城郊菜地土壤和蔬菜重金属污染状况研究

中国环境学会  2011年 03月31日

  李录久1 ,吴萍萍1,杨自保2,王家嘉1,张祥明1
  (1安徽省农科院土壤肥料研究所,合肥 230031;2安徽省铜陵市农科所,铜陵244000)
   
  摘 要:采集城市郊区蔬菜地土壤和蔬菜植株样品,分析重金属含量。结果表明:土壤Cu、Zn、Pb和Cd平均含量分别为282.1、227.2、122.5和1.927 mg/kg,是我国A层土壤算术平均值的12.5、3.1、4.7和19.9倍。土壤Cu、Zn、Pb和Cd的污染指数平均为8.46、0.84、0.33和5.01,表明该区域土壤已受到较为严重的铜、镉污染。10种秋冬季主要蔬菜,Cu、Zn、Cd、Pb平均含量分别为12.37、9.29、1.84 和0.282mg/kg,Cu、Pb和Cd含量大部分超过我国食品卫生标准,该菜地生产的蔬菜已经受到较为严重的铜、铅和镉的污染,不宜食用。主要蔬菜中,生菜、乌菜、白菜和莴苣、萝卜等品种重金属含量较高,花菜最低。
  关键词: 重金属;土壤和蔬菜Cu、Zn、Cd、Pb含量;污染指数
   
  近年来,环境污染和生态破坏日益严峻,严重影响到人类的健康和生存,其中重金属对环境的污染和破坏尤为严重,特别是Pb、Cd、Hg、Cu及其复合污染最为突出,尤其在一些经济发达地区。高强度的人类活动如工业三废排放、污水灌溉、污泥农用加剧了有毒土壤重金属尤其是Cd的污染[1,2]。重金属是一类毒性很大的无机污染物,它的特殊性在于不能被土壤微生物降解而从环境中彻底消除,当它在土壤中积累到一定程度时,就会对土壤--植物系统产生毒害和破坏作用,对作物生长、产量和品质均有较大的危害,特别是它们还能被作物富集吸收,进入食物链,具有损害动物和人类健康的潜在危险[3]。有关研究表明,土壤重金属污染物主要来源于采矿、冶炼等工矿企业排放的废气、废水和废渣,同时煤和石油等矿物燃料燃烧也能释放出相当数量的重金属[4]。安徽是我国重要的煤炭和钢铁工业基地,也是有色金属生产大省。上世纪前由于人们环境保护意识薄弱,一些地区工矿设备落后,生产技术水平低下,工业“三废”尤其是重金属对农田环境的污染较为严重。
  蔬菜是人们日常食物的重要组成部分,消费量巨大,对人类摄入重金属有重要影响[5]。为保障城市蔬菜供应,城市郊区或者近郊往往分布大量的蔬菜生产基地,生产的蔬菜主要供应城市居民。然而,由于城郊或者近郊邻近城市,容易受到工业三废和污水、污泥等的污染,土壤重金属含量较高,蔬菜重金属富集,影响市民健康。因此,开展城市郊区土壤和蔬菜重
   
  基金项目:国际植物营养研究所(IPNI)中国项目部项目资助。
  作者简介:李录久,男,安徽长丰人,博士,研究员,主要从事植物营养与施肥技术研究。
  金属污染状况调查,指导菜农种植重金属低吸收和低积累的蔬菜品种,对保护城镇居民身体健康有重要作用。在国际植物营养研究所IPNI等支持下,选择有代表性的城市郊区蔬菜地作为研究对象,采集该区域土壤及蔬菜样品,测定重金属含量,以评价城市郊区农田重金属及蔬菜的污染程度和污染元素的分布状况。现将结果整理如下。
   
  1、材料与方法


  1.1 样品采集
  根据城市污染源的分布,结合调查现场的具体情况,选择郊区某蔬菜地作为研究对象,采集当地主要类型蔬菜样品及0~20cm耕层土壤样品。共采集土壤样品30个,植株样品30个,植株样品分根、茎、叶三部分。


  1.2 分析方法
  采集的土壤样品自然风干后,用玛瑙研钵研磨,过直径100目的塑料土筛,供土壤重金属元素全量分析用。植株样品杀青后在60~80℃下烘干、磨碎后备用。称取的土壤样品经HNO3- HClO4-HCl三酸加热消化,冷却后用硝酸溶解定容进行前处理;植株样品用HNO3-HClO4消煮,用硝酸溶解定容制成待测液。所消解的土壤与蔬菜植株样品待测液最后用原子吸收光谱法测定其中的Cu、Zn、Pb、Cd含量[6]。


