石場(chǎng)附近土壤-作物系統(tǒng)中重金屬富集轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律研究

石場(chǎng)附近土壤-作物系統(tǒng)中重金屬富集轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律研究

0農(nóng)田重金屬污染研究在采礦和沉淀過程中，大量有害重金屬被排放。這些重金屬元素在土壤中不斷累積,并通過農(nóng)作物吸收進(jìn)入食物鏈而被人體攝取,威脅農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和居民身體健康。近年來(lái),隨著人們對(duì)食品安全的高度重視,土壤-作物系統(tǒng)中的重金屬污染成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。嚴(yán)連香等通過對(duì)蘇南不同工業(yè)企業(yè)周圍土壤和作物的采樣分析發(fā)現(xiàn),污染來(lái)源和排污方式均會(huì)對(duì)土壤-作物系統(tǒng)中重金屬的含量及其分布產(chǎn)生明顯影響。范中亮等采用盆栽試驗(yàn)研究了雜交秈稻對(duì)重金屬Cd和Pb的富集特征,在不同土壤類型的栽培下,水稻地上部器官對(duì)Pb和Cd的富集呈現(xiàn)出顯著差異。宋雁輝和任艷軍等分別針對(duì)云南個(gè)舊乍甸鎮(zhèn)和秦皇島市的蔬菜重金屬污染狀況開展調(diào)查,發(fā)現(xiàn)不同類型蔬菜的污染程度及對(duì)重金屬元素的吸收能力存在明顯差異。上述研究顯示,由于受到重金屬污染來(lái)源、遷移擴(kuò)散方式、土壤理化性質(zhì)及農(nóng)作物種類等因素的影響,農(nóng)作物中重金屬元素的富集狀況表現(xiàn)出明顯的空間差異性和種間差異性。因此,針對(duì)某一特定的重金屬污染區(qū)域,有必要對(duì)其土壤及主要農(nóng)作物進(jìn)行系統(tǒng)同步的采樣分析,一方面可以了解和認(rèn)識(shí)該區(qū)土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)的環(huán)境污染狀況,為區(qū)域土壤環(huán)境治理和規(guī)劃提供依據(jù);另一方面還能夠通過對(duì)不同作物間重金屬富集狀況及污染程度的對(duì)比,為污染區(qū)篩選適宜種植的農(nóng)作物種類,有效保障農(nóng)作物食品安全。宿州市煤炭資源豐富,是兩淮煤田的重要組成部分,也是全國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地。近年來(lái),隨著煤炭資源開采規(guī)模的逐年攀升,大量的矸石廢棄物在礦區(qū)附近堆積,并通過風(fēng)化、淋溶作用釋放出大量的重金屬有害元素,對(duì)周圍農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害。有學(xué)者針對(duì)宿州礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤進(jìn)行了采樣分析,發(fā)現(xiàn)煤炭開采活動(dòng)(尤其是矸石廢棄物的堆積)已導(dǎo)致較高的土壤重金屬累積。但有關(guān)該區(qū)農(nóng)作物重金屬污染的研究尚未見報(bào)道。本文以宿州礦區(qū)桃園煤礦為例,著眼于矸石堆積引發(fā)的農(nóng)作物重金屬污染問題,重點(diǎn)探討矸石場(chǎng)附近農(nóng)田土壤及3種主要糧食作物(玉米、綠豆和大豆)中重金屬Cu、Pb、Cd和Cr的質(zhì)量比分布特征和富集轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律,進(jìn)而對(duì)農(nóng)作物重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為煤礦區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)提供參考。