礦糧復合區(qū)土壤及水稻籽實中重金屬污染特征研究

徐 蕾，王瑋婕，聶 建，肖 昕

（1.徐州市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

礦糧復合是指既是礦產(chǎn)資源主產(chǎn)區(qū)又是糧食主產(chǎn)區(qū)的特殊區(qū)域，在我國糧食產(chǎn)區(qū)占有重要地位[1]。礦山開采與利用過程中會對周邊環(huán)境釋放廢水、廢氣以及固體廢物，進而造成區(qū)域土壤環(huán)境質量下降，其中重金屬污染是礦區(qū)土壤研究的重點[2-3]。目前的研究大多集中在金屬礦山，但研究人員也逐漸發(fā)現(xiàn)煤礦固體廢物周邊[4]、煤礦產(chǎn)區(qū)[5-6]以及電廠周邊[7]均出現(xiàn)了不同程度的重金屬累積。土壤污染是區(qū)域作物重金屬污染的重要來源[8-9]，監(jiān)測典型礦糧復合區(qū)土壤和作物可食物部位中重金屬污染特征可以有效分析區(qū)域糧食安全性和主要污染途徑。本論文采集了徐州市城北礦糧復合區(qū)25個土壤和水稻樣品，分析了稻米和土壤中 5 種重金屬（Cd，Cr，Zn，Pb，Cu）的含量，并進行了評估，以期為當?shù)丶Z食安全及重金屬污染傳輸過程進行初探。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

徐州市城北礦糧復合區(qū)位于徐州西北，東經(jīng)117°07'～ 117°19'，北緯 34°32'～ 34°36'。 該區(qū)屬溫帶季風氣候，年平均溫度14°C，年均降水量900 mm。區(qū)域內(nèi)主要作物為小麥、水稻、玉米等。區(qū)域內(nèi)有5個煤礦、3個火電廠，2個大型粉煤灰堆場和多處煤堆放場地，同時還有2/3的面積為農(nóng)田，是典型的礦-農(nóng)復合區(qū)。

1.2 采樣點位布設

在實地調(diào)研的基礎上，依據(jù)均勻布點與結合污染源的原則，在研究區(qū)域內(nèi)布設了25個水稻樣品采樣點，同時在作物采樣點處采集土壤樣本，采樣點位置見圖1。

圖1 采樣點位置

1.3 樣品的采集與預處理

每個采樣點采集5株以上水稻樣品，保留整株完整，同時就近采集表層土壤樣品（0～15 cm），去除土壤中的石塊、植物殘體等雜質，混合成一個樣品帶回實驗室。水稻籽實經(jīng)脫谷，研磨后備用，土壤樣品經(jīng)風干、縮分、研磨過0.15 mm篩后備用。

植物樣品用V（硝酸）∶V（高氯酸）以 4∶1比例消解。 土壤樣品用V（鹽酸）∶V（硝酸）∶V（氫氟酸）∶V（高氯酸）以 3∶1∶3∶1比例消解。

1.4 樣品分析與質量保證

消解后的樣品用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Perkin Elmer，Optimal 8000）進行分析，水稻籽實樣品以國標樣GSB-24進行質量控制，土壤樣品以GSS-13進行質控。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

實驗所得數(shù)據(jù)用Excel2003和SPSS16.0進行基本特征分析。

2 區(qū)域土壤重金屬污染特征

研究區(qū)域土壤中重金屬含量結果見表1。

表1 土壤重金屬含量結果統(tǒng)計mg·kg-1

土壤中各重金屬含量總體而言呈Zn>Cr>Cu>Pb>Cd的趨勢。各重金屬分布的變異系數(shù)差異較大，其中Cd的變異系數(shù)最大，為63%，其次為Cu，51%，最后為Zn，Pb和Cr。變異系數(shù)可以反映總體中各目標值的離散程度[10]，研究區(qū)域中Cd，Cu的變異系數(shù)分別是Cr的3.7，2.97倍，說明這2種重金屬存在局部污染源的可能性較大，可能與農(nóng)作方式、污水灌溉或固體污染物儲運等有一定的相關性。

與GB 15618—1995《土壤環(huán)境質量標準》相比，區(qū)域內(nèi)僅60%點位的Cd超過國家二級標準，其他重金屬元素（Pb，Cu，Cr，Zn）均低于相應國標，說明區(qū)域內(nèi)大部分土地已不適應作物種植，主要污染物為Cd。與當?shù)赝寥辣尘爸礫11]相比，88%點位的Cu和84%點位的Cd超出背景值，其中Cu均數(shù)是背景值的2.02倍，Cd是2.74倍，其他金屬的均數(shù)均略低于背景值，但也出現(xiàn)了部分超出背景值的點位。對照變異系數(shù)的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域內(nèi)土壤中的Cu和Cd存在一定程度的局布污染，其污染來源仍需進一步監(jiān)測分析。

