京西煤礦煤矸石堆周邊環境農作物種植安全調查

李娜,耿雪營,康玉婷

(1.北京聯合大學 應用文理學院，北京 100191；2.首都醫科大學 基礎醫學院，北京 100069)

京西煤礦區存在大量煤矸石堆,導致土壤污染與沙漠化[1]。同時，二氧化硫等酸性物質會將有害物質溶解到水中，導致水、大氣、土壤間的循環污染[2]。目前，通過在污染土壤上充墊正常土壤，提高了作物存活率,但煤矸石堆周邊地區的樣品植株較短小，存在生長期延遲現象，菠菜尤為顯著。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

土壤、玉米、韭菜、菠菜等均取自京西某煤礦煤矸石堆周邊地；Pb、Cd、Cr等均為國標標準溶液；HNO3、HClO4、HF、HCl均為優級純；實驗用水均為去離子水。

TL2010S中通量組織研磨儀；TAS-990FG原子吸收分光光度計;AL104-IC電子天平等。

1.2 樣品采集

1.2.1 土壤的采集與處理 在距京西煤礦區煤矸石堆約1 000 m種植作物的地區，采集了距地表20 cm 處約500 g的土壤樣品，自然干燥，剔除石塊、樹根和其它雜物，在研缽中充分研磨成細粉，使用100目尼龍篩篩除較大顆粒物，取約100 g土樣保存于自封袋中。

1.2.2 玉米的采集和處理 在京西煤礦某煤矸石堆周邊約1 000 m的地區采集玉米樣品，保存于自封袋中；在非礦區采集玉米作為對照組，保存于自封袋中。將采集的玉米脫粒，用去離子水沖洗玉米粒表面的土壤及灰塵等雜物，反復沖洗3遍后自然晾干，稱取200 g樣品放置于60 ℃烘箱中烘5 h至恒重，用粉碎機粉碎，過20目篩。

1.2.3 韭菜、菠菜的采集和處理 在京西煤礦某煤矸石堆周邊約1 000 m的地區采集韭菜、菠菜樣品，分別保存于自封袋中；在非礦區采集韭菜、菠菜作為對照組，保存于自封袋中。將采集的作物用去離子水洗凈、晾干，打成勻漿。每份樣品分別灰化、酸解，稀釋定容。

1.3 分析方法

1.3.1 土壤重金屬檢測 用萃取-火焰原子吸收法，以GB/T 17140—1997為標準檢測鉛和鎘，方法來源于GB 15618—2008《土壤環境質量標準》；用火焰原子吸收分光光度法檢測鉻，以HJ 491—2009為標準，方法來源于GB 15618—1995[3]。

1.3.2 玉米、韭菜、菠菜重金屬檢測 用石墨爐原子吸收光譜法GB/T 5009.12—2017檢測鉛[4]；用石墨爐原子吸收光譜法GB/T 5009.15—2014檢測鎘[5]；用石墨爐原子吸收光譜法GB/T 5009.123—2014檢測鉻[6]。方法均來源于《食品中污染物限量》GB 2726—2017。