1材料和方法1.1煤炭的開采量逐年遞增宿州市位于安徽省最北部,地處暖溫帶與北亞熱帶氣候的過渡帶,屬暖溫帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,年平均氣溫為14.5℃,年平均降雨量860mm,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)(ENE);境內(nèi)地形以平原為主,土壤類型多樣,主要為砂姜黑土和黃潮土。作為全國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地,宿州市擁有耕地面積66.53萬(wàn)hm2,占全市總面積的67.97%,區(qū)內(nèi)盛產(chǎn)小麥、玉米、豆類等糧食作物,2010年糧食總產(chǎn)量為389萬(wàn)t。宿州市煤炭資源十分豐富,截止到2010年,已探明儲(chǔ)量2.68×109t,轄區(qū)內(nèi)有桃園、蘆嶺、祁東等多座煤礦,煤炭開采量逐年遞增。研究區(qū)桃園煤礦位于宿州市區(qū)以南12km處,隸屬淮北礦業(yè)集團(tuán)公司,是我國(guó)“八五”期間重點(diǎn)建設(shè)的大型礦井,1995年10月正式投產(chǎn),設(shè)計(jì)年產(chǎn)能90萬(wàn)t,后經(jīng)擴(kuò)能改造,現(xiàn)年生產(chǎn)能力為150萬(wàn)t。伴隨著該礦煤炭產(chǎn)量的增加,采煤過程中產(chǎn)生了大量的矸石廢棄物,主要堆積在廠區(qū)以東的矸石場(chǎng)中。2011年4月經(jīng)地測(cè)部門監(jiān)測(cè),場(chǎng)內(nèi)堆積的矸石山占地3.88萬(wàn)m2,高65m,存量約為129.6萬(wàn)t,后經(jīng)消減,存量約為62.0萬(wàn)t。1.2樣品采集和處理樣品采自宿州桃園煤礦矸石場(chǎng)附近農(nóng)田。根據(jù)研究區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向及地形特征,以矸石場(chǎng)為中心、西南45°方向?yàn)橹鬏S線進(jìn)行扇形布點(diǎn)(扇形角度約為70°,該扇形區(qū)域相對(duì)矸石場(chǎng)處于研究區(qū)主導(dǎo)風(fēng)的下風(fēng)向和地形的下坡方向),分別在距矸石場(chǎng)50m、100m、200m、300m、400m和500m處間隔采樣(見圖1),在每一距離處的扇形區(qū)域內(nèi)均勻設(shè)置6個(gè)采樣點(diǎn)。在每個(gè)采樣點(diǎn),首先使用不銹鋼鏟子采集表層(0~20cm)土壤樣品約500g;根據(jù)采樣點(diǎn)周圍作物種植情況,在其0.5m范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)采集同種作物樣品(玉米、綠豆和黃豆)1~2株,并將其不同組織部位(根、莖、葉和籽實(shí))分裝自封袋中保存。共采集土壤樣品36個(gè),作物樣品42株,其中包括玉米樣品16株、綠豆和黃豆樣品各13株。將采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,首先在室內(nèi)避光處自然風(fēng)干1~2周,剔除植物殘余及雜物,并均分成兩份。其中一份經(jīng)研磨后過孔徑為75m的尼龍篩,過篩后的樣品采用HNO3-HClO4-HCl-HF消解完全后定容至100mL,用于重金屬元素質(zhì)量比測(cè)定;另外一份過孔徑為1180m的尼龍篩,用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定。對(duì)作物樣品,首先使用去離子水清洗3遍,110℃恒溫殺青30min,并充分烘干,將其分別破碎、碾磨,過孔徑為250m的尼龍篩,然后使用HNO3-HCl-HClO4濕法消解,定容至50mL待測(cè)。使用原子吸收分光光度計(jì)(TAS-990FG,普析通用,北京)測(cè)定樣品中重金屬元素質(zhì)量比。其中,Cu和Cr采用火焰法(GB/T17137—1997、GB/T17138—1997)測(cè)定,Pb和Cd使用石墨爐法(GB/T17141—1997)測(cè)定。樣品處理和測(cè)試工作在安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心進(jìn)行。