煤矸石充填复垦区小麦中重金属Zn的富集特征

郭 仓，张满满，肖 昕 (.河南理工大学万方科技学院，河南郑州45400;.郑州大学环境政策规划评价研究中心，河南郑州45000;.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州6)

煤矿资源的开采导致地面沉陷，大量的土地资源遭到破坏，而且我国人多地少，耕地资源相对贫乏，因此充分利用煤矿复垦区种植粮食作物尤其重要。20世纪80年代初，我国就开始了矿区复田综合治理研究，提出了煤矸石充填复垦、粉煤灰充填复垦和挖深垫浅3种矿区复垦技术［1］。但是，矿区废弃物——煤矸石中含有较高含量的重金属元素，因此利用煤矸石充填复垦的土地很可能会遭受重金属污染。而且这些重金属对土壤的污染一般都是不可逆的，重金属进入土壤后很难自然降解掉，会破坏土壤系统的结构和功能［2－4］。在煤矸石充填复垦区种植粮食作物，作物的根系会吸收土壤中的重金属，并将其积累在作物的各个器官中，从而会影响作物的生长发育，降低作物的产量与质量，而且作物中的重金属也会进入到食物链中，最终会对人体的健康产生极大的破坏［5－8］。笔者以江苏省徐州市柳新矿区复垦区为例，研究了煤矸石充填复垦区小麦中重金属Zn的富集规律、受污染程度，评价研究区域内的粮食安全性，从而为今后煤矿区的复垦工作和农作物的耕作制度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 研究区位于江苏省徐州市西北20 km的铜山县柳新镇境内，该区属暖温带季风气候，年平均气温14℃，年平均降水量860 mm，无霜期200～220 d。整个塌陷区集中分布在8个村，部分村组复垦前人均耕地面积不足0.006 7 hm2，因此复垦后土地依然用于农业种植，种植制度为小麦 －水稻轮作［9］。研究区内的煤矸石回填场地(341.42°N，117.114°E)于1998 年回填复垦，即将块粒大小不等的煤矸石直接充填到塌陷区，然后覆土40～45 cm进行种植，所覆土为矿区内黏土［10］。整个试验场地位于东至307国道，西至柳沿公路，南至柳新矿北侧，北至苏北堤河，总面积703.33 hm2的区域内。

1.2 样品采集和预处理 分别于煤矸石复垦区小麦的返青期和抽穗期进行采样，采样时间分别为2012年2月20日和5月21日。根据该研究区的污染源分布、地形地貌及气象(该区常年夏季呈东南风向，冬季呈西北风向)等特征，在复垦区内设置了3个采样点(A、B、C)，以复垦区为中心在复垦区外距其 3、5、10、30、50、100 m 处分别设置了6个采样点(D、E、F、G、H、I)。因为复垦区东边临近307 国道，为了防止交通道路对研究区的影响，故设置采样点时往复垦区西边布置(图1)。在每个采样点处采集小麦植株，装入塑料袋并做好标记。将小麦植株在室温下自然风干后，用玛瑙研钵磨细，装入密封袋中保存。

1.3 测定项目及分析方法 分别称取适量的小麦根系、叶片及麦穗预处理样品，用HNO3-HF-HCLO4混合酸法消解［11］，用 ICP-MS测定 Zn元素的含量。用 AutoCAD2006、EXCEL2007进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 小麦生长过程中重金属Zn的富集特征

2.1.1 返青期。由表1可知，返青期小麦茎、叶和根系中的Zn含量随着与复垦区距离的增加呈减少趋势。在A、B、C、D、E 5个采样点处，根系中 Zn含量比例为38.11% ～54.62%，叶片中 Zn 含量比例为45.38% ～61.89%(图2)，植株各部位Zn含量表现为叶＞根;距离复垦区更远的F、G、H、I 4个采样点处，植株各部位Zn含量表现为根＞叶，但二者相差甚少，几乎相等。可见，返青期小麦叶片积蓄Zn的能力比根系强，这可能是由于小麦自身的蒸腾作用导致重金属Zn由根部迁移到叶片。

表1 不同采样点小麦各器官中Zn含量 mg/kg

2.1.2 抽穗期。抽穗期，小麦叶片、根系中的Zn含量随着与复垦区距离的增加呈减少趋势，但在距离复垦区5～50 m处(E、F、G、H 4个采样点)明显增加(表1)，这可能与该处施用了过量的化肥有关［12－13］。在 A、B、C、D、E 5个采样点处，根系中Zn含量比例为38.97% ～49.62%，叶片中Zn含量比例为40.29% ～48.17%，麦穗中 Zn含量比例为10.09% ～15.00%(图3)。麦穗中的Zn含量最小，只有根系和叶片中Zn含量的1/3左右，并且随距离的增加表现得较为平稳，说明麦粒对Zn的富集能力很弱。可见，抽穗期小麦各部分Zn含量表现为叶＞根＞穗。

2.1.3 不同生育时期对比。由表1可知，除了A、F、G采样点外，其他6个采样点小麦根系的Zn含量表现为返青期＞抽穗期;A、B、C、D、E采样点小麦叶片的Zn含量表现为返青期＞抽穗期;而其他采样点表现为抽穗期＞返青期，但相差不大。可见，不管是小麦根系还是叶片，Zn含量总体上表现为返青期＞抽穗期，即随着小麦的生长，各部位富集Zn的能力逐渐降低。