  1.3 土壤重金属污染现状评价
  对土壤和植株进行单一元素污染评价,采用目前国内普遍采用的土壤污染指数法进行,具体按下式计算:Pi=Ci/Si,其中Pi表示土壤某污染物i的污染指数,Ci为该土壤污染物i的实测值,Si表示土壤污染物i的评价标准。
  本研究区域土壤偏酸性,Si采用我国土壤环境质量二级标准,即Cu≤50mg/kg,Zn≤200mg/kg,Pb≤250mg/kg,Cd≤0.30mg/kg。蔬菜植株污染评价标准采用GB2762—2005,即最高允许残留量Cu≤5mg/kg,Zn≤20mg/kg,Pb≤25mg/kg,Cd≤0.05mg/kg。
   
  2、结果与讨论


  2.1 城市郊区蔬菜地土壤重金属污染状况
  2.1.1  土壤重金属含量   从表1可看出,该郊区蔬菜地土壤总Cu含量为105.4~726.5 mg/kg,平均值为423.8 mg/kg,中值为466.4 mg/kg。其中Cu平均值是我国自然保护区土壤自然背景值35 mg/kg的12.1倍,是我国A层土壤算术平均值22.6 mg/kg的18.8倍;中值是我国A层土壤中值20.7 mg/kg的22倍多,世界土壤中值30 mg/kg的15.5倍。土壤总Zn含量为127.2~211.7 mg/kg,平均值167.1 mg/kg,中值为170.9 mg/kg。其中Zn平均值是我国自然保护区土壤自然背景值100 mg/kg的1.7倍,是我国A层土壤算术平均值74.2 mg/kg的2.3倍;中值是我国A层土壤中值68.0 mg/kg的2.5倍,世界土壤中值9 mg/kg的19.0倍。土壤总Pb含量为39.8~291.2 mg/kg,平均值为75.1 mg/kg,中值为61.0 mg/kg。其中Pb平均值是我国自然保护区土壤自然背景值35 mg/kg的2.1倍,是我国A层土壤算术平均值26.0 mg/kg的2.9倍;中值是我国A层土壤中值23.5 mg/kg的2.6倍,世界土壤中值35 mg/kg的1.7倍。土壤总Cd含量为0.513~2.499 mg/kg,平均值为1.504 mg/kg,中值为1.501 mg/kg。其中Cd平均值是我国自然保护区土壤自然背景值0.20 mg/kg的7.5倍,是我国A层土壤算术平均值0.097 mg/kg的15.5倍;中值是我国A层土壤中值0.079 mg/kg的19.0倍,世界土壤中值0.35 mg/kg的4.3倍。
  表1  土壤重金属含量的统计特征值

  测定项目

最小值(mg/kg)

最大值 (mg/kg)

  (mg/kg)

平均值(mg/kg)

  (mg/kg)

标准差(mg/kg)

变异系数

(%)

环境标准(mg/kg)

Cu

105.4

726.5

466.4

423.8

621.1

163.8

38.7

50

Zn

127.2

211.7

170.9

167.1

 84.4

 20.3

12.2

200

Pb

 39.8

291.2

 61.0

 75.1

251.4

 53.0

70.5

250

Cd

0.513

2.499

1.501

1.504

1.990

0.451

30.0

0.3

  注:n=30.
   
  2.1.2  土壤重金属污染指数  表2的结果说明,土壤Cu的含量全部超过我国土壤环境质量二级标准GB15618—1995中规定的蔬菜地土壤最高允许含Cu量(50mg/kg)的标准,污染指数全部大于1,最高为14.5,平均值达8.50,说明该区域土壤已受到极为严重的铜污染。土壤Zn和Pb的污染指数分别为0.636~1.058和0.159~1.165,只有1个样品污染指数高于1,表明该区域土壤没有受到Zn和Pb的污染,尤其是铅,大部分样品的污染指数都很小。土壤Cd的污染指数也全部大于1,平均污染指数为5.0,说明该菜地土壤也受到极为严重的镉污染,即由Cu和Cd构成的较为严重的复合污染。因此该地区菜地不宜再作为蔬菜生产基地,尤其不能种植对Cu、Cd高吸收和高积累的蔬菜及粮食作物品种,应改种其它非食用的作物如棉花和花卉等,以免危害市民健康。
  表2  土壤重金属的污染指数