為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,樣品處理過程中均使用去離子水和優(yōu)級(jí)純?cè)噭?所用器皿(聚四氟乙烯燒杯、容量瓶等)在10%的稀HNO3溶液中浸泡24h以上,并使用去離子水清洗3遍。另外,利用加標(biāo)回收方法(土壤標(biāo)樣為GBW07403(GSS-3),植物標(biāo)樣為GBW07603(GSV-2))對(duì)測(cè)試質(zhì)量進(jìn)行控制,土壤標(biāo)樣Cu、Pb、Cd、Cr的回收率依次為98.31%、91.48%、93.69%、97.14%,植物標(biāo)樣Cu、Pb、Cd、Cr的回收率依次為96.73%、93.52%、92.06%、98.45%。1.3學(xué)習(xí)方法1.3.1內(nèi)梅羅指數(shù)wi采用單因子及內(nèi)梅羅指數(shù)對(duì)研究區(qū)農(nóng)作物重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中,單因子污染指數(shù)的計(jì)算公式為式中Pi為某一作物中第i類重金屬元素的單因子污染指數(shù);wi為該作物中第i類重金屬元素的實(shí)測(cè)質(zhì)量比,mg/kg;Si為農(nóng)作物重金屬污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)梅羅指數(shù)屬于計(jì)權(quán)型綜合污染評(píng)價(jià)方法,其計(jì)算公式為式中P內(nèi)為某一作物的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù),Pavg和Pmax分別為該作物中各重金屬元素單因子污染指數(shù)的平均值和最大值。本文采用我國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY861—2004《糧食(含谷物、豆類、薯類)及制品中鉛、鎘、鉻、汞、硒、砷、銅、鋅等八種元素限量》,元素限量值和污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別見表1和2。1.3.2作物籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)運(yùn)用根部富集系數(shù)和籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可以評(píng)價(jià)不同農(nóng)作物對(duì)土壤中重金屬元素的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力。其中,根部富集系數(shù)為作物根部重金屬質(zhì)量比與相應(yīng)的土壤重金屬質(zhì)量比之比,它表示農(nóng)作物對(duì)土壤重金屬吸收能力的強(qiáng)弱,計(jì)算公式為作物籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為籽實(shí)中重金屬富集量與植株地下部位重金屬富集量之比,用以評(píng)價(jià)植株將重金屬元素從地下部位向籽實(shí)中運(yùn)輸?shù)哪芰?計(jì)算公式為2結(jié)果與分析2.1土壤養(yǎng)分分布土壤pH值是土壤酸堿度劃分的依據(jù)。pH<6.5時(shí),為偏酸性土壤;6.5≤pH≤7.5時(shí),為中性土壤;pH>7.5時(shí),為偏堿性土壤。由表3可知,矸石場(chǎng)附近土壤pH值為7.58~8.83,平均值為8.29,屬于偏堿性土壤。土壤中有機(jī)質(zhì)和總氮質(zhì)量比是衡量土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo)。對(duì)照全國(guó)第二次土壤普查所使用的土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見表3),研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比范圍為11.30~20.74g/kg,平均值為15.61g/kg,處于缺乏水平;而土壤總氮質(zhì)量比范圍在1.22~2.53g/kg,平均值為1.82g/kg,屬于較豐富水平。