城郊区农产品安全提升技术与模式

第1章 绪论 1.1 我国城郊区农田土壤环境与农产品安全现状 经过长期的演化和发展，我国城郊区已形成了一个具有自身产业特色和社会经济发展规律的特殊区域（全智等，2011a，2011b）。城郊区自然条件优越，是我国农业的精华地带，也是城市生态环境的安全屏障。全国城郊区农产品商品化率已达75%，大、中城市食品（蔬菜、果品、禽、蛋、奶）供应的50%以上来自城郊区。在未来50年，我国城郊区面积将成倍扩大，对城市农产品供应的主导地位将更加巩固。可见，城郊农业与城市农产品供应关系十分密切，对城市农产品质量安全的影响也*为突出，直接关系到我国约8亿城市和郊区人口的健康问题。与此同时，在我国全面步入小康社会和城市化快速发展的新阶段，城郊区又是城市延伸、服务产业（如旅游、休闲等产业）拓展的主要目标区域，是城市与农村发展的结合点和热点。但是，长期以来对城郊区发展定位的不明确导致出现一系列的环境问题，尤其是土壤等环境质量的恶化和生态功能的衰退及由此引起的农产品安全问题十分突出，已经成为影响我国城乡生态、农产品质量安全和居民健康的重要因素，并严重制约我国城郊经济和社会的可持续发展（朱旭彬等，2016）。 1.1.1 城郊区农田土壤环境现状 长期以来，我国城郊农业区存在土地复种指数高、化学品投入高、污染物多途径输入、耕地重用轻养等突出问题，导致农田土壤环境状况不容乐观，问题主要体现在土壤严重富营养化、盐渍化、土壤功能性障碍以及复合污染等方面，其中对农产品安全质量产生*直接影响的主要为土壤重金属污染和硝酸盐富集问题。 1.1.1.1 土壤重金属污染现状 近年来，我国科技工作者对全国不同区域城郊区土壤重金属污染状况开展了大量卓有成效的工作，发现我国城郊区农田土壤重金属含量分布具有典型的“环状”分布特征，即距离污染源（如化工厂、污染河道）越近，重金属污染问题越突出（陈志凡等，2016），城郊区农田土壤重金属污染问题主要还是外源性污染。这与全国农田土壤重金属总体分布格局的典型区域分布特征不尽一致。张小敏等（2014）的研究表明，从全国尺度来看，我国土壤重金属空间格局总体上以西南地区含量相对较高，不同元素的区域规律也比较明显：Pb含量较高的为云南、贵州和四川，Cd含量较高的为云南、四川、贵州和辽宁，Zn在云南*为富集，Cu在广东*为富集。因此，重金属背景值在区域上的差异是我国各地区土壤重金属含量差异的初始原因，而人类活动引入的重金属是土壤重金属富集的主要原因。 城郊区属于多因素影响叠加的区域，重金属污染发展趋势比较明显，但是除部分区域个别重金属有明显超标或高于当地背景值以外，多数城郊区农田土壤重金属含量尚低于国家土壤环境质量二级标准。王彬武等（2014）的研究发现，随着城市化及集约农业的发展，北京土壤中8种重金属元素（Cr、Ni、Zn、As、Hg、Cd、Pb和Cu）在1985～2006年均有不同程度的积累，其中Hg、Cd、Pb和Cu元素在20年间不仅含量大幅增大，污染风险范围也明显扩大，但仍属于低风险等级。何龙雪等（2014）研究发现，长春近郊蔬菜种植区土壤中As、Hg的含量尽管普遍超过了其土壤背景值，但均低于国家《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）已于2018年废止，现行标准为《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）和《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 36600—2018）。中的二级标准值，即土壤中As、Hg含量基本上不会对植物生长造成危害，仍适合蔬菜种植。王斌等（2010）对天津近郊西青区主要农产品产地土壤中重金属As、Hg、Zn、Pb、Cu、Cr 和Cd 含量的研究结果也表明，各项重金属平均含量均低于国家土壤环境质量二级标准值，均处于轻微生态风险水平，但高于天津土壤背景值和全国土壤背景值，Cd、Cu、Hg仅在个别点位出现超标现象。