土壤-玉米重金属富集迁移特征及秸秆还田

2021-08-11董红志高宗军张海瑞董美川

科学技术与工程 2021年18期

姜冰, 董红志, 高宗军*, 刘阳, 张海瑞, 董美川

(1.山东省第四地质矿产勘查院, 潍坊 261021; 2.山东省地矿局海岸带地质环境保护重点实验室, 潍坊 261021;3.山东科技大学地球科学与工程学院, 青岛 266590)

农业的高度集约化、生产工业化、城市化的快速发展,都使得农田土壤污染和土壤质量下降问题日趋严峻[1],加之重金属元素As、Cd、Cr、Hg、Pb、Zn、Cu、Ni一旦进入食物链就在循环中不断积累,人体中重金属元素积累超过一定范围时,可能引发病变[2-6]。近年来,专家学者将目光聚焦在重金属污染区域的污染评价及生态风险评价[7-11],土壤-农作物系统的重金属污染含量特征、富集特征及其迁移转化规律的探索[12-14]。例如,顾金峰等[15]对贵州锁黄仓沼泽进行了重金属污染评价及生态风险评价研究,发现该地区Cr、Ni、Zn、As、Pb的含量均高于其背景值,主要是由人类活动引起；邹艳梅等[16]对黄河三角洲石油烃污染下芦苇营养器官中5种重金属的富集和迁移规律进行了探索,认为土壤中的石油烃含量对芦苇根部富集Pb、Mn、Co和Ni的能力产生影响。

尽管已有研究成果非常丰富,但对未被污染区域土壤-农作物系统中重金属的富集与迁移规律探索仍存在一定不足。探索未被污染区域中土壤-农作物系统中重金属的富集与迁移,能够更直观地了解土壤中相应元素的活性强度及作物的吸收强度。本文在对研究区土壤进行地球化学评价后发现,研究区的土壤类型简单,土壤质量均处于优良状态,为探索未被污染区域土壤-玉米重金属元素富集与迁移特征规律提供了可能。以区域内主要粮食作物玉米及其根系土为研究对象,分析测试根系土、根、茎、叶、籽实样品中的As、Cd、Cr、Hg、Pb、Zn、Cu、Ni 8种重金属含量,采用统计法及生物系数法探索重金属元素在玉米植株中各部位的富集和迁移规律。同时将对茎的分析,细化为下茎、中茎、上茎三个部分,以此来探索重金属元素在垂直形态中的迁移与富集规律。

1 研究区概况

南张楼村位于山东省潍坊市青州市何官镇东部,春秋旱、夏涝、冬冷。平均年降水量664 mm,显著小于年蒸发量1 535.52 mm,平均气温12.7 ℃,平均无霜期191.7 d,平均积温4 331.7 ℃。研究区是典型的平原村落,地貌类型属冲积-洪积平原,地势平坦,覆盖第四纪全新世黑土湖组。土壤类型西北部为潮土,面积约占21%,其他为砂姜黑土。区域内无地表水系,地下水类型属山前倾斜平原冲洪积层孔隙潜水、承压水。土地利用类型以水浇地(约占73%)和农村宅基地(约占11%)为主(图1)。表土以呈现碱性为主,pH为7.13～8.31,平均8.03。主要种植农作物为玉米、小麦、胡萝卜,远离城区及工业园区,土壤受污染程度微弱,主要污染源为化肥、农药、生活垃圾。

2 样品采集与分析

2.1 样品采集处理

玉米种植田块为取样单元,在玉米收获期采集根系土、配套根、茎、叶、籽实等样品。每个取样单元随机选取5～10个植株,各自混合成样,其中茎按自下而上均分为下茎、中茎和上茎三个样品。根系土采集于相应玉米种植田块内,采样深度0～20 cm,由2～3个分样等量组合成1件样品。共采集32套玉米配套样品(图1)。

图1 研究区土地利用类型及取样点分布图

各类样品处理严格遵照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)。玉米植株各部位样品采集后,在第一时间冲洗,除去污染,再用蒸馏水冲洗,晾干。籽实在80～90 ℃烘箱中烘30 min,然后降温至60～70 ℃,逐尽水分,时间0.5～1 d。根、茎、叶切碎、粉碎至20～40目过筛待测。根系土样品置于干净整洁的室内通风处晾干,并适时翻动,并将大土块用木棒敲碎,并将植物残体、石块等其他所有非土物质剔除干净；土样压碎全部过2 mm的尼龙孔径筛；过筛后土壤样品称量后混匀,用塑料瓶盛装,重量不少于500 g。

2.2 样品分析测试

加工处理的样品均由山东省第四地质矿产勘查院实验测试中心分析测试。植株各部位样品采用原子荧光光谱法测定As、Hg,电感耦合等离子体质谱法测定Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Cd。根系土样品采用电感耦合等离子体质谱法测定Cd,X射线荧光光谱法测定Cu、Pb、Zn、Ni、Cr,原子荧光光谱法测定As、Hg。各环节严格按照规范执行。