2.2石場(chǎng)周邊土壤重金屬含量分布特征宿州桃園煤礦矸石場(chǎng)附近農(nóng)田土壤的重金屬質(zhì)量比統(tǒng)計(jì)值見表4。由表4可以看出,研究區(qū)農(nóng)田土壤中Cu、Pb、Cd和Cr的質(zhì)量比平均值分別為47.76mg/kg、15.28mg/kg、0.47mg/kg和125.30mg/kg,與安徽省土壤元素質(zhì)量比背景值及國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相比,Cu、Cd和Cr存在不同程度的超標(biāo),分別高出土壤背景值134.12%、384.54%和85.63%,高出國(guó)家土壤一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值36.46%、135.00%和39.22%?？傮w來(lái)看,Cd、Cr和Cu的污染較嚴(yán)重,Pb的污染程度較低。有研究顯示,煤矸石中有害微量元素含量具有明顯的地域差別,不同礦區(qū)矸石中同種元素的含量往往相差甚遠(yuǎn)。而本文關(guān)于矸石場(chǎng)附近土壤中重金屬元素的分析也呈現(xiàn)出類似特征(見表4)。與國(guó)內(nèi)4個(gè)不同礦區(qū)煤矸石堆積場(chǎng)的同類研究結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),不同礦區(qū)矸石場(chǎng)附近土壤的重金屬質(zhì)量比差異明顯,其中本文土壤Cu和Cr質(zhì)量比均高于所列的4個(gè)礦區(qū);Pb質(zhì)量比與淮南新莊孜礦基本一致,遠(yuǎn)低于其他3個(gè)礦區(qū);而Cd質(zhì)量比與蘭州紅古礦區(qū)接近,但低于山東礦區(qū),高于淮南新莊孜礦。這種地域上的差異性可能是不同煤礦區(qū)矸石的堆積方式、元素組成和淋濾溶出特征不同,以及區(qū)域氣象條件和土壤理化特性等多種因素綜合影響的結(jié)果。張鋰等研究發(fā)現(xiàn),矸石場(chǎng)附近土壤重金屬含量的分布特征與煤礦開采歷史時(shí)期的長(zhǎng)短有關(guān):一般而言,開采年代越久遠(yuǎn),由于生物和自然條件等因素的長(zhǎng)期綜合作用,土壤重金屬含量的均質(zhì)化現(xiàn)象越明顯;而對(duì)于受人類活動(dòng)影響時(shí)間相對(duì)較短的煤礦區(qū),其土壤重金屬含量多表現(xiàn)為隨采樣距離增大而下降的趨勢(shì)。本文中桃園煤礦自1995年正式投產(chǎn),開采時(shí)間并不長(zhǎng)。由圖2可知,研究區(qū)土壤中Cu、Pb、Cd和Cr的質(zhì)量比隨與矸石場(chǎng)距離增加而明顯降低。這與李旭華等的研究結(jié)果基本一致。另外,在距矸石場(chǎng)50~500m的距離范圍內(nèi),各元素質(zhì)量比的下降幅度依次為Cr(40.92%)、Pb(34.14%)、Cd(30.13%)、Cu(20.44%),這在一定程度上反映出不同重金屬元素在外圍土壤中的遷移擴(kuò)散能力。2.3cd、c、u3000各元素質(zhì)量比對(duì)根、莖、葉及籽實(shí)的影響研究區(qū)內(nèi)3種糧食作物(玉米、綠豆和大豆)不同組織器官中的重金屬質(zhì)量比分布狀況見圖3。由圖3可知,各重金屬元素在不同作物體內(nèi)的質(zhì)量比差異顯著。其中,Cu在3種作物根和莖中的質(zhì)量比以玉米最高,分別達(dá)到26.77mg/kg和19.03mg/kg;在葉片和籽實(shí)中的質(zhì)量比則以黃豆最高,分別為21.07mg/kg和16.03mg/kg。Pb在根、莖、葉片及籽實(shí)中的質(zhì)量比均以黃豆最高,分別為1.43mg/kg、1.21mg/kg、2.04mg/kg和0.81mg/kg。Cd在根部的質(zhì)量比以玉米最高,達(dá)0.40mg/kg;在莖部質(zhì)量比以綠豆最高,為0.33mg/kg;而在葉片和籽實(shí)中的質(zhì)量比以黃豆最高,分別為0.59mg/kg和0.17mg/kg。