標(biāo)準(zhǔn)化處理后，采用平方歐式距離測定數(shù)據(jù)之間的距離，基于組間聯(lián)接法進行R型聚類，繪制聚類分析樹狀圖[17]。

1.6 設(shè)施菜田投入的肥料樣品分布

為進一步確認土壤重金屬來源，通過文獻及實地調(diào)研兩種方式獲取相應(yīng)設(shè)施菜田投入的肥料中重金屬含量數(shù)據(jù)，共獲取130組數(shù)據(jù)，代表樣本數(shù)551個，其中有機肥97組，代表樣本數(shù)343個。

表2 黃淮海與環(huán)渤海設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)土壤樣品區(qū)域分布Table 2 The distribution of greenhouse soil samples in Huang-Huai-Haiand Bohai Rim region

表3 文獻及采集的591組設(shè)施土壤的理化性質(zhì)與對應(yīng)的重金屬含量Table 3 Properties and heavy metal content of the 591 sets of greenhouse soil data fromliteratures and collected soils

2 結(jié)果與分析

2.1 設(shè)施菜田土壤重金屬含量及超標(biāo)率

通過文獻查閱及樣品采集所得土壤重金屬含量見表4及表5，根據(jù)數(shù)據(jù)的分布類型，確定各重金屬元素含量均值的大小。對于分布類型為正態(tài)分布，均值采用算數(shù)平均值描述；分布類型為對數(shù)正態(tài)分布，均值采用幾何平均值描述；分布類型為偏態(tài)分布，均值采用中位數(shù)來描述。

全國范圍內(nèi)，文獻查閱來源中Cd、Pb、As、Cr、Hg、Cu、Zn、Ni平均含量分別為 0.32、24.9、8.45、83.6、0.05、29.9、70.7 mg·kg-1和 27.4 mg·kg-1（表 4），其中Cd、Cr、Cu分別超出全國土壤環(huán)境背景值220%、37%、32%。樣品采集來源的八種元素平均含量分別為 0.13、21.9、6.48、41.9、0.09、23.6、72.1 mg·kg-1和21.4 mg·kg-1，其中Cd超出全國土壤環(huán)境背景值30%，其他元素接近或低于背景值。從兩種數(shù)據(jù)來源的最大值來看，文獻查閱來源的數(shù)據(jù)值均大于實地采集樣品數(shù)據(jù)1～5倍，其中，Cd、Pb、As、Cr、Hg、Cu、Zn、Ni元素最大值分別為樣品采集來源的4.8、1.5、2.5、1.4、1.8、1.2、2.1倍和1.5倍。

黃淮海與環(huán)渤海設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)，文獻查閱來源中 Cd、Pb、As、Cr、Hg、Cu、Zn、Ni平均含量分別為0.30、25.9、8.56、67.1、0.08、33.3、79.1 mg·kg-1和 32.5 mg·kg-1（表5），其中Cd、Cu分別超全國土壤環(huán)境背景值200%和47%。樣品采集來源的土壤八種元素平均含量依次為0.13、22.8、5.93、43.5、0.08、23.1、69.3 mg·kg-1和19.4 mg·kg-1，其中Cd超全國土壤環(huán)境背景值30%，其他元素接近或低于背景值。文獻來源的八種元素最大值依次為樣品采集來源最大值的11.4、3.5、5.9、1.4、1.2、1.3、3.0倍和2.4倍。

