灌溉水—耕作土壤—化肥—作物生態系統中重金屬鎘的分布特征

摘要：以川中丘陵區內江市雙橋鄉為研究區域，調查分析鎘（Cd）在研究區內灌溉水、水底泥、表層耕作土壤、剖面和當地常用化肥及不同作物根土、果實中的分布特征。結果表明，該地區灌溉水和水底泥中Cd含量分別符合國家農用灌溉水標準和農用污泥中污染物控制標準值（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濟區土壤背景值44%，存在大面積污染風險；化肥中Cd元素平均值為1.81 μg/g，高于國家土壤環境質量三級標準；作物根系土中平均Cd含量為0.410～0.439 μg/g，高于國家土壤環境質量二級標準，有一定累積；作物果實中Cd含量平均值則都小于國家土壤環境質量一級標準，生物富集系數排序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表層耕作土壤Cd污染存在密切聯系，對作物中Cd不同程度累積有一定影響；作物根系土和果實對Cd的吸附與富集作用存在明顯差異。

關鍵詞：Cd；灌溉水；土壤；化肥；作物

中圖分類號：O657.31 文獻標識碼：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殘留，通過食物鏈進入人體并在體內蓄積，從而對人體造成潛在危害[1]。許多科研工作者對Cd污染進行了相關研究，但針對灌溉水—土壤—化肥—作物生態系統中Cd分布規律的研究很少[2，3]。本研究以川中丘陵區內江市雙橋鄉為研究區域，調查分析Cd在研究區灌溉水、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，旨在為川中丘陵區耕作土壤Cd污染防治和合理調整農業產業結構提供科學參考。

研究區位于川中典型丘陵區內江市東興區雙橋鄉（104°50′—105°25′ E，29°26′—29°50′ N），全區幅員面積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，少數呈酸性。氣候屬中亞熱帶濕潤氣候，一般年最高溫度37.6 ℃，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/km2，在采樣點周圍20 m半徑范圍內采集5個點的土柱組合為1個樣品，共采集土壤樣品225個。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，剖面樣品按土壤發生層每20 cm連續采集。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，剖面包括了研究區主要用地類型（水田、蔬菜地、林地、果園和旱地）（圖1）。

分別采集了研究區灌溉水、底泥樣品5件（圖2），以及當地農民習慣并經常使用的礦物質肥料4件。

共采集作物樣品67個，其中包括水稻24個、柑橘21個、旱地玉米22個、花生20個。分別采集根部和果實，采集后裝入塑料袋中，密封以防止水分蒸發。柑橘果實樣品取回后用自來水反復清洗，去除附表泥土后用去離子水反復漂洗、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驗室風干脫粒，用四分法縮分至100 g后，再用瑪瑙球研磨機去殼， 再粉碎磨細，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采用原子吸收法進行測定[6]。稱取經勻漿后的柑橘樣品210 g放于聚四氟乙烯高壓罐內，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作物重金屬含量的直接影響，引用農作物可食部分的生物富集系數來描述水稻與根系土之間的相關性特征[7]。計算公式為：

生物富集系數（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 結果與分析

2.1 灌溉水、水底泥Cd含量

研究區灌溉水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，符合國家農用灌溉水標準。灌溉底泥Cd含量在0.24～0.86 μg/g， 平均值為0.39 μg/g，符合農用污泥中污染物控制標準值（GB 4284—1984）（pH≥6.5）。

2.2 表層土壤Cd含量

由表2可見，研究區表層土壤Cd含量范圍在0.239～0.528 μg/g， 平均含量為0.36 μg/g，高于成都經濟區土壤背景值44%，變異系數為14%，說明該地區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反映研究區土壤中Cd元素含量相對于成都經濟區土壤Cd背景有富集；K2=1.458，是研究區表層土壤中Cd元素的平均含量與深層樣中相應值之比，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系。且土壤剖面中有95.6%的樣點存在Cd輕度污染。

2.4 化肥中Cd元素含量

研究區化肥中Cd元素含量范圍1.75～1.87 μg/g，平均值為1.81 μg/g，遠遠高于國家土壤環境質量一級、二級和三級標準（表4）。由于當地農民習慣施用過磷酸鈣，而磷肥中Cd含量較高，根據調查當地農民每年施用過磷酸鈣數量平均達200 kg/hm2，可以折算出過磷酸鈣Cd元素年施入量為0.543 g/hm2，說明當地施用肥料與土壤Cd污染有一定聯系。

2.5 作物中Cd元素含量

不同作物根部和果實對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境質量二級標準（按pH值中性范圍進行評價）。Cd含量排序為：Cd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含量大于果實含量，說明作物主要通過根系吸收土壤中的Cd，并向果實運輸。

4類作物果實中Cd含量平均值則都小于國家土壤環境質量一級標準，果實中Cd平均含量在0.003～0.118 μg/g，含量順序為Cd花生>Cd柑橘>Cd水稻>Cd玉米，說明玉米和水稻子實對Cd吸收較少，而花生中Cd含量相對較高，生物富集系數排序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，玉米和水稻對Cd富集作用小。

3 小結與討論

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

表層土壤Cd平均含量為0.36 μg/g，比成都經濟區土壤背景值高44%，另外，95.6%的表層土壤和土壤剖面樣點存在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。

研究區化肥中Cd元素平均值為1.81 μg/g，高于國家土壤環境質量三級標準。

作物根土平均Cd含量為0.410～0.439 μg/g， 高于國家土壤環境質量二級標準。作物果實Cd含量平均值都小于國家土壤環境質量一級標準，果實中Cd平均含量在0.003～0.118 μg/g，順序為Cd花生>Cd柑橘>Cd水稻>Cd玉米，生物富集系數排序CFCd花生>CFCd柑橘>CFCd水稻>CFCd玉米，花生Cd富集系數最高，玉米富集作用最小。

灌溉水和研究區表層土壤和土壤剖面各層Cd污染關聯不密切，當地農民習慣施用過磷酸鈣等化肥與土壤Cd污染有緊密聯系。研究區農業種植應科學施肥，大量增加有機肥的使用，施用堆肥、植物秸稈等有機肥可增加土壤有機質，從而增加土壤膠體對重金屬和農藥吸附能力。同時有機質又是還原劑，可以促進土壤中Cd形成CdS沉淀。

農作物果實中含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Cd遷移性小，但仍有一定富集效應，花生果實富集效果最明顯。因此在研究區大面積土壤存在Cd污染下，當地應有針對性地選種抗污染農作物品種，改善種植結構。玉米、水稻吸附Cd量相對較少，果實中Cd含量相對較少，適宜種植，花生果實富集效果明顯，要減少播種面積或不種植。

參考文獻：

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