矿业生产影响区水稻田系统砷、铅、镉的污染特征及风险评价
——以西江流域大环江下游为例

2018-09-10 07:00贺,
江苏农业科学 2018年15期
关键词:籽实灌溉水耕层

杨 贺, 刘 杰

(桂林理工大学,广西桂林 541004)

农田土壤重金属污染,尤其是在矿业生产密集区污染一直是环境科学与工程专关注的重点问题[1]。矿业生产区重金属污染严重、污染源去除困难,而我国耕地资源紧缺,短期作为农用难以避免。因此,研究重金属污染区域土壤-农田系统重金属的来源特征与对可食用部分重金属进行风险评价,从源头上控制并解决水稻田重金属污染问题,对实施重金属污染治理具有重要意义。西江流域是一条贯穿云南、贵州、广西、广东、澳门5省(区)的资源密集型“金腰带”,由于上游矿业生产活动密集,沿岸土壤及农作物均不同程度受到重金属的污染[2]。本试验以西江流域广西环江县福龙村水稻田生态系统为研究对象,研究土壤-水稻籽实中砷、铅、镉3种优先控制污染物含量和来源,作出风险评价,以期为污染农田修复和当地水稻安全种植提供科学依据。

1 材料与方法

研究区域(图1)位于西江流域环江毛南族自治县大环江沿岸,在大环江上游分布着北山铅锌矿区、雅脉钢铁厂、都川铅锌矿区、驯乐铅锌矿区等有色金属矿区,矿业生产企业有近百家,这对该地区水稻田系统造成了巨大的生态压力[3]。

1.1 取样方法和时间

1.1.1 大气干湿沉降 在试验田南北两侧离地5 m高处各安放2个采样缸(有机玻璃材质,内径15 cm,高30 cm)。样品处理方法参考文献[4]。取样时间从2015年4月10日采样缸放置开始至2016年7月10日为止,每月取样1次。

1.1.2 灌溉水 于每年3月底水稻插秧前进行取样,灌溉水来源于水稻田所处地下游,依靠潜水泵进行输出。因为水深小于5 m,故将采样位置设在水面下0.5 m水深处。

1.1.3 水稻 于水稻成熟季节7月底和11月初,分别采集整株水稻。根据稻田形状,采用梅花布点法取样,共取5株水稻样品。按照根、茎、叶、水稻籽实4个部分分开,经清洗、杀青、烘干、粉碎后进行分析检测。

1.1.4 化肥 在施肥过程中,随机取1 kg化肥样品,按照四分法浓缩至0.2 kg后保存分析检测。取样时间为2015年5、9月和2016年4月。

1.1.5 土壤 根据稻田形状,采用梅花布点法取样,在稻田内按照不同深度共取10个土壤样品,其中0~60 mm为耕层土壤,60~80 mm为背景土壤,同时在水稻田周边采集5个土壤样品,设为对照。取样时间为2015年8月。

1.2 样品分析

Pb、Cd、As含量的测定采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)。铅同位素含量的测定采用DZ/T 0184.12—1997《岩石、矿物中微量铅的同位素组成的测定》,以ISOPROBE-T热表面电离质谱仪检测样品的铅同位素组成。

1.3 数据分析

1.3.1 大气沉降重金属年输入量

D=A(CsV+CiM)/S。

(1)

式中:D表示年沉降通量;S表示接尘面积(0.035 4 m2);A表示试验地块面积(241.78 m2);C湿表示湿沉降中重金属的含量,V表示湿沉降总体积;C干表示干沉降中重金属的含量,M表示干沉降总质量。

1.3.2 灌溉水重金属年通量

I=C1V1-C2V2。

(2)

式中:C1表示灌溉进水中重金属的浓度;C2表示灌溉排水中重金属的浓度;V1表示灌溉进水的体积,为75 m3;V2表示灌溉出水的体积,无出水。

1.3.3 化肥重金属年输入量

(3)

式中:F表示重金属的年输入通量;Ck表示化肥k中的重金属含量;Mk表示化肥k的年施用量;k包括尿素、磷肥、复合肥、农家肥、农药等。

1.3.4 水稻重金属输出量

OP=CPYP。

(4)

式中:CP表示稻谷中的重金属含量;YP表示稻谷的产量。

1.3.5 水稻田重金属净累积量 根据前面几项的计算,则水稻田重金属每年的净输入量N:

N=D+I+F-OP。

(5)

1.3.6 超标年限预测 污染超标年限T预测(匀速累积模型):

T=H/N。

(6)

土壤重金属环境容量H:

H=ρ×V×(C0-Ct)×10-3。

(7)

