天津污灌区小麦重金属富集能力研究

天津污灌区小麦重金属富集能力研究

天津位于中国北方平原的东北部。它是海河流域的最下游。北与燕山相连，东与渤海接壤。由于华北地区多年来干旱少雨,而海河流域上游各地为经济发展修水坝建水库,使得进入天津的客水量明显减少,工农业用水短缺。同时,京津两地大量未经处理的工业和生活污水通过永定新河、北京排污河等排入渤海。这些过境污水,已经成为天津弥补农业用水不足的重要措施,形成了长达几十年的污灌区。1999年农业部门统计天津污灌面积达到23.403×104hm2,占灌溉总面积66%,其中:纯污灌面积为8.28×103hm2,占总污灌面积的7.21%;清污混灌面积为81.9×103hm2,占总污灌面积的71.29%;间歇污灌面积为24.69×103hm2,占总污灌面积的24.49%。污水灌溉在解决农业用水不足的同时,污水中含有大量的有毒重金属元素随之进入土壤中,进而通过食物链危害人的健康。因此,分析研究天津污灌区土壤-作物系统环境质量具有重要的意义。天津污灌区水田、园田土壤-作物重金属污染方面的研究较多[1~5],但天津污灌区土壤中重金属对小麦的影响研究较少,本文针对天津污灌区土壤中重金属对小麦的影响因素进行分析。1样品采集与分析1.1网格法布点和对照点布设根据不同行政区划、土壤类型、土壤理化性状、污灌强度以及污灌面积,对全市污灌区中7个区县(西青区、东丽区、津南区、北辰区、宁河县、宝坻区和武清区)的农田基地采用网格法进行布点,并相应设置对照点。同时使土样采样点的布设在空间均匀分布并具有一定密度(布点密度为5km×5km),从而保证土壤环境质量调查的代表性和精度。结合土样的采集,植物样品选自武清区、宝坻区和北辰区的部分样点。1.2样品的采集和处理1.2.1土壤地质情况调查根据布设的采样点,在实地选择具有代表性的农田取0~20cm耕作层土壤,采用蛇形采样方法,采样为1kg左右,每个样品由10个取土点均匀混合[6~8]。记录采样点的地理地质状况,调查施肥和耕作情况以及附近的污染源情况。对采集的土壤样品首先除去植物残体、碎石,室内风干,破碎筛分。1.2.2测定植物的根系、茎叶、籽实分开见表1按照代表性、典型性和适时性的原则,结合土样的采集,于2005年收获期采集小麦样品共24个。在划分好的采样小区内,采用梅花形五点取样法采集代表性的植株。在每个采样小区内的采样点上,采集5处的植株混合组成一个代表样品,采集时尽量保持根系的完整,不损失根毛。整株采集后带回实验室,按根系、茎叶、籽实分开处理:作物样品分别用自来水和去离子水冲洗,将洗净的植物鲜样尽快放在干燥通风处风干(茎杆样品劈开);将风干的样品去除灰尘、杂物、用剪刀剪碎,再用磨碎机磨碎过100目尼龙筛;将制备好的样品装入聚乙烯塑料袋中,贴好标签,注明编号、采集地点、分析项目,并填写采样登记表。1.3土壤分析与检测方法监测项目包括土壤pH值、有机质、全盐量以及主要重金属污染物Cd、Cu、Pb、Zn、Cr和Ni的全量。1.3.1电动振荡机组仪器:电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)仪,PHs-10A型数字显示离子计,分析天平,电烘箱,水浴锅,电动振荡机等。试剂:硝酸(优级纯),高氯酸(分析纯),氢氟酸(分析纯),过氧化氢,去离子水,1.6000mol·L-1重铬酸钾标准溶液,0.4mol·L-1硫酸亚铁溶液,邻啡罗啉指示剂,石蜡植物油,浓硫酸。1.3.2土壤理化性质的测定土壤重金属全量和小麦重金属含量的测定:土壤重金属全量分析采用HNO3-HClO4-HF三酸消化法处理后,采用ICP-AES等离子光谱法分析。植物样品用HClO4和HNO3消化处理,采用ICP-AES等离子光谱法分析。土壤pH值、有机质和全盐量的测定:土壤的pH值用电位法测定;土壤有机质用重铬酸钾法(亦称丘林法)测定;土壤全盐量用重量法测定。2结果与讨论2.1混播灌溉2.1.1种重金属元素样点的cu和pb、zn的范围值,均处于清洁水平调查结果表明(表1):天津市污灌区农田土壤重金属中,Cd的范围值在0.03~1.17mg·kg-1之间,平均为0.46mg·kg-1,明显超过了天津市土壤环境质量中尚清洁的二级标准,处于污染水平,超标率为89.8%。