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水稻残根与土壤重金属状况

2012-08-17 17:19 来源:城市生态论文 人参与在线咨询

 

工业污染以及农药、化肥的不当使用,我国农地土壤中的重金属含量迅速增加,使得土壤生产力下降、农产品遭受污染,这已经成为了阻碍农业绿色、高效、可持续发展的重要因素之一[1-2]。重金属在土壤中能够被粮食作物富集[3],进而通过食物链威胁人类的健康[4-5]。例如,Pb、Hg可以对神经系统造成毒害,引起神经系统退行性病变[6];As能够使细胞代谢失常,导致神经麻痹、血溶性贫血及血管坏死[7]。土壤的重金属污染对人类健康的威胁程度正在逐年上升。因此,为了确保粮食的安全供应,从根本上阻断重金属的摄入来源,就必须进行农用地健康评价,以掌控农田土壤及作物的污染情况。重金属对于农地土壤乃至粮食作物质量的危害是多方面的,不仅降低了土壤微生物的种类和数量[8],还会明显降低土壤酶活性,从而降低土壤对残留有机质的分解能力[9]。许多学者结合内梅罗(Nemerow)综合污染指数法对土壤的重金属污染情况进行分级评价,较好的反映了土壤的污染状况[10-12]。土壤-作物系统是重金属威胁人类健康的重要途径,通过研究重金属从土壤转移至作物的累积情况来评价粮食生产安全具有重要的理论价值和现实意义[13-15]。张家港市城市化发展迅速,城镇建设用地快速扩张[16],对农业用地的压力也逐年上升。目前针对该市土壤污染的相关研究较少,对该市土壤环境质量的了解并不全面[17],基于土壤-作物系统的重金属污染研究仍有待开展。因此,本研究选取重金属作为评价农地土壤环境质量的指标,结合内梅罗综合污染指数法对农地土壤中的重金属分布状况进行评价分析,并通过对水稻残根中的重金属残留量的跟踪分析,以期掌握张家港市农地土壤重金属的污染状况及其对粮食质量的动态影响。

 

1材料与方法

 

1.1研究区概况

 

张家港市地处北纬31°43'~32°02',东经120°21'~120°52',位于长江下游南岸,江苏省东南部,现辖8个镇和常阴沙管理区,全市总面积998.48km2。该市属亚热带海洋性季风气候,年平均气温15.2℃,年平均降水量为1042.9mm,年平均日照时长为2047.5h,主导风向为东南风。土壤类型主要为潮土和水稻土,亦有少量黄棕壤零星分布。水稻、小麦、油菜是该市的主要种植作物。

 

1.2样品采集与分析

 

采样时间为2010年12月,在张家港市范围内均匀选取样点20个,每个样点选择5处混合样方,每个样方取0至20cm表层土壤及附近的水稻残留根。即先选定中心样方,并向四周辐射约50m分别再取4处样方,将这5个点取得的土样制成1kg左右土壤样品作为该样点的土样,置于通风处风干,风干过程中拣出石子、植物残骸等杂物,过100目尼龙网筛后,称取约200g土样封存于密封袋中,并对应取样地点进行编号;将在同一采样点收集的水稻残留根混合作为该样点的水稻残根样品。样品送南京大学现代分析中心进行进一步的预处理并利用等离子体原子发射光谱仪等仪器分别测定土壤及残留根中的Hg、As、Se、Pb、Cu的含量。

 

1.3统计方法

 

分别计算土壤中Hg、As、Pb、Cu4种重金属元素的单因子指数和综合污染指数,并统计分析重金属的平均值、标准差、变异系数等。在SPSS17.0环境下对农地土壤及农田水稻残根Hg、As、Se、Pb和Cu进行Pearson相关分析。

 

1.3.1单因子指数评价法

 

单因子指数评价法常用于评价污染物在环境介质中的污染程度。其计算公式为:Pi=Ci/Si,式中:Pi为i污染物的污染指数;Ci为污染物实际测量值,Si为评价标准值[以土壤质量对植物和环境不造成危害和污染的《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)二级标准作为评价标准]。Pi值越大,则污染越严重。

 

1.3.2综合污染指数评价法

 

综合污染指数评价法突出了污染较重的污染物的作用,可以用来综合掌握土壤重金属的污染情况,其计算公式为:PN=[(P2avg+P2max)/2]1/2,式中:PN为综合污染指数;Pavg为各单项污染指数平均值;Pmax为各单项污染指数最大值。

 

2结果

 

2.1土壤重金属含量

 

综合表1、表2,土壤Hg含量为0.0049~0.4300mg/kg,单因子指数的平均值为0.141,标准差为0.193,变异系数为1.373;As的含量为2.76~5.24mg/kg,单因子指数的平均值为0.162,标准差为0.024,变异系数为0.150;Se的含量为0.041~0.066mg/kg;Pb的含量为11.8~17.8mg/kg,单因子指数的平均值为0.050,标准差为0.005,变异系数为0.105;Cu的含量为12.5~22.9mg/kg,单因子指数平均值为0.172,标准差为0.030,变异系数为0.174;各采样点综合污染指数为0.103~0.645,平均值为0.153,变异系数为0.752。对照国家土壤环境质量标准,研究区Hg、As、Pb、Cu的含量均低于国家二级标准值,单因子指数和综合污染指数总体偏低,说明张家港市农地土壤清洁,基本未受人为活动造成的污染。在常东社区和常北社区的Hg的单因子指数及综合污染指数均略高于其他采样点,出现这种现象的原因可能是这一地区有较多污染工业企业聚集,如玻璃制造、钢制品、机械设备制造、染料助剂等工厂;As、Pb和Cu的变异系数都很低,这几种元素在全市范围内的分布差异不大,相对而言,Pb、Cu在张家港南部高庄村地区的含量更低一些,可能是因为该地区离张家港城区及工业密集区较远,尚未受到城市化及工业扩张的波及。从全市范围来看,各种重金属的分布并未表现出聚集效应,比较零散,没有扩散的趋势,说明目前工业的发展尚未对农地质量构成较大威胁。

 

2.2水稻残留根重金属含量

 

由表1可知,除常北社区2个样点分别检测到Hg0.0040mg/kg和0.0044mg/kg,其余采样点并未检测到Hg的残留,这与土壤中的Hg含量分布情况基本一致,值得指出的是,造成这一现象的原因除了周围工业的影响外,也不排除有农户使用了含Hg的农药或除草剂的可能;As的含量为0.83~2.66mg/kg,平均值为1.32mg/kg;Se的含量为0.009~0.030mg/kg,平均值为0.016mg/kg;Pb的含量为2.68~7.46mg/kg,平均值为4.12mg/kg;Cu的含量为9.5~44.2mg/kg,平均值为24.0mg/kg。As、Se、Pb在水稻残留根中的残留量与表层土壤平均含量之比分别为32.65%、29.79%、27.76%,进一步说明这几种重金属基本未对水稻造成危害;Cu在水稻残留根中的平均残留量达到了土壤环境的1.4倍,其中含量较高的点集中于东北部地区,而最南部的采样点含量最低,这与张家港市农田附近工业的分布格局现状相符。

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