河北省北運河污灌區(qū)作物重金屬累積效應(yīng)研究

1957年，農(nóng)業(yè)部將廢水灌溉列入科研計劃，建立大規(guī)模的灌溉項目，節(jié)約水資源，減少污染排放對環(huán)境的損害。之后，污水灌溉技術(shù)在全國各地得到廣泛推廣。污水灌溉最普遍的是北方旱作地區(qū)，包括北京、天津、沈陽、濟南、西安、石家莊、鄭州、齊齊哈爾、洛陽、保定、哈爾濱等地一些著名的污灌區(qū)，這些地區(qū)占全國污灌面積的90%以上。南方的污灌面積僅占全國污灌面積的6%，主要分布在武漢、成都、長沙等地，其余零星分布在西北和青藏高原等地區(qū)。在污灌初期，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)確實得到了一定的提高。但由于污水中含有大量重金屬等有害物質(zhì)，隨著污灌期的延長，一系列環(huán)境問題開始顯現(xiàn)。由于大部分污灌區(qū)都沒有根據(jù)水質(zhì)、土壤類型、水文地質(zhì)條件、氣候條件、作物種類等因素進行統(tǒng)一規(guī)劃和具體設(shè)計，也沒有根據(jù)污灌的規(guī)定進行科學(xué)管理和合理灌溉，隨著污灌面積和時間的增加，污灌區(qū)污染問題，尤其是重金屬污染問題越來越嚴重，目前，受到重金屬污染的地區(qū)約占污灌總面積的45%。本研究針對污灌對土壤和作物重金屬污染，選取北運河污灌區(qū)土壤和污灌區(qū)種植的小麥、玉米，分析土壤和作物體內(nèi)重金屬含量，了解作物對重金屬吸收能力。1分析1.1采樣點選取及其水質(zhì)特點在遠離道路、距北運河100m的污灌農(nóng)田現(xiàn)場采樣，根據(jù)地礦部1990年《1∶50萬區(qū)域環(huán)境勘察地球化學(xué)研究》成果關(guān)于“進行環(huán)境質(zhì)量評價的土壤采樣深度、采樣密度為每平方公里兩個監(jiān)測點”的結(jié)論，本研究課題每平方公里選取兩個采樣點。采集地點選取北運河廊坊地區(qū)香河境內(nèi)，采樣點分別選取污灌時間長、具有代表性的王家擺和土門樓地區(qū)，王家擺處于北運河上游地區(qū)，土門樓處于下游，通過對污灌水質(zhì)分析表明，2個地區(qū)污灌水質(zhì)中重金屬含量王家擺地區(qū)高于土門樓地區(qū)。同時，選取沒有進行污灌的安平地區(qū)作為參照點。所研究的污灌區(qū)種植作物為夏熟、秋熟兩季作物，以小麥、玉米為主，故按照小麥、玉米的生長期，分別采集小麥、玉米不同生長時期根、莖、葉和籽實樣品，同時，采集作物根系附近土壤樣品。1.2重金屬的cu、pb、zn、cd作物處理：作物樣品陰干后，取2.00g于150mL高型硬質(zhì)燒杯中（燒杯使用前用10%硝酸浸泡24h，用水沖洗干凈后用蒸餾水沖淋，干燥），放進馬弗爐內(nèi)，逐漸升溫灰化。最后在500℃～550℃溫度下灰5h，取出自然冷卻后加入10mL混酸（HNO3∶HClO4為3∶1）在電熱板上消解，消解完畢，顏色變灰白色（注意防止炭化，如溶液有變棕紅色趨勢，再滴加濃硝酸），繼續(xù)蒸發(fā)至溶液冒濃厚白煙并出現(xiàn)粉紅色或黃白色殘渣為止。取下燒杯冷卻，放冷后打開表面皿蒸干，加入1mol·L-1HCL定溶至20mL,用原子吸收法進行重金屬Cu、Pb、Zn、Cd測定。土壤處理：取烘干后的土樣2g，放入100mL高型硬質(zhì)玻璃燒杯中，加少許水濕潤，加15mL王水（HCl∶HNO3=3∶1），于電熱板上加熱保持微沸，至有機物劇烈反應(yīng)后，加高氯酸4mL，繼續(xù)加熱直至冒白煙，強火加熱，直至土樣呈灰白色，小心趕去高氯酸（但要注意不出現(xiàn)棕色燒結(jié)干塊，若出現(xiàn)此現(xiàn)象，要再加少許王水復(fù)原為白色），同時進行試劑5%的空白樣、10%的標(biāo)樣和10%的平行樣，取下樣品，用1%硝酸溶解，過濾于25mL容量瓶中，定容至標(biāo)線搖勻，也用原子吸收法進行測定。監(jiān)測方法與質(zhì)量控制按《環(huán)境監(jiān)測分析方法》與《環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量保證手冊》中的有關(guān)要求進行。