灌溉水—耕作土壤—化肥—作物生態(tài)系統(tǒng)中重金屬鎘的分布特征

摘要：以川中丘陵區(qū)內(nèi)江市雙橋鄉(xiāng)為研究區(qū)域，調(diào)查分析鎘（Cd）在研究區(qū)內(nèi)灌溉水、水底泥、表層耕作土壤、剖面和當(dāng)?shù)爻Ｓ没始安煌魑锔?、果?shí)中的分布特征。結(jié)果表明，該地區(qū)灌溉水和水底泥中Cd含量分別符合國家農(nóng)用灌溉水標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)值（GB 4284—1984）；表層耕作土壤和剖面各層中Cd平均含量均高于成都經(jīng)濟(jì)區(qū)土壤背景值44%，存在大面積污染風(fēng)險(xiǎn)；化肥中Cd元素平均值為1.81 μg/g，高于國家土壤環(huán)境質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn)；作物根系土中平均Cd含量為0.410～0.439 μg/g，高于國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，有一定累積；作物果實(shí)中Cd含量平均值則都小于國家土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)，生物富集系數(shù)排序CFCd花生>CFCd柑橘>CFCd水稻>CFCd玉米；灌溉水對土壤Cd污染影響小，而化肥施用與研究區(qū)表層耕作土壤Cd污染存在密切聯(lián)系，對作物中Cd不同程度累積有一定影響；作物根系土和果實(shí)對Cd的吸附與富集作用存在明顯差異。

關(guān)鍵詞：Cd；灌溉水；土壤；化肥；作物

中圖分類號：O657.31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439—8114（2012）19—4222—04

鎘（Cd）是一種具有極高生物毒性的重金屬元素，可以在土壤中積累和在作物體內(nèi)殘留，通過食物鏈進(jìn)入人體并在體內(nèi)蓄積，從而對人體造成潛在危害[1]。許多科研工作者對Cd污染進(jìn)行了相關(guān)研究，但針對灌溉水—土壤—化肥—作物生態(tài)系統(tǒng)中Cd分布規(guī)律的研究很少[2，3]。本研究以川中丘陵區(qū)內(nèi)江市雙橋鄉(xiāng)為研究區(qū)域，調(diào)查分析Cd在研究區(qū)灌溉水、水底泥、表層耕作土壤、土壤剖面、化肥以及不同作物中的分布特征，旨在為川中丘陵區(qū)耕作土壤Cd污染防治和合理調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提供科學(xué)參考。

研究區(qū)位于川中典型丘陵區(qū)內(nèi)江市東興區(qū)雙橋鄉(xiāng)（104°50′—105°25′ E，29°26′—29°50′ N），全區(qū)幅員面積118 100 hm2。地形地貌以中、淺丘為主，中、淺丘占幅員面積的83.15%。地勢東北高，西南低，多數(shù)地帶海拔在350～400 m之間，相對高差20～80 m。巖石以沉積巖、頁巖為主，易風(fēng)化。土壤類型以紫色土、水稻土為主，紫色土、水稻土各占幅員面積的52.53%和45.82%。土壤pH值多呈中性，少數(shù)呈酸性。氣候?qū)僦衼啛釒駶櫄夂?，一般年最高溫?7.6 ℃，最低溫度—1.2 ℃，年平均氣溫17.7 ℃，年平均空氣相對濕度83%，年平均日照時(shí)間1 223.1 h，年降水量1 106.9 mm[4]。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

表層土壤樣品采樣深度為地表0—20 cm土柱。表層土壤樣品采集密度平均為16點(diǎn)/km2，在采樣點(diǎn)周圍20 m半徑范圍內(nèi)采集5個(gè)點(diǎn)的土柱組合為1個(gè)樣品，共采集土壤樣品225個(gè)。樣品干燥后用20目尼龍篩過篩，采用對角線折疊法拌勻后裝瓶待測[5]。

土壤垂向剖面樣品采樣深度為地表0—80 cm土柱，剖面樣品按土壤發(fā)生層每20 cm連續(xù)采集。采樣層位置分別為剖面深0—20 cm 的耕作層、20—40 cm 的犁底層、40—60 cm 的老耕層、60—80 cm的古耕層。共采集24處耕作土壤垂向剖面，樣品96個(gè)，剖面包括了研究區(qū)主要用地類型（水田、蔬菜地、林地、果園和旱地）（圖1）。

