农田土壤铜限量标准研究

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Cu作为植物生存必需的营养元素,也是常见重金属污染元素之一。土壤中的Cu被植物吸收后会在组织中积累,过量的Cu可能会对植物、植食动物乃至人类产生毒害。本研究比较分析了江苏、安徽、江西、浙江不同来源地的铜污染土壤其理化性质与小白菜可食用部位铜含量的相关性;评估了蔬菜铜的生态毒理;筛选了与小白菜铜积累密切相关的土壤有效态铜浸提剂,并结合前期实验结果提出土壤Cu的毒性阈值,以期为土壤Cu污染标准修订提供一定的理论基础。分析采集于四个污染矿区农田的128个土壤样品,结果表明:铜陵矿区农田土壤铜含量严重超标,其土壤铜总量范围为24.03-5470 mg/kg,均值为793.9 mg/kg,点位超标率为92.50%;诸暨矿区农田土壤样品Cu含量全部超标,Cu总量范围为102-752 mg/kg,均值为259 mg/kg;德兴矿区农田土壤Cu总量范围为11.28-2028 mg/kg,均值为440.6 mg/kg,点位超标率为75%;汤山矿区农田土壤Cu总量范围为19.92-1641 mg/kg,均值为379.1 mg/kg,点位超标率为70%。采样点土壤多呈酸性,pH值普遍较低,其中德兴矿区农田土壤pH最低可达3.9,均值为5.9;土壤有机质含量大多在10-40 g/kg范围内,其中德兴矿区农田土壤有机质含量最高。选用采集的128个土壤样本进行小白菜盆栽实验,种植三季,结果表明:随着土壤总Cu浓度的增加,小白菜可食部位Cu含量也逐渐升高,小白菜可食部位Cu变异范围为0-120.0 mg/kg,均值为27.25 mg/kg,其中各采样地小白菜可食部位Cu含量为:德兴>铜陵>汤山>诸暨。尽管铜陵矿区农田土壤样品总Cu含量高于德兴矿区,但德兴矿区农田土壤栽培的小白菜可食部位Cu含量均值是四个地区土样中最大的,达到了 30.47 mg/kg。由此结果说明,土壤总Cu含量与小白菜可食部位Cu含量的线性关系较弱,不足以预测Cu从土壤到小白菜可食部位的转运。土壤有机质含量较高时,能促进Cu从土壤向小白菜可食部位转运,当有机质含量小于20 mg/kg时,土壤总Cu含量与小白菜可食部位含量线性相关性较强。当土壤中总Cu含量与有机质含量相对恒定且pH偏低时会促进铜从土壤向小白菜地上部分的转运。小白菜对Cu的富集能力较弱,受到土壤性质的影响,小白菜富集系数(bioconcentration factors,BCF)在不同土壤间存在较大差异。此外,由于德兴地区的土壤具有较低的pH值及较高的有机质含量,土壤中的Cu更易被小白菜吸收,具有较大的潜在风险。利用白玉蜗牛作为土壤生态毒理的诊断指标衡量Cu的生态毒性,结果表明:蜗1牛食用Cu污染的小白菜后,Cu能在蜗牛体内积累,但大部分的Cu积累于蜗牛消化腺中,随粪便排出体外,仅有部分Cu被消化吸收,其壳体几乎不存在Cu的积累。以饲喂蜗牛过程中其体重变化作为生态毒理学指标,发现小白菜可食部位Cu浓度在205.0 mg/kg以下时,蜗牛能够正常进食和生长,几乎不会对蜗牛的体重产生影响;当Cu浓度高于205.0 mg/kg时,蜗牛的进食欲望下降,行动能力变弱,体重有所降低。矿区农田Cu污染主要通过三个途径对人体健康产生威胁:土壤Cu的直接暴露,食用污染地生产的蔬菜粮食,以及饮用水途径。本研究针对其中的两个部分,即土壤Cu的直接暴露与污染土壤栽种的小白菜进行人体健康风险评估,发现当使用土壤总Cu含量进行人体摄入风险评价时,所有研究区域Cu的非致癌风险(THQ)<1,表明土壤Cu暴露经口腔进入对成人及儿童的非致癌风险均较小;根据小白菜可食部位中Cu的浓度和每日蔬菜平均摄入量估算人体Cu的每日摄入量(EDI),各样点儿童的EDI值明显高于成人,铜陵与诸暨地区点位超标率达100%。居民摄食了各采样区土壤栽种的小白菜后,其Cu可能会对人体健康产生不利影响,尤其是儿童。土壤中有效态Cu的含量对于研究Cu在食物链中的转运有着重要的作用,但是不同浸提剂对土壤中重金属有效态的浸提能力往往由于土壤性质的不同存在很大差异。本实验以四个采样区土壤为对象,研究了草酸、柠檬酸、甲酸、苹果酸、EDTA、DTPA、EDDS、氯化钙等8种浸提剂对土壤有效态Cu的浸提效果,发现EDDS作为Cu的特异性浸提剂,其浸提的土壤有效态Cu与小白菜可食部位Cu含量具有最高的线性相关度。3.0 mmol/L EDDS作为土壤有效态Cu的浸提剂时,其浸提的有效态Cu含量与小白菜可食部位Cu含量线性关系最好(R2=0.9124)。使用EDDS作为土壤Cu的有效态浸提剂能够模拟Cu从土壤到小白菜的转运,且相较于土壤总Cu,以EDDS浸提态Cu作为衡量标准,更能反应土壤Cu的毒性效应。利用EDDS浸提态Cu与小白菜可食部位Cu建立了 土壤-小白菜Cu吸收转运方程,并计算出基于EDDS浸提态Cu的土壤Cu毒性阈值为176.0 mg/kg。
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