質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)樣品是地礦部物化探勘察研究所研制的國家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品。所用分析儀器是WYX-403原子吸收分光光度儀。2元素遷移能力分析為說明重金屬在作物體內(nèi)的遷移趨勢，利用吸收系數(shù)來說明重金屬元素在作物體內(nèi)的行為過程，所謂吸收系數(shù)是指作物體部位某一元素的濃度與土壤中該元素濃度之比，它可代表土壤作物系統(tǒng)中元素遷移的難易程度。元素i的吸收系數(shù)（AbsorptionCoefficient,）表示式如下：式中：Ci為作物體部位i元素的單位重量；Si為土壤耕作層i元素的單位重量。通過研究重金屬元素在大田條件下主要作物不同部位吸收累積系數(shù)，分析小麥、玉米對重金屬Cu、Pb、Zn、Cd的吸收能力。2.1小麥對重金屬吸收特性分析從作物不同部位重金屬吸收能力分析，小麥根部對重金屬Cu、Pb、Zn、Cd的吸收能力最強，按Cu、Pb、Zn、Cd順序，根部的吸收能力分別是莖部的2.17、2.82、2.44、2.75倍和籽實的3.25、7.75、3.59、7.33倍，小麥根部對4種重金屬吸收系數(shù)與莖部吸收系數(shù)比值相近，說明莖部作為小麥營養(yǎng)物質(zhì)的輸導(dǎo)器官，對重金屬吸收和根部重金屬吸收呈正相關(guān)性，而小麥籽實對必需元素Cu、Zn的吸收要遠高于對非必需元素Pb、Cd的吸收，見圖1。從小麥對重金屬吸收系數(shù)分析，小麥對不同重金屬的吸收量不同，以王家擺為例，小麥對Zn吸收能力最強，對Cd吸收能力最弱，見圖2。小麥Zn吸收系數(shù)是Cd的吸收系數(shù)的5.16倍，對Cu、Pb吸收能力界于Zn、Cd之間，小麥對重金屬Cu、Pb、Zn、Cd的吸收能力從大到小順序為：Zn>Cu>Pb>Cd。2.2玉米體內(nèi)重金屬含量變化玉米和小麥都屬于禾本科作物，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生理機制和小麥基本相同，從玉米不同部位重金屬含量比較，玉米對重金屬Cu、Pb、Zn、Cd吸收能力由高到低依次為：根>葉>莖>籽實，其中根部對重金屬吸收能力遠高于其他部位，按照Cu、Pb、Zn、Cd的順序，玉米根部吸收能力分別是莖部吸收能力的3.56、2.71、2.63、1.90倍，是籽實吸收能力的4.56、7.67、3.84、3.8倍，充分體現(xiàn)了根部對重金屬的屏障作用，見圖3。從不同點位重金屬吸收系數(shù)分析結(jié)果可知，王家擺地區(qū)玉米對重金屬的吸收要高于土門樓、安平地區(qū)，體現(xiàn)了玉米對重金屬的吸收隨著土壤中重金屬含量的增高而增加。從整體吸收效果看，玉米對這4種重金屬的吸收能力各不相同，對Cu的吸收能力最強，而對Cd的吸收能力最弱，以王家擺為例，玉米對Cu的吸收系數(shù)是對Cd吸收系數(shù)的7.54倍，對Zn、Pb的吸收能力界于Cu、Cd之間，玉米對四種重金屬的吸收能力由高到低依次為：Cu>Zn>Pb>Cd，見圖4。2.3小麥、玉米重金屬吸收量的分布情況從土壤-作物系統(tǒng)分析，作物吸收重金屬的能力隨土壤重金屬含量的增高而增強，從作物之間比較，作物不同對重金屬的吸收能力不同，通過對小麥、玉米不同部位對不同重金屬吸收系數(shù)進行比較，了解小麥、玉米重金屬吸收能力之間的差異。對小麥、玉米各時期、各部位重金屬含量研究表明，作物對Cu、Pb、Zn、Cd的吸收特性各不同的，見圖5。2.3.1玉米中金屬元素含量的比較玉米各部位對Cu的吸收系數(shù)均大于小麥各部位的吸收系數(shù)，其中以根部吸收系數(shù)最高，莖、葉、籽實中吸收系數(shù)呈遞減趨勢，說明玉米各部位對Cu的吸收能力要高于小麥對Cu的吸收能力。以上研究表明：玉米根、葉、籽實中金屬Cu含量也比小麥根、葉、籽實中Cu含量高，說明玉米對Cu吸收能力高，從而體內(nèi)對Cu累積量大，然而，玉米莖部與小麥莖部相比，對Cu吸收能力高，然而Cu含量低，玉米莖部對Cu主要起到傳輸作用，作為高桿作物，其質(zhì)量比要低于小麥；兩種作物都是根部吸收系數(shù)最高，其次是莖、葉，籽實吸收系數(shù)最低，這同其他研究得出的結(jié)論相同；從吸收系數(shù)值差異看，根部吸收系數(shù)相差最懸殊，玉米、小麥各部位吸收系數(shù)按根、葉、莖、籽實的順序吸收系數(shù)差分別為0.43、0.22、0.07、0.06，說明小麥根部對Cu的屏障作用高于玉米。