江汉平原（如武汉、宜昌等）城郊区Cu、Zn、Pb和Cd四种重金属元素呈累积趋势，为该区域菜地土壤的主要污染元素，尤其是随着城郊区蔬菜种植年限的延长，土壤重金属累积趋势尤为明显（田应兵等，2005）。郑州、开封等地区城郊区的土壤重金属也有不同程度的累积，Cd为主要的潜在污染元素，超过河南土壤背景值，达到轻度污染程度，但尚未超出国家土壤环境质量二级标准（杨磊和万红友，2011；陈志凡等，2016）。席晋峰等（2011）比较了京津唐、张家港和长株潭三个地区的露天菜地、设施菜地、水田和旱地的土壤重金属含量状况，发现城郊区大部分农田土壤重金属含量尚低于国家土壤环境质量二级标准，但长株潭地区部分污染区重金属含量超出国家土壤环境质量二级标准，产生污染的土壤很难再恢复利用。由于历史原因，湖南是重金属污染的重灾区，形势较为严峻。邹玲等（2009）对长沙郊区蔬菜基地土壤重金属污染状况的调查结果显示，Hg、Cd、Cu为主要重金属污染元素，含量变化范围分别为0.02～1.50mg/kg、0.10～3.70mg/kg、23.50～95.90mg/kg，5个蔬菜基地中，陈家渡（种植年限达30年以上）达中度污染水平，其他4个种植年限较短的蔬菜基地均达轻度污染水平，这与全智等（2011b）的研究结果基本一致。刘琼峰等（2013）对长沙城郊18个乡镇513个农田样点土壤Pb、Cd含量进行了采样分析，并运用模糊综合评价法和层次分析法对重金属Pb、Cd的生态风险进行了评价，结果认为，22.9%的样点土壤Pb、Cd的生态风险指数为Ⅲ级和Ⅳ级水平，具有较高的生态风险，且主要分布在河流、城镇、建设用地和农村居民点的聚集区。可见，多区域的城郊区土壤重金属污染的轻重有一定差异，但是污染发展趋势比较明显，尤其是长株潭城郊区的土壤重金属污染形势要相对严峻，值得关注。 关于城郊区土壤重金属污染的原因，多数研究表明，相对活跃的人类经济活动是主要原因，如长期土地高强度集约化利用条件下的污水灌溉（贾锐鱼等，2012），长期过量使用普遍含有重金属的化肥、农药，以及超标养殖场畜禽有机肥（吴清清等 2010；董騄睿等，2014），此外，周边区域的工业生产（Sun et al.，2010;Ma et al.，2016）、污水灌溉、交通污染导致的干湿沉降（Wu et al.，2011；何龙雪等，2014；陈志凡等，2016）等也对城郊区土壤重金属的累积产生一定的贡献，但不同区域的污染物来源及污染程度有所差异。 1.1.1.2 土壤硝酸盐富集现状 硝酸盐污染是城郊区土壤污染的另一重要方面，蔬菜种植区是土壤硝酸盐污染的主要区域。一方面，由于蔬菜是喜硝态氮（NO-3-N）且极易富集硝酸盐的作物（Zhu et al.，2012;都韶婷等，2010），土壤硝酸盐含量过高会导致蔬菜等农产品硝酸盐含量增加，农产品品质下降；另一方面，由于土壤对硝酸盐不具有吸附固定能力，土壤硝酸盐含量过高容易导致其向地下水的迁移，从而对地下水水质构成威胁。崔敏等（2012）对武汉城郊区典型露天菜地的研究表明，菜地土壤100cm 内各土层NO-3-N平均含量为11.2mg/kg，其中耕层0～20cm土壤NO-3-N平均含量为21.1mg/kg;60cm深度处土壤溶液中NO-3 -N平均含量为27.5mg /L，尽管土壤硝态氮累积程度并不算高，但是菜地附近井水中 NO-3 -N平均含量为19.6～39.8mg /L，其含量约是世界卫生组织饮用水安全标准（10mg/L）的2～4倍，也明显超出我国的饮用水安全标准（20mg/L）。 我国主要城郊区土壤普遍存在硝酸盐富集的问题（表1-1）。