土壤—农作物系统中重金属元素迁移转化规律研究——以湖北宣恩县为例

夏 伟, 吴冬妹, 袁知洋

(湖北省地质科学研究院,湖北 武汉 430034)

最新调查显示,中国耕地土壤环境质量处于不断下降的趋势[1]。前人研究结果表明,人类活动、成土过程次生富集和地质背景高是导致耕地污染或超标的关键因素[2]。不同区域由于元素地球化学性质、元素本底含量、土壤理化性质、地质背景等多重因素的差异化,元素在不同作物系统中的迁移特征也会显著不同[3-8]。因此,通过研究重金属元素在土壤—作物系统中迁移转换规律及其控制影响,对于了解和评估调查区重金属元素生态风险具有重要指示意义。

2015—2016年完成的湖北省“金土地”工程“湖北省宣恩县土地质量地球化学评价(一期)”和“湖北省宣恩县土地质量地球化学评价(二期)”项目,系统查明宣恩县评价区土地地球化学质量现状,结合农作物、水产品、灌溉水、大气沉降等介质的调查,全面评价土壤生态地球化学特征和土壤质量水平,以及天然富硒优质土壤和农产品分布质量情况,提出农业种植结构调整、科学合理施肥以及土壤污染治理等相关建议,也为本次研究提供了基础资料。

1 材料与方法

1.1 研究区地质概况

研究区位于湖北省西南部宣恩县万寨乡、椒园镇和珠山镇一带,地处武陵山和齐跃山的交接部位,属云贵高原延伸部分,区内横亘着几条东北—西南走向的大山岭,形成许多台地、岗地、小型盆地、平坝、横状坡地和山谷、峡等地貌。地层总体呈北东向展布,地层出露较全,为一套沉积型地层,从奥陶系—三叠系均有发育,其中三叠系地层为巴东组、嘉陵江组和大冶组,岩性以砂岩、页岩、白云岩为主,出露最广,二叠系地层少量出露,岩性主要为炭质页岩、灰岩和硅质岩。土壤类型则主要有黄棕壤、黄壤、石灰土、水稻土、紫色土和黄红壤。其中分布最广的是黄棕壤,在全区均有分布;其次是黄壤,主要分布在珠山镇,椒园镇的东北和万寨乡的北部也有少量分布;石灰土主要分布在椒园镇,在万寨乡的北部有少量分布;水稻土零星分布在全区;紫色土主要分布在珠山镇莲坝村和椒园镇三河沟村;黄红壤主要分布在万寨北部的河岸。

1.2 样品采集与制备

根据评价区农业生产结构,农作物样以采集茶叶、水稻、玉米和土豆样品为主,部分采集黄金梨、白柚等地方特色农作物(图1)。采样时,在采样点地块内视不同情况采用棋盘法、梅花点法、对角线法、蛇形法等进行多点取样,然后等量混匀组成一个混合样品。

茶叶以0.1～0.2 hm2为采样单元,随机选取15～20个植株,本次共采集茶叶样75件,对应根系土样75组。

水稻样品分为两个作物生长期采集,一是作物灌浆(8月份),此期完成根、茎叶的采集,配套完成根系土采集。二是收获期(9—10月份),采集籽实。共采集水稻籽实样35件,配套根系土样35组。

玉米于收获期采集籽实,玉米籽实样62件,配套根系土样62组。

土豆以0.1～0.3 m2为采样单元,在采样单元内选取5～20个植株,采取根实。本次共采集土豆样53件,配套根系土53组。

白柚、黄金梨于收获期采集果实,以0.1～0.2 hm2为采样单元,在采样单元内选取3～5个果树。采集了白柚样15件、黄金梨样20件,配套的根性土样35组。

图1 研究区农作物及其根系土采样点位图Fig.1 Sampling locations of agricultural soils and crops in research area1.土豆采样点;2.玉米采样点;3.水稻采样点;4.茶叶采样点;5.白柚采样点;6.黄金梨采样点。

1.3 分析方法

本次研究选择分析方法以电感耦合等离子体原子发射光谱法和电感耦合等离子体质谱法为主,辅以其他分析方法(表1)。Pb、Cd、Cu、Zn以电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)为主,Hg、As则选用原子荧光光谱法(AFS)。依据原国土资源部《生态地球化学评价动植物样品分析方法》(DZ/T0253.1-2014和DZ/T0253.3-2014),对生物样品(农作物根、茎、籽实或果实)Pb、Cd、Hg、As、Cu、Zn等重金属元素进行分析。

