随着设施栽培技术不断推广和壮大，到2010年全国的设施栽培面积将超过166.7万hm²，设施蔬菜的人均占有量达到70 kg^[1]，可见设施蔬菜生产正日益成为重要的农业生产方式。由于设施蔬菜的生产已不再完全受季节栽培的控制，通过人为设定环境条件使得土壤能达到了常年生产的目的，这大大丰富了人们的“菜篮子”，提高了农民的收入，促进了农业经济的发展。但是由于设施菜地上人为覆盖物的存在，使得设施菜地常年处于半封闭状态，所以造成设施菜地空间内气温高、湿度大以及不受外界降雨等淋溶作用，加之高投入、高产出和复种指数高等特点，与露天土壤的生态环境条件有了非常明显的差异，特别是肥料（有机肥和化肥）的大量施用，导致设施土壤酸化^[2]，土壤盐碱化^[3]，土壤养分不平衡^[4]以及土壤的结构性、孔性发生变化^[5]，土壤病虫害频发^[6]等一系列问题，人们对此做了大量的研究。但是有关设施菜地中重金属方面的系统研究并不多，研究主要针对在污水灌溉、工矿业污染、大气沉降等露天菜地^{[7, 8, 9]}，有研究者对山东寿光设施菜地中重金属累积的研究^{[10, 11, 12]}结果表明设施菜地土壤中As、Cd、Cu、Zn、Cr、Ni 6种重金属的含量与小麦地相比，相同土层均明显较高。北京作为设施菜地相对集中、且离城市距离近、农用化学品投入量大的地区，设施菜地中重金属的现状及其发展趋势则尚未见报道。基于此，本文以北京市郊区县主要设施菜地为研究对象，对菜地中Cu、Zn、Cr、Cd、As、Pb 6种元素随种植年限在土壤中的垂直分布规律做了相关研究，为设施菜地的合理利用和质量监控提供参考。 1 材料与方法 1.1 研究区概况

北京位于华北平原的西北部，地理位置是东经115°25′~117°30′，北纬39°28′~41°05′，其总面积为1.64×10⁴ km²，山地面积约占62%，平原地区约占38%。地势西北高东南低，其海拔高度为10~2 303 m，从高向低依次出现山地、丘陵、岗台地、冲洪积平原。北京属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均温度为11.8 ℃，年平均降雨量为440~670 mm，大多集中在7月下旬和8月上旬这段时间。成土母质为各类岩石风化物和第四纪疏松沉积物2大类^[13]，采样点主要土类为褐土和潮土，质地为轻壤土，一般一年种植2~3茬，采用轮作制，大棚种植的蔬菜主要是生菜、油麦菜、芹菜、西红柿、菜椒等。肥料主要以有机肥和复合肥为主，有机肥主要是市售以鸡粪、牛粪为主的有机肥料，每年施用量为210.0 t·hm^-2（以鲜重计），复合肥（N∶P∶K₂O=15∶15∶15）的年累计施用量约为13.75 t·hm^-2，所施用的农药多为低毒的生物农药，用地下水灌溉。 1.2 采样与分析

采样点主要布置在具有一定规模的商品设施蔬菜基地上，除6个采样点的面积小于1 km2外，其他种植面积均在1 km2以上，采样点共计41个。本试验选取的采样大棚，土壤质地基本为轻壤土，其本底值相对一致，种植蔬菜的种类、日常的管理措施与施肥种类及数量也相对一致，在同一个区的取样点中尽量包含不同种植年限的大棚，并且这些不同种植年限的大棚基本是相邻的，以保证测定结果具有可比性。同时在各采样大棚的周围采集露天菜地的土样作为对照。各大棚的种植年限及数量分别为1年（1个）、2年（1个）、3年（5个）、4年（3个）、5年（6个）、6年（3个）、7年（5个）、9年（1个）、10年（4个）、11年（2个）、12年（2个）、13年（2个）、15年（3个）、16年（2个）、30年（1个）。每3个大棚为一个采样单元，在每一个采样单元内采用“S”形布点5~10个样点，在每个样点用不锈钢土钻按照0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm分层，不同层次的土样混合均匀，用四分法留取1 kg土壤作为代表该点的混合样品，装入土袋中。将采集的土壤样品进行风干、粉碎，全部过1 mm尼龙筛，然后取其一半左右过0.25 mm尼龙筛，最后再取已过0.25 mm的土样100 g左右在玛瑙研钵上进一步磨碎，过 0.1 mm的尼龙筛，将各粒径的土样保存到广口瓶中备用。

土壤采用HNO₃-HCl微波消解，ICP-MS仪测定重金属Cu、Zn、Cr、Cd、As、Pb。分析过程加入国家标准土壤样品（GSS-3）进行分析质量控制，所用试剂均为优级纯，水为超纯水。 1.3 数据处理

根据大棚的种植年限，将测得的数据按照1~5、6~10、11~15、15年以上分为不同的组进行分析，用DPS软件进行统计，用LSD法进行显著性差异分析，用SigmaPlot作图。 2 结果与分析 2.1 不同种植年限下土壤剖面中重金属分布特征

