煤矸石充填復墾區小麥中重金屬Zn的富集特征

郭 倉，張滿滿，肖 昕 (.河南理工大學萬方科技學院，河南鄭州45400;.鄭州大學環境政策規劃評價研究中心，河南鄭州45000;.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇徐州6)

煤礦資源的開采導致地面沉陷，大量的土地資源遭到破壞，而且我國人多地少，耕地資源相對貧乏，因此充分利用煤礦復墾區種植糧食作物尤其重要。20世紀80年代初，我國就開始了礦區復田綜合治理研究，提出了煤矸石充填復墾、粉煤灰充填復墾和挖深墊淺3種礦區復墾技術［1］。但是，礦區廢棄物——煤矸石中含有較高含量的重金屬元素，因此利用煤矸石充填復墾的土地很可能會遭受重金屬污染。而且這些重金屬對土壤的污染一般都是不可逆的，重金屬進入土壤后很難自然降解掉，會破壞土壤系統的結構和功能［2－4］。在煤矸石充填復墾區種植糧食作物，作物的根系會吸收土壤中的重金屬，并將其積累在作物的各個器官中，從而會影響作物的生長發育，降低作物的產量與質量，而且作物中的重金屬也會進入到食物鏈中，最終會對人體的健康產生極大的破壞［5－8］。筆者以江蘇省徐州市柳新礦區復墾區為例，研究了煤矸石充填復墾區小麥中重金屬Zn的富集規律、受污染程度，評價研究區域內的糧食安全性，從而為今后煤礦區的復墾工作和農作物的耕作制度提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況 研究區位于江蘇省徐州市西北20 km的銅山縣柳新鎮境內，該區屬暖溫帶季風氣候，年平均氣溫14℃，年平均降水量860 mm，無霜期200～220 d。整個塌陷區集中分布在8個村，部分村組復墾前人均耕地面積不足0.006 7 hm2，因此復墾后土地依然用于農業種植，種植制度為小麥 －水稻輪作［9］。研究區內的煤矸石回填場地(341.42°N，117.114°E)于1998 年回填復墾，即將塊粒大小不等的煤矸石直接充填到塌陷區，然后覆土40～45 cm進行種植，所覆土為礦區內黏土［10］。整個試驗場地位于東至307國道，西至柳沿公路，南至柳新礦北側，北至蘇北堤河，總面積703.33 hm2的區域內。

1.2 樣品采集和預處理 分別于煤矸石復墾區小麥的返青期和抽穗期進行采樣，采樣時間分別為2012年2月20日和5月21日。根據該研究區的污染源分布、地形地貌及氣象(該區常年夏季呈東南風向，冬季呈西北風向)等特征，在復墾區內設置了3個采樣點(A、B、C)，以復墾區為中心在復墾區外距其 3、5、10、30、50、100 m 處分別設置了6個采樣點(D、E、F、G、H、I)。因為復墾區東邊臨近307 國道，為了防止交通道路對研究區的影響，故設置采樣點時往復墾區西邊布置(圖1)。在每個采樣點處采集小麥植株，裝入塑料袋并做好標記。將小麥植株在室溫下自然風干后，用瑪瑙研缽磨細，裝入密封袋中保存。

1.3 測定項目及分析方法 分別稱取適量的小麥根系、葉片及麥穗預處理樣品，用HNO3-HF-HCLO4混合酸法消解［11］，用 ICP-MS測定 Zn元素的含量。用 AutoCAD2006、EXCEL2007進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 小麥生長過程中重金屬Zn的富集特征

2.1.1 返青期。由表1可知，返青期小麥莖、葉和根系中的Zn含量隨著與復墾區距離的增加呈減少趨勢。在A、B、C、D、E 5個采樣點處，根系中 Zn含量比例為38.11% ～54.62%，葉片中 Zn 含量比例為45.38% ～61.89%(圖2)，植株各部位Zn含量表現為葉＞根;距離復墾區更遠的F、G、H、I 4個采樣點處，植株各部位Zn含量表現為根＞葉，但二者相差甚少，幾乎相等?？梢?，返青期小麥葉片積蓄Zn的能力比根系強，這可能是由于小麥自身的蒸騰作用導致重金屬Zn由根部遷移到葉片。

表1 不同采樣點小麥各器官中Zn含量 mg/kg

2.1.2 抽穗期。抽穗期，小麥葉片、根系中的Zn含量隨著與復墾區距離的增加呈減少趨勢，但在距離復墾區5～50 m處(E、F、G、H 4個采樣點)明顯增加(表1)，這可能與該處施用了過量的化肥有關［12－13］。在 A、B、C、D、E 5個采樣點處，根系中Zn含量比例為38.97% ～49.62%，葉片中Zn含量比例為40.29% ～48.17%，麥穗中 Zn含量比例為10.09% ～15.00%(圖3)。麥穗中的Zn含量最小，只有根系和葉片中Zn含量的1/3左右，并且隨距離的增加表現得較為平穩，說明麥粒對Zn的富集能力很弱?？梢?，抽穗期小麥各部分Zn含量表現為葉＞根＞穗。

2.1.3 不同生育時期對比。由表1可知，除了A、F、G采樣點外，其他6個采樣點小麥根系的Zn含量表現為返青期＞抽穗期;A、B、C、D、E采樣點小麥葉片的Zn含量表現為返青期＞抽穗期;而其他采樣點表現為抽穗期＞返青期，但相差不大?？梢?，不管是小麥根系還是葉片，Zn含量總體上表現為返青期＞抽穗期，即隨著小麥的生長，各部位富集Zn的能力逐漸降低。