不同數(shù)據(jù)來源的超標(biāo)狀況存在較大差異，但從超標(biāo)元素表現(xiàn)來看，Cd為主導(dǎo)污染因子，As元素及Cu、Zn元素易超標(biāo)，而Hg、Ni基本不出現(xiàn)超標(biāo)。就Cd、Pb、As、Cr、Cu、Zn六種元素來看，與《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中農(nóng)用地土壤風(fēng)險篩選值相比，在全國范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)來源為文獻查閱的樣本組數(shù)依次為309、289、226、267、286組和236組，超標(biāo)率為：Cd（30.5%）＞Cu（9.8%）＞Cr（7.2%）＞Zn（4.8%）＞Pb（4.7%）＞As（3.7%）。樣品采集中六種元素的樣本組數(shù)依次為487、543、485、482、489、435組，超標(biāo)率為：Cd（5.3%）＞Cu（1.8%）＞As（1.6%）＞Zn（0.9%）＞Pb（0.6%）＞Cr（0.6%）（表 4）。在黃淮海與環(huán)渤海設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)內(nèi)，文獻來源的六種元素樣本組數(shù)依次為組160、147、134、129、141組和112組，超標(biāo)率為：Cd（25%）＞Cu（10.4%）＞Cr（9.9%）＞Pb（6.3%）＞Zn（2.2%）＞As（2.1%）。樣品采集中六種元素的樣本組數(shù)依次為255、309、255、255、253組和202組，超標(biāo)率為：Cd（3.1%）＞Cu（2.1%）＞Cr（2.0%）＞As（1.2%）＞Pb（0.6%）＞Zn（0.5%）（表5）。

2.2 種植年限對設(shè)施菜田土壤重金屬累積的影響

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，Cd、Pb、As、Cr、Cu、Zn是設(shè)施土壤的污染元素，因此在本節(jié)針對這六種元素進行分析。文獻查閱的土壤重金屬含量數(shù)據(jù)顯示（圖1），隨種植時間延長，Cd、Cu、Zn含量呈逐步累積狀態(tài)，且達到顯著水平。種植年限為1～5年的設(shè)施土壤中三種元素含量分別僅為0.41、31.7 mg·kg-1和83.3 mg·kg-1，在21～25年Cd含量（3.60 mg·kg-1）達到最高水平，在種植年限為26～30年的設(shè)施土壤中出現(xiàn)下降，而Cu（80.3 mg·kg-1）和Zn（180 mg·kg-1）在26～30年間達到最高水平，這最高含量水平與種植年限1～5年土壤重金屬含量相比分別增加了778%、153%和117%，但Pb、As、Cr含量變化不明顯。

表4 我國設(shè)施菜田土壤重金屬含量（mg·kg-1）Table 4 The statistical analysis of heavy metal contents in China greenhouse soils（mg·kg-1）

表5 黃淮海與環(huán)渤海設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)土壤重金屬含量（mg·kg-1）Table 5 The statistical analysis of heavy metal contents in greenhouse soils in Huang-Huai-Haiand Bohai Rim region（mg·kg-1）

圖1 不同種植年限土壤重金屬含量Figure 1 The contents of soil heavy metal in different planting years

從本研究實地采集的土壤重金屬數(shù)據(jù)來看，Cd、As、Cu、Zn含量隨種植年限增加呈逐步累積狀態(tài)，且達到顯著水平。種植1～5年間，四種元素含量分別僅為0.14、7.91、20.3 mg·kg-1和 73.1 mg·kg-1；重金屬Cd在16～20年（0.19 mg·kg-1）累積到最高水平，在21～25年出現(xiàn)下降，而 As（16.0 mg·kg-1）、Cu（53.6 mg·kg-1）、Zn（131 mg·kg-1）在21～25年間達到最高水平，這最高含量水平比種植年限1～5年的含量增加了36%、103%、164%和79%。兩種數(shù)據(jù)來源下，Cd、Cu、Zn的累積狀況表現(xiàn)出一致性。隨種植時間的延長，土壤Cd、Cu、Zn呈逐步累積狀態(tài)，也可能會造成As的累積。

2.3 設(shè)施菜田土壤重金屬與理化性質(zhì)的相關(guān)性

2.3.1 土壤重金屬與理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

通過上述分析可知，Cd、As、Cu、Zn是設(shè)施土壤中主要的污染和累積元素，因此本節(jié)分析中主要以這四種元素為研究對象，分析其與土壤理化性質(zhì)（有機碳、全氮、速效磷、速效鉀）的關(guān)系。從變異系數(shù)來看，有機碳、速效磷、速效鉀、Cd、As表現(xiàn)為強分異，全氮、Cu、Zn為中等分異，可以看出這四種元素及土壤養(yǎng)分受人為影響較大。