  测定项目

污染指数Pi

平均

Pi<1

Pi>1

样本数()

分布频率(%)

样本数()

分布频率(%)

Cu

2.109~14.530

8.464

0

0

30

100

Zn

0.636~1.058

0.836

29

96.7

1

3.3

Pb

0.159~1.165

0.333

29

96.7

1

3.3

Cd

1.710~8.330

5.013

0

0

30

100

 


  2.2 蔬菜重金属含量与污染超标状况
  随机采集的该蔬菜基地生产的小白菜、花菜、莴苣、菠菜、萝卜、生菜、大葱、芫荽、乌菜和大蒜等10种秋冬季主要蔬菜重金属含量(鲜重)分析结果列于表3,各重金属的检出率为100%。由表3可见。Cu含量为2.10~ 41.76 mg/kg,平均值为12.37 mg/kg。Zn含量为4.40~15.27 mg/kg,平均值9.29mg/kg。Pb含量为0.17~5.61 mg/kg,平均值为1.84 mg/kg。Cd含量为0.006~0.864 mg/kg,平均值为0.282 mg/kg。可见,蔬菜植株内Cu、Pb与Cd含量变异较大,Zn的变异较小。同时,根据我国食品卫生标准GB2762—2005规定的一般蔬菜最高重金属含量Cu为5.0 mg/kg 、Zn≦20.0mg/kg、Cd≦0.05 mg/kg、Pb≦0.1 mg/kg的标准,部分蔬菜Cu、Zn、Cd和Pb含量或超过该食品卫生标准。其中Cu含量最大值为标准的8.35倍,平均值为标准的2.47倍;Zn含量最大值为标准的0.76倍,平均值仅为标准的0.46倍;Cd含量最大值为标准的17.28倍,平均值为标准的5.64倍;Pb含量最大值为标准的56.11倍,平均值为标准的18.44倍;即使Cd和Pb分别按根菜类或球茎类蔬菜标准0.2 mg/kg和0.3 mg/kg计算,除花菜等个别球茎类蔬菜Cd含量低于0.2mg/kg的标准外,多数样品含Cd量超过此标准,同时部分蔬菜样品含Pb量均远远高于0.3mg/kg的球茎类蔬菜最高限量标准。说明该地区菜地生产的蔬菜已经受到较为严重的铜、镉、铅的污染。
  表3  蔬菜重金属含量(鲜重)的统计特征值

  测定项目

最小值(mg/kg)

最大值(mg/kg)

  (mg/kg)

平均值(mg/kg)

  (mg/kg)

标准差(mg/kg)

变异系数

(%)

食品标准(mg/kg)

Cu

2.010

41.759

3.746

12.374

39.75

1.310

 22.2

5.0

Zn

4.404

15.274

7.178

9.287

10.87

6.947

 75.9

20.0

Pb

0.172

 5.611

1.075

1.844

 5.44

0.215

 16.5

0.10.3

Cd

0.006

 0.864

 0.149

 0.282

  0.858

0.251

112.5

0.050.2

  注:n=38.
  根据我国食品卫生标准GB2762—2005规定的一般蔬菜最高重金属含量标准,进一步分析该地蔬菜重金属含量超标率,结果表明,Cu含量高于5.0 mg/kg的蔬菜所占比例为73.7%,说明Cu超标率较高。 没有一个样本含Zn量超过20.0mg/kg,表明该地蔬菜重金属锌的含量不超标。所有蔬菜样品Pb含量均超过0.1 mg/kg的标准,超标率为100%;Pb含量超过0.3mg/kg的样品占总样本的比例为85.7%,表明该菜地生产的蔬菜Pb污染较为严重。Cd含量高于0.05 mg/kg的蔬菜所占比例为88.5%,超标率最高, 表明Cd污染也很严重。为保证市民的健康,该蔬菜地已不适合于种植蔬菜,可改种非食用作物如棉花和花卉等。
  进一步分析表明,不同品种蔬菜重金属量浓度也不同。Cu含量最高的蔬菜品种为萝卜,平均含量高达166.6mg/kg,其次为莴苣、大葱、生菜、乌菜、白菜,含量均超过100mg/kg,花菜含Cu量最低,菠菜、芫荽介于之间,表明根菜及白菜等叶菜类蔬菜对铜的富集能力均较强。白菜与乌菜含Zn量最高,分别为152.7和112.0mg/kg;花菜最低,仅16.0mg/kg,表明白菜有较强的吸收与富集锌的能力。铅的平均含量差异较小,萝卜和生菜的含Pb量最高,分别为20.3和17.3mg/kg,花菜的最低,不足2.0mg/kg。镉的含量,也是花菜的最低,鲜重含量仅0.0060mg/kg,没有超过食品卫生标准;最高的是乌菜,高达5.93mg/kg;其次是生菜和莴苣、白菜等叶菜类蔬菜,含量严重超标,表明生菜、白菜等叶菜类蔬菜和莴苣对镉的富集能力也很强,这些蔬菜品种不易种植于Cd、Cu等污染的土壤上。不17.6mg/kg
  表4  10种蔬菜重金属平均含量(干重,mg/kg)

