土壤—農作物系統中重金屬元素遷移轉化規律研究
——以湖北宣恩縣為例

夏 偉, 吳冬妹, 袁知洋

(湖北省地質科學研究院,湖北 武漢 430034)

最新調查顯示,中國耕地土壤環境質量處于不斷下降的趨勢[1]。前人研究結果表明,人類活動、成土過程次生富集和地質背景高是導致耕地污染或超標的關鍵因素[2]。不同區域由于元素地球化學性質、元素本底含量、土壤理化性質、地質背景等多重因素的差異化,元素在不同作物系統中的遷移特征也會顯著不同[3-8]。因此,通過研究重金屬元素在土壤—作物系統中遷移轉換規律及其控制影響,對于了解和評估調查區重金屬元素生態風險具有重要指示意義。

2015—2016年完成的湖北省“金土地”工程“湖北省宣恩縣土地質量地球化學評價(一期)”和“湖北省宣恩縣土地質量地球化學評價(二期)”項目,系統查明宣恩縣評價區土地地球化學質量現狀,結合農作物、水產品、灌溉水、大氣沉降等介質的調查,全面評價土壤生態地球化學特征和土壤質量水平,以及天然富硒優質土壤和農產品分布質量情況,提出農業種植結構調整、科學合理施肥以及土壤污染治理等相關建議,也為本次研究提供了基礎資料。

1 材料與方法

1.1 研究區地質概況

研究區位于湖北省西南部宣恩縣萬寨鄉、椒園鎮和珠山鎮一帶,地處武陵山和齊躍山的交接部位,屬云貴高原延伸部分,區內橫亙著幾條東北—西南走向的大山嶺,形成許多臺地、崗地、小型盆地、平壩、橫狀坡地和山谷、峽等地貌。地層總體呈北東向展布,地層出露較全,為一套沉積型地層,從奧陶系—三疊系均有發育,其中三疊系地層為巴東組、嘉陵江組和大冶組,巖性以砂巖、頁巖、白云巖為主,出露最廣,二疊系地層少量出露,巖性主要為炭質頁巖、灰巖和硅質巖。土壤類型則主要有黃棕壤、黃壤、石灰土、水稻土、紫色土和黃紅壤。其中分布最廣的是黃棕壤,在全區均有分布;其次是黃壤,主要分布在珠山鎮,椒園鎮的東北和萬寨鄉的北部也有少量分布;石灰土主要分布在椒園鎮,在萬寨鄉的北部有少量分布;水稻土零星分布在全區;紫色土主要分布在珠山鎮蓮壩村和椒園鎮三河溝村;黃紅壤主要分布在萬寨北部的河岸。

1.2 樣品采集與制備

根據評價區農業生產結構,農作物樣以采集茶葉、水稻、玉米和土豆樣品為主,部分采集黃金梨、白柚等地方特色農作物(圖1)。采樣時,在采樣點地塊內視不同情況采用棋盤法、梅花點法、對角線法、蛇形法等進行多點取樣,然后等量混勻組成一個混合樣品。

茶葉以0.1～0.2 hm2為采樣單元,隨機選取15～20個植株,本次共采集茶葉樣75件,對應根系土樣75組。

水稻樣品分為兩個作物生長期采集,一是作物灌漿(8月份),此期完成根、莖葉的采集,配套完成根系土采集。二是收獲期(9—10月份),采集籽實。共采集水稻籽實樣35件,配套根系土樣35組。

玉米于收獲期采集籽實,玉米籽實樣62件,配套根系土樣62組。

土豆以0.1～0.3 m2為采樣單元,在采樣單元內選取5～20個植株,采取根實。本次共采集土豆樣53件,配套根系土53組。

白柚、黃金梨于收獲期采集果實,以0.1～0.2 hm2為采樣單元,在采樣單元內選取3～5個果樹。采集了白柚樣15件、黃金梨樣20件,配套的根性土樣35組。

圖1 研究區農作物及其根系土采樣點位圖Fig.1 Sampling locations of agricultural soils and crops in research area1.土豆采樣點;2.玉米采樣點;3.水稻采樣點;4.茶葉采樣點;5.白柚采樣點;6.黃金梨采樣點。

1.3 分析方法

本次研究選擇分析方法以電感耦合等離子體原子發射光譜法和電感耦合等離子體質譜法為主,輔以其他分析方法(表1)。Pb、Cd、Cu、Zn以電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)為主,Hg、As則選用原子熒光光譜法(AFS)。依據原國土資源部《生態地球化學評價動植物樣品分析方法》(DZ/T0253.1-2014和DZ/T0253.3-2014),對生物樣品(農作物根、莖、籽實或果實)Pb、Cd、Hg、As、Cu、Zn等重金屬元素進行分析。

表1 土壤樣品及生物樣品分析方法配套方案Table 1 Matching program of soil sample and biological sample analysis method