2.3 数据处理

以统计学方法及生物系数法为基础,通过对研究区32套玉米配套样品重金属含量进行数理统计,根系土、根、茎、叶、籽实样品含重金属特征如表1所示。下茎、中茎、上茎样品含重金属特征如表2所示。植物对重金属元素的吸收效率可以用富集系数(bioconcentration factor, BCF)和转移系数(translocation factor, TF)来表示。富集系数反映从土壤到植物的转移效率,转移系数反映从根部到地上部分的迁移效率[17-19]。

(1)

(2)

式中,Cm为玉米植株某一部位的重金属含量, mg/kg；Cs为根系土中重金属含量, mg/kg；Cup为玉米根部以上某一部位重金属含量, mg/kg；Croot为玉米根部重金属含量, mg/kg。玉米植株某一部位的富集系数用该部位样本富集系数的平均值表示(表3),其中玉米上、中、下茎中富集系数平均值单独列表(表4)。玉米植株某一部位的转移系数用该部位样本转移系数的平均值表示(表5),其中玉米上、中、下茎中转移系数平均值单独列表(表6)。

表3 玉米各部位的富集系数

表4 玉米茎各部位的富集系数

表5 玉米各部位的转移系数

表6 玉米茎各部位的转移系数

3 结果与分析

3.1 重金属元素在玉米配套样品中的含量特征

由表1和表2可知:①根系土中除Hg之外的各重金属元素的变异系数均小于0.2,说明研究区域内除Hg之外的各重金属元素的分布较为均匀,重金属元素Hg的分布比较分散,存在差异性；②在玉米根中重金属元素Cu、Pb、Zn、Cd的变异系数均小于0.4,这一结果与其根系土的均一性一致,这说明根中的Cu、Pb、Zn、Cd的含量变化主要与土壤背景值相关；而Cr、Ni、As、Hg的变异系数均大于0.4,除了Hg所对应的根系土差异较大之外,其他三个重金属元素根系土的均一性良好,说明其他三个元素在玉米根中的富集受到其他因素的干扰；③玉米茎中各重金属元素的变异系数均大于0.4,这说明重金属元素在茎中的富集比较容易受到不同外界因素的干扰,同时下茎、中茎、下茎的变异系数也均大于0.4,说明重金属的在茎中的差异性富集不区分位置；④玉米叶中各重金属元素的变异系数均小于0.4,表明叶对于各个重金属的吸收和转移能力最为稳定；⑤玉米籽实中重金属元素Cu、Zn、As、Hg的变异系数小于0.4,而Pb、Cr、Cd、Ni的变异系数大于0.4,其中Cr、Ni的变异系数大于1,说明玉米籽实对Cu、Zn、As、Hg的吸收较为稳定,但对Pb、Cr、Cd、Ni尤其是Cr、Ni的吸收受到外部环境影响较大；⑥玉米植株除籽实外的各部分Hg含量的变异系数都与其根系土变异系数一致,说明玉米植株中籽实对Hg的吸收比较稳定,不受到土壤背景环境的影响,而玉米植株的其他各部位对Hg的吸收都取决于其土壤背景环境。

表1 各元素在32套配套样品中不同部位含量特征统计表

表2 各元素在32套配套样品中不同茎位含量特征统计表

3.2 重金属元素在玉米各部位中的聚集特征

植物从土壤中吸收重金属元素,有一些元素累积在根部和茎部靠近地面一端,向上输送的量一般不多[21-23],研究区主要为碱性土壤,而碱性土壤中的多数重金属不易被作物吸收[24]；也有一些元素含量出现叶、籽实>根的分布特征,这与玉米对某种元素的吸收能力有关。

将重金属元素在玉米不同部位平均含量百分比做成柱状图(图2),将玉米中不同部位重金属总含量做成柱状图并添加趋势线(图3)来分析判断重金属元素在玉米不同部位的含量差异及不同部位对重金属元素的吸收能力。

图2 各元素在玉米植株不同部位含量百分比柱状图

图3 玉米植株不同部位重金属总含量图

通过图2、图3分析发现:①重金属元素主要聚集在玉米根中,这与文献查阅结论一致[12,25]；②Pb、Cr、Ni、As的近地聚集表现更为明显；③Zn最容易聚集在玉米植株的籽实中,其他重金属元素在玉米籽实中的聚集较为微弱；④Cu、Zn容易被玉米植株的各个部位吸收；⑤重金属聚集总量表现为根>茎>叶>籽实。