  测定项目

白菜

生菜

花菜

大葱

莴苣

菠菜

萝卜

芫荽

乌菜

大蒜

Cu

114.8

117.7

44.5

119.2

137.6

59.2

166.6

62.2

116.0

29.5

Zn

152.7

107.3

16.0

18.5

99.6

87.3

54.8

65.4

112.0

44.0

Pb

10.7

17.3

1.7

15.9

15.9

11.6

20.3

3.6

28.1

2.0

Cd

2.90

3.84

0.06

2.13

3.26

1.45

1.22

2.13

5.93

0.46


  3 小结


  安徽省某城市郊区蔬菜地土壤总Cu、Zn、Pb和Cd含量分别为79.3~2415.3、75.6~778.6、46.3~252.1和0.29~13.546 mg/kg,平均值为282.1、227.2、122.5和1.927 mg/kg,是我国A层土壤算术平均值的12.5倍、3.1倍、4.7倍和19.9倍。土壤Cu、Zn、Pb和Cd的污染指数相应为2.11~14.53、0.64~1.06、 0.16~1.17和1.71~8.33,平均为8.46、0.84、0.33和5.01,表明该区域土壤已受到较为严重的铜、镉污染。
  10种秋季主要蔬菜,Cu含量为2.10~ 41.76 mg/kg,平均值为12.37 mg/kg;Zn含量为4.40~15.27 mg/kg,平均值9.29mg/kg;Pb含量为0.17~5.61 mg/kg,平均值为1.84 mg/kg;Cd含量为0.006~0.864 mg/kg,平均值为0.282 mg/kg;Cu、Cd和Pb含量大部分超过我国食品卫生标准。其中Cu含量最大值为标准的8.35倍,平均值为标准的2.47倍;Zn含量最大值为标准的0.76倍,平均值仅为标准的0.46倍;Cd含量最大值为标准的17.28倍,平均值为标准的5.64倍;Pb含量最大值为标准的56.11倍,平均值为标准的18.44倍,表明该地区菜地生产的蔬菜已经受到极为严重的铜、镉和铅的污染,不宜食用。
  不同品种蔬菜重金属浓度不同,吸收积累重金属的量存在较大的差异。生菜、乌菜、白菜等叶菜类蔬菜及莴苣、萝卜等根菜类蔬菜品种吸收和富集镉、铜、锌的能力较强,Cd、Cu、Zn的含量较高;花菜富集重金属能力弱,Cd、Cu、Zn、Pb含量最低。


  参考文献
  [1] 胡宁静,骆永明,宋静.长江三角洲地区典型土壤对镉的吸附及其与有机质、pH和温度的关系[J].土壤学报,2007,44(3):437-443.
  [2] 孙波,周生路,赵其国.基于空间变异分析的土壤重金属复合污染研究[J].农业环境科学学报,2003,22(2):248-251. Sun B, Zhou Shenglu, Zhao Qiguo.
  [3] 周国华,黄怀曾.北京市东南郊自然土壤和模拟污染影响下Cd赋存形态及其变化[J].农业环境科学学报,2003,22(1):25-27.
  [4] 李博文,谢建治,郝晋珉.不同蔬菜对潮褐土镉铅复合污染的吸收效应研究[J].农业环境科学学报,2003,22(3):286-288.
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