参考有关菜地表层(0～20cm)硝酸盐养分分级标准：≥76mg/kg（极高）、64～76mg/kg（高）、37～64mg/kg（中等）、15～37mg/kg（缺）、＜15mg/kg（极缺）（鲁剑巍，2006），我国大部分城郊区的设施(大棚)菜地表层(0～20cm)土壤的硝酸盐平均含量达到极高的水平，如西安、上海、苏州等城市；广州硝酸盐平均含量相对较低，仅为39.9mg/kg，但是即使在平均含量较低的城市，也存在局部超级累积的地区，如北京部分地区土壤硝酸盐含量*高可达500mg/kg以上。总体而言，城郊大棚菜地表层(0～20cm)土壤的氮素累积程度远高于露天菜地表层(0～20cm)，如闵炬等（2012）对太湖地区的研究表明，大棚菜地表层(0～20cm)土壤的矿质氮（硝态氮和铵态氮的总和）含量平均高达279.2mg/kg，而露天菜地表层(0～20cm)土壤的矿质氮含量平均仅为106.7mg/kg，表明设施(大棚)菜地表层(0～20cm)土壤养分的表层富集现象更为明显（Shi et al.，2009）。随着种植年限的延长，土壤硝酸盐的累积程度也会逐渐增强。徐运清等（2015）对长沙城郊区不同种植年限菜地表层(0～20cm)硝酸盐含量的研究表明，种植20年以上的菜地表层(0～20cm)土壤的硝酸盐平均含量高达60mg/kg，而种植5年以下的菜地表层(0～20cm)土壤的硝酸盐含量仅为15.99mg/kg，说明种植年限越久，土壤硝酸盐累积越明显。城郊区土壤硝酸盐累积的主要原因是长期大量施肥。大量调查表明，蔬菜种植区年施肥量普遍都在240Nkg/hm2以上，要比周边一般的大田粮食作物的年施肥量高2～10倍（表1-1），从而导致大量植物不能利用的养分在土壤中不断富集。 表1-1 我国几个大城市城郊区菜地表层(土层)土壤硝酸盐含量状况 1.1.2 城郊区农产品主要质量安全问题 蔬菜是城郊区*主要的农产品类型，蔬菜供应也是我国城郊区的*主要服务功能之一，但是由于城郊区农产品质量安全面临着城郊区农业快速发展和城郊区生态环境日益恶化的双重压力，在城市工业和生活废弃物不断增加、农业生产高强度化等诸多因素的共同作用下，当前我国城郊区环境污染已对城郊区农产品质量安全构成严重威胁。近年来的调查表明，我国城郊区农产品化学污染超标率已达到相当高的程度，且分布范围十分广泛。农业部（现农业农村部）等有关部门组织的调查和监测表明，我国各城市的主要农产品（包括粮、果、菜、茶、肉、蛋、奶等）均不同程度地出现硝酸盐、重金属、抗生素、农药和其他药物残留超标的现象，每年造成的经济损失超过100亿元，农产品出口退货事件经常发生，严重影响了我国农产品的国际竞争力。鉴于城郊区农业与生态环境矛盾日趋严峻的现实，开展城郊区农产品质量安全提升关键技术及其生产模式研究，对保障城市生态环境安全和食品健康、促进城郊区农业可持续发展及提升我国农产品的国际竞争力都具有重要意义。 1.1.2.1 重金属含量超标问题 大量研究表明，我国多地城郊区以蔬菜为主的农产品重金属含量超标现象比较突出。吴金水等（2010）基于“十一五”国家科技支撑计划重点项目“城郊区环保型特色农业支撑技术研究与示范”的研究成果，初步分析了我国几个典型城郊区农产品的重金属含量状况，发现在武汉城郊蔬菜基地采集的44个蔬菜样品中，Cd超标率达45.5%，As超标率达40.1%；在长沙、株洲、湘潭城郊区随机采集的153个水稻样品中，稻米Cd污染问题较为严重，92%的样品Cd含量超过国家食用标准《食品中污染物限量》（GB 2762—2005）。张宇燕和陈宏（2012）对重庆主城区17种市售蔬菜204个样品中重金属Zn、As、Hg含量的测定分析结果表明，15.7%的市售蔬菜样品属于重度超标。郭智广等（2012）的调查结果显示，在郑州市郊调查分析的794个蔬菜样品中，重金属Pb、Cd污染较为严重，其中绿叶菜类Pb的超标率*高（14.5%），而根茎类和豆类超标率相对较低，分别为3.3%和3.8%。杭州近郊蔬菜Cd、Cu、Hg的超标率分别为28%、15%、59%；长沙蔬菜重金属超标率为50%；沈阳近郊大白菜Pb和Cd超标率分别为100%和58%，黄瓜Cd、Hg、Pb超标率