土壤-玉米重金屬富集遷移特征及秸稈還田

姜 冰, 董紅志, 高宗軍*, 劉 陽, 張海瑞, 董美川

(1.山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院, 濰坊 261021; 2.山東省地礦局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 濰坊 261021;3.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 青島 266590)

農(nóng)業(yè)的高度集約化、生產(chǎn)工業(yè)化、城市化的快速發(fā)展,都使得農(nóng)田土壤污染和土壤質(zhì)量下降問題日趨嚴(yán)峻[1],加之重金屬元素As、Cd、Cr、Hg、Pb、Zn、Cu、Ni一旦進(jìn)入食物鏈就在循環(huán)中不斷積累,人體中重金屬元素積累超過一定范圍時(shí),可能引發(fā)病變[2-6]。近年來,專家學(xué)者將目光聚焦在重金屬污染區(qū)域的污染評(píng)價(jià)及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[7-11],土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)的重金屬污染含量特征、富集特征及其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的探索[12-14]。例如,顧金峰等[15]對(duì)貴州鎖黃倉沼澤進(jìn)行了重金屬污染評(píng)價(jià)及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)Cr、Ni、Zn、As、Pb的含量均高于其背景值,主要是由人類活動(dòng)引起；鄒艷梅等[16]對(duì)黃河三角洲石油烴污染下蘆葦營養(yǎng)器官中5種重金屬的富集和遷移規(guī)律進(jìn)行了探索,認(rèn)為土壤中的石油烴含量對(duì)蘆葦根部富集Pb、Mn、Co和Ni的能力產(chǎn)生影響。

盡管已有研究成果非常豐富,但對(duì)未被污染區(qū)域土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)中重金屬的富集與遷移規(guī)律探索仍存在一定不足。探索未被污染區(qū)域中土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)中重金屬的富集與遷移,能夠更直觀地了解土壤中相應(yīng)元素的活性強(qiáng)度及作物的吸收強(qiáng)度。本文在對(duì)研究區(qū)土壤進(jìn)行地球化學(xué)評(píng)價(jià)后發(fā)現(xiàn),研究區(qū)的土壤類型簡單,土壤質(zhì)量均處于優(yōu)良狀態(tài),為探索未被污染區(qū)域土壤-玉米重金屬元素富集與遷移特征規(guī)律提供了可能。以區(qū)域內(nèi)主要糧食作物玉米及其根系土為研究對(duì)象,分析測試根系土、根、莖、葉、籽實(shí)樣品中的As、Cd、Cr、Hg、Pb、Zn、Cu、Ni 8種重金屬含量,采用統(tǒng)計(jì)法及生物系數(shù)法探索重金屬元素在玉米植株中各部位的富集和遷移規(guī)律。同時(shí)將對(duì)莖的分析,細(xì)化為下莖、中莖、上莖三個(gè)部分,以此來探索重金屬元素在垂直形態(tài)中的遷移與富集規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

南張樓村位于山東省濰坊市青州市何官鎮(zhèn)東部,春秋旱、夏澇、冬冷。平均年降水量664 mm,顯著小于年蒸發(fā)量1 535.52 mm,平均氣溫12.7 ℃,平均無霜期191.7 d,平均積溫4 331.7 ℃。研究區(qū)是典型的平原村落,地貌類型屬?zèng)_積-洪積平原,地勢平坦,覆蓋第四紀(jì)全新世黑土湖組。土壤類型西北部為潮土,面積約占21%,其他為砂姜黑土。區(qū)域內(nèi)無地表水系,地下水類型屬山前傾斜平原沖洪積層孔隙潛水、承壓水。土地利用類型以水澆地(約占73%)和農(nóng)村宅基地(約占11%)為主(圖1)。表土以呈現(xiàn)堿性為主,pH為7.13～8.31,平均8.03。主要種植農(nóng)作物為玉米、小麥、胡蘿卜,遠(yuǎn)離城區(qū)及工業(yè)園區(qū),土壤受污染程度微弱,主要污染源為化肥、農(nóng)藥、生活垃圾。

2 樣品采集與分析

2.1 樣品采集處理

玉米種植田塊為取樣單元,在玉米收獲期采集根系土、配套根、莖、葉、籽實(shí)等樣品。每個(gè)取樣單元隨機(jī)選取5～10個(gè)植株,各自混合成樣,其中莖按自下而上均分為下莖、中莖和上莖三個(gè)樣品。根系土采集于相應(yīng)玉米種植田塊內(nèi),采樣深度0～20 cm,由2～3個(gè)分樣等量組合成1件樣品。共采集32套玉米配套樣品(圖1)。