为了进一步探索各个重金属元素在垂向上的迁移规律,将下茎、中茎、上茎的重金属百分含量做成柱状图(图4),玉米下茎、中茎、上茎中重金属总含量做成柱状图并添加趋势线(图5)。分析对比图4、图5发现:①Pb、Cr、Ni、As在玉米茎中的分布表现出了明显的近地面富集,这与文献查阅结论一致；②Zn、Cd在玉米茎中的聚集则表现出了明显的顶端聚集,这与传统的结论相反,这种结果的相悖可能是由于参考文献中的重金属富集研究多发生于受污染区域,而本研究区土壤未受到污染,反映出了自然状态下Zn、Cd的富集特征,这一研究结论说明土壤污染不仅影响重金属元素在植物植株中的富集含量,还会影响其迁移效率；③Zn、Cd的顶端聚集还体现了其在玉米茎中具有较强的迁移能力；④尽管多数重金属元素在聚集中表现出了明显的近地面性质,但是由于Zn、Cd在茎中的富集含量较大,且表现出的顶端聚集较为突出,重金属总含量在茎中的聚集体现为顶端聚集。

图4 各元素在玉米下、中、上茎中含量百分比柱状图

图5 玉米下、中、上茎中重金属总含量图

3.3 重金属元素在玉米各部位的富集系数特征

各重金属元素在玉米植株不同部位的富集系数(BCF)特征如图6,其玉米茎不同部位的富集系数(BCF)特征如图7。从图中可以看出:①各重金属元素在根中的富集系数均大于8%,说明重金属元素由玉米根进入玉米植株其他部位的过程中必然有一部分富集在根中；②Cr、Ni在根中的富集系数最大甚至超过了100%,说明这两种元素从土壤中进入玉米根之后发生聚集,同时很难再被转移到其他位置；③Cu、Hg在叶片中的富集系数最大,Pb、As在玉米植株中的富集系数最低；④在玉米植株各部位中玉米茎的Pb、As富集系数最低,同时还表现出了向上富集系数降低的趋势；⑤玉米茎中Cu、Ni的富集系数较大。

图6 各元素在玉米中不同部位富集系数图

图7 各元素在玉米下、中、上茎中的富集系数图

3.4 重金属元素在玉米各部位的转移系数特征

当重金属元素从土壤进入植物根系后完成富集系,开始从根部向其他各个部位转移,转移系数(TF)能够反映各重金属元素在植物体系内的运移能力。各重金属元素在玉米植株不同部位的转移系数(TF)特征如图8,其玉米茎不同部位的转移系数(TF)特征如图9。通过图8、图9分析发现:①从玉米根部吸收的重金属元素,在叶片中的转移系数普遍偏高,尤其是Cu、Zn、Hg的转移系数超过了150%；②重金属元素在玉米茎中的转移系数次之,从玉米根到玉米籽实的转移系数较低；③除Zn外的重金属元素在玉米下、中、上茎中的转移系数差异不明显,Zn的转移系数表现出向顶增加的趋势。

图8 各元素在玉米中不同部位转移系数图

图9 各元素在玉米下、中、上茎中的转移系数图

4 玉米种植与秸秆还田讨论

秸秆还田可以培肥地力已得到普遍认同[26-29],但近年来,缺点也不断被放大,通常被提起的有病虫害、微生物争夺营养等,还有重要的一点就是重金属的累积[30-31]。在自然状态下,玉米植株对重金属的富集来源于其种植土地,秸秆还田只是将重金属归还于土地,并不会引发重金属叠加污染。耕地土壤中的重金属来源一般有大气沉降、农药、化肥、机械废气等[32-33],随着耕作时间的推移,土壤的重金属污染会成为必然趋势,因此应在考虑农药、化肥持续污染的同时,探讨秸秆还田的适宜性,秸秆还田不能一刀切。同时根据研究区域各个重金属元素在玉米植株各部位中的富集及迁移规律,在重金属污染区域应开展区别化种植与还田。

(1)玉米籽实对各重金属元素的富集与迁移能力均比较低,在重金属污染区域可以开展适种,分析籽实中的重金属是否符合国家标准,如果符合国家标准,可以继续开展种植,但是由于玉米植株的根茎叶对重金属的富集与迁移能力均比较强,则重金属污染区域不予还田。

(2)各重金属元素均在玉米植株的根中表现出良好的富集与迁移能力,因此在重金属污染区域可以开展秸秆部分还田工作,玉米植株中Cr、Ni在根中的富集系数大于100%,因此土壤重金属污染以Cr、Ni为主时,玉米根不还田茎叶可还田；Cu、Hg在叶中的富集系数大于50%,因此土壤主要表现为Cu、Hg污染时,玉米叶不还田根茎可还田。

通过选择性种植可以在保证食品安全的同时,提高土地利用率。通过部分还田工作,能够在减少碳排放量的同时,降低土壤中的重金属污染程度。

据中国农科院最新研究发现,秸秆还田过程会释放溶解性有机碳,若还田过量,会抑制土壤有机铁氧化物复合体形成,降低其对Cr(III)的固定量。而配套样品中,根系土与籽实中Cr相关系数为0.369(0.05水平),所以土壤中Cr的活性增强,便会增加其通过食物链进入人体的风险。