2 數據分析及討論

2.1 不同根系土中重金屬元素含量特征

不同農作物根系土中重金屬含量統計參數見表2。Pb、Cu和Zn在不同農作物根系土中含量差異不是很明顯;Cd和Hg在不同點位農作物根系土中含量差異較大,茶葉、水稻和土豆根系土中Cd變異系數以及玉米根系土中Cd和Hg變異系數>100%。水稻根系土中Cd平均含量1.48 mg/kg,顯著高于茶葉根系土(0.51 mg/kg)、玉米根系土(0.91 mg/kg)、土豆根系土(0.76 mg/kg)、黃金梨根系土(0.56 mg/kg)和白柚根系土(0.68 mg/kg)平均含量,這可能是由于水稻根系土在淹育條件下氧化還原條件相對于其他土壤復雜所導致[9]。

與宣恩縣土壤背景值相比,研究區不同農作物根系土中Cd平均含量顯著高于宣恩縣表層土壤背景值(1.2≤KK≤3.48);Pb元素KK值在0.85～1.10之間,與宣恩縣土壤背景值接近;茶葉根系中Hg平均含量略低于宣恩縣土壤背景值(KK=0.88),其他農作物根系土中Hg平均含量均略高于背景值(1.03≤KK≤1.5);白柚根系土中As平均含量略高于宣恩縣土壤背景值(KK=1.26),其他農作物根系土中As平均含量則均低于背景值(KK≤0.97);不同農作物根系土中Cu平均含量與宣恩縣表層土壤背景值相近(1.01≤KK≤1.37);茶葉和白柚根系土中Zn平均含量略低于宣恩縣土壤背景值,其他農作物根系土中Zn平均含量均略高于背景值(KK=不同農作物根系土中重金屬元素平均含量/宣恩縣土壤背景重金屬元素對應值)。

表2 不同農作物根系土中重金屬含量Table 2 Concentration of heavy metals in the root soil of different corps

注:“宣恩縣土壤背景值”來源于湖北省地質局恩施州硒資源與生態農業地質調查2013—2015年數據。

2.2 土壤中重金屬元素生物可利用性特征

土壤中重金屬元素的遷移、轉化及其生態效應和環境的影響程度,除了與土壤中重金屬的含量有關外,還與重金屬元素在土壤中賦存的形態有很大關系,土壤重金屬形態是指重金屬元素在環境中以某種離子或分子存在的實際形式,土壤中重金屬存在的形態不同,其活性、生態效應及遷移特征也不同。化學分析分餾過程提供了重金屬元素的起源、發生及生物可利用性的信息。水溶態(F1)、離子交換態(F2)為可交換態(F1+F2,生物可直接利用);可交換態(F1+F2)和碳酸鹽結合態(F3)又可劃分為弱結合態(后者水解可釋放出金屬離子);腐殖酸結合態(F4)和鐵錳氧化物結合態(F5)劃分為中等強度結合態(在一定條件下,可分解釋放出金屬離子),將很難釋放出重金屬離子產生環境問題的強有機結合態(F6)與殘渣態(F7)劃分為強結合態。上述弱、中、強結合態分別界定為生物易利用態、中等利用態和惰性態。

結合表3和圖2可以看出,評價區土壤中Pb、Hg、As、Cu和Zn等重金屬元素主要為強有機結合態(F6)與殘渣態(F7),很難以離子形態釋放出來,而Cd在土壤中的賦存形態主要為水溶態(F1)和離子交換態(F2),占比高達35.59%,很容易被生物吸收利用。

2.3 土壤—農作物系統安全性評價

2.3.1 土壤重金屬污染評價

不同農作物根系土樣品評價標準采用環境保護部和國家質量監督檢驗檢疫總局發布制定的《土壤環境質量標準(GB15618—2008)》作為評價標準,根據不同土地利用狀況和pH值對土壤進行綜合評價(表4),結果表明:研究區不同農作物根系土樣品Cd的超標率達40%～95%;茶葉、水稻和玉米Hg、Cu少量超標;水稻和黃金梨Zn少量超標;未檢出Pb、As超標。另外采用內梅羅綜合污染指數法[10](Nemero)進行重金屬污染指數分級,發現茶葉地Pb、Hg、Cu污染等級為輕污染,水稻田Zn、玉米地Hg和土豆Cu污染等級為輕污染,不同農作物根系土樣品Cd污染等級均為重污染,污染程度水稻田>土豆地>茶葉地>玉米地>果園,水稻田土壤Cd最大值達15.2 mg/kg,均值也達到了1.48 mg/kg,遠高于國家土壤環境質量二級評價標準(GB15618—2008)。結合表2中宣恩縣土壤背景值綜合來看,研究區農作物根系土都受到重金屬不同程度的污染,Cd元素的超標跟宣恩縣土壤Cd高背景有很大關系。

