河北省北运河污灌区作物重金属累积效应研究

河北省北运河污灌区作物重金属累积效应研究

1957年，农业部将废水灌溉列入科研计划，建立大规模的灌溉项目，节约水资源，减少污染排放对环境的损害。之后，污水灌溉技术在全国各地得到广泛推广。污水灌溉最普遍的是北方旱作地区，包括北京、天津、沈阳、济南、西安、石家庄、郑州、齐齐哈尔、洛阳、保定、哈尔滨等地一些著名的污灌区，这些地区占全国污灌面积的90%以上。南方的污灌面积仅占全国污灌面积的6%，主要分布在武汉、成都、长沙等地，其余零星分布在西北和青藏高原等地区。在污灌初期，农业生产确实得到了一定的提高。但由于污水中含有大量重金属等有害物质，随着污灌期的延长，一系列环境问题开始显现。由于大部分污灌区都没有根据水质、土壤类型、水文地质条件、气候条件、作物种类等因素进行统一规划和具体设计，也没有根据污灌的规定进行科学管理和合理灌溉，随着污灌面积和时间的增加，污灌区污染问题，尤其是重金属污染问题越来越严重，目前，受到重金属污染的地区约占污灌总面积的45%。本研究针对污灌对土壤和作物重金属污染，选取北运河污灌区土壤和污灌区种植的小麦、玉米，分析土壤和作物体内重金属含量，了解作物对重金属吸收能力。1分析1.1采样点选取及其水质特点在远离道路、距北运河100m的污灌农田现场采样，根据地矿部1990年《1∶50万区域环境勘察地球化学研究》成果关于“进行环境质量评价的土壤采样深度、采样密度为每平方公里两个监测点”的结论，本研究课题每平方公里选取两个采样点。采集地点选取北运河廊坊地区香河境内，采样点分别选取污灌时间长、具有代表性的王家摆和土门楼地区，王家摆处于北运河上游地区，土门楼处于下游，通过对污灌水质分析表明，2个地区污灌水质中重金属含量王家摆地区高于土门楼地区。同时，选取没有进行污灌的安平地区作为参照点。所研究的污灌区种植作物为夏熟、秋熟两季作物，以小麦、玉米为主，故按照小麦、玉米的生长期，分别采集小麦、玉米不同生长时期根、茎、叶和籽实样品，同时，采集作物根系附近土壤样品。1.2重金属的cu、pb、zn、cd作物处理：作物样品阴干后，取2.00g于150mL高型硬质烧杯中（烧杯使用前用10%硝酸浸泡24h，用水冲洗干净后用蒸馏水冲淋，干燥），放进马弗炉内，逐渐升温灰化。最后在500℃～550℃温度下灰5h，取出自然冷却后加入10mL混酸（HNO3∶HClO4为3∶1）在电热板上消解，消解完毕，颜色变灰白色（注意防止炭化，如溶液有变棕红色趋势，再滴加浓硝酸），继续蒸发至溶液冒浓厚白烟并出现粉红色或黄白色残渣为止。取下烧杯冷却，放冷后打开表面皿蒸干，加入1mol·L-1HCL定溶至20mL,用原子吸收法进行重金属Cu、Pb、Zn、Cd测定。土壤处理：取烘干后的土样2g，放入100mL高型硬质玻璃烧杯中，加少许水湿润，加15mL王水（HCl∶HNO3=3∶1），于电热板上加热保持微沸，至有机物剧烈反应后，加高氯酸4mL，继续加热直至冒白烟，强火加热，直至土样呈灰白色，小心赶去高氯酸（但要注意不出现棕色烧结干块，若出现此现象，要再加少许王水复原为白色），同时进行试剂5%的空白样、10%的标样和10%的平行样，取下样品，用1%硝酸溶解，过滤于25mL容量瓶中，定容至标线摇匀，也用原子吸收法进行测定。监测方法与质量控制按《环境监测分析方法》与《环境监测质量保证手册》中的有关要求进行。质控标准样品是地矿部物化探勘察研究所研制的国家标准土壤样品。所用分析仪器是WYX-403原子吸收分光光度仪。2元素迁移能力分析为说明重金属在作物体内的迁移趋势，利用吸收系数来说明重金属元素在作物体内的行为过程，所谓吸收系数是指作物体部位某一元素的浓度与土壤中该元素浓度之比，它可代表土壤作物系统中元素迁移的难易程度。