（环境科学专业论文）有机肥对土壤—小麦、高粱系统中重金属污染的环境效应研究.pdf

贵州大学硕士论文有机肥对土壤一小麦、高粱系统中重金属污染的环境效应研究 ( 5 ) 高粱实验中随着外源汞、铅、镉施入量的增加，土壤全量汞、铅、镉和有效态汞、 铅、镉含量也增加，导致高粱吸收汞、铅、镉的量也增加；在苗期土壤中有效态汞、铅、镉 的含量与高粱根部、茎叶汞、铅、镉的含量均达到显著正相关关系；在收获期，土壤有效态 汞、铅、镉的含量与高梁根部、茎叶和籽粒汞、铅、镉的含量仍然都呈现显著正相关关系。 ( 6 ) 高粱实验中土壤有效态汞、铅、镉含量的高低明显地受有机肥施用量的影响。从 高粱苗期到收获期，施用有机肥均对土样中有效态汞、铅、镉有一定的吸附抑制作用，在同 一汞、铅、镉水平，随着有机肥施用量的增加，土壤中有效态含量逐渐减少。经相关分析， 三个汞、铅、镉水平下有机肥施用量与土壤有效态汞、铅、镉含量之间的相关系数在苗期收 获期均呈显著负相关。土壤有机肥对土壤有效汞、铅、镉的抑制效果以低汞、铅、镉高有机 肥处理效果最为显著；而以高汞、铅、镉低有机肥处理效果最差。 ( 7 ) 高粱实验中有机肥的施用直接影响土壤重金属有效态的含量，继而影响高粱对土 壤汞、铅、镉的吸收。相关分析结果表明，在苗期汞、铅、镉的低水平下，有机肥施用量与 茎叶、根部汞、铅、镉含量之间达到显著负相关水平，在汞、铅、镉的高水平下，有机肥施 用量与茎叶、根部汞、铅、镉、镍含量之间呈负相关；在收获期有机肥施用量与茎叶汞、铅、 镉含量均呈显著负相关，与根部汞、铅、镉含最呈显著负相关，而对籽粒吸收汞、铅、镉的 影响随外源汞、铅、镉施入量的不同有较大的变化。 ( 8 ) 在小麦苗期各部分吸收汞、铅、镉、镍量的规律为根部 茎叶，在收获期小麦各部 分吸收汞、铅、镉、镍量的规律为根部 茎叶 籽粒；在高粱苗期各部分吸收汞、铅、镉量 的规律为根部 茎叶，在收获期小麦各部分吸收汞、铅、镉的量规律为根部 茎叶 籽粒。 ( 9 ) 在小麦盆栽实验中最好的抑小麦吸收汞、铅、镉、镍的有机肥水平是：f 2 ( 0 3 k g 盆) 、f 3 ( o 5 k g 盆) ，换算成每千克土壤施多少克有机肥为：f 2 ( 4 0 9 k g ) 、f 2 ( 6 7 9 k g ) ； 在小麦大田实验中最好的抑小麦吸收汞、铅、镉、镍的有机肥水平是：d ( 3 0 0 k g 亩) ，e ( 3 5 0 k g 亩) ，换算成每平方米施多少千克有机肥为：d ( o 4 5 k g m 2 ) ，e ( 0 5 3 k g m 2 ) 。在高粱盆栽实 验中最好的抑高粱吸收汞、铅、镉的有机肥水平是：f 2 ( o 1 k g 盆) ，换算成每千克土壤施 多少克有机肥为：f 2 ( 1 3 9 k g ) 。 ( 1 0 ) 对于黔北小麦、高粱种植区土壤一作物系统重金属污染的评价结果明，黔北小麦、 高粱种植区土壤均未受到污染，但是土壤中p b 已经达到警戒水平：农作物小麦、高粱中的 c d 、h g 、p b 、和n i 等元素含量处于食品安全水平以下。 关键词：贵州，有机肥，汞，铅，镉，镍，小麦，高粱 5 贵州大学硕士论文有机肥对土壤一小麦、高粱系统中重金属污染的环境效应研究 a b s t r a c t t h i sr e s e a r c h h a sb e e nd i du n d e rt h ee n v i r o n m e n to fg u i z h o uk a r s ts p e c i a ll a n d f o r m , 确苫o b j e c to fe x p e r i m e n ti st h ew i n t e rw h e a ta n ds o 唱h u m ，t h e w i n t e rw h e a ta n ds o r g h u m w e r es t u d i e db yt h ep o ta n df i e l de x p e r i m e n t w eh a v er e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c eo fw i n t e r w h e a ta n ds o r g h u mr h i z o s p h e r es o i lp b ，h g ，n ia n dc ds h a p et r a n s f o r m a t i o na n dp l a n t v a l i d i t y m a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a p p l y i n gi n c r e a s et h ec o n t e n to fo r g a n i cm a t t e r , t o t a ln i t r o g e n ，t o t a lp ha n dt o t a l p o t a s s i u mo r g a n i cf e r t i l i z e r , a n dt h ep h v a l u eo f s o i lt oa s s