天津污灌區(qū)小麥重金屬富集能力研究

天津污灌區(qū)小麥重金屬富集能力研究

天津位于中國北方平原的東北部。它是海河流域的最下游。北與燕山相連，東與渤海接壤。由于華北地區(qū)多年來干旱少雨,而海河流域上游各地為經(jīng)濟發(fā)展修水壩建水庫,使得進入天津的客水量明顯減少,工農(nóng)業(yè)用水短缺。同時,京津兩地大量未經(jīng)處理的工業(yè)和生活污水通過永定新河、北京排污河等排入渤海。這些過境污水,已經(jīng)成為天津彌補農(nóng)業(yè)用水不足的重要措施,形成了長達幾十年的污灌區(qū)。1999年農(nóng)業(yè)部門統(tǒng)計天津污灌面積達到23.403×104hm2,占灌溉總面積66%,其中:純污灌面積為8.28×103hm2,占總污灌面積的7.21%;清污混灌面積為81.9×103hm2,占總污灌面積的71.29%;間歇污灌面積為24.69×103hm2,占總污灌面積的24.49%。污水灌溉在解決農(nóng)業(yè)用水不足的同時,污水中含有大量的有毒重金屬元素隨之進入土壤中,進而通過食物鏈危害人的健康。因此,分析研究天津污灌區(qū)土壤-作物系統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量具有重要的意義。天津污灌區(qū)水田、園田土壤-作物重金屬污染方面的研究較多[1~5],但天津污灌區(qū)土壤中重金屬對小麥的影響研究較少,本文針對天津污灌區(qū)土壤中重金屬對小麥的影響因素進行分析。1樣品采集與分析1.1網(wǎng)格法布點和對照點布設(shè)根據(jù)不同行政區(qū)劃、土壤類型、土壤理化性狀、污灌強度以及污灌面積,對全市污灌區(qū)中7個區(qū)縣(西青區(qū)、東麗區(qū)、津南區(qū)、北辰區(qū)、寧河縣、寶坻區(qū)和武清區(qū))的農(nóng)田基地采用網(wǎng)格法進行布點,并相應(yīng)設(shè)置對照點。同時使土樣采樣點的布設(shè)在空間均勻分布并具有一定密度(布點密度為5km×5km),從而保證土壤環(huán)境質(zhì)量調(diào)查的代表性和精度。結(jié)合土樣的采集,植物樣品選自武清區(qū)、寶坻區(qū)和北辰區(qū)的部分樣點。1.2樣品的采集和處理1.2.1土壤地質(zhì)情況調(diào)查根據(jù)布設(shè)的采樣點,在實地選擇具有代表性的農(nóng)田取0~20cm耕作層土壤,采用蛇形采樣方法,采樣為1kg左右,每個樣品由10個取土點均勻混合[6~8]。記錄采樣點的地理地質(zhì)狀況,調(diào)查施肥和耕作情況以及附近的污染源情況。對采集的土壤樣品首先除去植物殘體、碎石,室內(nèi)風(fēng)干,破碎篩分。1.2.2測定植物的根系、莖葉、籽實分開見表1按照代表性、典型性和適時性的原則,結(jié)合土樣的采集,于2005年收獲期采集小麥樣品共24個。在劃分好的采樣小區(qū)內(nèi),采用梅花形五點取樣法采集代表性的植株。在每個采樣小區(qū)內(nèi)的采樣點上,采集5處的植株混合組成一個代表樣品,采集時盡量保持根系的完整,不損失根毛。整株采集后帶回實驗室,按根系、莖葉、籽實分開處理:作物樣品分別用自來水和去離子水沖洗,將洗凈的植物鮮樣盡快放在干燥通風(fēng)處風(fēng)干(莖桿樣品劈開);將風(fēng)干的樣品去除灰塵、雜物、用剪刀剪碎,再用磨碎機磨碎過100目尼龍篩;將制備好的樣品裝入聚乙烯塑料袋中,貼好標(biāo)簽,注明編號、采集地點、分析項目,并填寫采樣登記表。1.3土壤分析與檢測方法監(jiān)測項目包括土壤pH值、有機質(zhì)、全鹽量以及主要重金屬污染物Cd、Cu、Pb、Zn、Cr和Ni的全量。1.3.1電動振蕩機組儀器:電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES)儀,PHs-10A型數(shù)字顯示離子計,分析天平,電烘箱,水浴鍋,電動振蕩機等。試劑:硝酸(優(yōu)級純),高氯酸(分析純),氫氟酸(分析純),過氧化氫,去離子水,1.6000mol·L-1重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液,0.4mol·L-1硫酸亞鐵溶液,鄰啡羅啉指示劑,石蠟植物油,濃硫酸。