矿山区土壤重金属污染及农作物富集情况研究

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　　摘  要：采用野外调查和实验室内测定分析相结合的方法，调查了某典型矿山区土壤及农作物铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）3种重金属污染情况。结果表明，调查区域Zn、Pb、Cd 3种重金属均属于重度污染，其中Zn的含量最高，土壤和农作物对Cd富集能力最强，土壤污染程度排序为表层土壤>中层土壤>深层土壤。试验测定的5类农作物中，果树类对3种重金属的综合富集能力最弱，因此，在今后的种植作物选择中应予以重点考虑。
　　关键词：矿山区;土壤;重金属污染;农作物富集
　　中图分类号 X753 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2019）08-0067-05
　　Abstract：This study investigated the contamination of soil and crops lead（Pb），zinc（Zn）and cadmium（Cd）in a typical mountainous area，the method of field investigation and laboratory determination analysis was used，the purpose is to understand the overall state of soil environmental quality within the research area，and provide the data basis for the selection of the experimental area and crop planting type. The results show that，the three heavy metals in the survey area Zn，Pb，and Cd are all severely polluted，of which Zn has the highest content，soil and crops have the strongest concentration of Cd，and soil pollution is ranked as surface soil > middle soil > deep soil，among the five types of crops tested，fruit trees have the least comprehensive enrichment ability for the three types of heavy metals，and they can be considered in the future crop selection.
　　Key words：Mine area;Soil;Heavy metal pollution;Crop enrichment
　　土壤作为生态系统的重要组成部分，是不可替代的环境因子，也是人类健康的基础[1]。随着经济社会的发展，重金属污染物通过各种渠道进入到土壤环境中，土壤一旦被重金属污染，不仅会降低农作物的生产能力和品质，还会通过食物链影响人们的身体健康[2]。位于矿山地区的土壤，随着矿产资源的开发，大量的重金属元素随矿尘、尾矿、冶矿废水等直接进入矿山区域周边土壤环境中，造成严重的重金属污染。针对土壤重金属污染，目前国内外常用的治理方法有3种：（1）工程物理法，利用物理机械、物理化学等方法来治理，适用于污染面积小的土壤;（2）农业化学法，利用各种改良剂、钝化剂改变土壤理化性质，效果受重金属种类和环境因素的制约;（3）生物学法，利用生物的代谢活动降低土壤重金属含量或者改变种植结构，规避重金属在植株体内（尤其是可食用部分）的积累，避免通过食物链影响人体健康，该种方法效率高、成本低，尤其适用于大面积的土壤重金属污染[3]。本次研究主要采用生物学治理方法进行，选取某典型矿山区，采用野外调查和室内实验测定分析相结合的方法，对铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）3种重金属的污染情况进行了调查分析，并对玉米、芋头等本土种植作物的重金属富集情况进行了研究，以期掌握研究区范围内土壤环境质量总体状况，查清该地区土壤污染的特征，为后期试验区域和农作物种植种类的选择提供依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 样品采集 采样地点选在某矿山区，结合场地实际情况，采样点布设在纳污灌溉水体两侧，按水流方向采用带状布点法。样品采集分为土壤采集和作物采集。土壤选用混合样品采样法，每个土壤单元布设5个采样区，每个采样区设置1个采样点，每个采样点的土壤混合样品需在80m×80m范围内采用对角线法采集5个分点土壤，每个分点采样深度初步设计为0～30cm（表层）、30～60cm（中层）、60～100cm（深层），分点土壤经充分混匀后，经四分法保留约150g土样，装入样品瓶中，做好样品标签，并填写样品采集信息登记表。在采集土壤样品的同时，在相同点位采集农作物样品，农作物样品数量约为土壤数量的30%，选取当季农作物玉米、芋头、香蕉等进行采集，采集作物的根、茎、叶和果实部分，样品采集后装采样保存瓶密封，带回实验室处理。
　　1.2 分析方法 将土壤和农作物样品风干，并于75～80℃烘箱烘干，磨细过1mm筛，密封保存，重金属含量分析方法如表1和表2所示。
　　1.3 土壤金属富集分析方法 采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法，对研究区域土壤的重金属污染情况和潜在风险进行评价分析，以《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）中的II級标准作为评价的标准值。
　　2 结果与分析
