四川盆地西北部农田土壤-玉米作物重金属富集及相关性评价

2022-09-16马成卫孟建军上官宇先何明江曾祥忠秦鱼生汪录英

农业研究与应用 2022年3期

马成卫，孟建军，上官宇先，何明江，陈琨，喻华，曾祥忠，秦鱼生*，郭松，汪录英

（1四川省农科院农业资源与环境研究所，四川成都 610000；2陇东学院农林科技学院，甘肃庆阳 745000；3成都稼积农业技术有限公司，四川成都 610000）

土壤重金属污染是指土壤中的重金属元素含量明显高于自然背景值并造成生态破坏和环境质量恶化的现象。重金属元素一般定义为相对密度等于或大于5.0 的金属元素，一般来说，引起土壤重金属污染的元素主要包括Cd、As、Zn、Cu、Cr、Pb、Ni、Hg 等8 种元素。其中，重金属元素主要以水溶态和交换态的形式存在于土壤环境中，毒性较强容易被植物吸收。重金属在土壤污染具有滞后性、长期性、隐蔽性和区域严重性等特点，能够进入生态系统，并通过食物链的积累进入人体，影响人类健康，甚至威胁人类生命安全。近年来随着经济的快速发展，土壤中重金属Cd、Cu、Zn 含量不断增加，重金属污染逐渐成为农田土壤中普遍存在问题。据《全国土壤污染调查公报》显示，我国重金属污染耕地土壤点位超标率为19.4%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，每年因重金属污染的粮食减产约为1×10t，合计经济损失至少200 亿元。

随着种植业施肥的演进和发展，大量有机肥和磷肥的施入导致土壤出现磷素及重金属积累问题。P作为植物的必须营养元素之一，在作物生产中起重要作用，作物生产中P 可以改变Pb、Hg 在土壤中的形态平衡，使土壤Pb、Hg 活性和生物有效性发生改变，最终影响Pb、Hg 在土壤中的分布及转运。研究表明，土壤全磷、活性磷、残留磷分别与重金属全量存在显著正相关的关系，长期施用磷肥使土壤磷素和重金属不断积累。代文雯研究结果表明，土壤理化性质、施肥方式会导致玉米根际环境变化从而影响到玉米对重金属吸收运输，导致玉米对Cd、As、Pb 等重金属的富集能力较强。

近年来，对于重金属的研究主要集中于土壤污染水平的研究，对重金属在作物中的富集及相关性评价是有限的。以四川盆地西北部四个区域农田土壤及玉米作物为研究对象，测定玉米和土壤中（Cd、As、Pb、Cr、Hg）的含量，利用单因子指数法、内梅罗指数法、相关性分析对土壤重金属As、Cd、Cr、Hg 和Pb 的污染现状和生态风险进行评价，期望能够为后期四川盆地西北部土壤环境质量现状评价及治理提供基础数据。

1 采样与方法

1.1 样品采集与处理

选择四川盆地西北部的四个大型玉米种植基地为研究区域，如图1，共采集36 个采样点。土壤采样过程参考GB∕T 36197-2018《土壤质量土壤采样技术指南》等方法进行，按照5 点取样法在表层土0～20 cm 混合土壤1～2 kg，并通过GPS 定位系统记录采样位点经纬度坐标，共采集土壤品36份。与土壤采样点相对应的玉米在乳熟期时按照五点取样法选择具有代表性的植株，取玉米籽粒1kg混合均匀后取其中1～2 kg，并通过GPS 定位系统记录采样位点经纬度坐标，共采集玉米籽粒36 份。所采集的每份样品代表种植面积约100 m，样品采集回来后需室内晾晒自然风干，待土样风干后剔除其中的植物残体和石块后研磨粉碎处理，然后过100 目（0.149mm）尼龙土壤筛，装入聚乙烯塑料袋中备用。玉米籽粒用去离子水清洗干净，然后风干备用。

图1 采样点布设示意图

1.2 样品分析测试方法

土壤pH 使用去离子水为浸提剂，水土质量比为2.5∶1，采用酸度计PHS-3C 测定。土壤样品用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸进行消解，取上清液待测，用原子吸收分光光度计AA-6880 测定Cd、Cr、Pb 等重金属元素含量。然后在通风橱中，加入6 mL 盐酸，再慢慢加入2 mL 硝酸，振荡样品使其与消解液充分接触，待反应结束后置于微波消解仪中消解，使用原子荧光光谱仪测定土壤中As和Hg 的含量。

