土壤和产地环境污染管控与修复岗位

李兆君 马倩倩 赵全胜

 

  1　前言

 

  2014年，原环境保护部和国土资源部联合发布的全国土壤污染状况调查公报显示，中国耕地土壤污染点位超标率达19.4%，其中重金属超标点位数占全部超标点位数的82.8%（原环境保护部）。重金属污染问题已成为中国广泛关注的重大生态环境问题，对现代农业和社会经济的可持续发展、农业生态环境和农产品质量安全构成了潜在威胁。京津冀区域面积21.7万km2，2013年耕地面积699万hm2。该区设施农业复种指数高，产出强度大，化肥、有机肥使用量大，造成土壤氮、磷超量累积，淋失严重，重金属超标，尤其是面源和重金属污染不容乐观，危及土壤及地下水和生态环境安全。此外，随着集约化程度的提升，尾菜，残枝等设施农业废弃物及其中残留的重金属不断增加，给环境带来了较大的压力，所有这些环境污染问题已成为阻碍经济社会可持续发展的重要瓶颈，严重制约着京津冀协同发展（杜连凤等，2016）。

 

  葡萄是浆果类产品中贸易量最大的品种，种植范围广阔，是我国和世界重要的水果，品种繁多，营养丰富。我国葡萄栽培地域广阔，发展迅速，截至2015年底，中国葡萄栽培面积达79.9万hm2，从2011年起鲜食葡萄产量已稳居世界首位，2014年起葡萄栽培面积已跃居世界第2位，葡萄酒产量居世界第8位，中国已成为世界葡萄生产大国（吕捷等，2019）。葡萄种植虽经济收入可观，但随着种植时间的延长，连作障碍逐渐凸显。潘佳颖等（2017）研究贺兰山东麓葡萄主产区土壤重金属后，发现镍( Ni )、Cu和Cr达到轻度污染水平。 杨玉等（2017）通过采样长沙、株洲地区12个观光采摘葡萄园的土壤( 0~20cm 和 20~40 cm )，按照土壤环境质量二级标准和绿色食品产地环境质量标准，用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法对土壤重金属铅( Pb )、镉( Cd )、汞( Hg )、砷( As)和铬( Cr )污染的状况进行评价和影响因子分析发现，根据葡萄园上、下层土壤中 pH 值及 Pb、Cd、Hg、As、Cr 含量测定结果，上层土壤( 0~20 cm ) 5 种重金属含量均值都高于下层土壤( 20~40 cm )说明土壤的重金属除了来自成土母岩，受人为耕作或其他外来因素影响很大。刘子龙等（2010）对石河子葡萄主产区果园土壤环境质量研究后得出符合无公害葡萄产地土壤环境质量标准。

 

  随着种植年限的增加，许多老葡萄园出现了幼苗生长不良、病害严重等现象，表现出严重的连作障碍，面临重茬再植问题。了解葡萄不同种植年限种植土壤和产地重金属污染情况，对了解葡萄产地安全和安全质量，减少风险隐患具有重要意义。因此我们对不同种植年限葡萄园中Cu、Cd和Pb重金属分布情况进行了分析，旨在为京津冀地区葡萄产地重金属污染管控提供支撑。

 

  2　京津冀区域土壤概况及样品采集

 

  2.1　京津冀地区土壤主要类型

 

 

  京津冀地区土地资源类型多样，不同地貌单元的土壤类型差异较大（如表1所示）。其中，坝上高原区主要土壤类型为钙层土，山地区主要分布淋溶土、半淋溶土、钙层土和初育土，山前冲洪积扇地区以半淋溶土为主，泛滥平原、黄泛平原主要分布半水成土，海积平原主要发育盐碱土。京津冀平原区土壤质量总体很好，良好及以上等级土壤分布面积约占80.89%。其中，优质等级土壤占比为1.72%，主要分布在河北省三河、鸡泽和天津市宁河等部分地区；优良等级土壤占比为67.10%，广泛分布于全区；良好等级土壤占比为12.07%，主要分布于沿海滩涂和滦河流域地区。

 

  2.2　京津冀地区葡萄种植概况

 

  京津冀地区葡萄种植既有鲜食葡萄也有酿酒葡萄，种植面积见表2。由表2可知，2016年葡萄种植面积约为51.5千公顷，2017年葡萄种植面积约为50.2千公顷，分别约占全国同年葡萄种植面积的7.2%（2016年）和7.14%（2017年）。

