杭州市典型设施栽培土壤环境质量调查

倪中应，石一珺，谢国雄，章明奎

(1.桐庐县农业和林业技术推广中心，浙江 桐庐 311500； 2.杭州市植保土肥总站，浙江 杭州 310020； 3.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058)

杭州市典型设施栽培土壤环境质量调查

倪中应1，石一珺1，谢国雄2，章明奎3，*

(1.桐庐县农业和林业技术推广中心，浙江 桐庐 311500； 2.杭州市植保土肥总站，浙江 杭州 310020； 3.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058)

为了解杭州市设施栽培土壤的环境质量状况，选择27个代表性设施栽培蔬菜基地，采样分析了表层土壤中8种重金属、8种抗生素的含量，并与邻近的一般大田进行比较。结果表明，设施栽培土壤中铜、锌、镉、铅的平均含量分别比大田土壤高17.28%、18.36%、25.00%和17.82%，8种抗生素总量的平均值是大田土壤的4.91倍，表明设施栽培土壤中重金属、抗生素积累普遍高于一般大田。施用化肥和有机肥的设施栽培土壤中铜、锌、铬、铅、汞、砷的平均含量分别比只施用化肥的设施栽培土壤高54.86%、26.76%、16.80%、14.36%、50.56%和9.63%，且前者土壤中8种抗生素总量的平均值为后者的6.67倍。施用含重金属和抗生素的有机肥是导致设施栽培土壤污染物积累的重要原因之一。

设施栽培；土壤环境质量；重金属；抗生素

土地利用模式是人们对土地开发利用的选择，可在多方面对土壤质量产生影响。近年来，设施农业在全国各地迅速发展，设施栽培面积显著增加。设施农业生产是在特定的农业保护设施内进行的农作物栽培，因能有效地控制环境条件，充分满足作物生长的要求，大大提高了对农业资源的利用效率，从而提高了农业生产的经济效益。然而，长期处于温室、大棚等栽培条件下的土壤，因缺少雨水淋洗，加之设施栽培又长期处于高复种指数、高肥料施用量的生产状态下，导致其土壤组成与理化性状明显不同于一般农田，容易引发土壤次生盐渍化、酸化、板结、连作障碍等一系列生产问题[1-3]。据报道，我国施用的磷肥、钾肥及复合肥中存在一定浓度的重金属[4-5]，同时，由于饲料添加剂的不合理应用，当前我国有机肥中普遍存在高量重金属和抗生素残留[6-7]，而设施栽培因复种指数高、化肥施用量大，同时有机肥投入量也较高；因此，长期在设施栽培条件下的土壤中重金属、抗生素等的积累潜力也可能高于一般的农田。近年来，我国科研人员对设施土壤的连作障碍及盐化、酸化问题高度关注，并提出了许多改良措施[1-2]，但在设施栽培土壤环境质量方面的研究相对薄弱[8-10]。本文以杭州市设施栽培土壤为对象，采样分析了设施栽培表层土壤中重金属、典型抗生素、盐分、有效磷的状况，并与邻近的一般农田进行比较，旨在为构建防止设施栽培土壤环境质量下降的应对措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集

在浙江杭州市域范围内选择27个代表性的设施栽培蔬菜基地，选择的样地连片面积在1 hm2以上，栽培时间在5 a以上，同时附近分布有相同土壤类型的一般农田，用于采集对照样品(CK)。每一个样区同时采集设施栽培表层土壤混合样和一般农田表层土壤混合样(各由7～10个分样混合而成)，采样深度为0～15 cm。用于对比的设施栽培土壤与邻近的一般农田土壤的采样点距离控制在50～120 m之间，属于相同制图单元(土属相同)。对照农田的利用方式为水田或水旱轮作田。

根据近5 a施肥的差异，把设施栽培蔬菜地分为2组：一组只施化肥不施有机肥(n=12)；另一组化肥和有机肥同时施用(n=15)。对照的一般农田施肥以化肥为主，同时也施用少量的有机肥料。据调查，只施化肥的设施栽培蔬菜地年化肥用量(N+P2O5+K2O，下同)在1 273～4 152 kg·hm-2之间，平均为2 068 kg·hm-2。化肥和有机肥同时施用的设施栽培蔬菜地年化肥用量在648～3 241 kg·hm-2之间，平均为1 543 kg·hm-2，有机肥用量在3.00～15.00 t·hm-2之间，平均为6.55 t·hm-2。对照的一般农田年化肥用量在324～2 018 kg·hm-2之间，平均为879 kg·hm-2，有机肥用量在1.50～7.50 t·hm-2之间，平均为2.75 t·hm-2。

