滕州礦區土壤與玉米籽粒重金屬富集特征

劉書江 王敏 高宗軍 秦鵬一 代杰瑞

摘要 [目的]研究土壤重金屬對玉米籽粒中重金屬含量的影響，為提高玉產質量提供理論依據。[方法]對滕州礦區農田根系土壤及表層土壤和玉米籽粒中5種重金屬含量進行分析。[結果]5種重金屬含量均低于各自對應的國家標準限值；玉米對Hg的吸收富集能力最強，對As和Pb的吸收富集能力最弱；玉米籽粒與根系土壤間As的相關系數最大，是由于籽粒中As含量隨土壤中As含量的增加而增加，其他重金屬間的相關性相對較弱；土壤中Cd對植株的影響能力最強，Hg和Pb僅具有一定的潛在影響能力，As和Ni的影響能力相對較弱。[結論]有效控制土壤重金屬的輸入量、pH和增加有機質含量等，對降低有效態重金屬含量具有重要作用。

關鍵詞 重金屬；玉米籽粒；根系土壤；滕州礦區

中圖分類號 X53 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）17-0137-04

Abstract [Objective] To analyze the effects of soil heavy metals on the content of heavy metals in maize， and provide the theoretical basis for improving the quality and yield of maize.[Method] The content of five heavy metals in soil， topsoil and maize kernels in farmland of Tengzhou mining area were statistically analyzed. [Result]Five kinds of heavy metal content was lower than the corresponding national standards limit；Maize showed the strongest absorption of Hg， the weakest absorption and accumulation ability of As and Pb；The highest correlation coefficient of As between maize grain and root soil was due to the increase of As content in grain with the increase of As content in soil result and relatively weak with several other indicators；The heavy metal morphological data showed that Cd had the strongest effect on plants， Hg and Pb had only a certain potential influence， As and Ni had weaker influence. [Conclusion]The effective control of soil heavy metal input， pH and the content increase of organic matter play an important role in reducing the content of available heavy metals.

Key words Heavy metals；Corn grain；Root soil；Tengzhou mining area

隨著社會的高速發展，一部分的經濟增長是建立在犧牲環境的基礎上，不合理、不科學、不可持續的發展模式對環境施加巨大的壓力。工礦業的“三廢”、化肥、農藥不合理施用，使污染物質直接進入表生環境，對環境造成惡劣的影響[1-2]。重金屬是土壤中較典型的污染物質，在食物鏈中參與演化，對植物及人類健康造成威脅[3-5]。研究滕州礦區表層土壤與玉米中重金屬的積累特征，對有效防治重金屬對植株的危害以及降低食物鏈中重金屬含量具有重要意義。

筆者對滕州礦區表層土壤不同形態重金屬、玉米籽粒和根系土壤中重金屬含量進行研究，分析土壤中重金屬對玉米籽粒中重金屬含量的影響，旨在為提高玉米產質量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在玉米成熟收獲的季節，選用玉米籽粒作為生物樣品。采集生物樣品23件及相同數量的根系土壤樣品，采集603件表層土壤樣品，對其中10件表層土壤樣品中重金屬形態進行檢測，采樣點間距為200 m，采樣深度在0～20 cm。對玉米植株的選取，盡量保持樣品均勻，避開遭受病蟲害或機械損傷以及田邊路旁的植株。玉米籽粒樣品在脫粒后混勻鋪平，用方格法和4分法縮分，取得樣品約250 g。玉米籽粒用布袋盛裝。土壤樣品采集過程中盡量使用木鏟，避免外界工具對土壤樣品重金屬含量的影響。采樣點布置在土層較厚地帶，避開明顯點狀污染源區、田埂，避開施肥期等。樣品除去非土壤的其他可視雜質，如樹葉、礫石等，采樣量不少于1 kg。采集的土壤樣品轉入干凈布袋，包裝袋外層套聚乙烯塑料袋，防止樣品受到外界的污染。采樣點分布見圖1。