u m et h ew e a kb a s i c i t y ( 2 ) i nt h ew h e a tf i e l d p o te x p e r i m e n t s ，t h ea n a l y t i cr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ec o n t e n t so f t o t a lh g ，c d ，n i ，p ba n da v a i l a b l eh g ，c d ，n i ，p bi ns o i l sw e r ei n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n g a m o u n to fh g ，c d ，n i ，p ba d d e d ，s ot h a tt h ec o n t e n to fh g ，c d ，n i ，p bi nw i n t e rw h e a tw a s i n c r e a s e d r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc o n t e n t so fa v a i l a b l eh g ，c d ，n i ，p bi ns o i l sa n dc o n t e n t so f h g ，c d ，n i ，p bi nr o o t s ，s t e m s l e a v e sa n ds d so fw h e a tw e r es i g n i f i c a n tp o s i t i v l yc o r r e l a t e d r e s p e c t i v e l y ( 3 ) i nt h ew h e a tf i e l d p o te x p e r i m e n t s ，t h ea v a i l a b l eh g , c d ，n i ，p bi n s o i l sw e r e o b v i o u si n f l u e n c e db yt h eo r g a n i cf e r t i l i z e r t h er e s t r a i n i n ge f f e c to fa p p l i e do r g a n i cf e r t i l i z e r f o rc o n t e n t so fa v a i l a b l eh g ，c d ，n i ，p bi ns o i l si st h a tt r e a t m e n to fh i g h e ro r g a n i cf e r t i l i z e r w i t h l o w e r h g ，c d ，n i ，p b i sb e s t ( 4 ) i nt h ew h e a tf i e l d p o te x p e r i m e n t s ，r e l a t i o n s h i p sb e t w e e na m o u n to fa p p l i e do r g a n i c f e r t i l i z e ra n dc o n t e n t so fr i g ，c d ，n i ，p bi nw h e a tr o o ta n ds t e m l e a fu n d e rl o w e rh g ，c d ，n i ， p bl e v e li ns e e d i n gp e r i o db r en e g a t i v ec o r r e l a t e ds i g n i f i c a n t l y , b u tr e l a t i o n s h i p sb e t w e e n a m o u n to fa p p l i e do r g a n i cf e r t i l i z e ra n dc o n t e n t so fr i g ，c d ，n i ，p bi nw h e a tr o o t , s t e m l e a f a n ds e e du n d e ra l lh g ，c d ，n i ，p bl e v e l si nh a r v e s t i n gp e r i o da r es i g n i f i c a n tn e g a t i v e c o r r e l a t e dr e s p e c t i v e l y ( 5 ) i nt h es o r g h u mp o te x p e r i m e n t s ，t h ea n a l y t i cr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ec o n t e n t so f t o t a l 6 贵州大学硕士论文有机肥对土壤一小麦、高粱系统中重金属污染的环境效应研究 h g ，c d ，p ba n da v a i