2.3.2 農作物可食部分重金屬污染評價

參照《茶葉中鉻鎘汞砷及氟化物限量》(NY659—2003)和《食品中污染物限量》(GB2762—2012),對采集農作物樣本進行統計(表5),共發現2件水稻樣品和2件土豆樣品重金屬超標,結合前面土壤重金屬元素污染評價分析,農作物重金屬污染一方面與土壤污染程度有關,另一方面與生物可利用性相關。

2.4 土壤—農作物系統中重金屬轉移規律

為了衡量農作物從土壤中吸收富集重金屬元素能力,定義生物富集系數(BCF)=C農作物/C根系土,C農作物表示元素在農作物中的含量(mg/kg),C根系土表示元素在農作物對應根系土中的含量(mg/kg),富集系數越大,其對土壤中重金屬的富集能力就越強[11-12]。如果富集系數>1,說明該作物對某種重金屬具有超富集能力[13]。

表3 土壤重金屬形態特征參數值統計Table 3 Statistical table of heavy metal morphological parameters in soils

注:Hg、Pb、Cd、As、Cu、Zn單位為mg/kg。

圖2 研究區土壤重金屬元素各形態組成占比圖Fig.2 Percent of heavy metals in each fraction of the soils in research area

表4 土壤重金屬元素污染評價Table 4 Evaluation of heavy metal pollution in soils

根系土PbCdHgAsCuZn%茶葉超標率0.0065.332.670.008.000.00PN1.9618.81.020.501.290.70水稻超標率0.0065.712.860.002.865.71PN0.4435.90.930.680.861.04玉米超標率0.0069.351.610.003.220.00PN0.6311.321.070.620.950.68土豆超標率0.0049.060.000.005.660.00PN0.7422.390.690.671.170.75黃金梨超標率0.0095.000.000.0010.0010.00PN0.492.850.680.640.220.53白柚超標率0.0040.006.670.000.000.00PN0.416.980.470.850.230.75

注:“PN”為內梅羅污染指數。

表5 研究區農作物中重金屬超標統計結果表Table 5 Statistical results table of heavy metal exceeding standard incrops in research area

表6為評價區不同農作物中重金屬元素的生物富集系數,圖3為茶葉和水稻根、莖、葉不同部位金屬元素富集程度對比?？梢员容^直觀地看出,Cd在茶葉根部富集程度較高,Pb、Cd、Hg、As在茶葉根、莖、葉部位富集程度依次遞減,Zn在茶葉根、莖、葉部位富集程度則依次遞增;除Cu之外,Pb、Cd、Hg、As和Zn在水稻根、莖、葉部位富集程度依次遞減,As在水稻根部異常富集;Cd在玉米莖部富集程度異常高;Cu和Zn在黃金梨和白柚中的富集程度明顯要高于其他重金屬元素。

Pb、Cd和Hg在茶葉和水稻根、莖、葉部位富集程度依次遞減,反映出這幾種元素主要經根部吸收,然后向植物上部運輸的路徑,且在根部富集程度最高,莖部次之,葉部最低;Cu和Zn在茶葉葉部的富集程度要明顯高于根部和莖部,主要是由于葉部既接收了根部和莖部向上運輸的重金屬元素,也吸收了大氣中的含Cu、Zn的粉塵[14-15]。

從表6中可看出,除玉米莖部特別富集Cd和水稻根部特別富集As外,所收集的農作物可食部分從根系土中轉移Pb、Cd、Hg、As、Cu和Zn等6種重金屬元素的能力很弱。

表6 不同土壤—農作物系統中重金屬元素生物富集系數Table 6 Bio-accumulation coefficient of heavy metals in different soil-crop systems

3 結論

(1) 農作物根系土中Cd平均含量顯著高于宣恩縣土壤背景值;Pb、Cu平均含量與宣恩縣土壤背景值接近;茶葉根系土中Hg平均含量略低于宣恩縣土壤背景值,其他作物根系土中Hg平均含量均略高于背景值;白柚根系土中As平均含量略高于宣恩縣土壤背景值,其他作物根系土中As平均含量均略低于背景值,茶葉和白柚根系土中Zn平均含量略低于宣恩縣土壤背景值，其他農作物根系土中Zn平均含量均略高于背景值;農作物土壤中Cd元素高超標現象與宣恩縣土壤Cd高背景存在一定的聯系。

(2) 評價區土壤中Pb、Hg、As、Cu和Zn等重金屬元素主要為強有機結合態與殘渣態,很難以離子形態釋放出來,而Cd在土壤中的賦存形態主要為水溶態和離子交換態,占比高達35.59%,很容易被生物吸收利用。

(3) 評價區農作物根系土都遭受重金屬不同程度的污染,農作物重金屬污染一方面與土壤Cd高背景有關,另一方面與生物可利用性相關。

(4) 除玉米莖部特別富集Cd和水稻根部特別富集As外,所收集的農作物可食部分從根系土中轉移Pb、Cd、Hg、As、Cu和Zn等6種重金屬元素的能力很弱。

圖3 茶葉和水稻不同部位元素富集程度對比圖Fig.3 Comparison of heavy metals in different parts of tea and rice