玉米籽粒每份取2 kg 将其粉碎，按照GB 5009.15-2014 等相关标准进行重金属含量检测。

1.3 评价方法

（1）单因子污染指数法

单因子污染指数法是指某一污染物影响下环境污染指数，是我国常用的评价土壤污染程度的方法，污染等级分级标准按照表1 进行分析，元素评价标准选取四川省土壤背景值进行评价。计算公式为：

式中：为土壤重金属的单项污染指数；为调查点位土壤中重金属的实测值（mg/kg），为重金属的评价标准限值（mg/kg）。土壤评价参考《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB15618—2018），土壤中各项重金属评价标准限值以及分级指标如表1 所示。

表1 壤重金属单因子指数评价标准

（2）内梅罗综合指数法

内梅罗综合指数法突出了污染指数最大的重金属元素对土壤环境质量的影响和作用。使用内梅罗综合污染指数法评价某个整体区域的复合污染状况，污染指数评价标准按表2 进行评价。计算公式为：

表2 内梅罗综合污染指数评价标准

式中：表示某区域综合污染指数；表示单因子污染指数最大值；为单因子污染指数平均值。值越大，说明重金属污染越严重，综合污染指数分级标准如下表：

1.4 数据处理

数据采用SPSS 25.0、Origin 2021 和Excel 2016 统计软件对土壤样品和玉米籽粒的36 组数据进行统计分析、线性拟合和相关性分析等。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属污染状况

2.1.1 土壤理化性质

土壤的理化性质在生物、物理、化学等因素的共同作用下，会产生变化。针对研究区土壤进行了土壤基本理化性质分析，表3 为研究区表层土壤基本理化性质的统计结果。具体结果如下：研究区土壤为中性偏碱pH 值的范围为7.13～7.58；有机质（OM）含量范围为3.39～37.6 g·kg，平均值为17.32 g·kg；全氮含量范围为525～994 mg·kg，平均值为833.69 mg·kg；碱解氮含量范围为58～274 mg·kg，平均值为116.83 mg·kg；有效磷含量范围为10.8～185.6 mg·kg，平均值为47.38 mg·kg；速效钾含量范围为33.1～429.3 mg·kg，平均值为204.38 mg·kg；缓效钾含量范围为348～960 mg·kg，平均值801.00 mg·kg。

表3 研究区土壤基本理化性质

2.1.2 土壤重金属含量特征

研究区域36 个土壤采样点的土壤重金属含量监测结果见表4。由表4 可知，研究区域农用土壤Cd、Pb、Hg、Cr 平均含量为0.32、43.07、0.17、147.64 mg·kg。与农用地土壤污染风险管控标准（GB15618-2018）相比，Pb、As、Hg 的含量均小于风险筛选值。土壤Cd 含量部分高于风险筛选值，低于风险管控值，超标率为55.56%，土壤Cd 含量是土壤背景值的4 倍，且变异系数较大，属于中等变异，变异系数大于40%。土壤Cr 含量部分高于风险筛选值，低于风险管控值，超标率为5.56%。

表4 四川盆地西北部农业土壤重金属分析结果

2.2 内梅罗综合指数评价结果

采用内梅罗综合指数法对调查区土壤重金属的污染程度进行评价，评价结果如表5 所示。由表5可知，依据土壤单项污染程度分级标准，试验区域土壤重金属Pb、As、Hg、Cr 元素单因子污染指数i 均小于1，属于非污染土壤等级；土壤重金属Cd元素单因子污染指数i 大于1 且小于2，表现为轻度污染水平。试验区重金属元素的单因子污染指数表现为Cd＞Cr＞Pb＞Hg＞As。综合污染指数评价结果表明，土壤综合污染指数1＜≤2，属于土壤综合污染等级三级，为轻度污染。

表5 土壤重金属内梅罗综合污染指数评价结果

2.3 玉米重金属含量特征

与土壤试验区域采样点对应的玉米籽粒重金属含量监测结果见表6。由表6 可知，与我国食品污染物限量（GB2762—2017）相比，玉米籽粒中Pb、As、Hg、Cr 的含量均值为0.06 mg·kg、0.02 mg·kg、0.00 mg·kg、0.15 mg·kg，且最大值均未超过食品重金属限量指标，超标率为0；Cd 的含量均值为0.04 mg·kg，其中2 个样品超过食品重金属限量指标，超标率为6.0%，食用玉米存在对人体有潜在健康风险。并且Cd、Pb 属于中等变异程度，变异系数大于40%；其他元素变异程度较低，变异系数小于40%。