2 結果與討論

2.1 土壤中重金屬含量

京西煤礦某煤矸石堆區土壤重金屬Pb、Cd、Cr含量見表1。

表1 采樣區土壤重金屬含量Table 1 Heavy metals content in the soil

由表1可知，京西煤礦某煤矸石堆采集的土樣鉛含量超出國家土壤二級標準值，按GB 15618—2008 《土壤環境質量標準》中的解釋，具有污染危害的可能性[3]。

2.2 玉米中重金屬含量

礦區玉米重金屬含量見表2。

表2 玉米重金屬含量Table 2 Heavy metals content in the corn

由表2可知，對照組玉米未檢測到3種重金屬中的任意一種；在玉米樣品中Pb的富集很少，Cr、Cd均檢出，Cr的檢出量相對較高，但均符合國家食品污染物限量標準。

采樣地土壤中Pb含量較高。有研究指出，Pb較大比例沉積于細胞壁，玉米是須根系植物，地上部分的生物量遠大于地下部分，地上部分組織發達，厚壁細胞多，極可能造成地上部分重金屬含量高[7]，但是檢測結果并非如此，玉米樣品中的Pb含量極少未達到檢出限，可能是土壤Pb含量與玉米Pb含量不具有正相關關系，導致吸收進植株內的Pb含量很少。另外，也有可能是玉米周邊存在富集Pb能力較強的植物，造成玉米內Pb含量低。

徐峰等證實[8]玉米莖鎘含量與土壤鎘含量呈顯著的正相關關系。本實驗玉米果實中Cd檢出量也較低，莖與果實關聯緊密，推測對于玉米來說的土壤有效鎘含量不高。Cr通過影響玉米幼苗細胞保護酶活性阻礙其生長，隨著高濃度Cr3+的脅迫增加下，玉米幼苗的Cr3+吸收量也相應會增加[9]，長期高濃度Cr3+脅迫導致玉米植株矮小。

2.3 韭菜、菠菜中重金屬含量

礦區韭菜、菠菜中重金屬含量測定結果見表3。

表3 韭菜、菠菜的重金屬含量Table 3 Heavy metals amount of spinach and leek

由表3可知，對照組韭菜和菠菜都未檢出重金屬；采樣區韭菜中Pb、Cd含量較低，但依然能檢測到；采樣區菠菜中的Pb、Cr、Cd含量明顯比采樣區韭菜高，但小于國家標準限量。采樣區韭菜中Cr的含量極低，說明沒有受到Cr的污染，Pb、Cd污染也很小，相對韭菜，菠菜受到的污染較大。

葉菜類蔬菜對重金屬的富集能力較強，葉片會從空氣中吸收污染物，蔬菜中50%的Pb都是通過葉片進入植物體[10]。同為葉菜類，因為菠菜葉面積寬大，韭菜葉片窄細，菠菜對于重金屬Pb的吸收就會比韭菜多。植株體內的Pb主要來源于大氣，Cd主要來源于土壤[11]，故蔬菜的扎根深度、葉片大小等造成了不同蔬菜對同種重金屬的吸收情況不同，同一蔬菜對不同重金屬的吸收也不同。Cr3+在低濃度下會促進菠菜的干物質積累，高濃度時某些營養物質含量顯著降低，Cr與Pb或Cr與Cd在菠菜的生長環境中有協同作用，形成復合污染[12]。

重金屬長期侵害植物，會影響到細胞質膜的透性、結構，抑制葉綠體和線粒體功能，降低光合作用和呼吸作用，損害碳水化合物代謝等[13]，進而植株出現葉片失綠等反常現象。菠菜作為大葉綠葉蔬菜，光合作用和呼吸作用都被抑制也就直接導致生長期延遲，植株個頭矮小。有盆栽試驗指出，施硒可以有效地抑制菠菜根部對Cd的吸收，降低根部和地上部的Cd含量[14]。

2.4 分析及建議

2.4.1 種植吸附重金屬能力弱的農作物 玉米是城鄉居民必不可少的谷類食物，也是重要飼料加工來源，是北方容易種植的耐旱作物。由上可知，玉米對重金屬的吸附能力相對較弱，建議該區種植玉米。因為玉米根莖高，人們主要食用的是玉米顆粒，煤矸石堆對于高莖作物果實的影響較小，可降低農作物的食品安全風險和重金屬通過食物鏈富集在人體內對健康造成的影響。