元素i的吸收系数（AbsorptionCoefficient,）表示式如下：式中：Ci为作物体部位i元素的单位重量；Si为土壤耕作层i元素的单位重量。通过研究重金属元素在大田条件下主要作物不同部位吸收累积系数，分析小麦、玉米对重金属Cu、Pb、Zn、Cd的吸收能力。2.1小麦对重金属吸收特性分析从作物不同部位重金属吸收能力分析，小麦根部对重金属Cu、Pb、Zn、Cd的吸收能力最强，按Cu、Pb、Zn、Cd顺序，根部的吸收能力分别是茎部的2.17、2.82、2.44、2.75倍和籽实的3.25、7.75、3.59、7.33倍，小麦根部对4种重金属吸收系数与茎部吸收系数比值相近，说明茎部作为小麦营养物质的输导器官，对重金属吸收和根部重金属吸收呈正相关性，而小麦籽实对必需元素Cu、Zn的吸收要远高于对非必需元素Pb、Cd的吸收，见图1。从小麦对重金属吸收系数分析，小麦对不同重金属的吸收量不同，以王家摆为例，小麦对Zn吸收能力最强，对Cd吸收能力最弱，见图2。小麦Zn吸收系数是Cd的吸收系数的5.16倍，对Cu、Pb吸收能力界于Zn、Cd之间，小麦对重金属Cu、Pb、Zn、Cd的吸收能力从大到小顺序为：Zn>Cu>Pb>Cd。2.2玉米体内重金属含量变化玉米和小麦都属于禾本科作物，其内部结构和生理机制和小麦基本相同，从玉米不同部位重金属含量比较，玉米对重金属Cu、Pb、Zn、Cd吸收能力由高到低依次为：根>叶>茎>籽实，其中根部对重金属吸收能力远高于其他部位，按照Cu、Pb、Zn、Cd的顺序，玉米根部吸收能力分别是茎部吸收能力的3.56、2.71、2.63、1.90倍，是籽实吸收能力的4.56、7.67、3.84、3.8倍，充分体现了根部对重金属的屏障作用，见图3。从不同点位重金属吸收系数分析结果可知，王家摆地区玉米对重金属的吸收要高于土门楼、安平地区，体现了玉米对重金属的吸收随着土壤中重金属含量的增高而增加。从整体吸收效果看，玉米对这4种重金属的吸收能力各不相同，对Cu的吸收能力最强，而对Cd的吸收能力最弱，以王家摆为例，玉米对Cu的吸收系数是对Cd吸收系数的7.54倍，对Zn、Pb的吸收能力界于Cu、Cd之间，玉米对四种重金属的吸收能力由高到低依次为：Cu>Zn>Pb>Cd，见图4。2.3小麦、玉米重金属吸收量的分布情况从土壤-作物系统分析，作物吸收重金属的能力随土壤重金属含量的增高而增强，从作物之间比较，作物不同对重金属的吸收能力不同，通过对小麦、玉米不同部位对不同重金属吸收系数进行比较，了解小麦、玉米重金属吸收能力之间的差异。对小麦、玉米各时期、各部位重金属含量研究表明，作物对Cu、Pb、Zn、Cd的吸收特性各不同的，见图5。2.3.1玉米中金属元素含量的比较玉米各部位对Cu的吸收系数均大于小麦各部位的吸收系数，其中以根部吸收系数最高，茎、叶、籽实中吸收系数呈递减趋势，说明玉米各部位对Cu的吸收能力要高于小麦对Cu的吸收能力。以上研究表明：玉米根、叶、籽实中金属Cu含量也比小麦根、叶、籽实中Cu含量高，说明玉米对Cu吸收能力高，从而体内对Cu累积量大，然而，玉米茎部与小麦茎部相比，对Cu吸收能力高，然而Cu含量低，玉米茎部对Cu主要起到传输作用，作为高杆作物，其质量比要低于小麦；两种作物都是根部吸收系数最高，其次是茎、叶，籽实吸收系数最低，这同其他研究得出的结论相同；从吸收系数值差异看，根部吸收系数相差最悬殊，玉米、小麦各部位吸收系数按根、叶、茎、籽实的顺序吸收系数差分别为0.43、0.22、0.07、0.06，说明小麦根部对Cu的屏障作用高于玉米。