土壤-玉米栽培中重金屬空間分異及污染評(píng)價(jià)

土壤-玉米栽培中重金屬空間分異及污染評(píng)價(jià)

近年來(lái)，土壤中重金屬污染的頻率日益高漲。重金屬易通過土壤在作物體內(nèi)富集,進(jìn)而通過食物鏈進(jìn)入人體,對(duì)人體來(lái)說(shuō)這是潛在的危害。因此,土壤重金屬污染越來(lái)越受到人們的關(guān)注。吉林黑土區(qū)是我國(guó)糧食主要生產(chǎn)基地,素有“中華大糧倉(cāng)之稱”,該區(qū)糧食安全對(duì)保障我國(guó)糧食安全起著至關(guān)重要的作用。糧食中重金屬元素含量不超標(biāo)是保證糧食安全的重要前提。作物中重金屬主要來(lái)自土壤,因此土壤-作物系統(tǒng)重金屬元素地球化學(xué)特征的研究成為不可或缺的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。許多學(xué)者作出大量研究工作［1－13］,這些研究主要集中在分析不同生態(tài)系統(tǒng)中重金屬元素的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,重金屬元素的空間分布狀況等方面,但目前針對(duì)吉林黑土區(qū)土壤-作物系統(tǒng)重金屬元素地球化學(xué)特征的研究較少。本文針對(duì)吉林黑土區(qū),在系統(tǒng)的重金屬元素地球化學(xué)特征分析的基礎(chǔ)上,對(duì)土壤-作物系統(tǒng)重金屬污染狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià),為這一重要糧食產(chǎn)區(qū)的環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)的依據(jù)。1樣品采集與分析1.1樣點(diǎn)分布及分布本次研究選定公主嶺-梨樹、九臺(tái)-德惠、榆樹-松原三個(gè)工作區(qū),覆蓋黑土區(qū)。表層樣品共62件,其中榆樹-松原15件,公主嶺-梨樹27件,九臺(tái)-德惠20件。布置了4個(gè)土壤剖面,其中公主嶺-梨樹1處,榆樹-松原2處,九臺(tái)-德惠1處。樣品采集時(shí)間為9月底。樣點(diǎn)分布見圖1。表層土壤樣品采集深度為20cm,每件樣品由該點(diǎn)周圍50m范圍內(nèi)的10個(gè)采樣點(diǎn)的土壤樣品組成,充分混合后用四分法取樣,取重1kg,放入樣品袋。土壤樣品自然晾干后,過20目篩后送實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。玉米籽實(shí)樣品采樣點(diǎn)與土壤采樣點(diǎn)相對(duì)應(yīng),選取6~10株為代表株,采摘玉米穗,室內(nèi)自然風(fēng)干,人工脫粒,均勻混合后取1kg裝入樣品袋。剖面樣品采集時(shí),自上而下挖至150cm,每層間隔30cm,每層樣品約1kg裝入樣品袋。1.2測(cè)試分析方法及檢出限此次對(duì)土壤中重金屬元素的全量和表層土壤樣品的有效含量進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所完成,測(cè)試分析方法及檢出限見表1。2分析與討論的結(jié)果2.1土壤重金屬污染評(píng)價(jià)對(duì)六種重金屬元素進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn均呈正態(tài)分布,故As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn取算術(shù)平均值。經(jīng)兩樣本均值差異t檢驗(yàn),六種重金屬元素含量均與背景值存在著極顯著的差異。As、Cd、Cr、Cu、、Ni的平均含量均高于吉林省表層土壤背景值,而Zn的平均含量低于吉林省表層土壤背景值。為了對(duì)目前的土壤環(huán)境做更進(jìn)一步的判斷,引進(jìn)基線值［14］。六種重金屬元素均未出現(xiàn)累積,說(shuō)明該區(qū)不存在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),不會(huì)對(duì)糧食安全構(gòu)成威脅。