京西煤矿煤矸石堆周边环境农作物种植安全调查
2021-11-13李娜耿雪营康玉婷
李娜,耿雪营,康玉婷
(1.北京联合大学 应用文理学院，北京 100191；2.首都医科大学 基础医学院，北京 100069)
京西煤矿区存在大量煤矸石堆,导致土壤污染与沙漠化[1]。同时，二氧化硫等酸性物质会将有害物质溶解到水中，导致水、大气、土壤间的循环污染[2]。目前，通过在污染土壤上充垫正常土壤，提高了作物存活率,但煤矸石堆周边地区的样品植株较短小，存在生长期延迟现象，菠菜尤为显著。
1 实验部分
1.1 材料与仪器
土壤、玉米、韭菜、菠菜等均取自京西某煤矿煤矸石堆周边地；Pb、Cd、Cr等均为国标标准溶液；HNO3、HClO4、HF、HCl均为优级纯；实验用水均为去离子水。
TL2010S中通量组织研磨仪；TAS-990FG原子吸收分光光度计;AL104-IC电子天平等。
1.2 样品采集
1.2.1 土壤的采集与处理 在距京西煤矿区煤矸石堆约1 000 m种植作物的地区，采集了距地表20 cm 处约500 g的土壤样品，自然干燥，剔除石块、树根和其它杂物，在研钵中充分研磨成细粉，使用100目尼龙筛筛除较大颗粒物，取约100 g土样保存于自封袋中。
1.2.2 玉米的采集和处理 在京西煤矿某煤矸石堆周边约1 000 m的地区采集玉米样品，保存于自封袋中；在非矿区采集玉米作为对照组，保存于自封袋中。将采集的玉米脱粒，用去离子水冲洗玉米粒表面的土壤及灰尘等杂物，反复冲洗3遍后自然晾干，称取200 g样品放置于60 ℃烘箱中烘5 h至恒重，用粉碎机粉碎，过20目筛。
1.2.3 韭菜、菠菜的采集和处理 在京西煤矿某煤矸石堆周边约1 000 m的地区采集韭菜、菠菜样品，分别保存于自封袋中；在非矿区采集韭菜、菠菜作为对照组，保存于自封袋中。将采集的作物用去离子水洗净、晾干，打成匀浆。每份样品分别灰化、酸解，稀释定容。
1.3 分析方法
1.3.1 土壤重金属检测 用萃取-火焰原子吸收法，以GB/T 17140—1997为标准检测铅和镉，方法来源于GB 15618—2008《土壤环境质量标准》；用火焰原子吸收分光光度法检测铬，以HJ 491—2009为标准，方法来源于GB 15618—1995[3]。
1.3.2 玉米、韭菜、菠菜重金属检测 用石墨炉原子吸收光谱法GB/T 5009.12—2017检测铅[4]；用石墨炉原子吸收光谱法GB/T 5009.15—2014检测镉[5]；用石墨炉原子吸收光谱法GB/T 5009.123—2014检测铬[6]。方法均来源于《食品中污染物限量》GB 2726—2017。
2 结果与讨论
2.1 土壤中重金属含量
京西煤矿某煤矸石堆区土壤重金属Pb、Cd、Cr含量见表1。
表1 采样区土壤重金属含量Table 1 Heavy metals content in the soil
由表1可知，京西煤矿某煤矸石堆采集的土样铅含量超出国家土壤二级标准值，按GB 15618—2008 《土壤环境质量标准》中的解释，具有污染危害的可能性[3]。
2.2 玉米中重金属含量
矿区玉米重金属含量见表2。
表2 玉米重金属含量Table 2 Heavy metals content in the corn
由表2可知，对照组玉米未检测到3种重金属中的任意一种；在玉米样品中Pb的富集很少，Cr、Cd均检出，Cr的检出量相对较高，但均符合国家食品污染物限量标准。
采样地土壤中Pb含量较高。有研究指出，Pb较大比例沉积于细胞壁，玉米是须根系植物，地上部分的生物量远大于地下部分，地上部分组织发达，厚壁细胞多，极可能造成地上部分重金属含量高[7]，但是检测结果并非如此，玉米样品中的Pb含量极少未达到检出限，可能是土壤Pb含量与玉米Pb含量不具有正相关关系，导致吸收进植株内的Pb含量很少。另外，也有可能是玉米周边存在富集Pb能力较强的植物，造成玉米内Pb含量低。
徐峰等证实[8]玉米茎镉含量与土壤镉含量呈显著的正相关关系。本实验玉米果实中Cd检出量也较低，茎与果实关联紧密，推测对于玉米来说的土壤有效镉含量不高。Cr通过影响玉米幼苗细胞保护酶活性阻碍其生长，随着高浓度Cr3+的胁迫增加下，玉米幼苗的Cr3+吸收量也相应会增加[9]，长期高浓度Cr3+胁迫导致玉米植株矮小。
2.3 韭菜、菠菜中重金属含量
矿区韭菜、菠菜中重金属含量测定结果见表3。
表3 韭菜、菠菜的重金属含量Table 3 Heavy metals amount of spinach and leek
由表3可知，对照组韭菜和菠菜都未检出重金属；采样区韭菜中Pb、Cd含量较低，但依然能检测到；采样区菠菜中的Pb、Cr、Cd含量明显比采样区韭菜高，但小于国家标准限量。采样区韭菜中Cr的含量极低，说明没有受到Cr的污染，Pb、Cd污染也很小，相对韭菜，菠菜受到的污染较大。