重金属元素Cd的变异系数较大,说明天津市污灌区农田土壤的各污染样点间存在着较大的差异。Cu的范围值在10.92~61.32mg·kg-1之间,大部分样点的值在天津市土壤环境质量的二级标准之内,处于清洁和尚清洁水平。以平均含量来看,平均值处于背景值内。Cu的标准差和变异系数都不大,说明各污染样点间存在着污染程度的相似性。Pb的范围值在3.8~49.79mg·kg-1之间,且大部分样点都在背景值内,平均含量亦显示了Pb处于清洁水平。Pb的变异系数较大,说明各污染样点间存在着一定程度的差异。Zn的范围值在62.22~307.2mg·kg-1之间,有近一半的样点超过天津市土壤环境质量的二级标准。以平均含量来看,已经超出二级标准,处于轻度污染水平。在6种重金属元素中Zn的标准差和变异系数都较大,说明各污染样点间也存在着较大程度的差异。Cr的范围值在40.16~108mg·kg-1之间,监测样点全部在二级标准内,平均值也在背景值内。标准差和变异系数都较小。Ni的范围值在15.91~61.42mg·kg-1之间,平均含量在背景值内。标准差和变异系数均较小。2.1.2不同重金属来源之间的相关性研究土壤中重金属全量间的相关性可以推测其来源是否相同,若重金属含量有显著的相关性,表明有相同来源的可能性较大,否则来源可能不止一个。对表层土壤各种重金属之间的相关分析表明(表2),在全部表层土壤样品中,除Zn和Ni的相关系数较小外,其余各元素之间的相关系数均呈显著相关,说明这些重金属来自相同污染源的概率极大。由于污染区往往出现数个元素含量同时增高的现象,呈现复合污染的趋势,这也是天津市污灌区土壤重金属污染的重要特征之一。2.1.3各重金属元素对土壤有机质、全盐和ph值的影响重金属元素在土壤中的地球化学行为与土壤性质有关。土壤重金属全量受土壤理化性质的影响,其相关系数见表3。天津市污灌区农田土壤中各重金属元素与土壤有机质呈较强的正相关关系,可见有机质含量高的土壤对重金属的吸附量大。对各元素与土壤有机质的相关关系系数进行排序,Cu>Cr>Pb>Cd>Ni>Zn,Cu受土壤有机质的影响最大。各重金属元素与土壤全盐量也呈一定的正相关关系,对各元素与土壤全盐量的相关关系系数进行排序,Cr>Cu>Pb>Zn>Cd>Ni。各重金属元素与土壤pH值呈弱的负相关关系,对各元素与土壤pH值的相关关系系数进行排序,Cr>Cu>Pb>Zn>Cd>Ni。综合分析表明,土壤中各重金属元素含量与土壤有机质、全盐和pH值的相关关系系数均为有机质>全盐量>pH值,表明土壤中重金属含量受有机质的影响最大,有机质具有强烈吸附重金属元素的能力,其次为全盐量。土壤中各重金属元素含量受pH值的影响最小。2.2小麦体内重金属含量与形态污灌区小麦的根、茎叶和籽实对不同重金属的吸收能力是不同的(表4)。Cd在小麦不同部位的平均含量顺序为根>茎叶>籽实,根是茎叶和籽实中含量的2.73、3.51倍,而在茎叶和籽实中的含量相差不大。小麦籽实中Cd的平均含量超过了食品卫生限量标准(0.05mg·kg-1),表明小麦已被Cd污染。Cu在小麦不同部位的平均含量顺序为根>籽实>茎叶,根、茎叶和籽实中含量相差不大,籽实中含量未达到食品卫生限量标准。Pb在小麦不同部位的平均含量顺序为根>茎叶>籽实,根是茎叶、籽实中含量的2.80和9.06倍。籽实中含量未达到食品卫生限量标准。Zn在小麦不同部位的平均含量顺序为根>籽实>茎叶,根分别是籽实和茎叶中含量的3.33和1.43倍。籽实中含量未达到食品卫生限量标准。Cr在小麦不同部位的平均含量顺序为根>茎叶>籽实,根分别是茎叶和籽实中含量的4.41、6.23倍,但在茎叶和籽实中的含量相差不大。籽实中含量未达到食品卫生限量标准。Ni在小麦不同部位的平均含量顺序为根>茎叶>籽实,根分别是茎叶和籽实中含量的6.92、19.19倍,茎叶是籽实中含量的3.20倍。6种重金属元素在小麦根部的含量均最高,说明根部对重金属元素的富集能力最强。植物从土壤中吸收的这些元素,首先在根中积累,然后有一部分被运输到植物体的其他部位,植物体的不同部位,对金属元素积累的状况不一样,通常是植物的地下部分大大地高于地上部分。茎叶和籽实中含量比较,Pb、Cr和Ni在茎叶中的含量明显高于籽实中含量,Cd在茎叶中含量虽然高于籽实中含量,但是相差不大;Zn在茎叶中含量明显低于在籽实中的含量,Cu在茎叶中含量虽低于籽实中的含量,但是相差不大。