 

  京津冀地区葡萄总产量见表3。由表3可知，京津冀地区2016年葡萄总产量约为122.73万吨，2017年葡萄总产量约为125.63万吨，分别约占全国同年葡萄总产量的9.72%（2016年）和9.60%（2017年）。

 

  就葡萄种植品种而言，京津冀葡萄品种繁多，主要包括：玫瑰香、红宝石、阳光玫瑰、夏黑、巨峰、马奶葡萄、龙岩、蛇龙珠、赤霞珠、红提、美人指、维多利亚、白玫瑰、马瑟兰、蛇龙珠、蓝宝石等。

 

  2.3　样品采集

 

  2.3.1　样品采集过程

 

 

  2019年10月份，土壤与产地环境污染管控与修复岗位科学家团队成员对京津冀地区典型葡萄园进行取样，总取样数达546个。其中，在北京地区取样地点包括通州、顺义、密云、延庆、昌平、大兴和房山7个区，12个大型典型葡萄园，共计146个土样。详细情况同2019年第四季度技术通讯（如表4和表5所示）。

 

  样品采集方法：取样用1 m管型土钻，分别在0-20 cm和20-40 cm两个土层进行五点混合取样，分别在距离葡萄栽培行左右两边40 cm处取样，葡萄行中间（株距之间）取一个土样。每个土样重约500 g。用自封袋装带回实验室。采样时使用GPS定位，记录样点定位信息，以便今后进行深入研究。

 

  2.3.2　样品分布

 

  根据京津冀典型葡萄园土壤采集地具体位置的经纬度（GPS定位），标注绘制样品采集分布图如图1所示。样品采集地基本代表了京津冀葡萄种植的主要区域。

 

  2.3.3　测定方法

 

  2.3.3.1　土壤pH值

 

  取5.00 g通过20目的风干土壤样品，置于100玻璃烧杯中，加入50 mL蒸馏水，玻璃棒搅拌均匀后，静置0.5 h，用pH计进行测定。

 

  2.3.3.2　土壤重金属含量

 

  （1）样品前处理

 

  土壤样品带回实验室，摊平，快速风干后，人工仔细捡去植物根系等植物杂质后，采用玛瑙研钵对土壤进行研磨，然后过100目尼龙筛。

 

  （2）消煮液重金属含量测定

 

  重金属Cu和Pb含量的测定：取0.200-0.500 g通100目的风干土壤样品，置于聚四氟乙烯消煮管中，加入优级纯HNO3 3 mL，优级纯HClO4 4 mL，优级纯HF 3 mL后静置12 h，以除去有机质和硅酸。然后在消煮炉上加热，待温度逐渐升高至200 ℃，稳定温度继续加热至白烟产生，至消煮管中残存少量浅白色或淡黄色黏稠状物质为止。完全冷却后，加体积分数2%的HNO3 2-3 mL溶解残存物质，后移入25 mL容量瓶，用去离子水定容，待用，在样品消化的同时做空白和标准样品试验。定容后消煮液中的Cu、Pb含量用等离子发射光谱法测定（美国，PEoptima5300DV）。

 

  重金属Cd含量的测定：

 

  土壤样品中C d 的含量采用高精度便携式X射线荧光光谱仪（HDXRF）进行测定，测定方法如下。样品杯底部用X射线专用聚丙烯膜密封完整，并用颈圈固定，取过100目尼龙筛的土壤样品2.0000g，装入样品杯中，用槌杵将土壤样品压实，保证样品测试平面平整。样品制备完成后，将样品杯置于样品测试架，并将覆盖聚丙烯膜的一面对准仪器探测窗口，然后测定10分钟后，每个样品重复测定3次，取其平均数。

 

  3　结果

 

  3.1　土壤pH值

 

 

  土壤pH值对土壤重金属的生物有效性有较强的影响。京津冀地区葡萄园土壤pH见表6。由表6可知，北京和天津葡萄园20-40 cm土层土壤pH平均值明显高于0-20 cm土层土壤pH的平均值。就地区而言，天津葡萄园0-20 cm土壤pH平均值最高，其次为北京和河北，为别为8.97、8.29和8.07。有趣的是在20-40 cm土层土壤pH平均值中也是以天津葡萄园最高，其次为北京和河北。

 

  3.2　重金属含量

 

  3.2.1　重金属Cu含量

 