2.2 复垦区小麦的安全性评价 采用内梅罗指数法［14－17］，对复垦区小麦中Zn污染进行评价，评价模型如下:

P=G/S

式中，P为Zn的污染指数;C为Zn含量;S为国家粮食卫生标准，这里采用中国农业行业标准(50 mg/kg)［18］。若P＜1，表示未受到污染;P＞1，表示受到污染;P越大，受污染程度越严重。

因为环境科学研究的主题对象是人类［19］，人类只食用小麦的籽实，由于取样时籽实还未成熟，但麦穗已经形成，故仅对抽穗期麦穗中的Zn污染进行评价。由表2可知，各采样点处的内梅罗指数P均小于1，说明复垦区内及其周边的小麦未被Zn污染。若单从Zn这一指标来看，研究区内小麦可以食用。但考虑到煤矸石中重金属元素不单单只有Zn元素，还含有 Pb、Cd、Cr、Cu、Hg 等［20］。为了更准确地评价研究区内小麦的安全性，后续将对其他重金属进行调查与测定。

表2 小麦麦穗中Zn污染评价结果

3 结论

(1)返青期，小麦茎、叶和根系中的Zn含量随着与复垦区距离的增加呈减少趋势，小麦叶片积蓄Zn的能力比根系强。

(2)抽穗期，小麦叶片、根系中的Zn含量随着与复垦区距离的增加呈有减少趋势，但是在距离复垦区5～50 m处(E、F、G、H 4个采样点)有明显增加，这可能与该处施用了过量的化肥有关;而麦穗中Zn含量变化趋势不明显。抽穗期小麦各部分Zn含量表现为叶＞根＞穗。

(3)不管是小麦根系还是叶片，Zn含量均表现为返青期＞抽穗期。

(4)采用内梅罗指数法评价研究区小麦的Zn污染状况，发现复垦区内及其周边的小麦麦穗中Zn含量未超过国家标准(50 mg/kg)，没有被Zn污染。

［1］卞正富.矿区土地复垦界面要素的演替规律及其调控研究［M］.北京:高等教育出版社，2001:35－38.

［2］董霁红，于敏，程伟，等.矿区复垦土壤种植小麦的重金属安全性［J］.农业工程学报，2010，26(12):280 －285.

［3］黄昌勇.土壤学［M］.北京:中国农业出版社，2000:271 －290.

［4］ZHU Y G，CHRISTEIP，LAIDLAW A S.Uptake of arbus-cular mycorrhizal white clover from Zn-contaminated soil［J］.Chemosphere，2001，42:193 －199.

［5］陈洁.水稻幼苗耐盐性的定量鉴定及耐盐生理生化研究［D］.儋州:华南热带农业大学，2003.

［6］吕静霞，张雅莉.铅胁迫对小麦种子萌发及幼苗生长的影响［J］.种子，2012，31(1):100 －103.

［7］LI Z W，LI L Q，PAN G X，et al.Bioavailability of Cd in a soil-rice system in China:Soil type versus genotype effects［J］.Plant and soil，2005，27(1):165－273.

［8］JIMÉNEZ E M，GAMARRA R，CARPENA-RUIZ R O，et al.Mercury bioaccumulation and phytoxieity in two wild plant species of Almaden area［J］.Chemosphere，2006，63:1969 －1973.

［9］董霁红，卞正富，王贺封，等.徐州矿区充填复垦场地作物重金属含量研究［J］.水土保持学报，2007，21(5):180 －182.

［10］董霁红，卞正富，王贺封.矿山充填复垦场地重金属含量对比研究［J］.中国矿业大学学报，2007，36(4):531 －536.

［11］张娟，王艳春，田宇.北京市属公园土壤重金属分布及风险评价［J］.环境科学与技术，2012，35(6):161 －164.

［12］陈佳，金红宇，戴博，等.化肥施用对人参品质影响的观察［J］.中药材，2012，35(6):847 －850.

［13］孙卉，韩晋仙，马建华.开封市化肥河污染区小麦镉、砷含量及其健康风险评价［J］.土壤通报，2009，40(4):936 －940.

［14］郭笑笑，刘丛强，朱兆洲，等.土壤重金属污染评价方法［J］.生态学杂志，2011，30(5):889 －896.

［15］NMED.Technical Background Document for Development of Soil Screening Levels Revision 5.0［S］.New Mexico Environment Department，2009.

［16］冯启言，孟庆俊.环境影响评价［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008:64.

［17］邹乔，王瑶，杜显元，等.内梅罗指数法在石油开采区土壤PAHs污染分级评价中的应用［J］.安徽农业科学，2011，39(12):7350 －7353.

［18］杨定清，胡述楫，谢永红，等.中华人民共和国农业行业标准:粮食(含谷物、豆类、薯类)及制品中铅、铬、镉、汞、硒、砷、铜、锌等八种素限量:NY861 －2004［S］.北京:中国农业出版社，2005.

［19］何康林，裴宗平.环境科学导论［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008:68.

［20］肖昕，冯启言，刘忠伟，等.重金属 Cu、Pb、Zn、Cd 在小麦中的富集特征［J］.能源环境保护，2004，18(3):28－31.