同一植物种类对不同重金属元素的吸收、富集能力不同,可以用富集系数(又称吸收系数),即植株某器官的重金属质量分数占土壤相应重金属质量分数(实测值)的百分比,以探讨重金属元素在小麦不同器官中的富集能力。此指数可反映重金属元素富集程度和迁移能力大小,富集系数数值愈大,表明作物愈易从土壤中吸收该元素,即该元素的迁移性愈强。小麦根对重金属的富集能力依次为Cd>Zn>Cu>Ni>Pb>Cr,小麦茎叶对重金属的富集能力依次为Cd>Cu>Zn>Pb>Ni>Cr,小麦籽实对重金属的富集能力依次为Zn>Cd>Cu>Pb>Cr>Ni。2.3对土壤理化性质的影响重金属在土壤-农作物系统中的迁移转化机制非常复杂,影响因素很多。土壤的理化性质通过影响重金属在土壤中的存在形态而影响重金属的生物有效性。已有研究表明,土壤中重金属的生物有效性与土壤重金属含量、pH值、有机质、全盐量和土壤类型密切相关。2.3.1土壤重金属含量与cd、pb含量的关系对所监测的24个植物样本的籽实中所含重金属全量与相应的土壤样本中所含重金属全量进行相关关系分析可知:在这6种重金属元素中,Cd和Pb在籽实中的含量与土壤中含量的相关系数较大,分别为0.4463和0.4094,表明受土壤重金属含量影响较大;Zn、Cr、Ni和Cu的相关系数较小,分别为0.2640、0.3616、0.2142、0.1565,表明受土壤重金属含量影响较小。2.3.2土壤ph分析土壤pH值是土壤重要的理化性质之一。几乎所有的研究报告都将土壤pH值列为影响植物对重金属吸收的最主要的土壤因素。对土壤pH值的分析可知,天津污灌区土壤pH值为7.5~8.3,属于弱碱性。对土壤pH值与小麦籽实中6种重金属元素的富集系数的相关关系分析可知(表5),6种元素的富集系数与土壤pH值均成负相关关系,其中Zn和Ni的富集系数与土壤pH值的相关系数最大,表明它受pH值的影响较大。Cd、Cu、Pb、Cr与土壤的相关系数很小,受pH值的影响较小,这可能与天津市土壤的pH值总体较高,土壤呈碱性有很大的关系。2.3.3cd与土壤有机质的相关性分析对土壤有机质的分析可知,天津污灌区土壤有机质含量为1.3%~2.5%。对土壤有机质与小麦籽实中6种重金属元素的富集系数的相关关系分析可知,小麦籽实中Cu的富集系数与土壤有机质呈显著负相关;Cd与土壤有机质有一定的相关性;Zn、Cr和Ni的相关系数很小,不具有相关关系。表明有机质对小麦籽实中重金属的富集系数有一定影响,但是不同重金属元素的富集系数与有机质的相关关系不同,6种重金属元素中,Cu受有机质影响最大,表明小麦对Cu的吸收受土壤有机质影响明显。2.3.4天津污农田土壤重金属元素富集能力土壤全盐量是测算土壤中盐类含量的一项指标,土壤全盐量对农作物中重金属元素的富集能力有一定的影响。对土壤全盐量的分析可知,天津污灌区土壤全盐量为0.023%~0.1%,属于轻度盐化土壤。小麦中6种重金属元素与土壤全盐量的相关系数均较小,相关关系不显著。2.3.5砂体重金属迁移能力对不同潮土土壤质地上小麦籽实重金属富集系数进行比较,重金属元素Cd在砂质潮土和壤质潮土中的富集系数相对较高,分别为0.1801和0.2130,在粘质潮土中的富集系数较低,为0.1220;Cu在砂质土中富集系数相对较高,为0.1592,粘质土中富集系数最低,为0.0999,壤质土中含量居中,表现为粒度越细,含量越低。Pb、Cr、Ni在各种土壤中的富集系数均低。一般来讲,质地粘重的土壤对重金属的吸附力强,降低了重金属的迁移转化能力。Zn在3种土壤中的富集系数相差不大,在壤质潮土中富集系数高,为0.2340,在砂质潮土中富集系数低,为0.1835,这与以前的研究,潮土的不同质地土壤中,砂壤有效Zn的可给性最低,中壤有效Zn的可给性最高一致。3小麦籽实和土壤质地对重金属含量的影响天津市污灌区旱田表层土壤重金属中,Cd、Zn含量已经超过天津市土壤质量的二级(尚清洁)标准,成为污染元素,Cd是最主要的污染物。土壤中重金属来源相似。土壤中各重金属元素含量受多种因素控制。总体来看,土壤中各重金属元素含量与土壤有机质含量有较高的相关关系,与土壤全盐量关系密切。土壤种类和土壤质地对土壤重金属元素含量有一定影响,盐化湿