1.3.2土壤理化性質(zhì)的測定土壤重金屬全量和小麥重金屬含量的測定:土壤重金屬全量分析采用HNO3-HClO4-HF三酸消化法處理后,采用ICP-AES等離子光譜法分析。植物樣品用HClO4和HNO3消化處理,采用ICP-AES等離子光譜法分析。土壤pH值、有機質(zhì)和全鹽量的測定:土壤的pH值用電位法測定;土壤有機質(zhì)用重鉻酸鉀法(亦稱丘林法)測定;土壤全鹽量用重量法測定。2結(jié)果與討論2.1混播灌溉2.1.1種重金屬元素樣點的cu和pb、zn的范圍值,均處于清潔水平調(diào)查結(jié)果表明(表1):天津市污灌區(qū)農(nóng)田土壤重金屬中,Cd的范圍值在0.03~1.17mg·kg-1之間,平均為0.46mg·kg-1,明顯超過了天津市土壤環(huán)境質(zhì)量中尚清潔的二級標(biāo)準(zhǔn),處于污染水平,超標(biāo)率為89.8%。重金屬元素Cd的變異系數(shù)較大,說明天津市污灌區(qū)農(nóng)田土壤的各污染樣點間存在著較大的差異。Cu的范圍值在10.92~61.32mg·kg-1之間,大部分樣點的值在天津市土壤環(huán)境質(zhì)量的二級標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi),處于清潔和尚清潔水平。以平均含量來看,平均值處于背景值內(nèi)。Cu的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)都不大,說明各污染樣點間存在著污染程度的相似性。Pb的范圍值在3.8~49.79mg·kg-1之間,且大部分樣點都在背景值內(nèi),平均含量亦顯示了Pb處于清潔水平。Pb的變異系數(shù)較大,說明各污染樣點間存在著一定程度的差異。Zn的范圍值在62.22~307.2mg·kg-1之間,有近一半的樣點超過天津市土壤環(huán)境質(zhì)量的二級標(biāo)準(zhǔn)。以平均含量來看,已經(jīng)超出二級標(biāo)準(zhǔn),處于輕度污染水平。在6種重金屬元素中Zn的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)都較大,說明各污染樣點間也存在著較大程度的差異。Cr的范圍值在40.16~108mg·kg-1之間,監(jiān)測樣點全部在二級標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),平均值也在背景值內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)都較小。Ni的范圍值在15.91~61.42mg·kg-1之間,平均含量在背景值內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均較小。2.1.2不同重金屬來源之間的相關(guān)性研究土壤中重金屬全量間的相關(guān)性可以推測其來源是否相同,若重金屬含量有顯著的相關(guān)性,表明有相同來源的可能性較大,否則來源可能不止一個。對表層土壤各種重金屬之間的相關(guān)分析表明(表2),在全部表層土壤樣品中,除Zn和Ni的相關(guān)系數(shù)較小外,其余各元素之間的相關(guān)系數(shù)均呈顯著相關(guān),說明這些重金屬來自相同污染源的概率極大。由于污染區(qū)往往出現(xiàn)數(shù)個元素含量同時增高的現(xiàn)象,呈現(xiàn)復(fù)合污染的趨勢,這也是天津市污灌區(qū)土壤重金屬污染的重要特征之一。2.1.3各重金屬元素對土壤有機質(zhì)、全鹽和ph值的影響重金屬元素在土壤中的地球化學(xué)行為與土壤性質(zhì)有關(guān)。土壤重金屬全量受土壤理化性質(zhì)的影響,其相關(guān)系數(shù)見表3。天津市污灌區(qū)農(nóng)田土壤中各重金屬元素與土壤有機質(zhì)呈較強的正相關(guān)關(guān)系,可見有機質(zhì)含量高的土壤對重金屬的吸附量大。對各元素與土壤有機質(zhì)的相關(guān)關(guān)系系數(shù)進行排序,Cu>Cr>Pb>Cd>Ni>Zn,Cu受土壤有機質(zhì)的影響最大。