圖1 研究區(qū)土地利用類型及取樣點(diǎn)分布圖

各類樣品處理嚴(yán)格遵照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)。玉米植株各部位樣品采集后,在第一時(shí)間沖洗,除去污染,再用蒸餾水沖洗,晾干。籽實(shí)在80～90 ℃烘箱中烘30 min,然后降溫至60～70 ℃,逐盡水分,時(shí)間0.5～1 d。根、莖、葉切碎、粉碎至20～40目過篩待測。根系土樣品置于干凈整潔的室內(nèi)通風(fēng)處晾干,并適時(shí)翻動(dòng),并將大土塊用木棒敲碎,并將植物殘?bào)w、石塊等其他所有非土物質(zhì)剔除干凈；土樣壓碎全部過2 mm的尼龍孔徑篩；過篩后土壤樣品稱量后混勻,用塑料瓶盛裝,重量不少于500 g。

2.2 樣品分析測試

加工處理的樣品均由山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院實(shí)驗(yàn)測試中心分析測試。植株各部位樣品采用原子熒光光譜法測定As、Hg,電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Cd。根系土樣品采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定Cd,X射線熒光光譜法測定Cu、Pb、Zn、Ni、Cr,原子熒光光譜法測定As、Hg。各環(huán)節(jié)嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行。

2.3 數(shù)據(jù)處理

以統(tǒng)計(jì)學(xué)方法及生物系數(shù)法為基礎(chǔ),通過對(duì)研究區(qū)32套玉米配套樣品重金屬含量進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì),根系土、根、莖、葉、籽實(shí)樣品含重金屬特征如表1所示。下莖、中莖、上莖樣品含重金屬特征如表2所示。植物對(duì)重金屬元素的吸收效率可以用富集系數(shù)(bioconcentration factor, BCF)和轉(zhuǎn)移系數(shù)(translocation factor, TF)來表示。富集系數(shù)反映從土壤到植物的轉(zhuǎn)移效率,轉(zhuǎn)移系數(shù)反映從根部到地上部分的遷移效率[17-19]。

(1)

(2)

式中,Cm為玉米植株某一部位的重金屬含量, mg/kg；Cs為根系土中重金屬含量, mg/kg；Cup為玉米根部以上某一部位重金屬含量, mg/kg；Croot為玉米根部重金屬含量, mg/kg。玉米植株某一部位的富集系數(shù)用該部位樣本富集系數(shù)的平均值表示(表3),其中玉米上、中、下莖中富集系數(shù)平均值單獨(dú)列表(表4)。玉米植株某一部位的轉(zhuǎn)移系數(shù)用該部位樣本轉(zhuǎn)移系數(shù)的平均值表示(表5),其中玉米上、中、下莖中轉(zhuǎn)移系數(shù)平均值單獨(dú)列表(表6)。

表3 玉米各部位的富集系數(shù)

表4 玉米莖各部位的富集系數(shù)

表5 玉米各部位的轉(zhuǎn)移系數(shù)

表6 玉米莖各部位的轉(zhuǎn)移系數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 重金屬元素在玉米配套樣品中的含量特征

由表1和表2可知:①根系土中除Hg之外的各重金屬元素的變異系數(shù)均小于0.2,說明研究區(qū)域內(nèi)除Hg之外的各重金屬元素的分布較為均勻,重金屬元素Hg的分布比較分散,存在差異性；②在玉米根中重金屬元素Cu、Pb、Zn、Cd的變異系數(shù)均小于0.4,這一結(jié)果與其根系土的均一性一致,這說明根中的Cu、Pb、Zn、Cd的含量變化主要與土壤背景值相關(guān)；而Cr、Ni、As、Hg的變異系數(shù)均大于0.4,除了Hg所對(duì)應(yīng)的根系土差異較大之外,其他三個(gè)重金屬元素根系土的均一性良好,說明其他三個(gè)元素在玉米根中的富集受到其他因素的干擾；③玉米莖中各重金屬元素的變異系數(shù)均大于0.4,這說明重金屬元素在莖中的富集比較容易受到不同外界因素的干擾,同時(shí)下莖、中莖、下莖的變異系數(shù)也均大于0.4,說明重金屬的在莖中的差異性富集不區(qū)分位置；④玉米葉中各重金屬元素的變異系數(shù)均小于0.4,表明葉對(duì)于各個(gè)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)移能力最為穩(wěn)定；⑤玉米籽實(shí)中重金屬元素Cu、Zn、As、Hg的變異系數(shù)小于0.4,而Pb、Cr、Cd、Ni的變異系數(shù)大于0.4,其中Cr、Ni的變異系數(shù)大于1,說明玉米籽實(shí)對(duì)Cu、Zn、As、Hg的吸收較為穩(wěn)定,但對(duì)Pb、Cr、Cd、Ni尤其是Cr、Ni的吸收受到外部環(huán)境影響較大；⑥玉米植株除籽實(shí)外的各部分Hg含量的變異系數(shù)都與其根系土變異系數(shù)一致,說明玉米植株中籽實(shí)對(duì)Hg的吸收比較穩(wěn)定,不受到土壤背景環(huán)境的影響,而玉米植株的其他各部位對(duì)Hg的吸收都取決于其土壤背景環(huán)境。