2.3.2小麥、玉米分布中pb含量的特征小麥各部位對Pb的吸收和根部富集能力低于玉米，而小麥根、莖、葉中Pb含量也低于玉米相同部位Pb含量，小麥葉部Pb含量要高于玉米葉部Pb含量，說明小麥由于對Pb的吸收能力低造成各部位Pb含量低，由于葉部具有從大氣中吸收重金屬的能力，出現(xiàn)小麥葉部從土壤中吸收Pb的能力和自身Pb含量成反比的現(xiàn)象，說明小麥葉部從大氣中吸收Pb的能力要大于玉米從大氣中吸收Pb的能力。小麥、玉米各部位吸收Pb的能力均體現(xiàn)出根>葉>莖>籽實的特點。從吸收系數(shù)比較可知，玉米對Pb的吸收能力大于小麥對Pb的吸收，根部差異最大，按根、葉、莖、籽實的順序，吸收系數(shù)差依次為：0.19、0.03、0.06、0.02，低于對Cu的吸收系數(shù)差相比較，說明小麥、玉米對Pb的吸收能力相差不大。2.3.3zn的生物處理小麥各部位對Zn的吸收都高于玉米各部位對Zn的吸收，而小麥各部位Zn含量也高于玉米相同部位Zn的含量，說明小麥由于對Zn的吸收能力高，造成各部位累積Zn的含量也大。除兩種作物不同部位對重金屬吸收系數(shù)均表現(xiàn)出根>葉>莖>籽實外，按照根、葉、莖、籽實順序，小麥、玉米的吸收系數(shù)差分別為0.15、0.06、0.06、0.14，小麥和玉米各部位對Zn的吸收差異很小，說明Zn作為作物的必須元素，小麥、玉米對它的吸收能力都很強，極易被作物吸收，并且極易向新生籽實轉(zhuǎn)移。2.3.4cd含量的相關(guān)性Cd系生物非必需元素，它在生物圈中的存在，常常只給生物體帶來有害的效應(yīng)。小麥各部位對Cd的吸收與玉米各部位對Cd的吸收系數(shù)基本相等，按照根、葉、莖、籽實順序，小麥、玉米各部位吸收系數(shù)差分別為0、0.02、0、0.01，說明小麥、玉米對Cd吸收能力基本相同，在小麥根部和籽實中Cd含量要高于玉米根部和籽實部位的Cd含量，而小麥莖、葉部Cd含量低于玉米莖、葉部Cd含量，說明在吸收能力相等的情況下，小麥、玉米根部對Cd屬于被動吸收過程，由于土壤中Cd含量高造成根部Cd累積量高，小麥在根部Cd累積量高，莖、葉吸收Cd能力與玉米基本相等的情況下，莖、葉部Cd含量低，小麥根部對Cd的屏障作用要高于玉米根部對Cd的屏障作用，小麥籽實吸收系數(shù)比玉米籽實吸收系數(shù)高0.01，吸收能力高造成小麥籽實中Cd的累積量高于玉米籽實Cd的累積量。2.4玉米與小麥不同生理特性對土壤環(huán)境的響應(yīng)由重金屬元素在小麥、玉米根、莖、葉和籽實中吸收系數(shù)比值，分析其在作物體內(nèi)遷移能力。玉米易吸收土壤中的Cu、Pb，并向地上部遷移，而玉米各部位對Zn的吸收能力低于小麥的吸收能力，小麥、玉米對Cd的吸收基本持平。玉米和小麥吸收重金屬所表現(xiàn)出的差異主要是由于不同作物其生理特性和遺傳差異所致。作物對重金屬元素的吸收能力由大到小為：對Cu和Pb的吸收為玉米>小麥；對Zn的吸收為玉米<小麥，對Cd的吸收為玉米≈小麥。大田條件下研究元素在小麥累積能力排序為Zn>Cu>Pb>Cd，在玉米中遷移能力排序為Cu>Zn>Cd>Pb，研究元素在干旱區(qū)主要農(nóng)作物不同部位吸收累積態(tài)勢為根>葉>莖>籽實。因此，妥善處理好作物的根系，可達到調(diào)節(jié)土壤環(huán)境Cu、Zn含量，維護農(nóng)業(yè)土壤，保護生態(tài)環(huán)境之目的。同一元素在不同劑量區(qū)作物體內(nèi)的吸收累積程度差別顯著，表明在一定程度上，隨著土壤環(huán)境重金屬含量越大，作物根系重金屬吸收累積量也將增大。3小麥、玉米各部位對重金屬含量的檢測(1）作物不同部位的重金屬含量都體現(xiàn)出王家擺>土門樓>安平的現(xiàn)象，部位不同，小麥、玉米重金屬含量不同：小麥根系Zn、Cd的含量要高于玉米根部對這2種元素的含量，對Cu、Pb的含量又小于玉米根系這2種元素含量；小麥莖中Cu、Zn含量高于玉米莖中Cu、Zn含量，而Pb、Cd的含量低于玉米莖中這2種元素的含量；小麥葉部Pb、Zn、Cd含量都要高于玉米葉部3種元素含量，只有Cu含量低于玉米葉中Cu含量；小麥籽實中Cu、Zn含量要高于玉米籽實中2種作物含量，而Pb、Cd含量要