3 水稻籽實重金屬污染特征

研究區(qū)域中水稻籽實重金屬含量結果見表2。

表2 籽實中重金屬含量結果統(tǒng)計mg·kg-1

水稻籽實中Pb和Cr元素污染相對嚴重，與NY 861—2004《糧食及制品中鉛、鎘、鉻、汞、硒、砷、銅、鋅等八種元素限量》相比所有點位中Pb含量均出現(xiàn)了不同程度的超標，其中最大值超值13.2倍；92%點位中的Cr出現(xiàn)超標現(xiàn)象，超標最嚴重者為標準值的51倍；52%點位的Cd存在超標現(xiàn)象，最大超標倍數(shù)為2.5倍，陳京都等[12]經(jīng)過研究江蘇省北部地震帶的農(nóng)田土壤和小麥樣品發(fā)現(xiàn)，土壤中除Hg外重金屬元素含量均超過土壤背景值，而僅Cd超過國家土壤環(huán)境質量標準中的標準限值，為重度污染；而該地區(qū)小麥籽實存在多種重金屬超標現(xiàn)象，其中以Pb污染最為嚴重，超標率為100%。相對于土壤重金屬分布特征，水稻籽實中重金屬分布具有更大的離散性，其中Cr最離散，變異系數(shù)高達114.41%，Cu和Zn的變異系數(shù)相對較低，分別為31.48%和33.81%，說明水稻籽實中的重金屬受局布污染影響較土壤更嚴重。土壤中變異系數(shù)相對較大的Cd和Cu在籽實中分別為74.65%和31.48%，其中Cu的變異系數(shù)最小，說明水稻籽實中的Cu可能并非主要來源于土壤。研究表明水稻籽實中對土壤中的Cd具有較強的富集能力[13]，水稻籽實中Cd和土壤中Cd的具有相似的離散水平，但如果需要明確該金屬是否為由水稻根系吸收土壤中的Cd仍需進一步分析討論。

4 水稻籽實對土壤中重金屬的富集特征

富集系數(shù)是指植株中重金屬含量與土壤中含量的比值，可以有效地反映植物對土壤中重金屬的吸收能力。一般而言計算公式如下：

富集系數(shù)F=植株中的重金屬含量/土壤中重金屬的含量

經(jīng)統(tǒng)計計算，各監(jiān)測點位的水稻籽實對不同重金屬元素的富集能力見表3。

表3 水稻籽實中的富集能力

由表3可知，研究區(qū)域內(nèi)水稻籽實Zn和Cd的平均富集系數(shù)相對較高，分別為0.39和0.36，其次為Cu，Cr和Pb。Cd的最大富集系數(shù)高達1.35，其次為 Cr，0.99；Zn，0.83；Cu，0.57 和 Pb，0.28。 通常情況下植物對土壤中重金屬的吸收大部分會沉積在地下部分，只有少量向地上部分遷移，同時重金屬更趨向于分布在生長旺盛的器官，而籽實作為營養(yǎng)儲存的器官往往只富集少量的重金屬[14-15]。然而煤-糧復合區(qū)的研究成果則出現(xiàn)了較普遍的地上部分 （包括籽實）中重金屬分布較多的現(xiàn)象[16-17]。發(fā)現(xiàn)3#，4#和9#點位中籽實富集系數(shù)較高，組合采樣點位置可以發(fā)現(xiàn)，其中3#和4#點分別位于區(qū)域內(nèi)南北和東西主干道邊，這2點位受汽車揚塵影響嚴重；9#位于粉煤灰堆場與粉煤灰制磚廠之間，同時研究團隊對當?shù)卮髿獬两抵械闹亟饘僖策M行了分析，發(fā)現(xiàn)大氣沉降中的重金屬是土壤中的3～8倍，說明這些點位中水稻重金屬的來源可能來源大氣沉降。

5 結論及建議

（1）研究區(qū)域內(nèi)除部分點位Cd超標外，其他重金屬均低于相應國標；88%的Cu和84%的Cd超出背景值且Cd，Cu的變異系數(shù)均相對較高，可能存在局部污染。

（2）水稻籽實中Pb和Cr元素污染相對嚴重，92%的Cr和52%的 Cd超標；水稻籽實中重金屬分布離散性較土壤中更大，其中Cr最離散，Cu和Zn的變異系數(shù)相對較低。

（3）研究區(qū)域內(nèi)水稻籽實中平均富集系數(shù)大小為 Zn＞Cd＞Cu＞Cr＞Pb，相對于常規(guī)由土吸收的植物，本研究中水稻籽實的富集系數(shù)明顯偏大，綜合考慮采樣點位及周邊污染源分布情況，其污染可能不僅來源于根系對土壤的吸收。這與仲維科等[18]研究的結論一致：我國農(nóng)作物重金屬污染的來源多樣，污水灌溉、工礦廢棄物不達標排放、公路兩側拋棄的垃圾和汽車尾氣、未處理的垃圾農(nóng)用等均可為農(nóng)作物重金屬污染來源。由于研究區(qū)域周邊污染源眾多，相關重金屬污染的來源解析還可以做進一步研究。