表1 各元素在32套配套樣品中不同部位含量特征統(tǒng)計(jì)表

表2 各元素在32套配套樣品中不同莖位含量特征統(tǒng)計(jì)表

3.2 重金屬元素在玉米各部位中的聚集特征

植物從土壤中吸收重金屬元素,有一些元素累積在根部和莖部靠近地面一端,向上輸送的量一般不多[21-23],研究區(qū)主要為堿性土壤,而堿性土壤中的多數(shù)重金屬不易被作物吸收[24]；也有一些元素含量出現(xiàn)葉、籽實(shí)>根的分布特征,這與玉米對(duì)某種元素的吸收能力有關(guān)。

將重金屬元素在玉米不同部位平均含量百分比做成柱狀圖(圖2),將玉米中不同部位重金屬總含量做成柱狀圖并添加趨勢線(圖3)來分析判斷重金屬元素在玉米不同部位的含量差異及不同部位對(duì)重金屬元素的吸收能力。

圖2 各元素在玉米植株不同部位含量百分比柱狀圖

圖3 玉米植株不同部位重金屬總含量圖

通過圖2、圖3分析發(fā)現(xiàn):①重金屬元素主要聚集在玉米根中,這與文獻(xiàn)查閱結(jié)論一致[12,25]；②Pb、Cr、Ni、As的近地聚集表現(xiàn)更為明顯；③Zn最容易聚集在玉米植株的籽實(shí)中,其他重金屬元素在玉米籽實(shí)中的聚集較為微弱；④Cu、Zn容易被玉米植株的各個(gè)部位吸收；⑤重金屬聚集總量表現(xiàn)為根>莖>葉>籽實(shí)。

為了進(jìn)一步探索各個(gè)重金屬元素在垂向上的遷移規(guī)律,將下莖、中莖、上莖的重金屬百分含量做成柱狀圖(圖4),玉米下莖、中莖、上莖中重金屬總含量做成柱狀圖并添加趨勢線(圖5)。分析對(duì)比圖4、圖5發(fā)現(xiàn):①Pb、Cr、Ni、As在玉米莖中的分布表現(xiàn)出了明顯的近地面富集,這與文獻(xiàn)查閱結(jié)論一致；②Zn、Cd在玉米莖中的聚集則表現(xiàn)出了明顯的頂端聚集,這與傳統(tǒng)的結(jié)論相反,這種結(jié)果的相悖可能是由于參考文獻(xiàn)中的重金屬富集研究多發(fā)生于受污染區(qū)域,而本研究區(qū)土壤未受到污染,反映出了自然狀態(tài)下Zn、Cd的富集特征,這一研究結(jié)論說明土壤污染不僅影響重金屬元素在植物植株中的富集含量,還會(huì)影響其遷移效率；③Zn、Cd的頂端聚集還體現(xiàn)了其在玉米莖中具有較強(qiáng)的遷移能力；④盡管多數(shù)重金屬元素在聚集中表現(xiàn)出了明顯的近地面性質(zhì),但是由于Zn、Cd在莖中的富集含量較大,且表現(xiàn)出的頂端聚集較為突出,重金屬總含量在莖中的聚集體現(xiàn)為頂端聚集。

圖4 各元素在玉米下、中、上莖中含量百分比柱狀圖

圖5 玉米下、中、上莖中重金屬總含量圖

3.3 重金屬元素在玉米各部位的富集系數(shù)特征

各重金屬元素在玉米植株不同部位的富集系數(shù)(BCF)特征如圖6,其玉米莖不同部位的富集系數(shù)(BCF)特征如圖7。從圖中可以看出:①各重金屬元素在根中的富集系數(shù)均大于8%,說明重金屬元素由玉米根進(jìn)入玉米植株其他部位的過程中必然有一部分富集在根中；②Cr、Ni在根中的富集系數(shù)最大甚至超過了100%,說明這兩種元素從土壤中進(jìn)入玉米根之后發(fā)生聚集,同時(shí)很難再被轉(zhuǎn)移到其他位置；③Cu、Hg在葉片中的富集系數(shù)最大,Pb、As在玉米植株中的富集系數(shù)最低；④在玉米植株各部位中玉米莖的Pb、As富集系數(shù)最低,同時(shí)還表現(xiàn)出了向上富集系數(shù)降低的趨勢；⑤玉米莖中Cu、Ni的富集系數(shù)較大。