對土壤理化性質(zhì)與重金屬含量進行回歸分析，結(jié)果表明（圖2），Cd與有機碳、全氮、速效磷、速效鉀呈線性正相關(guān)關(guān)系，且與有機碳呈顯著正相關(guān)關(guān)系（y=0.005 09x-0.874 33，r=0.171**；**P＜0.01）。Cu與有機碳、全氮、速效磷、速效鉀呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系（y=0.003 63x+1.345，r=0.183**；y=0.046 95x+1.303 06，r=0.122*；y=0.000 26x+1.346 69，r=0.272**；y=0.000 13x+1.332 8，r=0.147**；*P＜0.05，**P＜0.01）。Zn與有機碳、全氮、速效磷、速效鉀呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系（y=0.0031x+1.83251，r=0.137**；y=0.050 06x+1.7796，r=0.241**；y=0.00024x+1.829 21，r=0.247**；y=0.000 08x+1.831 58，r=0.145**；**P＜0.01）。而As元素表現(xiàn)出累積趨勢，但與理化性質(zhì)無顯著線性相關(guān)關(guān)系。從上述土壤理化性質(zhì)與重金屬含量相關(guān)性分析可以推測，土壤中重金屬Cd、Cu、Zn含量可能受養(yǎng)分投入攜帶的影響。

2.3.2 土壤重金屬與理化性質(zhì)的聚類分析

聚類分析是數(shù)理統(tǒng)計中研究“物以類聚”的一種方法，所要解決的問題是在事前沒有分類的情況下用某種相似系數(shù)來描述變量之間的親疏程度進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分類，常用于土壤污染源解析。為進一步確定土壤重金屬的來源，利用多元統(tǒng)計分析中的聚類分析研究土壤重金屬源解析，并繪制聚類分析樹狀圖（圖3）。聚類距離代表重金屬元素間的密切程度，值越小，表明元素間關(guān)系越密切，結(jié)果共分為兩類。Ⅰ類：有機碳、全氮、速效鉀、Cu、Zn、速效磷、Cd；Ⅱ類：Pb、Cr、As。對土壤重金屬及理化性質(zhì)進行聚類分析發(fā)現(xiàn)，Cd、Cu、Zn與土壤理化性質(zhì)被聚為一類。說明Cd、Cu、Zn與土壤有機碳及養(yǎng)分可能具有同源性。

圖2 土壤理化性質(zhì)與重金屬含量間的相關(guān)性Figure 2 Correlation between soil properties and heavy metal contents

2.4 設(shè)施菜田肥料重金屬含量

為進一步驗證土壤Cd、As、Cu、Zn四種元素與養(yǎng)分是否具有同源性，本節(jié)主要分析設(shè)施菜田投入的肥料中重金屬含量狀況。設(shè)施菜田投入的肥料對土壤重金屬影響較大的主要分為有機肥和磷肥兩大類，兩類肥料中重金屬含量狀況如表6所示。有機肥和磷肥中重金屬含量差異較大，有機肥中Cu、Zn平均含量分別高達118 mg·kg-1和326 mg·kg-1，最高含量達到488 mg·kg-1和1683 mg·kg-1，與德國腐熟堆肥標(biāo)準(zhǔn)相比，超標(biāo)率達到37%和49%。磷肥中Cd平均含量為2.64 mg·kg-1，最高含量達到20.8 mg·kg-1，與《肥料中砷、鎘、鉛、鉻、汞生態(tài)指標(biāo)》（GB/T 23349—2009）標(biāo)準(zhǔn)相比，超標(biāo)率達到28.3%，遠高于有機肥中Cd的超標(biāo)率（參照我國有機肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY 525—2012）。兩類肥料中As含量相對較低。

3 討論

3.1 我國設(shè)施菜田土壤重金屬污染特征

圖3 土壤性質(zhì)和重金屬的聚類分析Figure 3 Cluster analysis of soil properties and heavy metal