式中:ρ表示土壤密度,以2.25 g/cm3计算;V表示土地体积,cm3,测量值;C0表示土壤重金属i的允许限值;Ct表示土壤重金属i的现存含量,测量值;参照土壤环境质量二级标准,As、Cd、Pb含量的允许值分别为30、0.3、250 mg/kg。

1.4 铅同位素污染源解析模型

如果主要污染源和样品的铅的同位素特征已知,则可建立铅源解析多元混合模型[5-6],即:

(8)

(9)

(10)

f1+f2+f3+f4=1。

(11)

1.5 污染评价方法

该农田中As、Cd、Pb的污染评价方法采用综合污染指数法(尼梅罗综合污染指数法)[7],计算公式如下:

Pi=Ci/Si;

(12)

(13)

式中:Pi为求出的As、Cd、Pb单项污染指数;Ci为该元素实测值;Si为国家规定的限量值;P综为综合污染指数;Pimax为最大单项污染指数;Piavg为评价单项污染指数。

根据P值的变化划分为4个污染等级:非污染,P≤1;轻度污染,1≤P≤2;中度污染,2≤P≤3;重污染,P≥3[8]。

2 结果与分析

2.1 土壤中砷、铅和镉含量特征及风险评价

2.1.1 超标年限预测 从2015年4月10日2组大气干湿沉降采样缸放置开始至2016年7月10日为止,对大气干湿沉降每月采样1次,统计试验数据并计算大气沉降重金属年输入量如表1、表2所示。农田土壤系统重金属输入部分主要来源于大气干湿沉降、灌溉水、化肥和农药等;重金属输出部分主要是水稻植株部分对重金属富集从而在收割后输出农田的部分。根据公式(1),大气干湿沉降As、Cd、Pb的年输入量分别为8 815.29、1 373.31、 23 575.96 mg。于2016年3月对该水稻田灌溉1次,灌溉水经三角堰测量约75 m3,根据公式(2)计算灌溉水As、Cd、Pb的年输入量分别为122.62、33.15、35.1 mg。该水稻田使用化肥量约23 kg,根据公式(3)计算化肥As、Cd、Pb的年输入量分别为0.088、0.000 115、0.014 mg;在2015年11月和2016年6月底共收割水稻产量约300 kg,经检测并根据公式(4)、公式(5)计算该水稻田As、Cd、Pb的年净输入量分别为8 876.21 、1 405.98、23 604.78 mg。

根据上述统计结果,结合公式(6)、(7),As、Cd、Pb的环境容量分别为2.47×106、0.97×103、23.82×106mg;在目前的种植模式下,根据已有的研究结果进行计算,As、Cd、Pb的超标年限分别为27.8×103、0.689、1.01×103年[9-11]。因此,应将Cd作为该区域农田土壤重金属污染的重点控制元素,制定污染物定量控制方案并采取相应的农田修复措施以遏制和扭转目前污染形势。

表1 大气干沉降重金属元素年输入量

注:合计项计算方式为试验期间大气干沉降采样缸收集空气降尘总量。干沉降计算方式根据检测各重金属浓度计算得试验整个周期内单位面积该大气干沉降重金属量。

表2 大气湿沉降中的重金属年输入量

注:水量是指当月南北两侧大气湿沉降取样缸合并后水量体积。

2.1.2 土壤砷、镉和铅的含量特征及风险评价 参照国家土壤环境质量标准(表3),对该农田土壤及对照进行重金属污染评价,结果如表4所示[12]。该区域农田耕层土壤As、Pb、Cd平均含量分别为7.29、31.0、0.29 mg/kg,其中As、Pb含量均低于HJ 332—2006《食用农产品产地环境质量评价标准》,远低于GB 15618—1995《土壤环境质量标准》中二级标准限值。该区域对照土壤为附近高地未受污染地块,其As、Pb、Cd平均含量分别为15.98、24.00、0.267 mg/kg,均未超过 HJ 332—2006《食用农产品产地环境质量评价标准》标准限值。土壤中As、Pb、Cd空间变异存在较大差异,变异系数表现为Cd>As>Pb。通过对该区域土壤中As、Pb、Cd单因子污染指数比较(表4),发现该区域农田土壤As、Pb污染指数均小于1,均属于非污染,而Cd污染指数为1.004,属于轻度污染水平[12]。