圖6 各元素在玉米中不同部位富集系數(shù)圖

圖7 各元素在玉米下、中、上莖中的富集系數(shù)圖

3.4 重金屬元素在玉米各部位的轉(zhuǎn)移系數(shù)特征

當(dāng)重金屬元素從土壤進(jìn)入植物根系后完成富集系,開始從根部向其他各個(gè)部位轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)能夠反映各重金屬元素在植物體系內(nèi)的運(yùn)移能力。各重金屬元素在玉米植株不同部位的轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)特征如圖8,其玉米莖不同部位的轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)特征如圖9。通過圖8、圖9分析發(fā)現(xiàn):①從玉米根部吸收的重金屬元素,在葉片中的轉(zhuǎn)移系數(shù)普遍偏高,尤其是Cu、Zn、Hg的轉(zhuǎn)移系數(shù)超過了150%；②重金屬元素在玉米莖中的轉(zhuǎn)移系數(shù)次之,從玉米根到玉米籽實(shí)的轉(zhuǎn)移系數(shù)較低；③除Zn外的重金屬元素在玉米下、中、上莖中的轉(zhuǎn)移系數(shù)差異不明顯,Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)表現(xiàn)出向頂增加的趨勢。

圖8 各元素在玉米中不同部位轉(zhuǎn)移系數(shù)圖

圖9 各元素在玉米下、中、上莖中的轉(zhuǎn)移系數(shù)圖

4 玉米種植與秸稈還田討論

秸稈還田可以培肥地力已得到普遍認(rèn)同[26-29],但近年來,缺點(diǎn)也不斷被放大,通常被提起的有病蟲害、微生物爭奪營養(yǎng)等,還有重要的一點(diǎn)就是重金屬的累積[30-31]。在自然狀態(tài)下,玉米植株對(duì)重金屬的富集來源于其種植土地,秸稈還田只是將重金屬歸還于土地,并不會(huì)引發(fā)重金屬疊加污染。耕地土壤中的重金屬來源一般有大氣沉降、農(nóng)藥、化肥、機(jī)械廢氣等[32-33],隨著耕作時(shí)間的推移,土壤的重金屬污染會(huì)成為必然趨勢,因此應(yīng)在考慮農(nóng)藥、化肥持續(xù)污染的同時(shí),探討秸稈還田的適宜性,秸稈還田不能一刀切。同時(shí)根據(jù)研究區(qū)域各個(gè)重金屬元素在玉米植株各部位中的富集及遷移規(guī)律,在重金屬污染區(qū)域應(yīng)開展區(qū)別化種植與還田。

(1)玉米籽實(shí)對(duì)各重金屬元素的富集與遷移能力均比較低,在重金屬污染區(qū)域可以開展適種,分析籽實(shí)中的重金屬是否符合國家標(biāo)準(zhǔn),如果符合國家標(biāo)準(zhǔn),可以繼續(xù)開展種植,但是由于玉米植株的根莖葉對(duì)重金屬的富集與遷移能力均比較強(qiáng),則重金屬污染區(qū)域不予還田。

(2)各重金屬元素均在玉米植株的根中表現(xiàn)出良好的富集與遷移能力,因此在重金屬污染區(qū)域可以開展秸稈部分還田工作,玉米植株中Cr、Ni在根中的富集系數(shù)大于100%,因此土壤重金屬污染以Cr、Ni為主時(shí),玉米根不還田莖葉可還田；Cu、Hg在葉中的富集系數(shù)大于50%,因此土壤主要表現(xiàn)為Cu、Hg污染時(shí),玉米葉不還田根莖可還田。

通過選擇性種植可以在保證食品安全的同時(shí),提高土地利用率。通過部分還田工作,能夠在減少碳排放量的同時(shí),降低土壤中的重金屬污染程度。

據(jù)中國農(nóng)科院最新研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田過程會(huì)釋放溶解性有機(jī)碳,若還田過量,會(huì)抑制土壤有機(jī)鐵氧化物復(fù)合體形成,降低其對(duì)Cr(III)的固定量。而配套樣品中,根系土與籽實(shí)中Cr相關(guān)系數(shù)為0.369(0.05水平),所以土壤中Cr的活性增強(qiáng),便會(huì)增加其通過食物鏈進(jìn)入人體的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)玉米配套樣品中各類樣品重金屬含量差異明顯,主要表現(xiàn)為根>莖>葉>籽實(shí)。重金屬元素大多累積在根部,除Cr、Ni外,大多數(shù)重金屬元素甚至出現(xiàn)葉部富集的特征。

(2)Zn、Cd更容易向上遷移,Zn更容易被玉米各部位吸收,籽實(shí)Zn富集系數(shù)也相對(duì)較高。

(3)根據(jù)重金屬在玉米植株各部位的含量特征,提出了選擇性種植與秸稈部分還田設(shè)想。