矿粮复合区土壤及水稻籽实中重金属污染特征研究

徐 蕾，王玮婕，聂 建，肖 昕

（1.徐州市环境监测中心站，江苏 徐州 221000；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221000）

0 引言

矿粮复合是指既是矿产资源主产区又是粮食主产区的特殊区域，在我国粮食产区占有重要地位[1]。矿山开采与利用过程中会对周边环境释放废水、废气以及固体废物，进而造成区域土壤环境质量下降，其中重金属污染是矿区土壤研究的重点[2-3]。目前的研究大多集中在金属矿山，但研究人员也逐渐发现煤矿固体废物周边[4]、煤矿产区[5-6]以及电厂周边[7]均出现了不同程度的重金属累积。土壤污染是区域作物重金属污染的重要来源[8-9]，监测典型矿粮复合区土壤和作物可食物部位中重金属污染特征可以有效分析区域粮食安全性和主要污染途径。本论文采集了徐州市城北矿粮复合区25个土壤和水稻样品，分析了稻米和土壤中 5 种重金属（Cd，Cr，Zn，Pb，Cu）的含量，并进行了评估，以期为当地粮食安全及重金属污染传输过程进行初探。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

徐州市城北矿粮复合区位于徐州西北，东经117°07'～ 117°19'，北纬 34°32'～ 34°36'。 该区属温带季风气候，年平均温度14°C，年均降水量900 mm。区域内主要作物为小麦、水稻、玉米等。区域内有5个煤矿、3个火电厂，2个大型粉煤灰堆场和多处煤堆放场地，同时还有2/3的面积为农田，是典型的矿-农复合区。

1.2 采样点位布设

在实地调研的基础上，依据均匀布点与结合污染源的原则，在研究区域内布设了25个水稻样品采样点，同时在作物采样点处采集土壤样本，采样点位置见图1。

图1 采样点位置

1.3 样品的采集与预处理

每个采样点采集5株以上水稻样品，保留整株完整，同时就近采集表层土壤样品（0～15 cm），去除土壤中的石块、植物残体等杂质，混合成一个样品带回实验室。水稻籽实经脱谷，研磨后备用，土壤样品经风干、缩分、研磨过0.15 mm筛后备用。

植物样品用V（硝酸）∶V（高氯酸）以 4∶1比例消解。 土壤样品用V（盐酸）∶V（硝酸）∶V（氢氟酸）∶V（高氯酸）以 3∶1∶3∶1比例消解。

1.4 样品分析与质量保证

消解后的样品用电感耦合等离子体发射光谱仪（Perkin Elmer，Optimal 8000）进行分析，水稻籽实样品以国标样GSB-24进行质量控制，土壤样品以GSS-13进行质控。

1.5 数据处理方法

实验所得数据用Excel2003和SPSS16.0进行基本特征分析。

2 区域土壤重金属污染特征

研究区域土壤中重金属含量结果见表1。

表1 土壤重金属含量结果统计mg·kg-1

土壤中各重金属含量总体而言呈Zn>Cr>Cu>Pb>Cd的趋势。各重金属分布的变异系数差异较大，其中Cd的变异系数最大，为63%，其次为Cu，51%，最后为Zn，Pb和Cr。变异系数可以反映总体中各目标值的离散程度[10]，研究区域中Cd，Cu的变异系数分别是Cr的3.7，2.97倍，说明这2种重金属存在局部污染源的可能性较大，可能与农作方式、污水灌溉或固体污染物储运等有一定的相关性。

与GB 15618—1995《土壤环境质量标准》相比，区域内仅60%点位的Cd超过国家二级标准，其他重金属元素（Pb，Cu，Cr，Zn）均低于相应国标，说明区域内大部分土地已不适应作物种植，主要污染物为Cd。与当地土壤背景值[11]相比，88%点位的Cu和84%点位的Cd超出背景值，其中Cu均数是背景值的2.02倍，Cd是2.74倍，其他金属的均数均略低于背景值，但也出现了部分超出背景值的点位。对照变异系数的数据可以发现，研究区域内土壤中的Cu和Cd存在一定程度的局布污染，其污染来源仍需进一步监测分析。