各重金屬元素與土壤全鹽量也呈一定的正相關(guān)關(guān)系,對各元素與土壤全鹽量的相關(guān)關(guān)系系數(shù)進行排序,Cr>Cu>Pb>Zn>Cd>Ni。各重金屬元素與土壤pH值呈弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系,對各元素與土壤pH值的相關(guān)關(guān)系系數(shù)進行排序,Cr>Cu>Pb>Zn>Cd>Ni。綜合分析表明,土壤中各重金屬元素含量與土壤有機質(zhì)、全鹽和pH值的相關(guān)關(guān)系系數(shù)均為有機質(zhì)>全鹽量>pH值,表明土壤中重金屬含量受有機質(zhì)的影響最大,有機質(zhì)具有強烈吸附重金屬元素的能力,其次為全鹽量。土壤中各重金屬元素含量受pH值的影響最小。2.2小麥體內(nèi)重金屬含量與形態(tài)污灌區(qū)小麥的根、莖葉和籽實對不同重金屬的吸收能力是不同的(表4)。Cd在小麥不同部位的平均含量順序為根>莖葉>籽實,根是莖葉和籽實中含量的2.73、3.51倍,而在莖葉和籽實中的含量相差不大。小麥籽實中Cd的平均含量超過了食品衛(wèi)生限量標(biāo)準(zhǔn)(0.05mg·kg-1),表明小麥已被Cd污染。Cu在小麥不同部位的平均含量順序為根>籽實>莖葉,根、莖葉和籽實中含量相差不大,籽實中含量未達到食品衛(wèi)生限量標(biāo)準(zhǔn)。Pb在小麥不同部位的平均含量順序為根>莖葉>籽實,根是莖葉、籽實中含量的2.80和9.06倍。籽實中含量未達到食品衛(wèi)生限量標(biāo)準(zhǔn)。Zn在小麥不同部位的平均含量順序為根>籽實>莖葉,根分別是籽實和莖葉中含量的3.33和1.43倍。籽實中含量未達到食品衛(wèi)生限量標(biāo)準(zhǔn)。Cr在小麥不同部位的平均含量順序為根>莖葉>籽實,根分別是莖葉和籽實中含量的4.41、6.23倍,但在莖葉和籽實中的含量相差不大。籽實中含量未達到食品衛(wèi)生限量標(biāo)準(zhǔn)。Ni在小麥不同部位的平均含量順序為根>莖葉>籽實,根分別是莖葉和籽實中含量的6.92、19.19倍,莖葉是籽實中含量的3.20倍。6種重金屬元素在小麥根部的含量均最高,說明根部對重金屬元素的富集能力最強。植物從土壤中吸收的這些元素,首先在根中積累,然后有一部分被運輸?shù)街参矬w的其他部位,植物體的不同部位,對金屬元素積累的狀況不一樣,通常是植物的地下部分大大地高于地上部分。莖葉和籽實中含量比較,Pb、Cr和Ni在莖葉中的含量明顯高于籽實中含量,Cd在莖葉中含量雖然高于籽實中含量,但是相差不大;Zn在莖葉中含量明顯低于在籽實中的含量,Cu在莖葉中含量雖低于籽實中的含量,但是相差不大。同一植物種類對不同重金屬元素的吸收、富集能力不同,可以用富集系數(shù)(又稱吸收系數(shù)),即植株某器官的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)占土壤相應(yīng)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)(實測值)的百分比,以探討重金屬元素在小麥不同器官中的富集能力。此指數(shù)可反映重金屬元素富集程度和遷移能力大小,富集系數(shù)數(shù)值愈大,表明作物愈易從土壤中吸收該元素,即該元素的遷移性愈強。小麥根對重金屬的富集能力依次為Cd>Zn>Cu>Ni>Pb>Cr,小麥莖葉對重金屬的富集能力依次為Cd>Cu>Zn>Pb>Ni>Cr,小麥籽實對重金屬的富集能力依次為Zn>Cd>Cu>Pb>Cr>Ni。2.3對土壤理化性質(zhì)的影響重金屬在土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化機制非常復(fù)雜,影響因素很多。土壤的理化性質(zhì)通過影響重金屬在土壤中的存在形態(tài)而影響重金屬的生物有效性。已有研究表明,土壤中重金屬的生物有效性與土壤重金屬含量、pH值、有機質(zhì)、全鹽量和土壤類型密切相關(guān)。