研究采用了文獻查閱和土壤樣品采集兩種方式分析了土壤重金屬污染特征。文獻查閱匯總后的土壤重金屬平均含量及最大值普遍高于土壤樣品采集結(jié)果。Chen等[18]基于非針對性、合理且具代表性的全國土壤規(guī)則網(wǎng)格的采樣方法，系統(tǒng)采集測定了約38 000個表層土壤樣本，土壤重金屬含量統(tǒng)計結(jié)果與本研究全國范圍內(nèi)樣品采集方式所得結(jié)果基本相當(dāng)；而文獻查閱的土壤重金屬超標(biāo)率也高于樣品采集，且相差較大。如文獻查閱中Cd的超標(biāo)率高達30.5%，而樣品采集Cd的超標(biāo)率僅為5.3%，其他元素通過兩種方式獲得的超標(biāo)率差異也較大。兩種數(shù)據(jù)來源下，黃淮海與環(huán)渤海設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)的土壤重金屬污染特征與全國范圍內(nèi)設(shè)施菜田土壤的污染特征相似，實地采樣樣點污染程度較小，且超標(biāo)率較低。

結(jié)合土壤含量狀況，推測可能是因為文獻研究普遍集中于有污染的設(shè)施菜田，而對清潔或輕度污染土壤的研究較少。相比之下，本研究中樣品采集更能反映當(dāng)前設(shè)施菜田土壤重金屬污染并非普遍現(xiàn)象的現(xiàn)狀，在正常種植生產(chǎn)條件下，土壤重金屬污染并未像文獻查閱的結(jié)果那樣嚴重，僅個別樣點存在污染。綜上所述，本研究實地調(diào)研的土壤重金屬含量數(shù)據(jù)更能反映當(dāng)前設(shè)施菜田土壤重金屬污染狀況。

總體來看，我國設(shè)施土壤各類重金屬含量處于較低水平，平均含量低于孟敏等[19]2018年關(guān)于我國設(shè)施農(nóng)田土壤重金屬含量的文獻研究結(jié)果，這可能與農(nóng)用投入品差異有關(guān)。在本研究實地調(diào)研采集的樣品中，約80%的土壤存在重金屬累積現(xiàn)象，部分樣點土壤重金屬含量較高，表明我國設(shè)施菜田土壤重金屬累積具有普遍性。土壤重金屬含量相差懸殊可能是由作物種植方式、農(nóng)用品受污染程度及投入量、種植年限等的差異所致。在實地采樣調(diào)查數(shù)據(jù)來源下，除Pb、Cr外，黃淮海與環(huán)渤海設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)重金屬平均含量均低于全國平均含量水平，且所有元素含量最大值均低于全國水平，土壤重金屬超標(biāo)率較低，說明我國設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)的土壤環(huán)境質(zhì)量良好，部分超標(biāo)及高重金屬含量土壤需要加強污染防控與治理。從超標(biāo)元素看，土壤主要受Cd、Cu、As、Zn污染，其中污染最為普遍的是Cd、Cu，而基本不受Hg、Ni元素污染，這與前人的研究結(jié)果一致[6，14，19-21]。這可能主要還是受菜田投入品質(zhì)量的影響，如含Hg等制劑農(nóng)藥的限制和禁止使用對減少重金屬污染起到了積極作用，而因畜禽飼料添加劑導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不一的有機肥的使用對土壤中Cd、Cu、Zn、As累積起到助推作用[22-23]。

3.2 設(shè)施菜田土壤重金屬污染影響因素分析

人為種植因素及特殊的小氣候條件導(dǎo)致設(shè)施菜田土壤成為一類非常特殊的積累高有機物質(zhì)的土壤[24-25]。受種植年限的影響，土壤重金屬Cd、As、Cu、Zn呈逐步累積狀態(tài)，且Cd、Cu、Zn累積趨勢明顯，與前人的研究結(jié)果一致[20，26]。在種植中后期，Cu、Zn變化幅度逐步增大，這與梁蕾等[27]及王丙麗等[26]的研究結(jié)果一致。黃標(biāo)[28]研究也發(fā)現(xiàn)中長期及長期（6年及15年）蔬菜種植Cd、Cu、Zn顯著累積，且Cu、Zn含量增長幅度逐步增大。引起變化的原因可能是種植過程中為提高土壤速效養(yǎng)分及地力水平，前期大量使用含重金屬的化肥，增加畜禽糞便投入，中后期主要施用畜禽糞便、秸稈等有機肥或堆肥來培肥土壤[29-30]。可能受樣本量的影響，文獻及采樣數(shù)據(jù)中Cd元素分別在26～30年和21～25年出現(xiàn)下降，但Cd含量整體是呈增加的趨勢。而Pb、Cr元素受種植年限影響較小，說明這兩種元素的重金屬接近于平衡狀態(tài)，這可能是由于設(shè)施蔬菜種植常年相對封閉的空間環(huán)境避免了含Pb汽車尾氣的排放、工礦企業(yè)的化石燃燒等大氣沉降所帶來的大量輸入而造成的土壤重金屬污染[5，31]。