1.2 分析方法

采集的土壤样品混匀后分为2份：一份经室内风干后分别过2 mm和0.15 mm塑料土筛，用于土壤养分和重金属测定；另一份低温保存，用于分析抗生素。

土壤中重金属含量采用标准方法测定[11-12]，其中，铜(Cu)、锌(Zn)、镉(Cd)、镍(Ni)、铬(Cr)和砷(As)采用盐酸-硝酸-高氯酸消解，用石墨炉原子吸收分光光度法测定Cd，用原子光谱吸收法测定Cu、Zn、Cr和Ni，用荧光原子吸收法测定As；汞(Hg)用硝酸-高锰酸钾消解，冷原子吸收光谱法测定；铅(Pb)用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消解，石墨炉原子吸收分光光度法测定。分析过程中采用标准物质进行质量控制，各重金属测试误差控制在5%以内，重复间相对误差控制在10%以下。

土壤基本性状采用常规方法测定[13]。土壤中抗生素残留采用pH值为4的EDTA-McIlvaine(0.05 mol·L-1EDTA+0.06 mol·L-1Na2HPO4+0.08 mol·L-1柠檬酸)缓冲液提取[14-15]，高效液相色谱-串联质谱(HPLC-MS/MS)分析方法测定。抗生素的标样购自Sigma公司，纯度≥99%。土霉素(oxytetracycline，OT)、金霉素(chlortetracycline，CTE)、四环素(tetracyclines，TET)、恩诺沙星(enrofloxacin，ENR)、磺胺二甲嘧啶(sulfadimidine，SM2)、磺胺嘧啶(sulfadiazine，SD)、磺胺甲恶唑(sulfamethoxazole，SMZ)和泰乐菌素(tylosin，TYL)的回收率分别为69.6%～81.2%、70.3%～83.4%、73.3%～82.5%、79.7%～89.6%、85.7%～94.4%、73.6%～93.3%、75.6%～88.3%和86.3%～93.4%，平均分别为74.2%、75.4%、77.1%、83.6%、89.8%、88.8%、84.1%和89.7%，最低检测限分别为2.00、2.10、1.50、1.95、2.00、2.70、2.50和1.50 μg·kg-1。

2 结果与分析

2.1 不同施肥方式对设施栽培土壤污染物积累的影响

2.1.1 重金属积累

27个设施栽培蔬菜地土壤Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Hg、As、Ni的含量分别在18.97～73.65、89.65～214.65、0.12～0.56、38.65～132.65、14.65～71.25、0.09～0.54、6.58～17.36、19.68～42.15 mg·kg-1之间，平均分别为36.91、138.18、0.25、69.76、31.46、0.21、10.20、34.60 mg·kg-1，变异系数分别为34.19%、22.25%、40.00%、33.94%、36.49%、47.62%、27.94%、16.04%。与中国土壤环境质量二级标准相比，Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Hg、As、Ni的超标率分别为11.11%、7.41%、25.92%、0%、0%、11.11%、0%、11.11%，以Cd污染最为突出，其次为Cu、Hg和Ni，Cr、Pb、As无样本超标。

即使是施肥方式相似的设施土壤间重金属含量变化亦很大(表1)，施用化肥和有机肥的设施土壤除Cu含量显著(P<0.05)高于仅施用化肥的设施土壤外，2种土壤的其他重金属含量无显著差异。但仅从平均值来看，施用化肥和有机肥的设施栽培土壤中大多数重金属含量都高于仅施化肥的设施栽培土壤，如施用化肥和有机肥的土壤中Cu、Zn、Cr、Pb、Hg、As的平均含量分别比仅施用化肥的土壤高54.86%、26.76%、16.80%、14.36%、50.56%和9.63%；但Cd和Ni的含量却比仅施化肥的低，分别低18.90%和1.04%。