l a b l eh g ，c d ，p bi n s o i l sw e r ei n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n ga m o u n to f h g ，c d ，p ba d d e d , s ot h a tt h ec o n t e n to fh g ，c d ，p bi n so r g h u mw a si n c r e a s e d r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc o n t e n t so fa v a i l a b l eh g ，c d ，p bi ns o i l sa n dc o n t e n t so fh g ，c d ，p b i nr o o t s ，s t e m s l e a v e sa n ds e e d so fs o r g h u mw e r es i g n i f i c a n tp o s i t i v l y c o r r e l a t e d r e s p e c t i v e l y ( 6 ) i nt h es o r g h u mp o te x p e r i m e n t s ，t h ea v a i l a b l eh g ，c d , p bi n s o i l sw e r eo b v i o u s i n f l u e n c e db yt h eo r g a n i cf e r t i l i z e r t h er e s t r a i n i n ge f f e c to fa p p l i e do r g a n i cf e r t i l i z e rf o r c o n t e n t so fa v a i l a b l eh g ，c d ，p b i ns o i l si st h a tt r e a t m e n to fh i g h e ro r g a n i cf e r t i l i z e rw i t h l o w e r h g ，c d ，p b i s b e s t t o o ( 7 ) i nt h es o r g h u mp o te x p e r i m e n t s ，r e l a t i o n s h i p sb e t w e e na m o u n to fa p p l i e do r g a n i c f e r t i l i z e ra n dc o n t e n t so fh g ，c d ，p bi ns o r g h u mr o o ta n ds t e r n l e a fu n d e rl o w e rh g ，c d ，p b l e v e li ns e e d i n gp e r i o da r es i g n i f i c a n tn e g a t i v ec o r r e l a t e dr e s p e c t i v e l y , b u tr e l a t i o n s h i p s b e t w e e na m o u n to fa p p l i e do r g a n i cf e r t i l i z e ra n dc o n t e n t so fh g ，c d ，p bi ns o r g h u mr o o t , s t e r n l e a fa n ds e e du n d e ra l lh g ，c d ，p bl e v e l si nh a r v e s t i n gp e r i o da les i g n i f i c a n tn e g a t i v e c o r r e l a t e dr e s p e c t i v e l y ( 8 ) t h ed i s t r i b u t i o nr e g u l a ro fc o n t e n t so fr i g ，c d ，n i ，p bi nw h e a t o r g a n si st h a tr o o t s t e m l e a f s e e d ；t h ed i s t r i b u t i o nr e g u l a ro fc o n t e n t so fh g ，c d ，p bi ns o r g h u ma o r g a n si sr o o t s t e m l e a f s e e d ( 9 ) i np o t se x p e r i m e n to fw h e a t ：t h eb e s tl e v e lo fo r g a n i cf e r t i l i z e rf o rr e d u c et h eh g ，c d ， n i ，p bo f w h e a ti sf 2 ( 4 0 9 k g ) 、f 3 ( 6 7 9 k