1.2 樣品測試與分析

測試土壤中5種重金屬指標，包括Hg、Cd、As、Pb和Ni。采用電感耦合等離子體質譜儀測定樣品中Cd、Pb、Ni含量，檢出限小于0.01 μg/kg；采用X熒光光譜儀（XRF-1800）測定As、Hg 含量。樣品測試工作由國土資源部武漢礦產資源監督檢測中心完成。

1.3 數據分析

測試的樣品數據采用SPSS23及EXCEL2010進行分析。

2 結果與分析

2.1 根系及表層土壤和玉米籽粒重金屬含量

滕州礦區樣品重金屬含量見表1。由表1可知，在研究區表層土壤及根系土壤中，重金屬含量由高到低依次為Ni、Pb、As、Cd、Hg。與國家土壤2級環境質量標準（GB 15618—2008修訂版，6.5Pb>As>Cd>Hg，玉米籽粒中此種變化趨勢與土壤中重金屬含量有直接關系。

2.2 表層土壤不同形態重金屬含量

在表生環境中，重金屬、土壤和植物之間存在密切的聯系，但能被植株吸收的重金屬僅是土壤中的一部分。充分了解土壤中有效態重金屬含量對研究玉米籽粒中重金屬含量有重要作用，同時能夠指示玉米籽粒受重金屬污染的風險[7]。土壤中不同形態的重金屬會隨環境條件的改變而改變，可能在一定條件下會促進土壤中有效態重金屬含量的增加，提高植株受重金屬污染的風險。

研究區表層土壤5種重金屬形態包括水溶態、離子交換態、碳酸鹽結合態、腐殖酸結合態、鐵錳結合態、強有機結合態和殘渣態7種類型，其中水溶態和離子交換態可被植物直接利用，碳酸鹽結合態可視為弱結合態，在一定條件下能夠水解并釋放出重金屬，腐殖酸結合態和鐵錳結合態可視為中等強度的結合態，在一定條件下可以釋放出重金屬，強有機結合態和殘渣態可視為強結合態，這2種形態的重金屬相對較難釋放出重金屬[8-9]。

由表2可知，滕州礦區表層土壤重金屬不同形態含量及比例有較大差別，從易利用態可以看出，Cd所占比例最大，占總量的40.20%，是其他指標的4～18倍，其中離子交換態占29.80%，占有相當大的份額。從中等利用態看，Hg、Pb和Cd所占比例較大，其中Pb的鐵錳結合態占27.36%，占有相當大的比例。從惰性態看，Cd所占比例最少，Pb、Ni、As和Hg含量是Cd的1.66～2.00倍，但這4項指標的含量相差不大。綜合分析土壤重金屬形態數據可以看出，土壤中Cd對植株的影響能力最強，Hg和Pb具有一定的潛在影響能力，尤其是Pb的鐵錳結合態，從易利用態、中等利用態和惰性態比例可以看出，As和Ni的影響能力相對較弱。

2.3 玉米籽粒對不同重金屬的吸收程度

用玉米籽粒中不同重金屬含量與根系土壤中相對應重金屬含量的比值作為評價玉米籽粒對不同重金屬的吸收能力[10]。5種重金屬的比值系數為Hg 0.077、Cd 0.066、As 0.004、Pb 0.004、Ni 0.008，表明這5種重金屬在籽粒中的遷移強度表現為Hg>Cd>Ni>As=Pb。可見在玉米籽粒及土壤中Hg含量最低，但玉米對Hg的吸收程度最強，可能與該指標的形態有直接或間接的聯系；對As和Pb 2種重金屬的吸收富集能力最弱，可能是這2種重金屬在植株中的遷移吸收規律以及籽粒中不同重金屬間相互影響而造成的。從Cd富集系數看，玉米籽粒對Cd的較強富集性與該指標易利用態含量有密切聯系。研究表明，玉米植株對Pb的吸收存在較大的分異特征，植株根系對Pb的吸收能力最強，是籽粒的100～1 000倍，由此可知，Pb在玉米植株中遷移時，植株根系吸收了大部分，同時玉米秸稈對Pb的吸收強度是籽粒的20倍左右，從而造成籽粒對Pb的富集系數較小[11]。

