论文部分内容阅读
土壤是人类赖以生存和发展的基石，是保障粮食安全生产的重要物质基础，然而随着人类活动如加工业、采矿、冶炼、运输、农业生产等活动导致了土壤重金属污染。2014年全国土壤污染状况调查公报显示，全国土壤重金属总的超标率为16.1％，其中耕地土壤重金属点位超标率为19.4％，土壤环境状况总体不容乐观。在污染修复和安全利用实践过程需要对具体田块土壤重金属污染现状、空间分布和生态风险进行精准识别，然后采取针对性修复技术和措施。基于此，本研究以河南省新乡县某污灌小麦农田为对象，基于田块尺度上分析土壤与小麦籽粒中重金属Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb含量、空间分布和生态风险，研究土壤不同粒径团聚体中重金属含量特征、负载因子以及相关性，探究不同钝化材料对重金属污染土壤阻控修复效果。主要研究内容与成果如下:
(1)研究区土壤pH范围为7.38-9.07，变异系数为3％，属于弱变异。有机质含量范围为11.04-42.99g·kg-1，阳离子交换量范围为5.80-14.81cmol·kg-1，电导率范围为124.77-394.70μS·cm-1，变异系数分别为17％、15％和24％，属于低变异。从土壤理化性质空间分布来看，研究区中部区域pH值最高，在西部pH值稍低，北部、东部和南部pH值最低。土壤有机质在东北部区域含量最高，中部及南部区域含量较低。阳离子交换量北部含量为最高，由北向南含量逐渐降低。研究区中土壤电导率总体在东部较高，西部较低。在不同粒径的土壤团聚体上重金属含量存在差异，但只有Cd含量在各粒径间显著，整体上表现为0.5-0.25mm＞1-0.5mm＞5-2mm＞2-1mm＞(＜0.25mm)＞8-5mm，且Cd在几种粒径的团聚体上均呈现富集趋势，分布因子均大于1。不同粒径中对重金属质量负载因子表现为5-2mm＞8-5mm＞2-1mm＞(＜0.25mm)＞1-0.5mm＞0.5-0.25mm。从土壤团聚体重金属有效态含量来看Cr、Zn有效态在＜0.25mm粒径团聚体上含量最高，Ni、Cu、Cd和Pb有效态含量在0.5-0.25mm粒径团聚体上含量最高，且团聚体中各粒级重金属全量与有效态显著正相关(P＜0.05)。
(2)土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb含量分别为319.60、21.76、6.40、35.52、0.95和24.35mg·kg-1，其中Cr、Cd、Pb含量全部点位超过河南省土壤重金属含量背景值，Ni、Zn含量部分点位超过河南省土壤重金属含量背景值，超标率分别为12.38％、2.97％，Cu含量未超过河南省土壤重金属含量背景值。从GB15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》来看，土壤中Cd含量全部超过该标准筛选值，Cr含量部分超过该标准筛选值，超标率为98％，但Ni、Cu、Zn、Pb含量未超过该标准筛选值。从土壤重金属剖面分布特征看，土壤重金属含量随垂直深度增加而降低。研究区Cr、Ni、Cu、Pb主要以残渣态形式存在。Cr可交换态占比不足0.01％，Ni、Cu、Zn、Cd和Pb可交换态占比分别为0.23％、1.32％、0.71％、14.19％和0.02％，其中Cd生物有效性较高。从空间分布来看，Cr含量在研究区南部沿河区域最高，由南向北逐渐降低，在西方向和东北方向含量稍低于南部，中部区域含量较低，南部含量最高处是中部区域的2到3倍;Ni在南部含量最高，中部区域略低于南部，东西两个方向含量较低;Cu含量主要在东北和西南方向较高，其余区域含量较低;Zn含量较高处主要为小片面状分布，在研究区域的中部、北部、南部、西南部均有分布;Cd含量在南部、东部以及中北部含量较高，其余区域含量相对较低;Pb含量主要在研究区中东部、中北部较高，东南部含量稍低，其他区域含量较低。从重金属污染来源看，该地区土壤重金属污染可能源于污水灌溉、大气沉降和有机肥施用。从几种生态风险评价方法来看，该区域农田土壤中Cd污染较为严重。
