京西煤礦煤矸石堆周邊環(huán)境農(nóng)作物種植安全調(diào)查

李娜,耿雪營,康玉婷

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

京西煤礦區(qū)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(zhì)會將有害物質(zhì)溶解到水中，導致水、大氣、土壤間的循環(huán)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(qū)的樣品植株較短小，存在生長期延遲現(xiàn)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(yōu)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(qū)煤矸石堆約1 000 m種植作物的地區(qū)，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(qū)采集玉米樣品，保存于自封袋中；在非礦區(qū)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(qū)采集韭菜、菠菜樣品，分別保存于自封袋中；在非礦區(qū)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(huán)境質(zhì)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(jié)果與討論

2.1 土壤中重金屬含量

京西煤礦某煤矸石堆區(qū)土壤重金屬Pb、Cd、Cr含量見表1。

表1 采樣區(qū)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(huán)境質(zhì)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(qū)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(fā)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(jié)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(nèi)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(nèi)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(lián)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(qū)韭菜、菠菜中重金屬含量測定結(jié)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(qū)韭菜中Pb、Cd含量較低，但依然能檢測到；采樣區(qū)菠菜中的Pb、Cr、Cd含量明顯比采樣區(qū)韭菜高，但小于國家標準限量。采樣區(qū)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(nèi)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(zhì)積累，高濃度時某些營養(yǎng)物質(zhì)含量顯著降低，Cr與Pb或Cr與Cd在菠菜的生長環(huán)境中有協(xié)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(zhì)膜的透性、結(jié)構(gòu)，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(xiàn)葉片失綠等反常現(xiàn)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(nóng)作物 玉米是城鄉(xiāng)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(qū)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(nóng)作物的食品安全風險和重金屬通過食物鏈富集在人體內(nèi)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(qū)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(nèi)，對人體健康存在潛在損害[11]。尤其采樣地區(qū)是弱酸性條件，重金屬元素可能發(fā)生價態(tài)轉(zhuǎn)變，使其活性增強[15-17]。在京西煤礦區(qū)煤矸石堆周邊地區(qū)展開種植植物有很大的價值，一方面可以改善當?shù)赝寥郎衬默F(xiàn)象，深入實施綠色種植經(jīng)濟；另一方面，生態(tài)文明是中華民族發(fā)展的千年大計，黨的十九大報告也強調(diào)，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(nóng)作物的農(nóng)田中，適當種植觀賞類植物，改善土壤環(huán)境，并且減少農(nóng)作物產(chǎn)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(qū)[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(qū)生態(tài)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(fā)利用煤矸石發(fā)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(fā)現(xiàn)煤矸石經(jīng)一定燃燒程度的自燃后，根據(jù)其成分種類可開發(fā)利用成不同用途的建筑材料，如泥質(zhì)和碳質(zhì)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(xiàn)節(jié)約資源，踐行可持續(xù)發(fā)展的理念。

2.4.6 加強農(nóng)戶的種植安全意識 對當?shù)剞r(nóng)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(huán)境污染對于農(nóng)作物種植影響的宣傳力度，培養(yǎng)農(nóng)戶的安全種植意識。另外，農(nóng)戶日?；顒訙p少使用污水、農(nóng)藥、化肥等，并選擇遠離煤矸石堆的種植地。在農(nóng)產(chǎn)品結(jié)出果實后，注意采取環(huán)境污染防護措施，降低農(nóng)產(chǎn)品污染風險和避免影響農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。

3 結(jié)論

(1)京西煤礦煤矸石堆對于周邊種植的農(nóng)作物構(gòu)成一定的重金屬污染風險。京西煤礦區(qū)煤矸石堆周邊地區(qū)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(nóng)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(nóng)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(huán)境污染有明顯的改善，政府對環(huán)境的綜合治理取得了顯著的成效。

(4)為了促進該區(qū)綠色種植經(jīng)濟更加健康、可持續(xù)性發(fā)展，考慮到可耕地較少的現(xiàn)狀，以及農(nóng)作物對環(huán)境改善的重要作用，倡導種植耐旱、抗環(huán)境影響的環(huán)境農(nóng)作物作為環(huán)境污染的治理措施之一。在農(nóng)業(yè)種植品種選擇中優(yōu)先選擇吸附重金屬小的經(jīng)濟作物，以確保該地區(qū)農(nóng)作物的種植安全，提升農(nóng)作物品質(zhì)。加大當?shù)剞r(nóng)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(nóng)藥、污水等污染，通過技術的創(chuàng)新，逐步實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的零污染。