干旱區(qū)典型土壤—植物系統(tǒng)中主要重金屬行為過程及風險性研究——以河西綠洲土壤為例.pdf

1、土壤-植物系統(tǒng)重金屬行為過程和風險的研究對于阻斷重金屬污染物進入食物鏈，防止對人體健康造成損害，促進土地資源的保護與可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義；同時也為重金屬污染土壤的修復和管理提供技術支撐。本文使用野外調查、野外淋濾試驗、盆栽試驗、室內淋濾試驗、室內樣品測試分析等方法以河西綠洲為例研究了干旱區(qū)典型土壤-植物系統(tǒng)中主要重金屬行為過程及風險性，包括表層土壤重金屬的空間變異規(guī)律、土壤重金屬的縱向遷移機理、土壤重金屬生物有效性以及潛在風險性。主

2、要結論有： (1)金昌市表層土壤中Zn、Ni、Cu、Pb、Cd五種重金屬元素的平均含量均超過了甘肅土壤背景值，其中Ni的平均含量還超過了國家土壤環(huán)境質量二級標準，Cu的平均含量甚至超過了國家土壤三級標準。不同土地類型下Zn含量的比較為林地>農(nóng)田>居民區(qū)及公園>公路綠化帶>戈壁；不同土地類型下Ni含量的比較為林地>居民區(qū)及公園>公路綠化帶>農(nóng)田>戈壁；不同土地類型下Pb含量的比較為農(nóng)田>居民區(qū)及公園>公路綠化帶>林地>戈壁；不同

3、土地類型下Cu含量的比較為林地>公路綠化帶>居民區(qū)及公園>農(nóng)田>戈壁；不同土地類型下Cd含量的比較為林地>居民區(qū)及公園>公路綠化帶>農(nóng)田>戈壁。對于這五種元素來說，土地類型對土壤中重金屬含量的影響程度為：Pb>Zn>Cd>Cu>Ni。 (2)金昌市表層土壤中的Zn、Pb和Cd三種元的單因子污染均處于一級即清潔水平。相比之下，Ni和Cu的污染比較嚴重，其中，這五種土地類型土壤中的Ni均達到了四級即重度污染水平；公路綠化帶、居民區(qū)

4、及公園和林地土壤中的Cu均達到了四級即重度污染水平，戈壁和農(nóng)田中的污染等級略低，均處于二級即輕度污染水平。五種土地類型下，Zn、Ni、Pb、Cu、Cd的內梅羅綜合污染指數(shù)均為：Ni>Cu>Cd>Zn>Pb。地積累指數(shù)的結果表明，金昌市土壤中Zn和Pb的整體水平處于無污染程度，Cd處于輕度.中等污染程度，Ni處于中等污染程度，Cu的污染最為嚴重，處于中等-強污染程度。不同土地類型下土壤中重金屬污染頻率的結果顯示，Pb不存在嚴重污染的情況，

5、Zn和Cd嚴重污染的地區(qū)相對比較少，主要分布在農(nóng)田和林地中；嚴重污染情況比較突出的Cu和Ni的不同土地類型比較為：Cu：公路綠化帶>居民區(qū)及公園>林地>農(nóng)田>戈壁；Ni：居民區(qū)及公園>林地>公路綠化帶>農(nóng)田>戈壁。地積累污染指數(shù)的空間分布結果跟各重金屬污染濃度的分布結果一致。從分布范圍上來看，Cu>Ni>Cd，Zn和Pb的污染范圍均相對較小，并且Pb的污染水平也比較低。 (3)金昌市農(nóng)田土壤中重金屬元素活化率中以Cu的活化率最

6、高，雖然Cd的總量比較低，但其活化率卻僅次于Cu，這兩種元素的生物危害相性相對較大，研究區(qū)土壤中Zn、Pb的活化率相對較低，對作物的危害較小。Ni的活化率也不高，但由于其總量比較高，所以也存在一定程度的生物危害性。因子分析的結果為，研究區(qū)表層農(nóng)田土壤中的Cu和Ni主要來源于工礦業(yè)活動；Zn、Cd、Pb則主要來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。潛在生態(tài)風險評估則顯示，接近一半的土壤樣點的重金屬潛在生態(tài)風險等級達到了中度及以上水平；從潛在生態(tài)危害單項系數(shù)來

7、看，Cd>Cu>Ni>Pb>Zn，其中，Cu、Ni和Cd存在不同程度的潛在生態(tài)危害，Pb、Zn這兩種元素的潛在生態(tài)風險則均處于低危害水平。有效態(tài)重金屬Zn、Ni、Cu、Pb、Cd的含量均在白家咀和馬家崖子附近存在高值區(qū)，并且Cu和Ni的EDTA提取態(tài)濃度值在東灣附近也比較高。此外，在中牌八隊附近，EDTA提取態(tài)Cd的濃度值也偏高。寄予農(nóng)產(chǎn)品質量安全的重要性，當?shù)卦谶M行糧食生產(chǎn)的同時，應增強農(nóng)田土壤的安全性，嚴格控制土壤污染物，推行標準化

