滕州矿区土壤与玉米籽粒重金属富集特征
2018-05-14刘书江王敏高宗军秦鹏一代杰瑞
刘书江 王敏 高宗军 秦鹏一 代杰瑞
摘要 [目的]研究土壤重金属对玉米籽粒中重金属含量的影响，为提高玉产质量提供理论依据。[方法]对滕州矿区农田根系土壤及表层土壤和玉米籽粒中5种重金属含量进行分析。[结果]5种重金属含量均低于各自对应的国家标准限值；玉米对Hg的吸收富集能力最强，对As和Pb的吸收富集能力最弱；玉米籽粒与根系土壤间As的相关系数最大，是由于籽粒中As含量随土壤中As含量的增加而增加，其他重金属间的相关性相对较弱；土壤中Cd对植株的影响能力最强，Hg和Pb仅具有一定的潜在影响能力，As和Ni的影响能力相对较弱。[结论]有效控制土壤重金属的输入量、pH和增加有机质含量等，对降低有效态重金属含量具有重要作用。
关键词 重金属；玉米籽粒；根系土壤；滕州矿区
中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）17-0137-04
Abstract [Objective] To analyze the effects of soil heavy metals on the content of heavy metals in maize， and provide the theoretical basis for improving the quality and yield of maize.[Method] The content of five heavy metals in soil， topsoil and maize kernels in farmland of Tengzhou mining area were statistically analyzed. [Result]Five kinds of heavy metal content was lower than the corresponding national standards limit；Maize showed the strongest absorption of Hg， the weakest absorption and accumulation ability of As and Pb；The highest correlation coefficient of As between maize grain and root soil was due to the increase of As content in grain with the increase of As content in soil result and relatively weak with several other indicators；The heavy metal morphological data showed that Cd had the strongest effect on plants， Hg and Pb had only a certain potential influence， As and Ni had weaker influence. [Conclusion]The effective control of soil heavy metal input， pH and the content increase of organic matter play an important role in reducing the content of available heavy metals.
Key words Heavy metals；Corn grain；Root soil；Tengzhou mining area
隨着社会的高速发展，一部分的经济增长是建立在牺牲环境的基础上，不合理、不科学、不可持续的发展模式对环境施加巨大的压力。工矿业的“三废”、化肥、农药不合理施用，使污染物质直接进入表生环境，对环境造成恶劣的影响[1-2]。重金属是土壤中较典型的污染物质，在食物链中参与演化，对植物及人类健康造成威胁[3-5]。研究滕州矿区表层土壤与玉米中重金属的积累特征，对有效防治重金属对植株的危害以及降低食物链中重金属含量具有重要意义。