图 1是不同种植年限下6种重金属的含量在不同深度的变化趋势。由图 1可以看出，随着土壤深度的增加，6种重金属的含量都在一定程度上表现为下降趋势，其中Cd下降幅度最大，在1~5、6~10、11~15年以及15年以上时80~100 cm土层的含量分别比0~20 cm土层中Cd的含量下降了27.5%、52.7%、41.4%和49.7%，除了As外，其他5种重金属也表现出随土层加深而含量下降的变化趋势，因此京郊设施菜地中重金属的含量较明显地呈自上而下逐渐降低的垂直变化规律。除As在个别土层中的含量外，其他5种重金属的含量在种植年限为1~5、6~10、11~15年以及15年以上各土层均比同一土层的对照土壤中的含量高；就0~20 cm土壤各种植年限下Cd、Cr、Zn、Cu、Pb重金属的平均值比对照提高了21.8%、11.3%、29.4%、27.6%和5.8%，但是As的含量变化不大；而80~100 cm土层6种重金属的平均值比对照增加12.5%、6.7%、1.4%、1.5%、17.3%和1.3%，因此京郊设施菜地土壤6种重金属都有一定的积累特征，同时也存在向下部土层迁移的趋势。

图 1 不同种植年限的土壤剖面各重金重含量的分布 Figure 1 Distribution of heavy metal contents in the profile with different cultivation years

图选项

将种植年限15年以内的菜地土壤中6种重金属元素在0~20 cm土层中的含量与种植年限之间进行了相关分析，见图 2。由图 2可以看出，除重金属As外，其余5种重金属含量都表现出随种植年限的变长而增加的趋势，用Y=aX+b（式中：Y是重金属的含量（mg·kg^-1），X是种植年限（年））表示重金属的含量和种植年限的关系，可以得到0~20 cm土层Zn、Cr、Cd、Cu、Pb含量的年积累速度依次为4.583 5、0.933 8、0.013 3、1.242 9、0.641 7 mg·kg^-1，耕作层中Zn的累积速度每年可达4.584 mg·kg^-1。这些结果表明，在本次试验中0~20 cm土层内重金属元素的含量存在随种植年限的增加而累积的现象，其中Zn、Cu、Cr以及Pb表现的特别明显。而对20 cm以下土层中重金属含量与种植年限之间也进行相关分析，但未发现二者间有显著的相关性。

图 2 表层（0~20 cm）土壤各重金属含量与设施栽培年限的相关关系 Figure 2 Correlations between heavy metal contents in surface soil （0~20 cm）and cultivation years

图选项

将不同深度土层、不同种植年限下，土壤中重金属含量与相应土壤中有机质含量之间进行相关分析，发现这6种重金属含量与土壤有机质含量间均有显著的相关关系（图 3），而且也都可以用关系式Y=aX+b表示出来（式中：Y代表重金属的含量（mg·kg^-1）；X代表土壤有机质的含量（%））。土壤中Cr、Cu、Zn、Cd、As、Pb的含量与有机质含量的相关系数（r）分别为0.436、0.625、0.584、0.591、0.481和0.453，均达到极显著的正相关。这表明设施菜地中有机质含量的增加可能会导致重金属在土壤中的积累。

图 3 土壤重金属含量与有机质含量的相关关系 Figure 3 Correlations between heavy metal contents and organic matter contents in soil

图选项

表 1是对设施菜地土壤中6种重金属含量与相应土层及年限土壤中全氮和全磷含量的相关分析。结果发现全氮含量与6种重金属含量均存在正相关关系，其中Cu、Zn、As、Pb达到极显著相关，其r分别是0.467、0.418、0.402和0.554；除As外，其余5种重金属含量与土壤全磷含量也达到显著相关，特别是与Cu、Zn、Cd、Cr含量的r分别是0.532、0.615、0.603、0.480，呈极显著正相关。这表明土壤中重金属的累积可能与菜田施用化肥有一定的关系。同时，各重金属之间也有一定的相关关系，Cu、Zn、Cd含量达极显著相关，Zn与As含量也达到极显著相关，但Cr与Pb含量无显著相关，与其他4种重金属之间也无明显相关。因此Cu、Zn、Cd在土壤中的积累可能具有一定的同源性，Zn与As也可能有相同的来源途径。

表 1 土壤重金属含量与土壤全氮、全磷含量的相关关系 Table 1 Correlation between heavy metal contents and total N, total P contents in soil