  不同种植年限葡萄园土壤重金属Cu的含量见表7，由表7可知，从平均值而言，种植年限对0-20 cm和20-40 cm土层土壤中Cu含量影响规律性不强，但从极小值来看，0-20cm土层中土壤中Cu的含量随着种植年限的增加呈明显的增加趋势。就指定北京、天津和河北单一区域而言，不同种植年限葡萄园土壤中Cu含量分别见表8、9和10。

 

  由表8可知，从平均值而言，种植年限对0-20 cm和20-40 cm土层土壤中Cu含量影响规律性不强，土层深度对Cu含量的影响也没有表现出明显的规律。

 

  由表9可知，从平均值而言，0-20 cm中20年以上种植年限土壤中Cu含量明显高于十年以下种植年限的土壤Cu含量，20-40 cm中1-5年种植年限土壤中Cu含量明显高于5年以上种植年限的土壤Cu含量。20年以上种植年限的0-20 cm土层土壤中重金属Cu含量平均值明显高于20-40 cm土层土壤中重金属Cu的含量的平均值。

 

  由表10可知，从平均值而言，0-20 cm和20-40 cm土层中20年以上种植年限土壤中Cu含量相比其他年限土壤最低。所有种植年限的0-20cm土层土壤中重金属Cu含量平均值明显高于20-40 cm土层土壤中重金属Cu的含量的平均值。

 

  3.2.2　重金属Pb含量

 

 

  不同种植年限葡萄园土壤重金属Pb的含量见表11，由表11可知，从平均值而言，种植年限对0-20 cm和20-40 cm土层土壤中Pb含量影响规律性不强，但从极小值来看，0-20 cm土层中土壤中Pb的含量随着种植年限的增加呈明显的增加趋势。就指定北京、天津和河北单一区域而言，不同种植年限葡萄园土壤中Pb含量分别见表12、13和14。

 

  由表12可知，从平均值而言，0-20 cm土层中5年以下种植年限土壤中Pb含量明显高于其他种植年限的土壤Pb含量，20-40 cm土层中5年以下种植年限土壤中Pb含量明显高于5年以上种植年限的土壤Pb含量，且16-20年种植年限土层中Pb含量最低（10.26 mg/kg）。除了16-20年种植年限20-40 cm土层Pb含量较低，土层深度对Pb含量的影响没有表现出明显的规律。

 

  天津地区不同种植年限葡萄园土壤重金属Pb的含量见表13，由表13可知，从平均值而言，0-20 cm中20年以上种植年限土壤中Pb含量明显高于十年以下种植年限的土壤Pb含量，20-40 cm中1-5年种植年限土壤中Pb含量明显高于5年以上种植年限的土壤Pb含量。土层深度对Pb含量的影响没有表现出明显的规律。

 

  河北地区不同种植年限葡萄园土壤重金属Pb的含量见表14，由表14可知，从平均值而言，种植年限对0-20 cm和20-40 cm土层土壤中Pb含量影响没有明显规律，土层深度对Pb含量的影响也没有表现出明显的规律。

 

  3.2.3　重金属Cd含量

 

  不同种植年限葡萄园土壤重金属Cd的含量见表15，由表15可知，从平均值而言，种植年限对0-20 cm和20-40 cm土层土壤中Cd含量影响规律性不强。就指定北京、天津和河北单一区域而言，不同种植年限葡萄园土壤中Cd含量分别见表16、17和18。

 

  北京地区不同种植年限葡萄园土壤重金属Cd的含量见表16，由表16可知，从平均值而言，0-20 cm土层中5年以下种植年限土壤中Cd含量明显高于其他种植年限的土壤Cd含量，20-40 cm土层中10年以下种植年限土壤中Cd含量明显高于10年以上种植年限的土壤Cd含量。5年以下种植年限20-40 cm土层Cd含量明显低于其0-20 cm土层的含量。

 

 

  天津地区不同种植年限葡萄园土壤重金属Cd的含量见表17，由表17可知，从平均值而言，0-20 cm中20年以上种植年限土壤中Cd含量明显低于于十年以下种植年限的土壤Cd含量，20-40 cm中1-5年种植年限土壤中Cd含量较高。土层深度对Cd含量的影响没有表现出明显的规律。

 

  河北地区不同种植年限葡萄园土壤重金属Cd的含量见表18，由表18可知，从平均值而言，种植年限对0-20 cm土层和20-40 cm土层土壤中Cd含量影响没有明显规律，土层深度对Cd含量的影响也没有表现出明显的规律。