2.1.2 抗生素残留

27个设施栽培蔬菜地土壤中，土霉素、四环素、金霉素、恩诺沙星、磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲恶唑和泰乐菌素的检出率分别为62.96%、48.15%、44.44%、48.15%、40.74%、44.44%、40.74%和55.56%。不同设施栽培蔬菜地上土霉素、四环素、金霉素、恩诺沙星、磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲恶唑、泰乐菌素的含量分别在0～260.14、0～35.42、0～13.24、0～102.23、0～11.46、0～32.48、0～10.12、0～40.44 μg·kg-1之间，变异系数分别为146.08%、149.62%、159.84%、224.85%、177.42%、245.30%、161.01%、198.91%，平均含量分别为45.70、5.92、1.94、10.99、1.46、2.62、1.75、4.31 μg·kg-1，以土霉素和恩诺沙星残留量最高。8种抗生素的总检出率高达92.59%，总含量在0～360.92 μg·kg-1之间，平均为74.70 μg·kg-1。

除泰乐菌素外，施用化肥和有机肥的设施栽培土壤上其他7种抗生素的检出率均高于只施化肥的土壤，施用化肥和有机肥的设施栽培土壤上8种抗生素的总检出率为100%，而只施化肥的土壤上该检出率为83.33%。由于变异系数较大，施用化肥和有机肥的设施栽培土壤与仅施化肥的设施栽培土壤上抗生素残留量从统计学分析上来看无显著差异，但仅看平均含量，施用化肥和有机肥的设施栽培土壤上土霉素、四环素、金霉素、恩诺沙星、磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲恶唑、泰乐菌素的平均含量分别是只施化肥土壤上的6.52、6.58、5.95、28.47、3.26、3.24、5.60、3.49倍，8种抗生素总含量(120.1 μg·kg-1)是只施化肥土壤(18.0 μg·kg-1)的6.67倍。只施用化肥的设施栽培土壤中抗生素的检出可能与历史上(5 a前)施用过含抗生素的有机肥有关。

表1施肥对设施土壤重金属积累的影响

Table1Effects of fertilization methods on heavy metal accumulation in protected farmlands

(mg·kg-1)

C+O，施用化肥及有机肥；C，仅施化肥。同列数据后无相同小写字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。

C+O， Application of both chemical fertilizers and organic fertilizers; C， Application of only chemical fertilizers. Data followed by no same letters within the same column indicated significant different atP<0.05. The same as follows.

2.2 设施栽培土壤与一般农田污染物积累差异

2.2.1 重金属积累

从统计结果来看(表3)，设施栽培土壤与一般农田土壤中8种重金属积累无显著差异。但若仅从平均值来看，设施栽培土壤中Cu、Zn、Cd、Pb、As和Ni的平均含量分别比一般农田土壤高17.28%、18.36%、25.00%、17.82%、3.86%和0.35%，而Cr和Hg的平均含量分别比一般农田土壤低1.47%和8.70%。

2.2.2 抗生素残留

除泰乐菌素外，设施栽培土壤中其他7种抗生素的检出率均高于一般农田(表4)，但土壤中8种抗生素的总检出率二者基本一致(设施栽培土壤为92.6%，一般农田为96.3%)。从平均值来看，设施栽培土壤中8种抗生素的平均含量高于一般农田，土霉素、四环素、金霉素、恩诺沙星、磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲恶唑和泰乐菌素的平均含量分别是一般农田的9.14、2.95、1.35、4.23、1.50、3.25、2.00和2.87倍，8种抗生素总含量的平均值(74.7 μg·kg-1)是后者(15.2 μg·kg-1)的4.91倍。

3 讨论

设施栽培已成为我国重要的农地利用模式，其土壤环境质量优劣直接影响我国农产品的安全。本研究表明，无论是重金属积累还是抗生素残留，设施栽培土壤都高于一般农田土壤，说明设施栽培条件下更易导致污染物的积累。这一方面与设施栽培肥料(包括有机肥和化肥)投入量大有关，另一方面也与设施栽培环境下不利于污染物淋失与分解有关。由于施肥量大，包含在肥料中的污染物进入土壤的总量明显高于大田，这已被一些研究所证实[9，16-18]。这些污染物由于长期缺少雨水的淋洗，集中积累在表层土壤中，这在一定程度上增加了农产品污染的风险。施用化肥和有机肥的设施栽培土壤中重金属和抗生素含量均高于只施用化肥的土壤，这表明有机肥是设施栽培土壤中污染物的重要来源。由于在自然环境下通过微生物合成产生的抗生素很少，因此农田中的抗生素基本上是来自于有机肥料的施用。

表2施肥对设施栽培土壤抗生素残留的影响

Table2Effects of fertilization methods on antibiotic residues in protected farmlands

处理Treatment指标IndexOTTETCTEENRSDSM2SMZTYLC+OCont/(μg·kg-1)733±792a95±105a31±37a192±311a21±32a38±84a28±34a63±112aDR/%73336000600066675333533360004667CCont/(μg·kg-1)112±148a14±24a05±10a07±14a06±13a12±20a05±12a18±16aDR/%5003333250025002500333316676667

Cont，含量；DR，检出率。下同。

Cont， Contents; DR， Detection rate. The same as below.