笔者对滕州矿区表层土壤不同形态重金属、玉米籽粒和根系土壤中重金属含量进行研究，分析土壤中重金属对玉米籽粒中重金属含量的影响，旨在为提高玉米产质量提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 样品采集
在玉米成熟收获的季节，选用玉米籽粒作为生物样品。采集生物样品23件及相同数量的根系土壤样品，采集603件表层土壤样品，对其中10件表层土壤样品中重金属形态进行检测，采样点间距为200 m，采样深度在0～20 cm。对玉米植株的选取，尽量保持样品均匀，避开遭受病虫害或机械损伤以及田边路旁的植株。玉米籽粒样品在脱粒后混匀铺平，用方格法和4分法缩分，取得样品约250 g。玉米籽粒用布袋盛装。土壤样品采集过程中尽量使用木铲，避免外界工具对土壤样品重金属含量的影响。采样点布置在土层较厚地带，避开明显点状污染源区、田埂，避开施肥期等。样品除去非土壤的其他可视杂质，如树叶、砾石等，采样量不少于1 kg。采集的土壤样品转入干净布袋，包装袋外层套聚乙烯塑料袋，防止样品受到外界的污染。采样点分布见图1。
1.2 样品测试与分析
测试土壤中5种重金属指标，包括Hg、Cd、As、Pb和Ni。采用电感耦合等离子体质谱仪测定样品中Cd、Pb、Ni含量，检出限小于0.01 μg/kg；采用X荧光光谱仪（XRF-1800）测定As、Hg 含量。样品测试工作由国土资源部武汉矿产资源监督检测中心完成。
1.3 数据分析
测试的样品数据采用SPSS23及EXCEL2010进行分析。
2 结果与分析
2.1 根系及表层土壤和玉米籽粒重金属含量
滕州矿区样品重金属含量见表1。由表1可知，在研究区表层土壤及根系土壤中，重金属含量由高到低依次为Ni、Pb、As、Cd、Hg。与国家土壤2级环境质量标准（GB 15618—2008修订版，6.5
2.2 表层土壤不同形态重金属含量
在表生环境中，重金属、土壤和植物之间存在密切的联系，但能被植株吸收的重金属仅是土壤中的一部分。充分了解土壤中有效态重金属含量对研究玉米籽粒中重金属含量有重要作用，同时能够指示玉米籽粒受重金属污染的风险[7]。土壤中不同形态的重金属会随环境条件的改变而改变，可能在一定条件下会促进土壤中有效态重金属含量的增加，提高植株受重金属污染的风险。
研究区表层土壤5种重金属形态包括水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰结合态、强有机结合态和残渣态7种类型，其中水溶态和离子交换态可被植物直接利用，碳酸盐结合态可视为弱结合态，在一定条件下能够水解并释放出重金属，腐殖酸结合态和铁锰结合态可视为中等强度的结合态，在一定条件下可以释放出重金属，强有机结合态和残渣态可视为强结合态，这2种形态的重金属相对较难释放出重金属[8-9]。
由表2可知，滕州矿区表层土壤重金属不同形态含量及比例有较大差别，从易利用态可以看出，Cd所占比例最大，占总量的40.20%，是其他指标的4～18倍，其中离子交换态占29.80%，占有相当大的份额。从中等利用态看，Hg、Pb和Cd所占比例较大，其中Pb的铁锰结合态占27.36%，占有相当大的比例。从惰性态看，Cd所占比例最少，Pb、Ni、As和Hg含量是Cd的1.66～2.00倍，但这4项指标的含量相差不大。综合分析土壤重金属形态数据可以看出，土壤中Cd对植株的影响能力最强，Hg和Pb具有一定的潜在影响能力，尤其是Pb的铁锰结合态，从易利用态、中等利用态和惰性态比例可以看出，As和Ni的影响能力相对较弱。
2.3 玉米籽粒对不同重金属的吸收程度