As、Cr、Cu、Ni、Zn的變異系數(shù)小于0.2,屬于弱分異型,Cd的變異系數(shù)小于0.6,屬于中等分異型［15］,說(shuō)明重金屬元素空間分布差異不大。從表3可以看出,As、Cd元素以公主嶺-梨樹地區(qū)含量最高,Cr、Ni、Zn元素以榆樹-松原地區(qū)含量最高,Cu元素含量以九臺(tái)-德惠地區(qū)含量最高。對(duì)比公主嶺-梨樹、九臺(tái)-德惠、榆樹-松原三個(gè)工作區(qū)每種重金屬元素的平均含量,可以看出:As元素在研究區(qū)有從西南到東北減少的趨勢(shì),Cr、Ni、Zn在研究區(qū)有從西南到東北增加的趨勢(shì),而Cd在公主嶺-梨樹、Cu在九臺(tái)-德惠地區(qū)較為集中。從變異系數(shù)來(lái)看,As、Cr、Cu、Ni元素在公主嶺-梨樹地區(qū)分異程度最大,Cd元素在榆樹-松原地區(qū)分異程度最大,Zn元素在九臺(tái)-德惠地區(qū)分異程度最大。在以上分析基礎(chǔ)上對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),為了減少平均值對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響,采用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)［16－18］,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-2008)和《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量狀況評(píng)價(jià)綱要》,計(jì)算出綜合指數(shù)后,劃分出污染等級(jí)。綜合指數(shù)P的計(jì)算公式為:由表可以看出,不管是分區(qū)來(lái)看還是綜合分析,六種重金屬元素的綜合污染指數(shù)均小于0.7,并且樣點(diǎn)超標(biāo)個(gè)數(shù)均為0,說(shuō)明該區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量非常好,處于Ⅰ級(jí)水平。從外界進(jìn)入土壤中的重金屬,由于土壤的固定作用,一般殘留在表層［21］。若表層重金屬元素含量超過底層,則說(shuō)明一般存在外源,否則說(shuō)明重金屬則主要是繼承了母質(zhì)的特性。這里引進(jìn)累積系數(shù)進(jìn)行判斷,累積系數(shù)為土壤表層某一重金屬元素的平均含量/土壤底層該重金屬元素的平均含量,累積系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。從表6可以看出,Cd元素的表層含量超過底層,而As、Cr、Cu、Ni、Zn元素的表層含量較低。張學(xué)詢等［21－24］的研究表明,外來(lái)As、Cr、Cu、Ni、Zn元素進(jìn)入土壤后會(huì)在表層累積,因此可以推斷研究區(qū)沒有As、Cr、Cu、Ni、Zn元素的外來(lái)污染源。張民等［23－24］在研究重金屬元素分布規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)有化肥進(jìn)入土壤時(shí),Cd元素有表土層富集的趨勢(shì),因此研究區(qū)Cd元素表層含量高可能是使用化肥所致。2.2不同ph值對(duì)土壤重金屬元素有效態(tài)的影響對(duì)吉林黑土區(qū)六種重金屬元素有效態(tài)含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)六種重金屬元素有效態(tài)含量進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),均成正態(tài)分布,故取算術(shù)平均值。有效系數(shù)(土壤元素有效量/土壤元素全量)植物能夠吸收的是土壤元素的有效態(tài),土壤元素有效態(tài)含量受土壤pH值、地形地貌、人為因素等各方面的影響,六種重金屬元素有效態(tài)含量均成正態(tài)分布,說(shuō)明土壤受到外界影響較少［25］。從表3可以看出,六種重金屬元素的有效態(tài)含量在酸性土及堿性土中的含量均有差異,說(shuō)明土壤pH值對(duì)土壤有效態(tài)轉(zhuǎn)化有一定的影響。