(3)Cr、Ni、Cd、Pb部分样品超过食品安全标准(GB 2762-2017)。从生物富集系数来看，Cr表现为极弱摄取，Ni、Cu、Zn、Cd和Pb变现为中等摄取，小麦籽粒样品中重金属生物富集系数平均值由大到小关系依次为:Zn＞Cu＞Cd＞Ni＞Pb＞Cr。从小麦籽粒重金属空间分布来看，Cr在中部区域含量较高，而在南部区域含量较低;Ni在中部区域与南部区域含量较高，在东北部和西部区域含量较低;Cu在中部及西部区域含量较高。在东部区域含量较低;Zn在南部区域含量较高，其他区域含量较低;Cd含量在南部区域含量最高，北部含量稍次之，其他区域含量较低;而Pb在西部和东部小片区域含量较低，其他区域含量较高。从小麦籽粒重金属含量与土壤理化性质相关性分析来看，小麦籽粒中Cr、Ni与土壤理化性质没有显著的相关性，Cu与土壤pH、有机质、电导率呈显著相关，相关系数分别为0.31、-0.17、-0.17;Zn与电导率呈显著负相关，相关系数为-0.14;Cd和Pb与阳离子交换量呈显著正相关，相关系数为0.15。从目标危害商数来看，小麦籽粒部分样品中Cu、Zn对儿童有一定的健康风险，部分样品Cr、Cd、Pb对成人与儿童也有一定的健康风险，且相对于Cu、Zn健康风险更加严重，THQ＞1所占比例更多，几种重金属中THQ与TTHQ风险值均表现为儿童＞成人。
(4)采用盆栽实验，研究了海泡石(HP)、木屑炭(MX)单一及其复配(HM)处理对重金属污染土壤理化性质、重金属有效态和小麦体内重金属含量的影响。结果表明施用了海泡石与木屑炭后土壤理化性质得到了显著的改善，与CK相比pH、土壤有机质与电导率有显著提升，其中，MX处理下土壤有机质提升19.26％最为显著，而在HMⅠ处理下电导率提升32.7％最为显著。土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb的有效态含量均有一定程度的降低，Cr、Ni、Cu、Zn和Pb在MX处理下降幅最大，Cd含量则在HPⅠ处理土壤中下降最为显著。与CK相比，HPⅠ、HPⅡ、MX、HMⅠ和HMⅡ处理下小麦苗生物量分别显著增加32.19％、54.08％、56.05％、52.12％和46.57％，其中MX增加最为显著。整体上来看，施用海泡石与木屑炭后显著抑制了小麦根系重金属含量，其中Cr、Ni、Pb含量在HMⅡ处理下降低幅度最大，较对照CK分别降低了39.78％、52.83％和46.62％，而Cd含量在HMⅠ处理中下降最为显著，达到41.3％。小麦地上部Cr、Ni、Cd和Pb含量在所有钝化处理中均有显著地降低，其中Cr含量在HMⅠ处理中下降了74.17％，Ni和Cd含量在MX处理中分别减少了66.57％和20.69％，而Pb含量在HMⅡ处理中下降了43.16％,结果表明不同钝化材料处理对重金属污染土壤有较强的修复潜力。
(1)研究区土壤pH范围为7.38-9.07，变异系数为3％，属于弱变异。有机质含量范围为11.04-42.99g·kg-1，阳离子交换量范围为5.80-14.81cmol·kg-1，电导率范围为124.77-394.70μS·cm-1，变异系数分别为17％、15％和24％，属于低变异。从土壤理化性质空间分布来看，研究区中部区域pH值最高，在西部pH值稍低，北部、东部和南部pH值最低。土壤有机质在东北部区域含量最高，中部及南部区域含量较低。阳离子交换量北部含量为最高，由北向南含量逐渐降低。研究区中土壤电导率总体在东部较高，西部较低。在不同粒径的土壤团聚体上重金属含量存在差异，但只有Cd含量在各粒径间显著，整体上表现为0.5-0.25mm＞1-0.5mm＞5-2mm＞2-1mm＞(＜0.25mm)＞8-5mm，且Cd在几种粒径的团聚体上均呈现富集趋势，分布因子均大于1。不同粒径中对重金属质量负载因子表现为5-2mm＞8-5mm＞2-1mm＞(＜0.25mm)＞1-0.5mm＞0.5-0.25mm。从土壤团聚体重金属有效态含量来看Cr、Zn有效态在＜0.25mm粒径团聚体上含量最高，Ni、Cu、Cd和Pb有效态含量在0.5-0.25mm粒径团聚体上含量最高，且团聚体中各粒级重金属全量与有效态显著正相关(P＜0.05)。