g ) ；i nf i e l d se x p e r i m e n to f w h e a t ：t h eb e s tl e v e l o fo r g a n i cf e r t i l i z e rf o rr e d u c et h eh g ，c d ，n i ，p bo f w h e a ti sd ( 0 4 5 k g m 2 ) a n de ( 0 5 3 k g m 2 ) ：i np o t se x p e r i m e n to fs o r g h u r n ：t h eb e s tl e v e lo fo r g a n i cf e r t i l i z e rf o rr e d u c et h e h g ，c d ，n i ，p bo f s o r g h u mi sf 2 ( 1 3 9 k g ) ( 10 ) t h er e s u l to fe n v i r o n m e n t a le v a l u a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h es o i lo fw h e a t 、s o r g h u m p l a n t e ra r e ao fg u i z h o uh a sn o tb e e np o l l u t e d ，b u tt h ep ba l r e a d yr e a c h e dt h ew a r n i n gl e v e l ； t h ec d ，h g ，p b ，a n dn ia r ea l lb e l o wt h ef o o ds a f e t yl e v e l t h e r e f o r ew ek n o w st h eh e a v y 7 贵州大学硕士论文有机肥对土壤一小麦、高粱系统中重金属污染的环境效应研究 m e t a lc o n t e n ti ns o i lo fw h e a t 、s o r g h u mp l a n t i n ga r e ai sl o w , t h ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t yo fs o i l i sg o o di nw h e a la n ds o r g h u mp l a n t e ra r e ao fg u i z h o u k e yw o r d ：g u i z h o u , o r g a n i cf e r t i l i z e r , m e r c u r y , l e a d ，c a d m i u m ，n i c k e l ，w h e a t , s o r g h t i m 8 。 贵州大学硕士论文有机肥对土壤一小麦、高粱系统中重金属污染的环境效应研究 原创性声明 一本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 三：盘蠢昼 e l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：兰l 三查整导师签名：驻 日期：至q q 星生月论文作者签名：篁l 皇查逸导师签名：隧日期：至q q 星生月 贵州大学硕士论文有机肥对土壤一小麦、高粱系统中重金属污染的环境效应研究 前言 环境问题是一个关系到入们日常生活生产的重要问题，是当前世界五大问题之一。土壤 问题和重金属污染问题是导致环境问题的两个重要因素。在农业生产上，这两个问题尤其严 重，土壤是人类赖以生存和发展的宝贵自然资源，由于工农业的发展和人口数量的增加，致 使农业土壤的数量不断减少，农业土壤质量不断下降，严重影响了人类的身体健康( 白瑛等， 1 9 8 9 ) 。重金属是是土壤污染的头号有害物质，土壤对重金属的承受能力是有限的，当有害 物质的积累超过了土壤承受能力的限度时，将要向人类食用的农作物转移，会造成巨大的无 可挽回的灾难( 陈怀满，1 9 9 6 ) 。因此，这些问题都是农业生产亟待解决的问题。 我国是迈进w t o 的发展中国家，既面临着与世界接轨，又要建设、发展、强大，存 在人口多、土壤资源有限的现实情况。贵州是一个喀斯特强烈发育的高原山区。贵州处于世 界喀斯特集中分布的亚洲片区中心，是中国喀斯特分布面积最大、发育最复杂的一个省区。 其喀斯特分布面积占全省面积的8 5 ，其中出露的碳酸盐岩面积达1 5 万平方公里，占全省土 地总砸积的7 3 6 。在全省3 9 0 0 万人口中，有近9 0 居住在碳酸盐岩岩溶地区( 林昌虎等， 1 9 9 9 ) 。由此可见贵州的土壤资源是很贫乏的。土壤一旦遭受重金属污染，就难以在短时间 内除去，就会对贵州本来已经很薄弱的农业带来更大的危害。对土壤中重金属的研究的最终 目的在于优化重金属污染土壤的治理途径。对于已有的电化学等治理方法不仅花费高，而且 过程复杂，技术不完善。而利用植物修复污染土壤周期长，生物量小，对生长环境要求严格， 且多是热带、亚热带野生物种( 陈玉成，1 9 9 9 ) ，要想在贵州广泛应用还有许多困难。