2.3.1土壤重金屬含量與cd、pb含量的關(guān)系對所監(jiān)測的24個植物樣本的籽實中所含重金屬全量與相應(yīng)的土壤樣本中所含重金屬全量進行相關(guān)關(guān)系分析可知:在這6種重金屬元素中,Cd和Pb在籽實中的含量與土壤中含量的相關(guān)系數(shù)較大,分別為0.4463和0.4094,表明受土壤重金屬含量影響較大;Zn、Cr、Ni和Cu的相關(guān)系數(shù)較小,分別為0.2640、0.3616、0.2142、0.1565,表明受土壤重金屬含量影響較小。2.3.2土壤ph分析土壤pH值是土壤重要的理化性質(zhì)之一。幾乎所有的研究報告都將土壤pH值列為影響植物對重金屬吸收的最主要的土壤因素。對土壤pH值的分析可知,天津污灌區(qū)土壤pH值為7.5~8.3,屬于弱堿性。對土壤pH值與小麥籽實中6種重金屬元素的富集系數(shù)的相關(guān)關(guān)系分析可知(表5),6種元素的富集系數(shù)與土壤pH值均成負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中Zn和Ni的富集系數(shù)與土壤pH值的相關(guān)系數(shù)最大,表明它受pH值的影響較大。Cd、Cu、Pb、Cr與土壤的相關(guān)系數(shù)很小,受pH值的影響較小,這可能與天津市土壤的pH值總體較高,土壤呈堿性有很大的關(guān)系。2.3.3cd與土壤有機質(zhì)的相關(guān)性分析對土壤有機質(zhì)的分析可知,天津污灌區(qū)土壤有機質(zhì)含量為1.3%~2.5%。對土壤有機質(zhì)與小麥籽實中6種重金屬元素的富集系數(shù)的相關(guān)關(guān)系分析可知,小麥籽實中Cu的富集系數(shù)與土壤有機質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān);Cd與土壤有機質(zhì)有一定的相關(guān)性;Zn、Cr和Ni的相關(guān)系數(shù)很小,不具有相關(guān)關(guān)系。表明有機質(zhì)對小麥籽實中重金屬的富集系數(shù)有一定影響,但是不同重金屬元素的富集系數(shù)與有機質(zhì)的相關(guān)關(guān)系不同,6種重金屬元素中,Cu受有機質(zhì)影響最大,表明小麥對Cu的吸收受土壤有機質(zhì)影響明顯。2.3.4天津污農(nóng)田土壤重金屬元素富集能力土壤全鹽量是測算土壤中鹽類含量的一項指標(biāo),土壤全鹽量對農(nóng)作物中重金屬元素的富集能力有一定的影響。對土壤全鹽量的分析可知,天津污灌區(qū)土壤全鹽量為0.023%~0.1%,屬于輕度鹽化土壤。小麥中6種重金屬元素與土壤全鹽量的相關(guān)系數(shù)均較小,相關(guān)關(guān)系不顯著。2.3.5砂體重金屬遷移能力對不同潮土土壤質(zhì)地上小麥籽實重金屬富集系數(shù)進行比較,重金屬元素Cd在砂質(zhì)潮土和壤質(zhì)潮土中的富集系數(shù)相對較高,分別為0.1801和0.2130,在粘質(zhì)潮土中的富集系數(shù)較低,為0.1220;Cu在砂質(zhì)土中富集系數(shù)相對較高,為0.1592,粘質(zhì)土中富集系數(shù)最低,為0.0999,壤質(zhì)土中含量居中,表現(xiàn)為粒度越細(xì),含量越低。Pb、Cr、Ni在各種土壤中的富集系數(shù)均低。一般來講,質(zhì)地粘重的土壤對重金屬的吸附力強,降低了重金屬的遷移轉(zhuǎn)化能力。Zn在3種土壤中的富集系數(shù)相差不大,在壤質(zhì)潮土中富集系數(shù)高,為0.2340,在砂質(zhì)潮土中富集系數(shù)低,為0.1835,這與以前的研究,潮土的不同質(zhì)地土壤中,砂壤有效Zn的可給性最低,中壤有效Zn的可給性最高一致。3小麥籽實和土壤質(zhì)地對重金屬含量的影響天津市污灌區(qū)旱田表層土壤重金屬中,Cd、Zn含量已經(jīng)超過天津市土壤質(zhì)量的二級(尚清潔)標(biāo)準(zhǔn),成為污染元素,Cd是最主要的污染物。土壤中重金屬來源相似。土壤中各重金屬元素含量受多種因素控制。總體來看,土壤中各重金屬元素含量與土壤有機質(zhì)含量有較高的相關(guān)關(guān)系,與土壤全鹽量關(guān)系密切。土壤種類和土壤質(zhì)地對土壤重金屬元素含量有一定影響,鹽化濕