分別采集了研究區(qū)灌溉水、底泥樣品5件（圖2），以及當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣并經(jīng)常使用的礦物質(zhì)肥料4件。

共采集作物樣品67個(gè)，其中包括水稻24個(gè)、柑橘21個(gè)、旱地玉米22個(gè)、花生20個(gè)。分別采集根部和果實(shí)，采集后裝入塑料袋中，密封以防止水分蒸發(fā)。柑橘果實(shí)樣品取回后用自來水反復(fù)清洗，去除附表泥土后用去離子水反復(fù)漂洗、晾干，四分法縮分，再切成小塊，勻漿待測。水稻和玉米、花生樣品取回后在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干脫粒，用四分法縮分至100 g后，再用瑪瑙球研磨機(jī)去殼， 再粉碎磨細(xì)，粉末過0.5 mm篩后待測[6]。

1.2 樣品分析方法

土壤樣品中重金屬Cd采用原子吸收法進(jìn)行測定[6]。稱取經(jīng)勻漿后的柑橘樣品210 g放于聚四氟乙烯高壓罐內(nèi)，加硝酸和過氧化氫（30%） 浸泡過夜，并放入恒溫干燥箱120～140 ℃保持4 h，取出冷卻至室溫后，過濾轉(zhuǎn)移至容量瓶，用石墨爐原子吸收分光光度法測定。水稻、玉米、花生采用干灰化法將樣品制成待測液，用石墨爐原子吸收分光光度法測定。

為了說明土壤重金屬的含量對農(nóng)作物重金屬含量的直接影響，引用農(nóng)作物可食部分的生物富集系數(shù)來描述水稻與根系土之間的相關(guān)性特征[7]。計(jì)算公式為：

生物富集系數(shù)（CFi）=（Cb/Cc）×100%

式中，Cb為生物體中的元素濃度；Cc為根系土壤中的元素濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉水、水底泥Cd含量

研究區(qū)灌溉水pH在6.9～7.3之間，平均為7.1，Cd含量在0.36～1.30 μg/g，平均值為0.53 μg/g，符合國家農(nóng)用灌溉水標(biāo)準(zhǔn)。灌溉底泥Cd含量在0.24～0.86 μg/g， 平均值為0.39 μg/g，符合農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)值（GB 4284—1984）（pH≥6.5）。

2.2 表層土壤Cd含量

由表2可見，研究區(qū)表層土壤Cd含量范圍在0.239～0.528 μg/g， 平均含量為0.36 μg/g，高于成都經(jīng)濟(jì)區(qū)土壤背景值44%，變異系數(shù)為14%，說明該地區(qū)Cd在土壤表層中含量分布不均，土壤受人類活動影響有一定程度的Cd積累；K1=1.400反映研究區(qū)土壤中Cd元素含量相對于成都經(jīng)濟(jì)區(qū)土壤Cd背景有富集；K2=1.458，是研究區(qū)表層土壤中Cd元素的平均含量與深層樣中相應(yīng)值之比，表明Cd元素在表層土壤中有一定富集；有98.8%的樣點(diǎn)存在Cd污染。

2.3 土壤剖面Cd垂直分布特征

從剖面各層Cd含量來看，在耕作層、犁底層、老耕層、古耕層總體Cd含量呈遞減趨勢，耕作層Cd含量最高（表3，圖3）。這表明Cd在該地區(qū)表層土壤中富集，隨著土壤深度的增加，含量有下降的趨勢，且在土壤深部Cd元素含量變化幅度較小。深層土壤中元素含量基本代表了自然成土過程中元素的背景，而地表土壤中元素含量增加部分與人類活動有密切關(guān)系。且土壤剖面中有95.6%的樣點(diǎn)存在Cd輕度污染。

2.4 化肥中Cd元素含量

研究區(qū)化肥中Cd元素含量范圍1.75～1.87 μg/g，平均值為1.81 μg/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家土壤環(huán)境質(zhì)量一級、二級和三級標(biāo)準(zhǔn)（表4）。由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施用過磷酸鈣，而磷肥中Cd含量較高，根據(jù)調(diào)查當(dāng)?shù)剞r(nóng)民每年施用過磷酸鈣數(shù)量平均達(dá)200 kg/hm2，可以折算出過磷酸鈣Cd元素年施入量為0.543 g/hm2，說明當(dāng)?shù)厥┯梅柿吓c土壤Cd污染有一定聯(lián)系。