表选项

由于污水灌溉、工矿开采以及大气沉降，特别是交通密集区产生的尾气等诸多因素造成土壤中重金属的含量不断升高，这一点已被前人的研究所证实^[14]。但是在设施这种特殊的栽培环境下土壤中重金属含量也逐渐累积，这引起研究者的普遍关注^[15]。2005年李见云等^[16]、2010年李树辉等^[10]研究山东寿光，2009年叶丽丽等^[17]对长沙，2012年于志民等^[18]对黑龙江设施菜地土壤中重金属研究都证实了这一点。从本实验结果看，6种重金属含量在0~20 cm土层中较下部土层高，特别是Cu、Zn、Cd、Cr的表聚性明显，也验证了设施菜地中重金属含量在不断累积的结论。之所以重金属在土壤中积累，通过调查发现在北京郊区蔬菜基地每年施入土壤中的有机肥主要是养殖场所产生的鸡粪、猪粪等半腐熟或新鲜的畜禽粪便，而有研究发现^[19]这些粪肥中含有大量的Cu、Zn等重金属，这些重金属主要来源于饲料添加剂^[20]，因此施用大量的有机肥可能是土壤重金属累积的原因之一。本实验中Cu、Zn的含量与土壤有机质含量之间存在极显著相关关系，也佐证了这一推论。同时设施菜地0~20 cm内土壤中Cd、Cr、Zn、Cu、Pb的平均含量分别是0.159 8、76.28、94.86、30.71 mg·kg^-1和22.66 mg·kg^-1，而对照即露天菜地的含量分别为0.131 2、68.51、73.30、24.07、20.95 mg·kg^-1，因此可以看出这5种重金属的含量在设施菜地相对露天菜地都提高了，其中Cd、Zn、Cu高出20%以上，特别是Zn的含量提高近30%，这也说明随着集约化生产、复种指数的提高，在提高土壤有机质含量的同时，也把一些有毒物质带进了土壤。当然施用化肥也有可能引起土壤重金属的累积，本实验通过表 1中6种重金属含量与土壤中氮含量和磷含量的相关分析证实随着施入化肥量的加大，土壤中的重金属含量也在升高，特别是磷肥的施用，有研究发现磷肥对土壤中Cd累积的贡献率达54%~58% ^[21]。尽管中国自产的磷肥中重金属含量相对进口磷肥较低，但长期大量施用也可能会带来土壤重金属的累积^[22]。因此连年种植后土壤中的重金属也会随之增加，本实验的结果（图 2）、李见云等^[23]以及刘苹等^[12]对山东寿光设施菜地土壤的研究都证实了这一点。这些结果应该引起人们的注意，即如何将含有害物质的肥料进行无害化处理是当前研究工作者的首要任务。此外在本实验中尽管有15年以上的大棚，但是在调查中发现由于连坐重茬现象严重，棚内大约30 cm的土壤都是在种植10年左右时被换过，因此本实验中种植年限与重金属含量的关系未列出15年以上的大棚。此外还有人研究认为土壤中重金属含量的升高与施用含重金属的农药有关^[24]，因为设施菜地的利用率高、半封闭环境等特点，为了高产施用农药量大大增加，当然其数量关系有待进一步研究。 3.2 设施菜地土壤中重金属含量的剖面分布

从本实验的研究结果来看，重金属有向下迁移的趋势。重金属元素的迁移、转化和毒性，除与重金属的含量有关，与重金属元素的存在形态有很大的关系，按照操作定义上划分的类型中Zn、Cu、Cr、As残渣态占全量1/2~2/3或以上^{[25, 26]}，而Pb的主要存在形态是铁锰结合态，但是Cd主要是离子交换态占总量的1/3^[27]，因此大部分的重金属在土壤中的移动性很弱，这也可能是当人类活动将重金属带入土壤后，重金属则在表层集聚的原因。但是本实验（图 1）的结果可以看出除As外其他5种重金属设施菜地土壤在土体中的含量基本都比对照高，说明重金属也在向下移动，影响重金属向下移动的因素前人的研究认为有机质的增加^[8]、频繁灌溉、干湿交替^[28]等导致重金属移动性变强，而有机肥的大量施用、大水大肥、高温的特点恰恰是设施菜地环境所具备的。此外，大量的研究也发现设施菜地土壤的酸化严重^[29]，当土壤中的pH值降低时，重金属在土壤中的溶解度会大大升高，因此随灌溉水重金属将向下淋溶，因此土壤酸化也可能是土壤重金属向下移动的主要原因。而在本实验中露天菜地各土层中的重金属含量除Pb和Cd表层比下部土层的略高外，其他4种上下土层中的含量变化不大，其原因可能是有机质施用量相对少，北方冬季休闲、灌溉不及设施菜地中频繁等原因所致。同时李树辉^[30]的研究发现土壤pH值与重金属砷、镉、铜、锌的含量间呈现显著的负相关关系，即土壤pH值降低，4种重金属的总量反而升高，其原因有待进一步研究。 4 结论

北京8个郊区（县）设施菜地土壤0~20 cm的土层内，除As外，Cr、Cu、Zn、Cd、Pb含量比80~100 cm土层的含量高出1.75%、38.3%、34.9%、37.9%和11.7%，因而呈现一定的“表聚性”特征，同时这5种重金属随种植年限的提高含量在显著增加。

设施菜地土壤中Cr、Cu、Zn、Cd、As、Pb 6种重金属含量与土壤有机质含量间均有显著的相关关系，其相关系数（r）分别为0.436、0.625、0.584、0.591、0.481和0.453；它们还与全氮含量之间存在正相关关系，同时除As外，其余5种重金属含量与土壤全磷含量也达到显著相关，这表明土壤中重金属的累积可能与施用大量有机肥以及磷肥有一定的关系。