叶菜类蔬菜对重金属的富集能力较强，叶片会从空气中吸收污染物，蔬菜中50%的Pb都是通过叶片进入植物体[10]。同为叶菜类，因为菠菜叶面积宽大，韭菜叶片窄细，菠菜对于重金属Pb的吸收就会比韭菜多。植株体内的Pb主要来源于大气，Cd主要来源于土壤[11]，故蔬菜的扎根深度、叶片大小等造成了不同蔬菜对同种重金属的吸收情况不同，同一蔬菜对不同重金属的吸收也不同。Cr3+在低浓度下会促进菠菜的干物质积累，高浓度时某些营养物质含量显著降低，Cr与Pb或Cr与Cd在菠菜的生长环境中有协同作用，形成复合污染[12]。
重金属长期侵害植物，会影响到细胞质膜的透性、结构，抑制叶绿体和线粒体功能，降低光合作用和呼吸作用，损害碳水化合物代谢等[13]，进而植株出现叶片失绿等反常现象。菠菜作为大叶绿叶蔬菜，光合作用和呼吸作用都被抑制也就直接导致生长期延迟，植株个头矮小。有盆栽试验指出，施硒可以有效地抑制菠菜根部对Cd的吸收，降低根部和地上部的Cd含量[14]。
2.4 分析及建议
2.4.1 种植吸附重金属能力弱的农作物 玉米是城乡居民必不可少的谷类食物，也是重要饲料加工来源，是北方容易种植的耐旱作物。由上可知，玉米对重金属的吸附能力相对较弱，建议该区种植玉米。因为玉米根茎高，人们主要食用的是玉米颗粒，煤矸石堆对于高茎作物果实的影响较小，可降低农作物的食品安全风险和重金属通过食物链富集在人体内对健康造成的影响。
2.4.2 减少种植易吸附重金属的蔬菜物种 韭菜和菠菜作为低茎叶菜类，相比高茎谷类玉米对重金属的富集量多。韭菜、菠菜作为必备常食蔬菜，摄入量大，采样区菠菜的检测值虽然符合国家标准，但所含重金属量相对较大，长期低水平摄入，进而富集在体内，对人体健康存在潜在损害[11]。尤其采样地区是弱酸性条件，重金属元素可能发生价态转变，使其活性增强[15-17]。在京西煤矿区煤矸石堆周边地区展开种植植物有很大的价值，一方面可以改善当地土壤沙漠化的现象，深入实施绿色种植经济；另一方面，生态文明是中华民族发展的千年大计，党的十九大报告也强调，必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念。
2.4.3 穿插种植 在种植农作物的农田中，适当种植观赏类植物，改善土壤环境，并且减少农作物产品中的重金属富集量。菊科植物对重金属的富集能力较强，常被作为植物修复资源，广泛种植于重金属污染地区[18]。
2.4.4 引进土壤动物、微生物 引进土壤动物[19]、微生物对改善该区生态有很重要的作用。曾远等表示[20]，部分特异性微生物与重金属离子存在作用机制，可利用其吸附重金属等特性达到修复污染土壤及水体的目的，如蜡样芽孢杆菌对金敏感。
2.4.5 尽量减少煤矸石堆的总量 开发利用煤矸石发电、制砖、制造水泥，以减少煤矸石堆的总量。煤矸石堆作为“源头”问题，如今也有很多变废为宝的举措。近年来发现煤矸石经一定燃烧程度的自燃后，根据其成分种类可开发利用成不同用途的建筑材料，如泥质和碳质页岩煤矸石作为墙体材料比黏土砖的耐压、抗折、耐酸腐蚀性能好；作为掺和料代替水泥适量掺入，能改善水泥等基建筑材料的性能[21]。煤矸石废弃物的利用不仅能从根源上减轻土壤作物的重金属污染，还能减少占地面积，实现节约资源，践行可持续发展的理念。
2.4.6 加强农户的种植安全意识 对当地农户普及煤矸石堆对周边种植作物重金属污染的安全知识，加强环境污染对于农作物种植影响的宣传力度，培养农户的安全种植意识。另外，农户日常活动减少使用污水、农药、化肥等，并选择远离煤矸石堆的种植地。在农产品结出果实后，注意采取环境污染防护措施，降低农产品污染风险和避免影响农产品的品质。
3 结论
(1)京西煤矿煤矸石堆对于周边种植的农作物构成一定的重金属污染风险。京西煤矿区煤矸石堆周边地区土壤的Pb含量较高；谷类作物玉米中检测到Cr和Cd，但符合食品污染物限量标准；叶菜作物韭菜中含少量Pb和Cd，菠菜中测得一定量的Pb、Cr和Cd，均小于叶菜蔬菜污染物限量标准[22]。
(2)煤矸石堆对农作物的重金属污染影响存在差异。从检测的几种作物来看，玉米受到的影响最低，菠菜、韭菜等重金属含量相对较高，叶菜作物比谷类作物更易富集重金属，叶菜中菠菜对重金属的富集力最强。
(3)总体上，京西煤矿煤矸石堆污染对于农作物的重金属污染影响，符合国家食用安全标准限量范围。说明这里的环境污染有明显的改善，政府对环境的综合治理取得了显著的成效。
(4)为了促进该区绿色种植经济更加健康、可持续性发展，考虑到可耕地较少的现状，以及农作物对环境改善的重要作用，倡导种植耐旱、抗环境影响的环境农作物作为环境污染的治理措施之一。在农业种植品种选择中优先选择吸附重金属小的经济作物，以确保该地区农作物的种植安全，提升农作物品质。加大当地农作物种植中育苗、施肥、灌溉等种植安全管理，在种植过程中，注意减少化肥、农药、污水等污染，通过技术的创新，逐步实现农产品的零污染。