2.5 作物中Cd元素含量

不同作物根部和果實(shí)對Cd的吸附和富集作用差異明顯（表5）。作物根部土平均Cd含量為0.410～0.439 μg/g，變化幅度較小，但均高于國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)（按pH值中性范圍進(jìn)行評價(jià)）。Cd含量排序?yàn)椋篊d花生根土>Cd水稻根土>Cd柑橘根土>Cd玉米根土，花生對Cd的吸附作用比較顯著，并且水稻根土、玉米根土、花生根土和柑橘根土Cd含量分別是其果實(shí)Cd含量的62.3、136.7、3.7、23.3倍，可見作物根土都受到Cd元素污染，根土Cd含量大于果實(shí)含量，說明作物主要通過根系吸收土壤中的Cd，并向果實(shí)運(yùn)輸。

4類作物果實(shí)中Cd含量平均值則都小于國家土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)，果實(shí)中Cd平均含量在0.003～0.118 μg/g，含量順序?yàn)镃d花生>Cd柑橘>Cd水稻>Cd玉米，說明玉米和水稻子實(shí)對Cd吸收較少，而花生中Cd含量相對較高，生物富集系數(shù)排序CFCd花生>CFCd柑橘>CFCd水稻>CFCd玉米，表明了花生對Cd元素的吸附能力較強(qiáng)，玉米和水稻對Cd富集作用小。

3 小結(jié)與討論

研究區(qū)灌溉水Cd含量平均值為0.53 μg/g，符合國家農(nóng)用灌溉水標(biāo)準(zhǔn)。灌溉底泥Cd含量平均值為0.39 μg/g，符合農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)（GB 4284—1984，pH≥6.5）。

表層土壤Cd平均含量為0.36 μg/g，比成都經(jīng)濟(jì)區(qū)土壤背景值高44%，另外，95.6%的表層土壤和土壤剖面樣點(diǎn)存在Cd污染。表層土壤中Cd元素有一定積累，Cd含量在耕作層、犁底層、老耕層、古耕層總體呈遞減趨勢，在耕作層含量最高。

研究區(qū)化肥中Cd元素平均值為1.81 μg/g，高于國家土壤環(huán)境質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn)。

作物根土平均Cd含量為0.410～0.439 μg/g， 高于國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)。作物果實(shí)Cd含量平均值都小于國家土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)，果實(shí)中Cd平均含量在0.003～0.118 μg/g，順序?yàn)镃d花生>Cd柑橘>Cd水稻>Cd玉米，生物富集系數(shù)排序CFCd花生>CFCd柑橘>CFCd水稻>CFCd玉米，花生Cd富集系數(shù)最高，玉米富集作用最小。

灌溉水和研究區(qū)表層土壤和土壤剖面各層Cd污染關(guān)聯(lián)不密切，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施用過磷酸鈣等化肥與土壤Cd污染有緊密聯(lián)系。研究區(qū)農(nóng)業(yè)種植應(yīng)科學(xué)施肥，大量增加有機(jī)肥的使用，施用堆肥、植物秸稈等有機(jī)肥可增加土壤有機(jī)質(zhì)，從而增加土壤膠體對重金屬和農(nóng)藥吸附能力。同時(shí)有機(jī)質(zhì)又是還原劑，可以促進(jìn)土壤中Cd形成CdS沉淀。

農(nóng)作物果實(shí)中含Cd量主要由根從土壤中吸收而來，花生、水稻根系對Cd有明顯的吸附作用，而玉米、水稻從根到果實(shí)Cd遷移性小，但仍有一定富集效應(yīng)，花生果實(shí)富集效果最明顯。因此在研究區(qū)大面積土壤存在Cd污染下，當(dāng)?shù)貞?yīng)有針對性地選種抗污染農(nóng)作物品種，改善種植結(jié)構(gòu)。玉米、水稻吸附Cd量相對較少，果實(shí)中Cd含量相對較少，適宜種植，花生果實(shí)富集效果明顯，要減少播種面積或不種植。

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