表3设施栽培与大田土壤间重金属积累的比较

Table3Comparison of soil heavy metals accumulation between protected farmlands and open farmlands

(mg·kg-1)

PF，设施栽培；OP，一般农田。下同。

PF， Protected farmlands; OP， Open farmlands. The same as below.

表4设施栽培与一般农田土壤抗生素残留对比

Table4Comparison of soil antibiotic residues between protected farmlands and open farmlands

农田类型Landtype指标IndexOTTETCTEENRSDSM2SMZTYLPFCont/(μg·kg-1)457±66859±8919±31110±24715±2626±6418±2843±86DR/%73336000600066675333533360004667OFCont/(μg·kg-1)50±8220±4714±1826±5110±1408±1409±1215±21DR/%50003333250025002500333316676667

畜禽粪便是我国目前有机肥的重要原料，因其含有丰富的有机质以及氮磷钾等养分，作为一种优良的土壤改良剂长期施用于农田。但近年来的调查[19-20]表明，由于添加剂的不合理使用，我国规模化养殖场地产生的畜禽粪便中普遍存在着高量重金属和抗生素残留，当这些有机肥被施入农田时，重金属、抗生素也随之进入土壤，这可能是导致施用有机肥和化肥的设施栽培土壤中重金属和抗生素含量均高于仅施用化肥的土壤的真正原因。由于设施栽培农田环境具有特殊性，因此在设施农田中施肥不仅要控制肥料的施用量，更应把控好所施肥料的质量。

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SoilenvironmentalqualityoftypicalprotectedfarmlandsinHangzhou

NI Zhongying1， SHI Yijun1， XIE Guoxiong2， ZHANG Mingkui3，*

(1.AgriculturalandForestryTechnologyPromotionCenterofTongluCounty，Tonglu311500，China; 2.HangzhouPlantProtectionandSoil-FertilizerStation，Hangzhou310020，China; 3.CollegeofEnvironmentalandResourceSciences，ZhejiangUniversity，Hangzhou310058，China)

In order to understand soil environmental quality of protected farmlands in Hangzhou， soil samples were collected from 27 representative protected vegetable farmlands to investigate the contents of 8 kinds of heavy metals and 8 kinds of antibiotics， and the obtained data were compared with those of the adjacent open farmlands. The results showed that the average concentrations of soil Cu， Zn， Cd and Pb in the protected farmlands were 17.28%， 18.36%， 25.00%， and 17.82% higher than those of the open farmlands， and the total concentration of the investigated antibiotics in the protected farmlands was 4.91 times of that in the open farmlands. The accumulation of heavy metals and antibiotics in the protected farmlands was higher than that in the open farmland. The average concentrations of soil Cu， Zn， Cr， Pb， Hg and As in the protected farmlands with application of both chemical fertilizers and organic fertilizers were 54.86%， 26.76%， 16.80%， 14.36%， 50.56%， and 9.63% higher than those in the protected lands with application of only chemical fertilizers. The total concentration of investigated antibiotics in the protected farmlands with application of both chemical fertilizers and organic fertilizers was 6.67 times of that in the protected farmlands with application of only chemical fertilizers. The results indicated that application of organic fertilizer containing heavy metals and antibiotics was an important reason for the accumulation of above pollutants in the protected farmlands.

protected cultivation; soil environmental quality; heavy metals; antibiotics

浙江农业学报ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(12): 2091-2096

http://www.zjnyxb.cn

倪中应，石一珺，谢国雄，等. 杭州市典型设施栽培土壤环境质量调查[J]. 浙江农业学报，2017，29(12)： 2091-2096.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.12.18

2017-05-14

浙江省农业厅 “桐庐县农业‘两区’土壤污染治理试点试验”；杭州市科技发展计划项目(20170432B23)

倪中应(1966—)，男，浙江桐庐人，高级农艺师，主要从事土壤与肥料技术方面的研究。E-mail: hztlnzy@163.com

*通信作者，章明奎，E-mail:mkzhang@zju.edu.cn

S53

A

1004-1524(2017)12-2091-06

(责任编辑高 峻)