表6 設(shè)施菜田投入中肥料重金屬含量Table 6 Heavy metal content in fertilizers

本文及前人相關(guān)研究表明，設(shè)施土壤中的重金屬與土壤理化性質(zhì)存在顯著相關(guān)性，Cd、Cu和Zn與有機質(zhì)、速效氮和速效磷可能具有相似的來源[20]。同時聚類分析發(fā)現(xiàn)Cd、Cu、Zn與土壤理化性質(zhì)被聚為一類。說明Cd、Cu、Zn與土壤有機碳及養(yǎng)分可能具有同源性，與上述研究結(jié)論相吻合。這可能是肥料投入對重金屬的攜帶作用，且長期土壤重金屬輸入量大于輸出量而導(dǎo)致的土壤重金屬累積[21，32]。

設(shè)施菜田投入的有機肥和磷肥中重金屬含量表明，所投入的糞肥等有機肥及化肥中的磷肥受重金屬污染嚴重，如有機肥受Cd、Cu、Zn元素污染，其中Cu、Zn元素含量較高，磷肥中Cd含量較高。劉榮樂等[33]研究表明我國商品有機肥Cd、Cu、Zn超標(biāo)率較高（參照德國腐熟堆肥限量標(biāo)準(zhǔn)）。畜禽糞便類的有機肥大多來源于集約化養(yǎng)殖場，其中Cu、Zn含量常表現(xiàn)為豬糞＞雞糞＞牛糞＞羊糞[34]。穆虹宇等[7]對我國畜禽糞便重金屬含量研究表明，Cd、Cu、Zn元素為主要污染元素。這主要是與天然伴生及飼料添加劑有關(guān)，尤其是集約化養(yǎng)殖場，為提高飼料轉(zhuǎn)化率、提高畜禽抗病能力及改善毛色等而添加過量Cu、Zn、As等微量元素，同時，有機肥中較高的Cd元素可能是在飼料及肥料加工生產(chǎn)過程中帶入所致[23]。磷肥中過高的Cd元素可能是原材料磷礦中含有及開采過程中帶入所致[35]，但具體原因還需進一步研究。

大量研究也表明，肥料投入對土壤重金屬累積具有重要作用。如任順榮等[36]的長期定位試驗發(fā)現(xiàn)長期施用磷肥能夠顯著增加土壤Cd含量，可能是土壤Cd的主要來源。王美等[37]證明長期大量施用有機肥會導(dǎo)致土壤Cu、Zn和Cd含量增加。這也驗證了土壤重金屬Cd、Cu、Zn元素累積受肥料投入影響的推論。

4 結(jié)論

（1）我國設(shè)施菜田土壤生態(tài)環(huán)境較為安全。主導(dǎo)的重金屬污染因子為Cd元素，土壤易受Cd、As、Cu、Zn元素污染，而基本不受Hg和Ni元素污染。

（2）隨種植年限的延長，土壤重金屬Cd、As、Cu、Zn元素含量呈累積狀態(tài)，且Cd、Cu、Zn受種植年限的影響較大。而Pb、Cr受種植年限影響程度較小或基本不受種植年限的影響。

（3）土壤Cd含量與有機碳呈顯著正相關(guān)，Cu、Zn含量與有機碳、全氮、速效磷及速效鉀有顯著的相關(guān)關(guān)系，存在著同源性。菜田投入的肥料中重金屬含量表明，土壤重金屬累積受磷肥及高重金屬污染糞肥投入的影響。