2.2 復墾區小麥的安全性評價 采用內梅羅指數法［14－17］，對復墾區小麥中Zn污染進行評價，評價模型如下:

P=G/S

式中，P為Zn的污染指數;C為Zn含量;S為國家糧食衛生標準，這里采用中國農業行業標準(50 mg/kg)［18］。若P＜1，表示未受到污染;P＞1，表示受到污染;P越大，受污染程度越嚴重。

因為環境科學研究的主題對象是人類［19］，人類只食用小麥的籽實，由于取樣時籽實還未成熟，但麥穗已經形成，故僅對抽穗期麥穗中的Zn污染進行評價。由表2可知，各采樣點處的內梅羅指數P均小于1，說明復墾區內及其周邊的小麥未被Zn污染。若單從Zn這一指標來看，研究區內小麥可以食用。但考慮到煤矸石中重金屬元素不單單只有Zn元素，還含有 Pb、Cd、Cr、Cu、Hg 等［20］。為了更準確地評價研究區內小麥的安全性，后續將對其他重金屬進行調查與測定。

表2 小麥麥穗中Zn污染評價結果

3 結論

(1)返青期，小麥莖、葉和根系中的Zn含量隨著與復墾區距離的增加呈減少趨勢，小麥葉片積蓄Zn的能力比根系強。

(2)抽穗期，小麥葉片、根系中的Zn含量隨著與復墾區距離的增加呈有減少趨勢，但是在距離復墾區5～50 m處(E、F、G、H 4個采樣點)有明顯增加，這可能與該處施用了過量的化肥有關;而麥穗中Zn含量變化趨勢不明顯。抽穗期小麥各部分Zn含量表現為葉＞根＞穗。

(3)不管是小麥根系還是葉片，Zn含量均表現為返青期＞抽穗期。

(4)采用內梅羅指數法評價研究區小麥的Zn污染狀況，發現復墾區內及其周邊的小麥麥穗中Zn含量未超過國家標準(50 mg/kg)，沒有被Zn污染。

［1］卞正富.礦區土地復墾界面要素的演替規律及其調控研究［M］.北京:高等教育出版社，2001:35－38.

［2］董霽紅，于敏，程偉，等.礦區復墾土壤種植小麥的重金屬安全性［J］.農業工程學報，2010，26(12):280 －285.

［3］黃昌勇.土壤學［M］.北京:中國農業出版社，2000:271 －290.

［4］ZHU Y G，CHRISTEIP，LAIDLAW A S.Uptake of arbus-cular mycorrhizal white clover from Zn-contaminated soil［J］.Chemosphere，2001，42:193 －199.

［5］陳潔.水稻幼苗耐鹽性的定量鑒定及耐鹽生理生化研究［D］.儋州:華南熱帶農業大學，2003.

［6］呂靜霞，張雅莉.鉛脅迫對小麥種子萌發及幼苗生長的影響［J］.種子，2012，31(1):100 －103.

［7］LI Z W，LI L Q，PAN G X，et al.Bioavailability of Cd in a soil-rice system in China:Soil type versus genotype effects［J］.Plant and soil，2005，27(1):165－273.

［8］JIMéNEZ E M，GAMARRA R，CARPENA-RUIZ R O，et al.Mercury bioaccumulation and phytoxieity in two wild plant species of Almaden area［J］.Chemosphere，2006，63:1969 －1973.

［9］董霽紅，卞正富，王賀封，等.徐州礦區充填復墾場地作物重金屬含量研究［J］.水土保持學報，2007，21(5):180 －182.

［10］董霽紅，卞正富，王賀封.礦山充填復墾場地重金屬含量對比研究［J］.中國礦業大學學報，2007，36(4):531 －536.

［11］張娟，王艷春，田宇.北京市屬公園土壤重金屬分布及風險評價［J］.環境科學與技術，2012，35(6):161 －164.

［12］陳佳，金紅宇，戴博，等.化肥施用對人參品質影響的觀察［J］.中藥材，2012，35(6):847 －850.

［13］孫卉，韓晉仙，馬建華.開封市化肥河污染區小麥鎘、砷含量及其健康風險評價［J］.土壤通報，2009，40(4):936 －940.

［14］郭笑笑，劉叢強，朱兆洲，等.土壤重金屬污染評價方法［J］.生態學雜志，2011，30(5):889 －896.

［15］NMED.Technical Background Document for Development of Soil Screening Levels Revision 5.0［S］.New Mexico Environment Department，2009.

［16］馮啟言，孟慶俊.環境影響評價［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2008:64.

［17］鄒喬，王瑤，杜顯元，等.內梅羅指數法在石油開采區土壤PAHs污染分級評價中的應用［J］.安徽農業科學，2011，39(12):7350 －7353.

［18］楊定清，胡述楫，謝永紅，等.中華人民共和國農業行業標準:糧食(含谷物、豆類、薯類)及制品中鉛、鉻、鎘、汞、硒、砷、銅、鋅等八種素限量:NY861 －2004［S］.北京:中國農業出版社，2005.

［19］何康林，裴宗平.環境科學導論［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2008:68.

［20］肖昕，馮啟言，劉忠偉，等.重金屬 Cu、Pb、Zn、Cd 在小麥中的富集特征［J］.能源環境保護，2004，18(3):28－31.