2.4.2 減少種植易吸附重金屬的蔬菜物種 韭菜和菠菜作為低莖葉菜類，相比高莖谷類玉米對重金屬的富集量多。韭菜、菠菜作為必備常食蔬菜，攝入量大，采樣區菠菜的檢測值雖然符合國家標準，但所含重金屬量相對較大，長期低水平攝入，進而富集在體內，對人體健康存在潛在損害[11]。尤其采樣地區是弱酸性條件，重金屬元素可能發生價態轉變，使其活性增強[15-17]。在京西煤礦區煤矸石堆周邊地區展開種植植物有很大的價值，一方面可以改善當地土壤沙漠化的現象，深入實施綠色種植經濟；另一方面，生態文明是中華民族發展的千年大計，黨的十九大報告也強調，必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念。

2.4.3 穿插種植 在種植農作物的農田中，適當種植觀賞類植物，改善土壤環境，并且減少農作物產品中的重金屬富集量。菊科植物對重金屬的富集能力較強，常被作為植物修復資源，廣泛種植于重金屬污染地區[18]。

2.4.4 引進土壤動物、微生物 引進土壤動物[19]、微生物對改善該區生態有很重要的作用。曾遠等表示[20]，部分特異性微生物與重金屬離子存在作用機制，可利用其吸附重金屬等特性達到修復污染土壤及水體的目的，如蠟樣芽孢桿菌對金敏感。

2.4.5 盡量減少煤矸石堆的總量 開發利用煤矸石發電、制磚、制造水泥，以減少煤矸石堆的總量。煤矸石堆作為“源頭”問題，如今也有很多變廢為寶的舉措。近年來發現煤矸石經一定燃燒程度的自燃后，根據其成分種類可開發利用成不同用途的建筑材料，如泥質和碳質頁巖煤矸石作為墻體材料比黏土磚的耐壓、抗折、耐酸腐蝕性能好；作為摻和料代替水泥適量摻入，能改善水泥等基建筑材料的性能[21]。煤矸石廢棄物的利用不僅能從根源上減輕土壤作物的重金屬污染，還能減少占地面積，實現節約資源，踐行可持續發展的理念。

2.4.6 加強農戶的種植安全意識 對當地農戶普及煤矸石堆對周邊種植作物重金屬污染的安全知識，加強環境污染對于農作物種植影響的宣傳力度，培養農戶的安全種植意識。另外，農戶日常活動減少使用污水、農藥、化肥等，并選擇遠離煤矸石堆的種植地。在農產品結出果實后，注意采取環境污染防護措施，降低農產品污染風險和避免影響農產品的品質。

3 結論

(1)京西煤礦煤矸石堆對于周邊種植的農作物構成一定的重金屬污染風險。京西煤礦區煤矸石堆周邊地區土壤的Pb含量較高；谷類作物玉米中檢測到Cr和Cd，但符合食品污染物限量標準；葉菜作物韭菜中含少量Pb和Cd，菠菜中測得一定量的Pb、Cr和Cd，均小于葉菜蔬菜污染物限量標準[22]。

(2)煤矸石堆對農作物的重金屬污染影響存在差異。從檢測的幾種作物來看，玉米受到的影響最低，菠菜、韭菜等重金屬含量相對較高，葉菜作物比谷類作物更易富集重金屬，葉菜中菠菜對重金屬的富集力最強。

(3)總體上，京西煤礦煤矸石堆污染對于農作物的重金屬污染影響，符合國家食用安全標準限量范圍。說明這里的環境污染有明顯的改善，政府對環境的綜合治理取得了顯著的成效。

(4)為了促進該區綠色種植經濟更加健康、可持續性發展，考慮到可耕地較少的現狀，以及農作物對環境改善的重要作用，倡導種植耐旱、抗環境影響的環境農作物作為環境污染的治理措施之一。在農業種植品種選擇中優先選擇吸附重金屬小的經濟作物，以確保該地區農作物的種植安全，提升農作物品質。加大當地農作物種植中育苗、施肥、灌溉等種植安全管理，在種植過程中，注意減少化肥、農藥、污水等污染，通過技術的創新，逐步實現農產品的零污染。