2.4 根系土壤和玉米籽粒中不同重金屬間相關性分析

對研究區根系土壤及玉米籽粒中5種重金屬含量進行相關性分析，結果見表3。從表3可以看出，土壤和玉米重金屬間相關性有明顯差異，根系土壤中重金屬間整體上為正相關，其中As與Cd、Ni存在顯著正相關關系。在玉米籽粒中，重金屬間整體上處于無相關—負相關，重金屬間的相關關系更為復雜，其中Hg和Pb的相關系數為0.620，顯著相關，Ni和Pb的相關系數為0.215，但相關性不顯著，表明這3種重金屬在積累演化上有相互促進的作用，其他重金屬間無或負作用[12]。重金屬在玉米籽粒和土壤中的演化存在明顯差別，可能是重金屬在玉米籽粒中的富集積累受到多種因素的影響。

2.5 根系土壤和玉米籽粒中相應重金屬間相關性分析

以玉米籽粒及根系土壤中重金屬含量為基礎，采用SPSS軟件分別對兩者間對應重金屬含量進行相關性分析，結果表明，玉米籽粒中重金屬與根系土壤中相應重金屬的相關系數分別為Hg（-0.253）、Pb（0.086）、Ni（-0.274）、As（0.490）、Cd（0.050）。由此可知，As有較明顯相關性，Hg和Ni也有一定的相關性，但Pb和Cd幾乎不存在相關性。根系土壤中Hg和Ni存在負相關關系，表明元素存在競爭關系[13]。土壤和玉米籽粒之間As存在一定的正相關關系，表明籽粒中As含量受根系土的影響相對較強，研究表明，土壤中As含量與玉米籽粒中As含量存在正相關關系[4]，因此在一定程度上，籽粒中As含量隨土壤中As含量的增加而增加，從而造成土壤與籽粒間As相關性較強。Pb和Cd的相關性弱，表明該2種重金屬在演化過程中無明顯的相互作用，或者是受其他指標的影響，造成該2種重金屬未在籽粒中富集積累。

總體上玉米籽粒與土壤中重金屬間的相關性不強，這與前人研究結果有一定差異，這可能與土壤中重金屬形態、土壤理化性質、不同區域受不同外界條件的影響以及不同重金屬間的相互作用等因素有直接或間接關系[13]。因此在一定程度上不能簡單地通過土壤中重金屬含量來推斷玉米籽粒中相應重金屬的含量以及變化情況，對于土壤中重金屬在籽粒中的演化特征有待進一步研究。

3 結論與討論

（1）研究表明，玉米對重金屬的吸收量與土壤中相應重金屬含量呈正相關關系[14]；雖然玉米籽粒對As含量的吸收富集能力以及As對籽粒的毒害性最弱，但不可忽視土壤As含量與籽粒中As含量有正相關關系，因此應嚴格控制土壤As的輸入量和形態的變化；土壤中Cd形態對植株的影響最強，應有效調控Cd形態的轉化。土壤中Cd總量增加會迅速促進活動態Cd的含量，有效控制流入表層土壤中Cd的總量是降低Cd對植物毒害的有效手段之一[8]；控制土壤pH對調節碳酸鹽結合態和離子交換態有重要作用，一般情況下，土壤pH與交換態重金屬之間存在負相關關系。有效控制土壤重金屬對植株的影響，應合理調控土壤外源重金屬的輸入量、土壤pH[15-16]、有機質含量[17-18]、氧化還原電位等因素，使易吸收態的重金屬更多地向惰性態重金屬的形式轉化，從而降低有效態重金屬對植株的污染風險。

（2）研究區表層土壤、根系土壤以及玉米籽粒中重金屬含量均表現為Ni>Pb>As>Cd>Hg，與國家土壤環境2級標準及國家糧食谷物標準對比，其含量均低于國家各自標準限值，均呈現良好的態勢。

對土壤重金屬形態分析可知，土壤中Cd對植株的影響能力最強，Hg和Pb具有一定的潛在影響能力，As和Ni的影響能力最弱。玉米籽粒對Hg的吸收程度最強，As和Pb最弱。玉米籽粒與根系土壤間As的相關性最強，表明土壤中As對玉米籽粒中As有較強的影響。Hg和Ni也有一定的相關性。

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