同时 我们不可能以牺牲人民的温饱来换取土壤的清洁，又不能用大量的资金去治理污染土壤，应 采取行之有效的农业生产措施，改善土壤环境，通过降低土壤中污染元素的生物可利用性的 办法来减少对作物的危害是十分必要的。因此研究一种投资小、周期短、见效快、稳定强、 副作用小、治理彻底和适用性广的土壤治理方法，是当前的迫切任务。 1 土壤一植物系统重金属污染研究的现状及发展趋势 1 1 土壤重金属污染物来源及形态 重金属指的是比重大于或等于5 0 9 c m 3 的金属，如c d 、c r 、n i 、c u 、h g 、z n 、p b 等。 一般说来，土壤重金属污染指的是由于人类活动将重金属加入到土壤中，致使土壤重金属含 9 贵州大学硕士论文有机肥对土壤一小麦、高粱系统中重金属污染的环境效应研究 量明显高于原有含量，并造成生态环境质量恶化的现象( 陈怀满等，1 9 9 6 ) 。农田土壤中的 重金属元素从生物化学特征上可分为两类，一类是对作物和人畜都有害的，如p b 、c d 和h g 等；另一类是在常量下对作物或人体为有益元素，而过量时出现危害，如c u 、z n 、l l n 、c r 等( t y l e r 等_ 1 9 8 9 ) 一：一 土壤的重金属污染主要来源有( 1 ) 工业“三废”的排放，( 2 ) 汽车尾气，( 3 ) 城市生活垃圾、 污泥农用和有机肥等，( 4 ) 含重金属的农药、化肥的不合理使用，等等。 由于土壤组成的复杂性和土壤物理化学性状( p h 、e h 等) 的可变性，造成了重金属在土 壤环境中的赋存形态的复杂和多样性( 李天杰，1 9 9 5 ) 。进入土壤中的重金属，通过溶解、 沉淀、凝聚、络合、吸附等各种过程，形成不同的化学形态，并表现出不同的活性，进而影 响植物的有效性( 丁疆华，2 0 0 1 ) 。按t e s s i e r 连续浸提法，一般将土壤中的金属形态划分 为可交换态，碳酸盐结合态，铁锰氧化物结合态，有机态和残余态。但不同的提取方法划分 的形态有所差异。在重金属污染土壤的治理中，如果使对植物有效的重金属形态转化成无效 的难溶态，则可减少作物对重金属的吸收( 李宗利等，1 9 9 4 ) 。 l2 土壤重金属的迁移规律 进入土壤的重金属污染物由于土壤胶体的吸附、代换、络合和螯合作用以及生物作用， 大部分被固定在耕作层中，很少向下迁移。重金属元素主要分布在土壤耕作层的现象，对作 物的生长及其卫生品质都带来了不利影响( 冯恭衍等，1 9 9 1 ) 。 ( 陈健安等，2 0 0 1 ) 研究表明污染区的p b 主要滞留在表层，随着深度的增加，含量逐渐 下降。这种分布状态与土壤性质有关。p h 值是影响重金属迁移、转化的重要因素，其溶解 度随土壤p h 值的升高而降低，因而重金属在p h 值高的土壤中不易迁移。有机质含量是影响 p b 迁移的又一个方面。一般进入土壤中的p b 易与有机质络合，使p b 在土壤中的活动性减 弱。由于表层土壤有机质含量比较高，p h 值又不太低，因此p b 不易在土壤表层中迁移、转 化，这是p b 主要滞留在土壤表层的主要原因( 李宗利等，1 9 9 4 ) 。 水稻田( 污染区) 土壤和稻谷中c d 、p b 含量的研究表明，各污染区c d 、p b 含量在土壤剖 面中的分布以表层( 0 1 2 c m ) 为最多，随着土壤深度增加，存留量逐渐降低。污染区与重污 染区底层土壤c d 、p b 含量明显高于对照区底层土壤c d 、p b 含量( 马丽等，2 0 0 4 ) 。 1 3 土壤一植物系统中重金属的生物有效性 重金属进入土壤后，会被作物吸收。重金属的生物有效性( a v a i l a b i l i t y ) 指重金属能被 1 0 贵州大学硕士论文有机肥对土壤一小麦、高粱系统中重金属污染的环境效应研究 生物吸收或对生物产生毒性的性状( 郭明新等，1 9 9 8 ) 。土壤一植物系统中影响重金属生物 有效性的因素很多，主要有土壤性质、重金属的复合污染和根际环境等。 1 3 1 土壤特性对重金属生物有效性的影响 金属离子在土壤中会进行二系列络氰吸附、解吸、迁移等物理化学反应，这些过程决一 定着金属离子在土壤中的有效性和分散性，只有溶解性的和可交换态形式的离子才可直接被 作物吸收( w e is h i q i 朋n g 等，2 0 0 0 ) 。而土壤条件的改变控制着有效金属离子的浓度。这些 土壤参数包括p h 值、交换阳离子容量( c e c ) 、有机物含量、碳酸盐含量、水和f e l 垤n 氧化物、 氧化还原能力( e h 值) 和温度等。对生长在一定土壤中的植物来说，其种类和栽培技术也是 影响植物组织中各污染因子浓度的因素( r o m k e n sp f a m 等，1 9 9 9 ) 。 p h 值增高会引起土壤对金属的吸附量增加，从而使植物的吸收量下降。r o m k e n sp f a m 的研究表明，随着土壤p h 值、有机物和黏粒含量的增加，大部分微量元素会因吸附作用， 或者形成络合物而使浓度下降、离子活性减小。 1 3 2 有机质对土壤中重金属的活化作用 有机质对土壤中重金属的吸附作用有着深刻的影响，它可改变溶液重金属的存在状态， 或改变吸附体的表面性质而影响重金属的吸附。