8、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。對于生態(tài)風險比較高的農(nóng)田，應對其進行限制生產(chǎn)，并采取一定的措施進行修復。 (4)野外淋濾試驗和室內柱狀實驗中重金屬的剖面分布特征相似，基本表現(xiàn)為外源重金屬Cu、Zn、Pb、Cd進入土壤后，主要在表層10cm土層中富集，體現(xiàn)了重金屬的表聚性；外源重金屬進入土壤后，遷移距離短，試驗時期內，遷移距離為15-20cm，自然剖面中遷移距離為45cm，外源重金屬進入土壤后，雖然能在土壤中富集，但其土壤中富集的深度影響有限，目前未

9、對地下水構成風險。野外調查所采集的耕作土壤剖面重金屬變異規(guī)律研究中發(fā)現(xiàn)：Cu、Ni的表層富集現(xiàn)象明顯，剖面各層Cu、Zn、Ni的總量分布差異較大。其中元素Cu和Ni分布規(guī)律相似，其濃度表現(xiàn)為表層至下先遞減后穩(wěn)定，同時這兩中元素在各剖面中的遷移距離相當，基本在45cm附近，土壤剖面Zn的總量分布沒有明顯的規(guī)律性。受人類活動影響較大的五個剖面土壤的表層、亞表層中Cu含量和表層、亞表層以及心土層中的Ni含量基本超過中國環(huán)境質量二級標準，研究區(qū)

10、域部分耕作土壤不再適合農(nóng)作物生長，建議進行土壤修復。 (5)外源重金屬的加入，改變了重金屬在土壤中的賦存形態(tài)，Cu、Zn、Pb主要表現(xiàn)為在表層0-10cm土層中碳酸鹽態(tài)Cu，碳酸鹽態(tài)Zn和鐵錳氧化態(tài)Zn，碳酸鹽態(tài)Pb所占比例較對照剖面明顯增加。而元素Cd表現(xiàn)為剖面各土層中可交換態(tài)Cd含量均明顯增加。雖然各元素含量分布特征受外源重金屬的添加濃度和灌溉水pH影響不突出，但各元素的具體形態(tài)分布卻在一定程度上受到影響?？傮w表現(xiàn)為Cd和

11、Zn易受灌溉水pH值的影響，其中Cd影響最為明顯。元素Cu和Pb易受外源添加量的影響。野外調查所采集的耕作土壤剖面中Cu主要以有機態(tài)和殘渣態(tài)存在；Zn以參渣態(tài)為主要賦存形態(tài)；Ni主要以鐵-錳氧化態(tài)和殘渣態(tài)存在，三種元素的可交換態(tài)含量最少，不足1％。受外源Cu、Ni的影響，在土壤剖面中Cu和Ni有明顯的形態(tài)變化層位，且該層位與它們在剖面中的遷移距離基本一致。0-45 cm基本表現(xiàn)為有機態(tài)Cu>殘渣態(tài)Cu>鐵-錳氧化態(tài)Cu、碳酸鹽態(tài)Cu>可

12、交換態(tài)Cu；Ni的鐵-錳氧化態(tài)>有機態(tài)、殘渣態(tài)、碳酸鹽態(tài)>可交換態(tài)。45 cm后的各層中Cu、Ni主要以殘渣態(tài)存在。Zn在所有土層中均以殘渣態(tài)為主要賦存形態(tài)。金昌城郊耕作土壤中Cu、Ni主要受人為活動影響，Zn主要來源于母巖成土過程。人為活動增加了土壤中Cu、Ni的含量，增大了Cu、Ni的潛在生物效應。 (6)元素Cu、Ni易于在金昌市種植的小麥根部蓄積，元素Zn易于在小麥籽粒中積累。Cu、Ni、Zn三種元素在小麥體內的遷移能

13、力為：Zn>Cu>Ni。金昌市野外調查的小麥籽粒中Cu的平均含量為9.37 mg/kg，最大含量為11.64 mg/kg，其中有部分樣品超過國家食物衛(wèi)生標準，超標率為18.18％：Zn在籽粒中的平均含量為31.39mg/kg，最大含量為43.25mg/kg，所有樣品均未超過國家食物衛(wèi)生標準；小麥籽粒中Ni的平均含量為3.57 mg/Kg，最大含量為5.5 mg/kg，以人造奶油衛(wèi)生標準的1.0mg/Kg作為參考值，研究中的所有小麥樣品籽

14、粒中Ni濃度均遠高于該標準值，可見研究區(qū)域的小麥籽粒中Ni超標突出，造成通過飲食方式造成的健康風險較大，應對所研究的區(qū)域進行重金屬污染的土壤進行修復或改變種植方式。 (7)盆栽試驗研究發(fā)現(xiàn)油菜的地上部、根部分別對Cd、Pb有較另外部分強的累積能力，油菜各部分對Zn的累積能力向差不多：芹菜的根部對Cd、Zn、Pb具有較地上部分更強的累積能力；胡蘿卜地上部分對Cd的累積能力較根部略強，Zn、Pb均為低添加濃度下在胡蘿卜地上部的累積