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

2 数据分析及讨论

2.1 不同根系土中重金属元素含量特征

不同农作物根系土中重金属含量统计参数见表2。Pb、Cu和Zn在不同农作物根系土中含量差异不是很明显;Cd和Hg在不同点位农作物根系土中含量差异较大,茶叶、水稻和土豆根系土中Cd变异系数以及玉米根系土中Cd和Hg变异系数>100%。水稻根系土中Cd平均含量1.48 mg/kg,显著高于茶叶根系土(0.51 mg/kg)、玉米根系土(0.91 mg/kg)、土豆根系土(0.76 mg/kg)、黄金梨根系土(0.56 mg/kg)和白柚根系土(0.68 mg/kg)平均含量,这可能是由于水稻根系土在淹育条件下氧化还原条件相对于其他土壤复杂所导致[9]。

与宣恩县土壤背景值相比,研究区不同农作物根系土中Cd平均含量显著高于宣恩县表层土壤背景值(1.2≤KK≤3.48);Pb元素KK值在0.85～1.10之间,与宣恩县土壤背景值接近;茶叶根系中Hg平均含量略低于宣恩县土壤背景值(KK=0.88),其他农作物根系土中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县土壤背景值(KK=1.26),其他农作物根系土中As平均含量则均低于背景值(KK≤0.97);不同农作物根系土中Cu平均含量与宣恩县表层土壤背景值相近(1.01≤KK≤1.37);茶叶和白柚根系土中Zn平均含量略低于宣恩县土壤背景值,其他农作物根系土中Zn平均含量均略高于背景值(KK=不同农作物根系土中重金属元素平均含量/宣恩县土壤背景重金属元素对应值)。

表2 不同农作物根系土中重金属含量Table 2 Concentration of heavy metals in the root soil of different corps

注:“宣恩县土壤背景值”来源于湖北省地质局恩施州硒资源与生态农业地质调查2013—2015年数据。

2.2 土壤中重金属元素生物可利用性特征

土壤中重金属元素的迁移、转化及其生态效应和环境的影响程度,除了与土壤中重金属的含量有关外,还与重金属元素在土壤中赋存的形态有很大关系,土壤重金属形态是指重金属元素在环境中以某种离子或分子存在的实际形式,土壤中重金属存在的形态不同,其活性、生态效应及迁移特征也不同。化学分析分馏过程提供了重金属元素的起源、发生及生物可利用性的信息。水溶态(F1)、离子交换态(F2)为可交换态(F1+F2,生物可直接利用);可交换态(F1+F2)和碳酸盐结合态(F3)又可划分为弱结合态(后者水解可释放出金属离子);腐殖酸结合态(F4)和铁锰氧化物结合态(F5)划分为中等强度结合态(在一定条件下,可分解释放出金属离子),将很难释放出重金属离子产生环境问题的强有机结合态(F6)与残渣态(F7)划分为强结合态。上述弱、中、强结合态分别界定为生物易利用态、中等利用态和惰性态。

结合表3和图2可以看出,评价区土壤中Pb、Hg、As、Cu和Zn等重金属元素主要为强有机结合态(F6)与残渣态(F7),很难以离子形态释放出来,而Cd在土壤中的赋存形态主要为水溶态(F1)和离子交换态(F2),占比高达35.59%,很容易被生物吸收利用。

2.3 土壤—农作物系统安全性评价

2.3.1 土壤重金属污染评价

不同农作物根系土样品评价标准采用环境保护部和国家质量监督检验检疫总局发布制定的《土壤环境质量标准(GB15618—2008)》作为评价标准,根据不同土地利用状况和pH值对土壤进行综合评价(表4),结果表明:研究区不同农作物根系土样品Cd的超标率达40%～95%;茶叶、水稻和玉米Hg、Cu少量超标;水稻和黄金梨Zn少量超标;未检出Pb、As超标。另外采用内梅罗综合污染指数法[10](Nemero)进行重金属污染指数分级,发现茶叶地Pb、Hg、Cu污染等级为轻污染,水稻田Zn、玉米地Hg和土豆Cu污染等级为轻污染,不同农作物根系土样品Cd污染等级均为重污染,污染程度水稻田>土豆地>茶叶地>玉米地>果园,水稻田土壤Cd最大值达15.2 mg/kg,均值也达到了1.48 mg/kg,远高于国家土壤环境质量二级评价标准(GB15618—2008)。结合表2中宣恩县土壤背景值综合来看,研究区农作物根系土都受到重金属不同程度的污染,Cd元素的超标跟宣恩县土壤Cd高背景有很大关系。

2.3.2 农作物可食部分重金属污染评价

参照《茶叶中铬镉汞砷及氟化物限量》(NY659—2003)和《食品中污染物限量》(GB2762—2012),对采集农作物样本进行统计(表5),共发现2件水稻样品和2件土豆样品重金属超标,结合前面土壤重金属元素污染评价分析,农作物重金属污染一方面与土壤污染程度有关,另一方面与生物可利用性相关。