有机质能增加或抑制重金属的吸附，或对吸 附不产生明显作用( 王果等，1 9 9 9 ) 。向土壤中施入有机肥可减缓c d 污染对作物的危害。有 机质有很大的比表面积，对c d 2 + 有强烈的吸附作用，尤其是有机质分解产生的腐殖酸可与c d 2 + 形成螯合物沉淀。有机质也可与c d 形成高稳定性的可溶性物质，虽然能大大提高土壤中c d 2 + 浓度，但不增加植物的吸收；而形成小分子的可溶性络合物时，却能提高植物对c d 2 + 的吸收。 利用有机质作为c d 污染土壤的改良剂时，这种情况应值得注意( 张敬锁等，1 9 9 9 ) 。 1 3 3 根际环境对重金属生物有效性的影响 由于根系分泌物的存在，所以根际微区的物理、化学、生物特性等都异于土体。重金属 在这里发生酸碱反应、氧化还原、络合、离解，以及吸附解吸，导致重金属形态变化，改变 其生物有效性和生物毒性( 林琦等，1 9 9 9 ) 。 一般认为，根际活动能活化根际重金属，提高其生物有效性。z n 、p b 、c u 在非根际环境 中以可迁移的化学形态存在，而在根际环境中它们主要以残渣态存在。通常根际可能存在交 换态、碳酸盐态向铁锰氧化物结合态转化的机制( l s a b e lc a c a d o r 等，1 9 9 6 ) 。燕麦根际分 泌物可以溶解铁锰氧化物，从而增加z n 、c d 和n i 的植物有效性。但机理方面的研究尚处于 探索阶段( m e n c hm i 等，1 9 9 4 ) 。 。 贵州大学硕士论文有机肥对土壤一小麦、高粱系统中重金属污染的环境效应研究 1 3 4 重金属交互作用对生物有效性的影响 ( 陈怀满等，1 9 9 8 ) 研究表明c d 、p b 、c u 、z n 和a s 的交互作用促迸了c d 、p b 、z n 的 活化，而增加植物的吸收，对a s 反而有所抑制。以c d 为例，p b 、c u 、z n 和a s 浓度增加有 利于土壤c d 的解吸，7 0 以上的吸附态c d 可以被解吸下来j 一进入土壤溶液。当c d 和p b 交 互作用时，p b 可能会夺取c d 在土壤的吸附位而提高土壤中c d 的有效性。据水培研究，当 c d 与z n 共存时，z n 有促进c d 向地上部分转移的作用，a s 可促进苜蓿吸收c d 向地上茎叶 运转的功能( 吴燕玉等，1 9 9 7 ) 。 重金属交互作用的强弱与土壤p h 值密切相关。当p h 值较低时，土壤中重金属可溶态含 量增加，植物对污染物的吸收量增加，元素间交互作用就强。复合污染研究表明，多离子共 存更接近现实条件，而过去根据单元素试验制定的环境质量标准，没有充分考虑多种金属离 子共存时的交互作用，与实际情况有差异( 吴燕玉等，1 9 9 7 ) 除以上几个影响因素外，土壤的营养成份含量、氧化还原作用、温度及时间等因素也会 不同程度地影响重金属的有效性。只是在不同条件下所起作用不同。我们可以利用这些因素， 适当控制植物对重金属的吸收，从而减少重金属对食物链的危害( 魏成熙等，2 0 0 5 ) 。 1 3 5 植物种类和农业活动对重金属生物有效性的影响 植物种类的差异，直接决定吸收重金属的能力的差异。同一种植物种类对不同的重金 属元素的吸收能力不同，不同种类的植物对同一种重金属元素的吸收能力也不同。同时，同 一种重金属元素在不同植物体内的分布有显著差异。( 王新等，1 9 9 8 ) 研究了玉米、水稻、大 豆、小麦不同农作物对重金属的吸收，就z n 而言，玉米茎叶是吸收的主要部位，大豆和小 麦的z n 主要集中在籽实，水稻却集中在根部( 王新等l 嘲) 植物的生长也会影响土壤中重金属的赋存状态和移动性，植物根部的阳离子交换量及 植物体内的各种氨基酸对重金属的吸收也有一定影响( 徐红宁等，1 9 9 5 ) 。 农业活动对重金属生物有效性有重要影响。如施加磷肥则会降低土壤重金属的生物有效 性，减少植物对重金属的吸收( 曹仁林等，1 9 9 3 ) ，在酸性土壤中施用石灰可普遍降低了植 物中重金属的含量。 1 4 土壤一植物系统重金属污染评价 开展重金属污染土壤的环境质量研究一方面可以了解土壤重金属的污染程度和现状，并 且以直观的数学方式表达出来，有利于进行判断；另一方面可以针对现有的情况进行合理的 农业和工业生产布局，维护人们的自身的健康，同时还可以有计划、有步骤的开展防治和修 1 2 贵州大学硕士论文 有机肥对土壤一小麦、高梁系统中重金属污染的环境效应研究 复工作( 何佳芳等，2 0 0 6 ) 。现有重金属污染土壤的环境质量评价包括两个大的方面。 1 4 1 评价标准的选择( 刘培桐，1 9 9 5 ) 土壤作为环境要素不象大气和水体那样，污染物可直接进入人体危害健康。土壤污染 物须通过食物链，主要是通过作物才能进人体，而且土壤和人体之间的物质平衡关系比较复 杂，故确定土壤污染的卫生标准难度较大。另外，土壤作为自然体而有其固有的地域成因， 组成物质均一性差，这也是难以确定统一的土壤污染物质卫生标准的原因之一( 刘培桐， 1 9 9 5 ) 。一般选用如下的标准： ( 1 ) 以区域土壤背景值为评价标准。