2.3.2小麦、玉米分布中pb含量的特征小麦各部位对Pb的吸收和根部富集能力低于玉米，而小麦根、茎、叶中Pb含量也低于玉米相同部位Pb含量，小麦叶部Pb含量要高于玉米叶部Pb含量，说明小麦由于对Pb的吸收能力低造成各部位Pb含量低，由于叶部具有从大气中吸收重金属的能力，出现小麦叶部从土壤中吸收Pb的能力和自身Pb含量成反比的现象，说明小麦叶部从大气中吸收Pb的能力要大于玉米从大气中吸收Pb的能力。小麦、玉米各部位吸收Pb的能力均体现出根>叶>茎>籽实的特点。从吸收系数比较可知，玉米对Pb的吸收能力大于小麦对Pb的吸收，根部差异最大，按根、叶、茎、籽实的顺序，吸收系数差依次为：0.19、0.03、0.06、0.02，低于对Cu的吸收系数差相比较，说明小麦、玉米对Pb的吸收能力相差不大。2.3.3zn的生物处理小麦各部位对Zn的吸收都高于玉米各部位对Zn的吸收，而小麦各部位Zn含量也高于玉米相同部位Zn的含量，说明小麦由于对Zn的吸收能力高，造成各部位累积Zn的含量也大。除两种作物不同部位对重金属吸收系数均表现出根>叶>茎>籽实外，按照根、叶、茎、籽实顺序，小麦、玉米的吸收系数差分别为0.15、0.06、0.06、0.14，小麦和玉米各部位对Zn的吸收差异很小，说明Zn作为作物的必须元素，小麦、玉米对它的吸收能力都很强，极易被作物吸收，并且极易向新生籽实转移。2.3.4cd含量的相关性Cd系生物非必需元素，它在生物圈中的存在，常常只给生物体带来有害的效应。小麦各部位对Cd的吸收与玉米各部位对Cd的吸收系数基本相等，按照根、叶、茎、籽实顺序，小麦、玉米各部位吸收系数差分别为0、0.02、0、0.01，说明小麦、玉米对Cd吸收能力基本相同，在小麦根部和籽实中Cd含量要高于玉米根部和籽实部位的Cd含量，而小麦茎、叶部Cd含量低于玉米茎、叶部Cd含量，说明在吸收能力相等的情况下，小麦、玉米根部对Cd属于被动吸收过程，由于土壤中Cd含量高造成根部Cd累积量高，小麦在根部Cd累积量高，茎、叶吸收Cd能力与玉米基本相等的情况下，茎、叶部Cd含量低，小麦根部对Cd的屏障作用要高于玉米根部对Cd的屏障作用，小麦籽实吸收系数比玉米籽实吸收系数高0.01，吸收能力高造成小麦籽实中Cd的累积量高于玉米籽实Cd的累积量。2.4玉米与小麦不同生理特性对土壤环境的响应由重金属元素在小麦、玉米根、茎、叶和籽实中吸收系数比值，分析其在作物体内迁移能力。玉米易吸收土壤中的Cu、Pb，并向地上部迁移，而玉米各部位对Zn的吸收能力低于小麦的吸收能力，小麦、玉米对Cd的吸收基本持平。玉米和小麦吸收重金属所表现出的差异主要是由于不同作物其生理特性和遗传差异所致。作物对重金属元素的吸收能力由大到小为：对Cu和Pb的吸收为玉米>小麦；对Zn的吸收为玉米<小麦，对Cd的吸收为玉米≈小麦。大田条件下研究元素在小麦累积能力排序为Zn>Cu>Pb>Cd，在玉米中迁移能力排序为Cu>Zn>Cd>Pb，研究元素在干旱区主要农作物不同部位吸收累积态势为根>叶>茎>籽实。因此，妥善处理好作物的根系，可达到调节土壤环境Cu、Zn含量，维护农业土壤，保护生态环境之目的。同一元素在不同剂量区作物体内的吸收累积程度差别显著，表明在一定程度上，随着土壤环境重金属含量越大，作物根系重金属吸收累积量也将增大。3小麦、玉米各部位对重金属含量的检测(1）作物不同部位的重金属含量都体现出王家摆>土门楼>安平的现象，部位不同，小麦、玉米重金属含量不同：小麦根系Zn、Cd的含量要高于玉米根部对这2种元素的含量，对Cu、Pb的含量又小于玉米根系这2种元素含量；小麦茎中Cu、Zn含量高于玉米茎中Cu、Zn含量，而Pb、Cd的含量低于玉米茎中这2种元素的含量；小麦叶部Pb、Zn、Cd含量都要高于玉米叶部3种元素含量，只有Cu含量低于玉米叶中Cu含量；小麦籽实中Cu、Zn含量要高于玉米籽实中2种作物含量，而Pb、Cd含量要