2.4 土壤—农作物系统中重金属转移规律

为了衡量农作物从土壤中吸收富集重金属元素能力,定义生物富集系数(BCF)=C农作物/C根系土,C农作物表示元素在农作物中的含量(mg/kg),C根系土表示元素在农作物对应根系土中的含量(mg/kg),富集系数越大,其对土壤中重金属的富集能力就越强[11-12]。如果富集系数>1,说明该作物对某种重金属具有超富集能力[13]。

表3 土壤重金属形态特征参数值统计Table 3 Statistical table of heavy metal morphological parameters in soils

注:Hg、Pb、Cd、As、Cu、Zn单位为mg/kg。

图2 研究区土壤重金属元素各形态组成占比图Fig.2 Percent of heavy metals in each fraction of the soils in research area

表4 土壤重金属元素污染评价Table 4 Evaluation of heavy metal pollution in soils

根系土PbCdHgAsCuZn%茶叶超标率0.0065.332.670.008.000.00PN1.9618.81.020.501.290.70水稻超标率0.0065.712.860.002.865.71PN0.4435.90.930.680.861.04玉米超标率0.0069.351.610.003.220.00PN0.6311.321.070.620.950.68土豆超标率0.0049.060.000.005.660.00PN0.7422.390.690.671.170.75黄金梨超标率0.0095.000.000.0010.0010.00PN0.492.850.680.640.220.53白柚超标率0.0040.006.670.000.000.00PN0.416.980.470.850.230.75

注:“PN”为内梅罗污染指数。

表5 研究区农作物中重金属超标统计结果表Table 5 Statistical results table of heavy metal exceeding standard incrops in research area

表6为评价区不同农作物中重金属元素的生物富集系数,图3为茶叶和水稻根、茎、叶不同部位金属元素富集程度对比。可以比较直观地看出,Cd在茶叶根部富集程度较高,Pb、Cd、Hg、As在茶叶根、茎、叶部位富集程度依次递减,Zn在茶叶根、茎、叶部位富集程度则依次递增;除Cu之外,Pb、Cd、Hg、As和Zn在水稻根、茎、叶部位富集程度依次递减,As在水稻根部异常富集;Cd在玉米茎部富集程度异常高;Cu和Zn在黄金梨和白柚中的富集程度明显要高于其他重金属元素。

Pb、Cd和Hg在茶叶和水稻根、茎、叶部位富集程度依次递减,反映出这几种元素主要经根部吸收,然后向植物上部运输的路径,且在根部富集程度最高,茎部次之,叶部最低;Cu和Zn在茶叶叶部的富集程度要明显高于根部和茎部,主要是由于叶部既接收了根部和茎部向上运输的重金属元素,也吸收了大气中的含Cu、Zn的粉尘[14-15]。

从表6中可看出,除玉米茎部特别富集Cd和水稻根部特别富集As外,所收集的农作物可食部分从根系土中转移Pb、Cd、Hg、As、Cu和Zn等6种重金属元素的能力很弱。

表6 不同土壤—农作物系统中重金属元素生物富集系数Table 6 Bio-accumulation coefficient of heavy metals in different soil-crop systems

3 结论

(1) 农作物根系土中Cd平均含量显著高于宣恩县土壤背景值;Pb、Cu平均含量与宣恩县土壤背景值接近;茶叶根系土中Hg平均含量略低于宣恩县土壤背景值,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县土壤背景值,其他作物根系土中As平均含量均略低于背景值,茶叶和白柚根系土中Zn平均含量略低于宣恩县土壤背景值，其他农作物根系土中Zn平均含量均略高于背景值;农作物土壤中Cd元素高超标现象与宣恩县土壤Cd高背景存在一定的联系。

(2) 评价区土壤中Pb、Hg、As、Cu和Zn等重金属元素主要为强有机结合态与残渣态,很难以离子形态释放出来,而Cd在土壤中的赋存形态主要为水溶态和离子交换态,占比高达35.59%,很容易被生物吸收利用。

(3) 评价区农作物根系土都遭受重金属不同程度的污染,农作物重金属污染一方面与土壤Cd高背景有关,另一方面与生物可利用性相关。

(4) 除玉米茎部特别富集Cd和水稻根部特别富集As外,所收集的农作物可食部分从根系土中转移Pb、Cd、Hg、As、Cu和Zn等6种重金属元素的能力很弱。

图3 茶叶和水稻不同部位元素富集程度对比图Fig.3 Comparison of heavy metals in different parts of tea and rice