用玉米籽粒中不同重金属含量与根系土壤中相对应重金属含量的比值作为评价玉米籽粒对不同重金属的吸收能力[10]。5种重金属的比值系数为Hg 0.077、Cd 0.066、As 0.004、Pb 0.004、Ni 0.008，表明这5种重金属在籽粒中的迁移强度表现为Hg>Cd>Ni>As=Pb。可见在玉米籽粒及土壤中Hg含量最低，但玉米对Hg的吸收程度最强，可能与该指标的形态有直接或间接的联系；对As和Pb 2种重金属的吸收富集能力最弱，可能是这2种重金属在植株中的迁移吸收规律以及籽粒中不同重金属间相互影响而造成的。从Cd富集系数看，玉米籽粒对Cd的较强富集性与该指标易利用态含量有密切联系。研究表明，玉米植株对Pb的吸收存在较大的分异特征，植株根系对Pb的吸收能力最强，是籽粒的100～1 000倍，由此可知，Pb在玉米植株中迁移时，植株根系吸收了大部分，同时玉米秸秆对Pb的吸收强度是籽粒的20倍左右，从而造成籽粒对Pb的富集系數较小[11]。
2.4 根系土壤和玉米籽粒中不同重金属间相关性分析
对研究区根系土壤及玉米籽粒中5种重金属含量进行相关性分析，结果见表3。从表3可以看出，土壤和玉米重金属间相关性有明显差异，根系土壤中重金属间整体上为正相关，其中As与Cd、Ni存在显著正相关关系。在玉米籽粒中，重金属间整体上处于无相关—负相关，重金属间的相关关系更为复杂，其中Hg和Pb的相关系数为0.620，显著相关，Ni和Pb的相关系数为0.215，但相关性不显著，表明这3种重金属在积累演化上有相互促进的作用，其他重金属间无或负作用[12]。重金属在玉米籽粒和土壤中的演化存在明显差别，可能是重金属在玉米籽粒中的富集积累受到多种因素的影响。
2.5 根系土壤和玉米籽粒中相应重金属间相关性分析
以玉米籽粒及根系土壤中重金属含量为基础，采用SPSS软件分别对两者间对应重金属含量进行相关性分析，结果表明，玉米籽粒中重金属与根系土壤中相应重金属的相关系数分别为Hg（-0.253）、Pb（0.086）、Ni（-0.274）、As（0.490）、Cd（0.050）。由此可知，As有较明显相关性，Hg和Ni也有一定的相关性，但Pb和Cd几乎不存在相关性。根系土壤中Hg和Ni存在负相关关系，表明元素存在竞争关系[13]。土壤和玉米籽粒之间As存在一定的正相关关系，表明籽粒中As含量受根系土的影响相对较强，研究表明，土壤中As含量与玉米籽粒中As含量存在正相关关系[4]，因此在一定程度上，籽粒中As含量随土壤中As含量的增加而增加，从而造成土壤与籽粒间As相关性较强。Pb和Cd的相关性弱，表明该2种重金属在演化过程中无明显的相互作用，或者是受其他指标的影响，造成该2种重金属未在籽粒中富集积累。
总体上玉米籽粒与土壤中重金属间的相关性不强，这与前人研究结果有一定差异，这可能与土壤中重金属形态、土壤理化性质、不同区域受不同外界条件的影响以及不同重金属间的相互作用等因素有直接或间接关系[13]。因此在一定程度上不能简单地通过土壤中重金属含量来推断玉米籽粒中相应重金属的含量以及变化情况，对于土壤中重金属在籽粒中的演化特征有待进一步研究。
3 结论与讨论
（1）研究表明，玉米对重金属的吸收量与土壤中相应重金属含量呈正相关关系[14]；虽然玉米籽粒对As含量的吸收富集能力以及As对籽粒的毒害性最弱，但不可忽视土壤As含量与籽粒中As含量有正相关关系，因此应严格控制土壤As的输入量和形态的变化；土壤中Cd形态对植株的影响最强，应有效调控Cd形态的转化。土壤中Cd总量增加会迅速促进活动态Cd的含量，有效控制流入表层土壤中Cd的总量是降低Cd对植物毒害的有效手段之一[8]；控制土壤pH对调节碳酸盐结合态和离子交换态有重要作用，一般情况下，土壤pH与交换态重金属之间存在负相关关系。有效控制土壤重金属对植株的影响，应合理调控土壤外源重金属的输入量、土壤pH[15-16]、有机质含量[17-18]、氧化还原电位等因素，使易吸收态的重金属更多地向惰性态重金属的形式转化，从而降低有效态重金属对植株的污染风险。
（2）研究区表层土壤、根系土壤以及玉米籽粒中重金属含量均表现为Ni>Pb>As>Cd>Hg，与国家土壤环境2级标准及国家粮食谷物标准对比，其含量均低于国家各自标准限值，均呈现良好的态势。
对土壤重金属形态分析可知，土壤中Cd对植株的影响能力最强，Hg和Pb具有一定的潜在影响能力，As和Ni的影响能力最弱。玉米籽粒对Hg的吸收程度最强，As和Pb最弱。玉米籽粒与根系土壤间As的相关性最强，表明土壤中As对玉米籽粒中As有较强的影响。Hg和Ni也有一定的相关性。
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