土壤背景值是指在一定区域内，远离工矿、城镇和道 路，未曾受到或相对受到“三废”污染的土壤有毒物质的平均含量。 ( 2 ) 以土壤本底值为评价标准。土壤本底值是指未受人为污染的土壤中有毒物质的平均含 量。 ( 3 ) 以区域性土壤自然含量为评价标准。区域性土壤自然含量是指在清水灌区内，选用与 污水灌区的自然条件、耕作栽培措施大致相同、土壤类型相近的土壤中有毒物质的平均含量。 ( 4 ) 以土壤对照点含量为评价标准。土壤对照点是指在未污染地区的土壤上选择与污染地 区的自然条件、土壤类型和利用方式大致相同的土壤作为对照点，以一个或几个对照点的平 均值污染物含量作为对照点含量。 ( 5 ) 以国内外现以认可得的土壤环境标准( 或基准) 作为评价标准。我国在1 9 9 5 年制定 了国家土壤环境质量标准( g b l 5 6 1 8 1 9 9 5 ) 。 ( 6 ) 以土壤的临界含量作为评价标准。土壤临界含量是土壤污染评价中另一个关键的土壤 重金属污染的限值，但现在对土壤临界含量的含义、依据和临界值的高低还不统一。一般以 作物体中污染物含量超过食品卫生标准时，土壤中该污染物的浓度含量为重要依据。如日本 以稻米中含c d 量达到l m g k g 时的土壤中c d 的浓度2 m g k g 为临界含量。 如何确定和统一土壤环境评价与分级标准是一个有待进一步解决的重要问题。评价标准 的高、低，均会给土壤环境评价带来影响，为土壤污染防治带来经济和人力上的浪费。 1 4 2 评价方法 ( 1 ) 生物法 所谓土壤被污染，主要是由于土壤引起了生物的某种反应。所以，可根据生物反应的情 况，来判断土壤污染。 植物反应：常根据植物叶片、长势和产品来衡量土壤污染状况。例如，a s 污染的土壤， 其生长的植物首先表现在新“功能叶”萎蔫，继而阻止植物根部和顶部生长。水稻受a s 毒 1 3 贵州大学硕士论文有机肥对土壤一小麦、高粱系统中重金属污染的环境效应研究 害，表现出叶卷曲，死组织呈紫红色或淡红色，最后变成淡黄色。n i 污染土壤所生长的植 物，最初没有表现，以后叶片才失绿，与缺铁相似。累积量：利用植物中重金属累积量；或 者用它与土壤中重金属累积量之比；或用农作物对重金属的吸收率作为土壤环境质量评价标 准。评定不同土壤的污染程度，须采用同一作物，同一部位的重金属累积量进行比较。 ( 2 ) 毒理法 根据作物中毒物对人体影响的剂量作为土壤污染评价标准。例如，稻米中c d 含量超过 o 4 l l l g k g ，成人日摄取量超过0 3 m g ，土壤的0 1 m o l lh c l 浸提液中含c d 达0 3 3 m g k g ， 为土壤污染区。 ( 3 ) 指数法 土壤污染评价指数法包括分指数法和综合指数法。分指数法：以土壤单项污染物的实测 值与评价标准相比，比值为分指数，用以表示土壤中该污染物的污染程度。即： i j - c ；s j 式中，i ，为第i 种污染物的污染分指数：c ，为第i 种污染物实测含量；s t 为第i 种污染 物质量评价标准。 根据分指数的大小，划分污染等级，作为土壤污染评价的客观依据( 刘培桐，1 9 9 5 ) 。 综合指数法：土壤一般为多项重金属元素所污染，因而土壤污染评价多应用综合指数法 进行综合污染评价。综合指数法的计算，一般是在求得各单项因子污染分指数的基础上，再 计算多因子综合污染指数( 刘培桐，1 9 9 5 ) 。 综合指数法主要有：均权迭加法、均权迭加均值法、均权平方根法、均权均值平方根法、 内梅罗指数法、加权迭加法、基数迭加法等在求得土壤污染综合指数后，根据综合指数值的 大小，划分土壤污染等级，然后，依据土壤污染等级指标，可对研究区进行土壤污染评价。 ( 4 ) 其他评价法 国内外许多学者将模糊数学理论和灰色系统理论应用于土壤重金属污染评价中，产生了 模糊数学综合评判法和灰色聚类法。其后将灰色聚类法加以改进，出现了等斜率灰色聚类法 以及将层次分析法理论用于土壤重金属污染评价的基准分析法等。 模糊数学综合评判法简称模糊法，是利用土壤质量分级差异中间过渡的模糊性，将土壤 污染方法按照不同分级标准，通过建立隶属函数在闭区间 0 ，1 内连续取值来进行评价的方 法( 舒东妮等，1 9 8 9 ) 。主要步骤有：对单项污染指标分别建立隶属函数，求出隶属度；建 立模糊关系矩阵：计算各污染因子的权重：进行模糊聚类，综合评判，取聚类系数最大者为 该测定对象的污染级别。 1 4 贵州大学硕士论文有机肥对土壤一小麦、高粱系统中重金属污染的环境效应研究 灰色聚类法基于环境质量系统的灰色性，考虑多项因子的综合影响，将聚类对象对于不 同聚类指标所拥有的白化数，按几个灰类进行归纳，从而判断该聚类对象属于哪一级( 王金 生。1 9 9 1 ) 。它须经过将实测值和评价标准进行无量纲化处理：通过建立白化函数来反映聚 类指标对灰类( 评价指标) 的亲疏关系求取聚类权；计算聚类系数等步骤，根据聚类系数的大 小来判断土壤污染级别，污染级别为聚类系数中最大者。 等斜率灰色聚类法是在灰色聚类法的基础上作了一些改进的评价方法( 丁进宝，1 9 9 3 ) 。 其原理与灰色聚类法大致相同，只是以等斜率方式构造白化函数，并以修正系数代替灰色聚 类法中的聚类权而对白化函数进行修正。