Cr在根、莖、葉片及籽實(shí)中的質(zhì)量比均以玉米最高,分別達(dá)到6.56mg/kg、1.51mg/kg、1.81mg/kg和0.53mg/kg。通常情況下,農(nóng)作物從土壤中吸收的重金屬元素,首先會(huì)在根部產(chǎn)生累積,然后有一部分被運(yùn)輸?shù)阶魑矬w的其他部位,因而作物根部的重金屬含量往往比其他器官要高。而在本文中,除Pb在綠豆籽實(shí)中的質(zhì)量比高于根部外,其余作物中各元素質(zhì)量比從大到小均為根、莖、籽實(shí),這與以往的研究結(jié)論大致相同。但葉片中的部分重金屬元素質(zhì)量比明顯超出了根部質(zhì)量比,如Pb在玉米、綠豆和黃豆葉片中的質(zhì)量比高達(dá)1.68mg/kg、1.64mg/kg和2.04mg/kg,而在根部的質(zhì)量比僅為1.41mg/kg、0.65mg/kg和1.43mg/kg。這種異常一方面可能是由于重金屬元素在由作物根部向上運(yùn)輸?shù)倪^程中,葉片對(duì)不同元素的吸收具有選擇性,進(jìn)而導(dǎo)致一些元素在葉片中的超量累積;另外,由于作物葉片表面毛孔還能吸收外界污染空氣中的Pb、Hg等有害元素,不能排除由大氣污染導(dǎo)致葉片重金屬質(zhì)量比升高的可能性。2.43玉米根系作物分布特征為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)不同作物對(duì)重金屬元素吸收能力的差異,分別計(jì)算了3種糧食作物的重金屬根部富集系數(shù)和籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù),見表5。由表5可以看出,各元素的根部富集系數(shù)和籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均不同。其中,根部富集系數(shù)由高到低為Cd、Cu、Pb、Cr,表明Cd更易被作物根部吸收;籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)則以Cu和Pb相對(duì)較高,表明它們更易在作物籽實(shí)中累積。而從3種糧食作物間的對(duì)比可知,玉米根部對(duì)Cu、Pb、Cd和Cr的富集系數(shù)明顯高于黃豆和綠豆。這是由于研究區(qū)內(nèi)重金屬主要集中分布于表層土壤中,玉米為須根系作物,與黃豆、綠豆等直根系作物相比,其根系分布較淺,能夠更充分地吸收淺層土壤中的水分及微量元素;而在元素由根部向籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中,由于玉米的秸稈相對(duì)較高,導(dǎo)致重金屬較難向上遷移,因而玉米的籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)又較綠豆和黃豆為低。2.53作物中pb和玉米的污染等級(jí)3種糧食作物籽實(shí)部位的重金屬單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)見表6?？傮w來(lái)看,3種作物各元素的單因子污染指數(shù)均表現(xiàn)為Pb最高,Cd次之,Cu和Cr最低。其中,玉米、綠豆和黃豆的Cu和Cr污染指數(shù)均小于1,表明未受到Cu和Cr污染;玉米的Cd污染指數(shù)為1.058,為輕污染等級(jí),綠豆和黃豆的Cd污染指數(shù)分別為0.539和0.833,未受到污染;Pb在玉米和黃豆中的污染指數(shù)分別為1.630和1.009,為輕污染等級(jí),而綠豆的污染指數(shù)平均值雖未達(dá)到污染水平,但其指數(shù)范圍為0.516~1.132,表明有部分樣品存在超標(biāo)問題。3種作物的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)從大到小為玉米、黃豆、綠豆,其中,玉米的綜合污染指數(shù)為1.305,屬于輕度污染等級(jí);綠豆和黃豆的綜合污染指數(shù)分別為0.748和0.885,處于警戒水平。另外,將評(píng)價(jià)結(jié)果與土壤重金屬質(zhì)量比特征相比較發(fā)現(xiàn),雖然土壤中Pb的平均質(zhì)量比僅為15.28mg/kg,并未超出安