　　2.1 土壤重金属元素含量 共采集了约350个样本，对不同采样点土壤重金属元素含量进行测定和分析，随机选取其中5个样本的的测定结果整理成表4。由表4可以看出，不同深度的土壤重金属元素含量（总量和有效态）存在明显差异，其中表层土壤的重金属含量最高，其次是中层，下层最低。说明土壤重金属含量受地表环境影响较大，根据重金属的深度分布特点可以选择不同种类的作物进行耕种。3种重金属的含量Zn>Pb>Cd，说明该地区以重金属Zn污染为主。 　　2.2 重金属元素相关性 土壤重金属有效态（又称可交换态）是指吸附在粘土、腐殖质及其他成分上的金属，易于迁移转化，能被植物吸收[4]，反映了人类近期排污影响及对生物的毒性作用[5]。研究对3种重金属元素的有效态进行了测定，并对其相关性进行了分析。由表5可以看出，3种重金属元素的有效态含量与自身的重金属总量均有很好的正相关性，即有效态含量随着重金属总量的增加而增大。
　　分析不同金属元素之间的相关性可以在一定程度上推测重金属的来源是否相同[6]，从表5可以看出，Zn和Pb 2种重金属的总量和有效态含量分别呈显著的相关性，说明Zn和Pb可能污染来源相同，Cd与这2种金属的相关性很小，说明Cd与Zn和Pb同源的可能性小，污染来源可能不同。
　　2.3 土壤重金属的富集情况
　　2.3.1 土壤富集结果 通过单因子指数法进行分析，由表6可以看出，所有土壤样本中Cd的超标率和超标倍数最高，Pb和Zn在土壤中的含量远远大于Cd，分析原因，可能与试验研究区域的周边环境密切相关，采样周边主要为铅锌矿山及部分涉重企业，大量的重金属元素随矿尘、尾矿、冶矿废水等直接进入周边土壤环境中，所以Pb和Zn在环境的含量非常高，另外在开采和生产过程中还伴随有Cd等其它重金属元素的外排，造成污染。
　　通过内梅罗综合指数分析，可以得出表层土壤、中层土壤、深层土壤的污染指数分别为39.32、28.0、17.32，均为重度污染，污染程度排序为表层土壤>中层土壤>深层土壤。
　　2.3.2 不同作物富集情况 富集系数是植物重金属含量与土壤中重金属含量的比值，能够反映植物对重金属的富集（吸收）能力[7]。研究采集了玉米、香蕉、芭蕉、甘蔗、枇杷、花生、姜等28个在当地广泛种植的农作物样本，将其分为谷物类、水果类、蔬菜类（包括新鲜蔬菜和块根类）和坚果类这4种类型的作物，进行富集系数的试验分析，结果见表7。
　　由表7可知，对Cd的富集能力：块根类>新鲜蔬菜类>坚果类>果树类>谷物类;对Pb的富集能力：块根类>新鲜蔬菜类>果树类>坚果类>谷物类;对Zn的富集能力：块根类>新鲜蔬菜类>坚果类>谷物类>果树类;整体上对重金属的综合富集能力为块根类>新鲜蔬菜类>坚果类>谷物类≈果树类。
　　同类农作物对3种重金属的富集能力为：谷物类：Zn>Cd>Pb;果树类：Cd>Zn>Pb;新鲜蔬菜类：Cd>Zn>Pb;坚果类：Cd>Zn>Pb;块根类：Cd>Zn>Pb;整体上看，农作物对重金属的富集情况与重金属在土壤中富集情况相同，都是对Cd的富集能力最强。
　　2.3.3 同一作物富集情况 选取的28个农作物样本对Pb、Zn、Cd3种重金属的富集系数见表8，由表8可以看出，同一种作物对不同的重金属富集能力存在差异，对不同品种农作物的Pb、Zn、Cd富集系数取平均值，其中Cd富集系数最大，为0.0508;Zn富集系数次之，为0.0214;Pb富集系数最小，为0.00145。对于大多数农作物，对Cd的富集能力最强，Zn次之，Pb最弱。
　　2.3.4 同一作物不同部位富集情况 研究所选取的地点为某矿山区，种植作物以果树类型居多，在研究同一作物不同部位重金属富集情况时，选取了6中果树类农作物，2种蔬菜类农作物作为试验对象，分别采集了这8中农作物的可食用部分和枝干部分，将两者的重金属含量进行对比，分析同种作物不同部位对重金属的吸收效应，结果见表9。
　　由表9可知，通常情况下农作物的枝干部分重金属含量大于可食用部分，枝干部分更容易富集重金属，果树类作物中，会出现可食用部分未检出重金属的现象，分析原因可能由于果树类从根部到可食用部分，重金属的传递吸收途径比较长，需要较长的富集时间，因此本次采样检测的结果会受到果树生长年数的影响，生长年数越长，可食用部分检测出的重金属含量的可能性越大。芭蕉对重金属Zn的富集中，可食用部分的含量更大，分析原因可能受采样时间的影响，不同的作物在不同的生长阶段，不同的器官对不同重金属的吸收能力会有差别[8]。
　　3 结论
　　（1）本次调查研究区域，3种重金属的含量Zn>Pb>Cd，该地区以重金属Zn污染为主。此外，土壤重金属含量受地表环境影响较大，不同深度的土壤重金属元素含量存在明显差异，可根据含量分布特点选择不同种类的作物进行修复和耕种。
　　（2）调查区域的表层土壤、中层土壤、深层土壤内梅罗综合指数分别为39.32、28.0、17.32，均为重度污染，污染程度排序为表层>中层>深层。
　　（3）調查区域所种植的五类农作物，整体上对重金属的富集能力为块根类>新鲜蔬菜类>坚果类>谷物类≈果树类。
　　（4）调查区域的农作物对Cd的富集能力最强，并且作物枝干部分的金属含量普遍大于可食用部分，枝干部分更容易富集重金属。
　　参考文献
　　[1]杨林章，徐琪.土壤生态系统[M].北京：科学出版社，2005.
　　[2]王苗苗，孙红文.农田土壤重金属污染及修复技术研究进展[J].天津农林科技，2018，8（4）：38-41.
　　[3]梁家妮，马友华，周静.土壤重金属污染现状与修复技术研究[J].农业环境与发展，2009，26（4）：45-49.
　　[4]李宇庆，陈玲，仇雁翎，等.上海化学工业区土壤重金属元素形态分析[J].生态环境，2004，13（2）：154-155.
　　[5]隆茜，张经.陆架区沉积物中重金属研究的基本方法及其应用[J].海洋湖沼通报，2002，3（3）：25-35.
　　[6]何兰兰，角媛梅，王李鸿，等.Pb、Zn、Cu、Cd的超富集植物研究进展[J].环境科学与技术，2009，32（11）：120-123.
　　[7] 杨瑞卿，肖扬，申晨.采煤塌陷区土壤重金属污染及植物吸收富集特征[J].江苏农业科学，2018，46（20）：291-294.
　　[8]卢德亮，乔璐，陈立新，等.哈尔滨市区绿地土壤重金属污染特征及植物富集[J].林业科学，2012，48（8）：16-24.
　　（责编：王慧晴）
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