一般來(lái)說(shuō),隨著pH值的增高,重金屬元素有效態(tài)含量越低［26－28］,Cd、Cr、Ni、Zn符合這一規(guī)律。As、Cu卻相反,這可能與離子的競(jìng)爭(zhēng)、與土壤接觸的時(shí)間、土壤溫度等因素有關(guān)［29－30］。在酸性環(huán)境中重金屬元素有效態(tài)含量要高一些,因此,要控制土壤中重金屬元素有效態(tài)的含量,可以通過適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)提高耕作環(huán)境的pH［31－32］。從變異系數(shù)來(lái)看,除了有效As元素屬于強(qiáng)變異型,其余幾種重金屬元素均為中等變異型。從表8可以看出,As、Cd、Cr、Cu、Zn元素的有效態(tài)含量以公主嶺-梨樹地區(qū)最高,Ni元素有效態(tài)含量以榆樹-松原地區(qū)最高。其中,Cd、Cr、Cu、Ni、Zn元素有效態(tài)含量在三個(gè)工作區(qū)之間有差異,As元素有效態(tài)含量在三個(gè)工作區(qū)之間差異不大。從變異系數(shù)上來(lái)看,除了有效As在公主嶺-梨樹地區(qū)屬于強(qiáng)分異型,其他元素在三個(gè)工作區(qū)均屬于中等分異型。2.3玉米中重金屬含量的分布和發(fā)育特點(diǎn)玉米籽實(shí)樣品中重金屬元素的含量采用ICP-AES和X-熒光光譜儀等方法測(cè)試,測(cè)試工作在河南巖礦測(cè)試中心完成。對(duì)研究區(qū)玉米籽實(shí)中六種重金屬元素進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),均成正態(tài)分布,故取算數(shù)平均值。從表9、表10可以看出,從變異系數(shù)上來(lái)講,Cr、Zn屬于弱變異型,As、Cd、Cu屬于中等變異型,Ni屬于強(qiáng)變異型。玉米籽實(shí)中Cd、Cr、Cu、Ni元素含量以公主嶺-梨樹地區(qū)最高,Zn元素含量以榆樹-松原地區(qū)最高。其中,Cd、Cu、Ni、Zn元素含量在三個(gè)工作區(qū)之間有差異,As、Cr元素含量在三個(gè)工作區(qū)之間差異不大。在堿性土壤和酸性土壤環(huán)境中生長(zhǎng)的玉米,籽實(shí)中重金屬元素含量差別不大。這可能與作物自身的遺傳特性有關(guān),也可能是因?yàn)橹亟饘僭卦谶w移過程中,大部分被玉米的莖葉吸收［33］從變異系數(shù)上來(lái)講,Cr、Zn屬于弱變異型,As、Cd、Cu屬于中等變異型,Ni屬于強(qiáng)變異型。研究表明,Zn、Cu、Ni等重金屬元素對(duì)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育有一定的促進(jìn)作用［34］。但重金屬元素含量過高,不僅會(huì)對(duì)玉米自身生長(zhǎng)造成危害,若在籽實(shí)中殘留,會(huì)通過食物鏈進(jìn)入人體,對(duì)人體造成危害。依據(jù)《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY861-2004》,對(duì)玉米籽實(shí)中重金屬元素的含量進(jìn)行評(píng)價(jià),As、Cd、Cr、Cu、Zn的含量全部在限量之內(nèi),符合標(biāo)準(zhǔn)。3玉米中cd元素的分布通過上述研究,本文得出以下結(jié)論:1、六種重金屬元素的含量均與背景值存在著極顯著的差異。As、Cd、Cr、Cu、Ni的平均含量均高于吉林省表層土壤背景值,而Zn的平均含量低于吉林省表層土壤背景值。六種重金屬元素在研究區(qū)均未出現(xiàn)累積。在區(qū)域分異上,As、Cr、Cu、Ni、Zn元素屬于弱分異型,Cd元素屬于中等分異型。2、As、Cd元素以公主嶺-梨樹地區(qū)含量最高,Cr、Ni、Zn元素以榆樹-松原地區(qū)含量最高,Cu元素含量以九臺(tái)-德惠地區(qū)含量最高。As、Cd、Cr、Cu、Zn元素的有效態(tài)含量以公主嶺-梨樹地區(qū)最高,Ni元素有效態(tài)含量以榆樹-松原地區(qū)最高。玉米籽實(shí)中Cd、Cr、Cu、Ni元素含量以公主嶺-梨樹地區(qū)最高,Zn元素含量以榆樹-松原