表6 四川盆地西北部玉米作物重金属分析结果

2.4 重金属相关性分析

2.4.1 土壤重金属相关性分析

对试验区域表层土壤中的5 种重金属进行相关分析，分析结果见表7。Cd 和Pb、Cr 相关系数为0.139、0.042，呈正相关；Cd 和As、Hg 相关系数为-0.194、-0.031，呈负相关。Pb 与As 相关系数为-0.49，呈极显著负相关；Pb 与Hg 相关系数为-0.276，呈负相关；Pb 与Cr 相关系数为0.079，呈正相关。As 与Hg 相关系数为0.749，呈极显著正相关；As 与Cr 相关系数为0.246，呈正相关。Hg和Cr 相关系数为0.172，呈正相关。由图2 可知，通过相关性函数模型分析得知，Pb 与As 的值为0.23、As 与Hg 的值为0.562，线性拟合度较佳，变量间具有较强的相关性。

表7 土壤重金属元素之间的相关性分析

图2 土壤重金属相关性函数模型

2.4.2 土壤理化性质与重金属相关性分析

土壤理化性质与各重金属元素的相互关系是在一定的条件下相互作用的结果。为了探究土壤理化性质与各重金属元素间的相互关系以及理化性质对某一重金属元素富集的影响，利用SPSS 25.0 分析了土壤理化性质与重金属含量相关性。由表8 可知，Cd、As、Cr 3 种重金属与土壤理化性质均没有相关性，而Pb、Hg 与土壤理化性质之间存在着一定程度的正相关或负相关。Pb 与土壤pH 之间存在显著正相关性，相关系数为0.347；Pb 与有效磷之间存在显著负相关性，相关系数为-0.333；Hg 与有效磷之间存在显著正相关性，相关系数为0.343。由图3可知，通过相关性函数模型分析得知，土壤Pb 与As 有效磷的值为0.111、土壤汞与有效磷的值为0.118，线性拟合度较佳，变量间具有较强的相关性。

表8 土壤理化性质与重金属含量相关性分析

图3 土壤理化性质与重金属相关性函数模型

2.4.3 土壤与玉米重金属相关性分析

表9 为土壤与玉米重金属含量相关性分析结果，由表9 可知，玉米中的As 和土壤中Pb 的相关系数为-0.723，呈极显著相关性（＜0.01）；玉米中的As 和土壤中的As 相关系数为0.459，呈显著相关性（＜0.05）；玉米中的Cd 和土壤中的Hg 相关系数为-0.336，呈显著相关性（＜0.05）。由图4 可知，通过相关性函数模型分析得知，玉米As 与土壤As 的值为0.2106、玉米As 与土壤Pb 的值为0.523，线性拟合度较佳，变量间具有较强的相关性。

图4 土壤与玉米重金属相关性函数模型

表9 土壤与玉米重金属含量相关性分析

3 讨论

土壤理化性质与重金属元素存在相关性。其中pH 值与有效磷对重金属元素关系密切，这与黄爽的结论基本一致；通过相关性分析得出，土壤重金属元素主要影响因子有pH 值、有效磷、有机质等，它们通过直接或间接影响重金属元素在土壤中的含量，这与窦苗的研究结果相一致。目前对于作物重金属最终来源的相关研究较少，本文就土壤理化性质、土壤重金属含量、作物重金属含量进行相关性分析，探究作物重金属来源。农田土壤大量磷肥的施用导致土壤磷在地表产生一定程度的累积，磷含量升高导致土壤铅、砷、汞等重金属形态变化。分析得出：有效磷能够改变Pb、As、Hg 在土壤中的含量分布，影响Pb、As、Hg 在土壤中的分布及转运导致根系吸收导致玉米砷含量较高。余垚研究结果表明：磷肥中含有一定量的镉、砷，这些重金属会随肥料的施用进入土壤，从而对土壤环境产生一定的影响，导致土壤重金属含量过高，最终对作物重金属含量产生一定的影响。

综上所述，研究区土壤中Cd 污染较为严重，因为该区域农耕历史悠久，是重要的南菜北调基地，由四川人大网得知，试验区域蔬菜年种植面积8.676 万hm（复种），产量约233.83 万t，产值约68.48 亿元，在种植蔬菜的过程中需要长期的使用化肥、农药生长调节剂等来保持土壤肥力、增强作物抗性、增加收获产量，所以加重了Cd 含量在土壤中的积累。初步判断土壤pH 值与有效磷对重金属的分布有一定的影响，与叶华香的研究结果相同。其它元素之间无明显的相关性，这说明玉米的大部分重金属含量与土壤重金属含量没有明显的相关性，这种情况可能与农产品和土壤中的重金属化学形态以及生物有效性有关系。因此，在研究农田土壤—作物重金属迁移规律时，不仅要关注重金属的含量，还要研究重金属存在的化学形态以及在土壤与作物中的迁移规律，从而有利于我们对农田土壤—玉米作物污染程度做出科学、准确的判断，并及时采取相应的措施。