表3 各标准重金属安全限值

表4 土壤砷、镉和铅的含量特征

2.1.3 耕层土壤铅来源解析 由表5可以看出,耕层土壤208Pb/206Pb 较高,206Pb/207Pb较低,并且其同位素比率介于化肥、大气干湿沉降、灌溉水与背景土壤之间,这与赵多勇等研究结论一致,即人为来源产生的铅同位素比率206Pb/208Pb低,在 0.96~1.20之间[13];自然背景产生的铅同位素比率表现为206Pb/207Pb 较高,一般高于1.20。将表5中化肥、大气干湿沉降、灌溉水、耕层土壤及背景土壤铅同位素比率分别代入铅源混合多元模型中求解, 得到大气干湿沉降、背景土壤、灌溉水、化肥对耕层土壤铅的贡献率分别为37.5%、43.8%、12.4%、6.35%。

表5 各样本中的铅同位素比率

2.2 水稻各部位As、Pb、Cd的含量特征

为了研究土壤及水稻植株部分中铅的来源,分别对耕层土壤、背景土壤、化肥、大气干湿沉降、灌溉水、水稻根、水稻茎、水稻叶及水稻籽实进行同位素比率测定,结果如表6所示。

表6 样品铅浓度及同位素组成

由图2可知,水稻根部与耕层土壤相比,重金属含量较高,说明水稻根部对于重金属有富集效应,其富集效应顺序为Cd>As>Pb,其富集系数分别为6.32、5.59、0.80,这与柳检等的研究结果[14-15]一致。从水稻根、茎、叶及籽实来看,各元素含量依次减少;水稻茎中元素含量远低于稻根,这可能是水稻根对重金属元素的运移起到截留作用;尤其是对于As、Pb等植物毒害元素,从根茎叶稻谷的含量衰减速率远高于植物营养元素Cu、Zn[16-17]。水稻对不同重金属元素吸收富集能力不一样,不同重金属元素在水稻植株中的迁移能力也有差异。通过比较籽实和耕层土壤中不同重金属元素的富集积累系数后得出,水稻植株对3种重金属元素吸收富集和迁移能力的大小顺序为Cd>As>Pb,其富集系数分别为0.028 8、0.024、0.000 625。

由表7可知,大气降尘和耕层土壤对水稻籽实是主要铅污染源。同理求得大气干湿沉降、耕层土壤、灌溉水、化肥对水稻样品铅的贡献率分别为67%、26%、5%、2%。

2.3 水稻籽实风险评价

对该农田所产水稻重金属含量进行统计(表7),与表5对照可知,该农田水稻籽实中Pb含量满足GB 2762—2005《食品中污染物限量》、GB 2715—2005《粮食卫生标准》;籽实中Cd超标率为6.2%,单项污染指数为0.030~0.105,综合污染指数为0.092,基本对水稻无健康或安全风险;而As超标率为85.0%,单项污染指数为0.750~1.587,综合污染指数为1.321,污染程度为轻度污染,对健康有一定的风险,应引起相关部门的重视。

表7 水稻籽实中As、Pb、Cd检测结果及风险评价

3 结论

研究区域农田土壤中在当前种植模式下,Cd超标年限为0.69年,应将Cd作为该区域农田土壤重金属污染的重点控制元素,制定污染物定量控制方案并采取相应的农田修复措施以遏制和扭转目前的污染形势。

该区域农田土壤砷、铅均属于非污染,而镉达到轻度污染水平。通过将化肥、大气干湿沉降、灌溉水、耕层土壤及背景土壤的铅同位素比率代入铅源混合多元模型中求解,得到大气干湿沉降、背景土壤、灌溉水、化肥对耕层土壤铅的贡献率分别为37.5%、43.8%、12.4%、6.35%。

水稻根部对重金属富集效应顺序为Cd>As>Pb,分别为6.32、5.59、0.80倍;水稻植株对3种重金属元素吸收富集和迁移能力的大小顺序为Cd>As>Pb,分别为0.028 8、0.024、0.000 625倍。大气干湿沉降、耕层土壤、灌溉水、化肥对水稻样品铅的贡献率分别为67%、26%、5%、2%。

该农田产水稻中籽实中Pb含量满足国家卫生标准要求;Cd风险较低,基本不产生健康或安全风险;As污染程度为轻度污染,应引起重视。

猜你喜欢
籽实灌溉水耕层
灌溉水矿化度对不同品种大豆发芽和生长的影响
氮磷钾肥对食用向日葵籽实灌浆及油分积累的影响
轮作制度对敦化市土壤主要理化性状影响的研究
耕层构造对土壤三相比和春玉米根系形态的影响
红壤坡耕地耕层质量特征与障碍类型划分
籽实类饲料的贮藏技术
上下复合型砂石-滤网集成式过滤器研发
农田水利建设灌溉水利用率提升浅析
库尔勒垦区不同耕作方式对棉田耕层容重的影响
基于回归水重复利用的灌溉水利用效率指标及节水潜力计算方法