干旱區(qū)典型土壤—植物系統(tǒng)中主要重金屬行為過(guò)程及風(fēng)險(xiǎn)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(guò)程和風(fēng)險(xiǎn)的研究對(duì)于阻斷重金屬污染物進(jìn)入食物鏈，防止對(duì)人體健康造成損害，促進(jìn)土地資源的保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義；同時(shí)也為重金屬污染土壤的修復(fù)和管理提供技術(shù)支撐。本文使用野外調(diào)查、野外淋濾試驗(yàn)、盆栽試驗(yàn)、室內(nèi)淋濾試驗(yàn)、室內(nèi)樣品測(cè)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(guò)程及風(fēng)險(xiǎn)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(jī)理、土壤重金屬生物有效性以及潛在風(fēng)險(xiǎn)性。主

2、要結(jié)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(guò)了甘肅土壤背景值，其中Ni的平均含量還超過(guò)了國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Cu的平均含量甚至超過(guò)了國(guó)家土壤三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。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(duì)于這五種元素來(lái)說(shuō)，土地類型對(duì)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(jí)即清潔水平。相比之下，Ni和Cu的污染比較嚴(yán)重，其中，這五種土地類型土壤中的Ni均達(dá)到了四級(jí)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(dá)到了四級(jí)即重度污染水平，戈壁和農(nóng)田中的污染等級(jí)略低，均處于二級(jí)即輕度污染水平。五種土地類型下，Zn、Ni、Pb、Cu、Cd的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)均為：Ni>Cu>Cd>Zn>Pb。地積累指數(shù)的結(jié)果表明，金昌市土壤中Zn和Pb的整體水平處于無(wú)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(yán)重，處于中等-強(qiáng)污染程度。不同土地類型下土壤中重金屬污染頻率的結(jié)果顯示，Pb不存在嚴(yán)重污染的情況，

5、Zn和Cd嚴(yán)重污染的地區(qū)相對(duì)比較少，主要分布在農(nóng)田和林地中；嚴(yán)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(jié)果跟各重金屬污染濃度的分布結(jié)果一致。從分布范圍上來(lái)看，Cu>Ni>Cd，Zn和Pb的污染范圍均相對(duì)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(duì)較大，研究區(qū)土壤中Zn、Pb的活化率相對(duì)較低，對(duì)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(jié)果為，研究區(qū)表層農(nóng)田土壤中的Cu和Ni主要來(lái)源于工礦業(yè)活動(dòng)；Zn、Cd、Pb則主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估則顯示，接近一半的土壤樣點(diǎn)的重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到了中度及以上水平；從潛在生態(tài)危害單項(xiàng)系數(shù)來(lái)

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(fēng)險(xiǎn)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(duì)附近，EDTA提取態(tài)Cd的濃度值也偏高。寄予農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的重要性，當(dāng)?shù)卦谶M(jìn)行糧食生產(chǎn)的同時(shí)，應(yīng)增強(qiáng)農(nóng)田土壤的安全性，嚴(yán)格控制土壤污染物，推行標(biāo)準(zhǔn)化

8、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。對(duì)于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)比較高的農(nóng)田，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行限制生產(chǎn)，并采取一定的措施進(jìn)行修復(fù)。 (4)野外淋濾試驗(yàn)和室內(nèi)柱狀實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)入土壤后，遷移距離短，試驗(yàn)時(shí)期內(nèi)，遷移距離為15-20cm，自然剖面中遷移距離為45cm，外源重金屬進(jìn)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(duì)地下水構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。野外調(diào)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(shí)這兩中元素在各剖面中的遷移距離相當(dāng)，基本在45cm附近，土壤剖面Zn的總量分布沒(méi)有明顯的規(guī)律性。受人類活動(dòng)影響較大的五個(gè)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(guò)中國(guó)環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)

10、域部分耕作土壤不再適合農(nóng)作物生長(zhǎng)，建議進(jìn)行土壤修復(fù)。 (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(duì)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(diào)查所采集的耕作土壤剖面中Cu主要以有機(jī)態(tài)和殘?jiān)鼞B(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?jiān)鼞B(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?cè)谄拭嬷械倪w移距離基本一致。0-45 cm基本表現(xiàn)為有機(jī)態(tài)Cu>殘?jiān)鼞B(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(jī)態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)、碳酸鹽態(tài)>可交換態(tài)。45 cm后的各層中Cu、Ni主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在。Zn在所有土層中均以殘?jiān)鼞B(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(dòng)影響，Zn主要來(lái)源于母巖成土過(guò)程。人為活動(dòng)增加了土壤中Cu、Ni的含量，增大了Cu、Ni的潛在生物效應(yīng)。 (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(nèi)的遷移能

13、力為：Zn>Cu>Ni。金昌市野外調(diào)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(guò)國(guó)家食物衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)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(guò)國(guó)家食物衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)；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(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)高于該標(biāo)準(zhǔn)值，可見(jiàn)研究區(qū)域的小麥籽粒中Ni超標(biāo)突出，造成通過(guò)飲食方式造成的健康風(fēng)險(xiǎn)較大，應(yīng)對(duì)所研究的區(qū)域進(jìn)行重金屬污染的土壤進(jìn)行修復(fù)或改變種植方式。 (7)盆栽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)油菜的地上部、根部分別對(duì)Cd、Pb有較另外部分強(qiáng)的累積能力，油菜各部分對(duì)Zn的累積能力向差不多：芹菜的根部對(duì)Cd、Zn、Pb具有較地上部分更強(qiáng)的累積能力；胡蘿卜地上部分對(duì)Cd的累積能力較根部略強(qiáng)，Zn、Pb均為低添加濃度下在胡蘿卜地上部的累積