(2)土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb含量分别为319.60、21.76、6.40、35.52、0.95和24.35mg·kg-1，其中Cr、Cd、Pb含量全部点位超过河南省土壤重金属含量背景值，Ni、Zn含量部分点位超过河南省土壤重金属含量背景值，超标率分别为12.38％、2.97％，Cu含量未超过河南省土壤重金属含量背景值。从GB15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》来看，土壤中Cd含量全部超过该标准筛选值，Cr含量部分超过该标准筛选值，超标率为98％，但Ni、Cu、Zn、Pb含量未超过该标准筛选值。从土壤重金属剖面分布特征看，土壤重金属含量随垂直深度增加而降低。研究区Cr、Ni、Cu、Pb主要以残渣态形式存在。Cr可交换态占比不足0.01％，Ni、Cu、Zn、Cd和Pb可交换态占比分别为0.23％、1.32％、0.71％、14.19％和0.02％，其中Cd生物有效性较高。从空间分布来看，Cr含量在研究区南部沿河区域最高，由南向北逐渐降低，在西方向和东北方向含量稍低于南部，中部区域含量较低，南部含量最高处是中部区域的2到3倍;Ni在南部含量最高，中部区域略低于南部，东西两个方向含量较低;Cu含量主要在东北和西南方向较高，其余区域含量较低;Zn含量较高处主要为小片面状分布，在研究区域的中部、北部、南部、西南部均有分布;Cd含量在南部、东部以及中北部含量较高，其余区域含量相对较低;Pb含量主要在研究区中东部、中北部较高，东南部含量稍低，其他区域含量较低。从重金属污染来源看，该地区土壤重金属污染可能源于污水灌溉、大气沉降和有机肥施用。从几种生态风险评价方法来看，该区域农田土壤中Cd污染较为严重。
(3)Cr、Ni、Cd、Pb部分样品超过食品安全标准(GB 2762-2017)。从生物富集系数来看，Cr表现为极弱摄取，Ni、Cu、Zn、Cd和Pb变现为中等摄取，小麦籽粒样品中重金属生物富集系数平均值由大到小关系依次为:Zn＞Cu＞Cd＞Ni＞Pb＞Cr。从小麦籽粒重金属空间分布来看，Cr在中部区域含量较高，而在南部区域含量较低;Ni在中部区域与南部区域含量较高，在东北部和西部区域含量较低;Cu在中部及西部区域含量较高。在东部区域含量较低;Zn在南部区域含量较高，其他区域含量较低;Cd含量在南部区域含量最高，北部含量稍次之，其他区域含量较低;而Pb在西部和东部小片区域含量较低，其他区域含量较高。从小麦籽粒重金属含量与土壤理化性质相关性分析来看，小麦籽粒中Cr、Ni与土壤理化性质没有显著的相关性，Cu与土壤pH、有机质、电导率呈显著相关，相关系数分别为0.31、-0.17、-0.17;Zn与电导率呈显著负相关，相关系数为-0.14;Cd和Pb与阳离子交换量呈显著正相关，相关系数为0.15。从目标危害商数来看，小麦籽粒部分样品中Cu、Zn对儿童有一定的健康风险，部分样品Cr、Cd、Pb对成人与儿童也有一定的健康风险，且相对于Cu、Zn健康风险更加严重，THQ＞1所占比例更多，几种重金属中THQ与TTHQ风险值均表现为儿童＞成人。
(4)采用盆栽实验，研究了海泡石(HP)、木屑炭(MX)单一及其复配(HM)处理对重金属污染土壤理化性质、重金属有效态和小麦体内重金属含量的影响。结果表明施用了海泡石与木屑炭后土壤理化性质得到了显著的改善，与CK相比pH、土壤有机质与电导率有显著提升，其中，MX处理下土壤有机质提升19.26％最为显著，而在HMⅠ处理下电导率提升32.7％最为显著。土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb的有效态含量均有一定程度的降低，Cr、Ni、Cu、Zn和Pb在MX处理下降幅最大，Cd含量则在HPⅠ处理土壤中下降最为显著。与CK相比，HPⅠ、HPⅡ、MX、HMⅠ和HMⅡ处理下小麦苗生物量分别显著增加32.19％、54.08％、56.05％、52.12％和46.57％，其中MX增加最为显著。整体上来看，施用海泡石与木屑炭后显著抑制了小麦根系重金属含量，其中Cr、Ni、Pb含量在HMⅡ处理下降低幅度最大，较对照CK分别降低了39.78％、52.83％和46.62％，而Cd含量在HMⅠ处理中下降最为显著，达到41.3％。小麦地上部Cr、Ni、Cd和Pb含量在所有钝化处理中均有显著地降低，其中Cr含量在HMⅠ处理中下降了74.17％，Ni和Cd含量在MX处理中分别减少了66.57％和20.69％，而Pb含量在HMⅡ处理中下降了43.16％,结果表明不同钝化材料处理对重金属污染土壤有较强的修复潜力。