3 水稻籽实重金属污染特征

研究区域中水稻籽实重金属含量结果见表2。

表2 籽实中重金属含量结果统计mg·kg-1

水稻籽实中Pb和Cr元素污染相对严重，与NY 861—2004《粮食及制品中铅、镉、铬、汞、硒、砷、铜、锌等八种元素限量》相比所有点位中Pb含量均出现了不同程度的超标，其中最大值超值13.2倍；92%点位中的Cr出现超标现象，超标最严重者为标准值的51倍；52%点位的Cd存在超标现象，最大超标倍数为2.5倍，陈京都等[12]经过研究江苏省北部地震带的农田土壤和小麦样品发现，土壤中除Hg外重金属元素含量均超过土壤背景值，而仅Cd超过国家土壤环境质量标准中的标准限值，为重度污染；而该地区小麦籽实存在多种重金属超标现象，其中以Pb污染最为严重，超标率为100%。相对于土壤重金属分布特征，水稻籽实中重金属分布具有更大的离散性，其中Cr最离散，变异系数高达114.41%，Cu和Zn的变异系数相对较低，分别为31.48%和33.81%，说明水稻籽实中的重金属受局布污染影响较土壤更严重。土壤中变异系数相对较大的Cd和Cu在籽实中分别为74.65%和31.48%，其中Cu的变异系数最小，说明水稻籽实中的Cu可能并非主要来源于土壤。研究表明水稻籽实中对土壤中的Cd具有较强的富集能力[13]，水稻籽实中Cd和土壤中Cd的具有相似的离散水平，但如果需要明确该金属是否为由水稻根系吸收土壤中的Cd仍需进一步分析讨论。

4 水稻籽实对土壤中重金属的富集特征

富集系数是指植株中重金属含量与土壤中含量的比值，可以有效地反映植物对土壤中重金属的吸收能力。一般而言计算公式如下：

富集系数F=植株中的重金属含量/土壤中重金属的含量

经统计计算，各监测点位的水稻籽实对不同重金属元素的富集能力见表3。

表3 水稻籽实中的富集能力

由表3可知，研究区域内水稻籽实Zn和Cd的平均富集系数相对较高，分别为0.39和0.36，其次为Cu，Cr和Pb。Cd的最大富集系数高达1.35，其次为 Cr，0.99；Zn，0.83；Cu，0.57 和 Pb，0.28。 通常情况下植物对土壤中重金属的吸收大部分会沉积在地下部分，只有少量向地上部分迁移，同时重金属更趋向于分布在生长旺盛的器官，而籽实作为营养储存的器官往往只富集少量的重金属[14-15]。然而煤-粮复合区的研究成果则出现了较普遍的地上部分 （包括籽实）中重金属分布较多的现象[16-17]。发现3#，4#和9#点位中籽实富集系数较高，组合采样点位置可以发现，其中3#和4#点分别位于区域内南北和东西主干道边，这2点位受汽车扬尘影响严重；9#位于粉煤灰堆场与粉煤灰制砖厂之间，同时研究团队对当地大气沉降中的重金属也进行了分析，发现大气沉降中的重金属是土壤中的3～8倍，说明这些点位中水稻重金属的来源可能来源大气沉降。

5 结论及建议

（1）研究区域内除部分点位Cd超标外，其他重金属均低于相应国标；88%的Cu和84%的Cd超出背景值且Cd，Cu的变异系数均相对较高，可能存在局部污染。

（2）水稻籽实中Pb和Cr元素污染相对严重，92%的Cr和52%的 Cd超标；水稻籽实中重金属分布离散性较土壤中更大，其中Cr最离散，Cu和Zn的变异系数相对较低。

（3）研究区域内水稻籽实中平均富集系数大小为 Zn＞Cd＞Cu＞Cr＞Pb，相对于常规由土吸收的植物，本研究中水稻籽实的富集系数明显偏大，综合考虑采样点位及周边污染源分布情况，其污染可能不仅来源于根系对土壤的吸收。这与仲维科等[18]研究的结论一致：我国农作物重金属污染的来源多样，污水灌溉、工矿废弃物不达标排放、公路两侧抛弃的垃圾和汽车尾气、未处理的垃圾农用等均可为农作物重金属污染来源。由于研究区域周边污染源众多，相关重金属污染的来源解析还可以做进一步研究。