在评价中要经过求白化函数的阈值，构造白化函数， 求修正系数，计算聚类系数等步骤，以聚类系数最大者为污染级别j 基准分析法是在特定的指标下，从众多的评价对象中选择少数的几个具有代表性的点， 作为评价的基准点( 张松滨，1 9 9 0 ) 。基准点包括在特定的指标下评价对象中最大、最小值 点，其余各点以选择出现频率较多的点，或次大、次小值点为好，但也可任选。是一种人为 选择的理想基准状态点。然后，基准点两两比较，根据层次分析法原理给出相应的基准判断 矩阵，求出基准点在特定指标下的相对单排列顺序向量。在相同条件下，各评价对象与基准 点比较，得出总体判断矩阵，而后求出总排序向量。叠加各指标下的总排序向量，并经归一 化处理，即可得出各评价对象的相对优差程度。 对于植物的重金属污染评价多采用污染指数法，和土壤重金属污染评价的指数法相似， 这里不再赘述。关于农作物重金属污染评价标准，学者们多采用国家食品卫生限量标准( 白 云，2 0 0 2 ) 。 1 5 土壤一植物系统重金属污染治理研究现状 由于土壤重金属污染的潜在性、不可逆性、长期性和后果的严重性，所以土壤重金属 污染的治理应立足于“防”重于“治”的基本方针( 陆引罡等，2 0 0 4 ) 。目前，大多数土壤 一植物系统重金属污染治理方法尚处于试验阶段，再加上治理费用等问题，实际能应用的成 熟方法很少。 1 5 1 工程措施 工程措施治理土壤一植物系统重金属污染的方法主要包括客土、换土、翻土、去表土等。 此种方法效果好，适用于大多重金属污染物治理和多种条件。汪雅各等人对上海市宝山区和 川沙县两种重金属污染土壤进行客土改良试验表明，经客土处理后土壤表层重金属元素含量 大大降低，同时可使青菜体内c d 等重金属残留量平均下降5 0 - - - - 8 0 ( 汪雅各等，1 9 9 0 ) 。 1 5 。 贵州大学硕士论文有机肥对土壤一小麦、高粱系统中重金属污染的环境效应研究 但是该方法投资大，易导致土壤肥力的减弱。 1 5 2 化学措施 施用化学改良剂、抑制剂等降低土壤重金属污染物的水溶性、扩散性和生物有效性，从 而降低污染物进入生物链的能力，减轻对土壤生态环境的危害( 何电源等，1 9 9 1 ) 。例如， 在某些重金属污染的土壤中施入石灰、矿渣等碱性物质，可使重金属生成氢氧化物沉淀；添 加膨润土、合成沸石等交换容量较大的物质来钝化土壤中的重金属等。化学措施虽然操作简 便，在污染不太严重的地区能获得良好的改良效果，但是在污染严重地区，很难将粮食、蔬 菜等作物可食部分的重金属含量降低到可以接受的水平( 吴燕玉等，1 9 8 4 ) 。 1 5 3 生物措施 生物措施是利用特定的动、植物和微生物吸收或降解土壤中的重金属元素，以达到净 化土壤的目的。早期生物治理采用的主体生物类群多为微生物。最近，植物修复正成为生物 治理措施中的一个亮点。植物对污染土壤的修复有植物提取、植物固定、植物挥发和植物降 解四种方法( 沈德中，2 0 0 2 ) 。超量积累植物已成为环境保护工作者追寻、筛选的目标。我 国对植物修复和超量积累植物的研究己有良好的开端( 孙波等，1 9 9 9 ) 。但是植物修复的研 究多集中在超量积累植物上，而野生超量积累植物有其自身不可克服的缺陷( t k 长速度缓慢， 植株矮小，单株干物质重量小) ，这为实际应用带来很大的困难( 沈振国等，1 9 9 8 ) 。 1 5 。4 生态措施 无论是工程、化学措施，还是生物措施，其目标追求的都是希望彻底改良土壤，消除 重金属污染危害，恢复作物的最佳生长环境。生态措施不刻意追求对环境作根本性改造或改 良，它的基本特征是充分利用生物( 植物) 的抗逆基因，使生物最大限度地适应污染环境，同 时辅以适当的工程、化学措施，降低环境对生物的胁迫作用，在协调生物与环境的相互关系 之中获取符合要求的产品和生产效益( 王凯荣，1 9 9 7 ) 。生态措施的最终目标是实现污染土 壤的安全与高效的农业利用。汪雅各等人在上海宝山区进行蔬菜重金属富集轮作试验，根据 各种蔬菜的重金属富集率不同的特点，合理安排蔬菜轮作茬口。试验结果明，低富集轮作与 普通轮作相比，可使蔬菜镉含量降低5 0 8 0 ，还可明显提高蔬菜产量和产值( 汪雅各等， 1 9 9 0 ) 。 1 6 存在问题与发展趋势 当代社会人类正面临环境污染、土地减少、能源危机、人口膨胀等重大问题的严峻挑 战，走可持续发展之路已成为全世界的共识。农业的可持续发展是经济社会可持续发展的基 1 6 贵州大学硕士论文有机肥对土壤一小麦、高粱系统中重金属污染的环境效应研究 础，而未来农业能否持续发展主要取决于土壤环境资源可否持续利用，换言之也就是取决于 壤环境能否得到保护与改善，土壤肥力能否得到维持与提高。壤一植物系统的重金属闯 题正与上述问题解决密切相关。展望未来，世界土壤科学的研究前沿将很大程度偏重于土壤 一植物系统的污染生态研究，而重金属污染问题将是其中最活跃的研究领域。结合我国实际， 以下几个方面应是今后研究工作的重点。( 1 ) 加强重金属在水一士一植物一动物一人类食物 链传递规律及慢性毒害机理的研究；( 2 ) 把g i s 、r s 、g p s 等计算机信息技术应用于土壤一植 物系统重金属污染研究领域，研究区域土壤重金属含量的空间变异与分布规