土壤-玉米重金屬富集遷移特征及秸稈還田

姜 冰, 董紅志, 高宗軍*, 劉 陽, 張海瑞, 董美川

(1.山東省第四地質礦產勘查院, 濰坊 261021; 2.山東省地礦局海岸帶地質環境保護重點實驗室, 濰坊 261021;3.山東科技大學地球科學與工程學院, 青島 266590)

農業的高度集約化、生產工業化、城市化的快速發展,都使得農田土壤污染和土壤質量下降問題日趨嚴峻[1],加之重金屬元素As、Cd、Cr、Hg、Pb、Zn、Cu、Ni一旦進入食物鏈就在循環中不斷積累,人體中重金屬元素積累超過一定范圍時,可能引發病變[2-6]。近年來,專家學者將目光聚焦在重金屬污染區域的污染評價及生態風險評價[7-11],土壤-農作物系統的重金屬污染含量特征、富集特征及其遷移轉化規律的探索[12-14]。例如,顧金峰等[15]對貴州鎖黃倉沼澤進行了重金屬污染評價及生態風險評價研究,發現該地區Cr、Ni、Zn、As、Pb的含量均高于其背景值,主要是由人類活動引起；鄒艷梅等[16]對黃河三角洲石油烴污染下蘆葦營養器官中5種重金屬的富集和遷移規律進行了探索,認為土壤中的石油烴含量對蘆葦根部富集Pb、Mn、Co和Ni的能力產生影響。

盡管已有研究成果非常豐富,但對未被污染區域土壤-農作物系統中重金屬的富集與遷移規律探索仍存在一定不足。探索未被污染區域中土壤-農作物系統中重金屬的富集與遷移,能夠更直觀地了解土壤中相應元素的活性強度及作物的吸收強度。本文在對研究區土壤進行地球化學評價后發現,研究區的土壤類型簡單,土壤質量均處于優良狀態,為探索未被污染區域土壤-玉米重金屬元素富集與遷移特征規律提供了可能。以區域內主要糧食作物玉米及其根系土為研究對象,分析測試根系土、根、莖、葉、籽實樣品中的As、Cd、Cr、Hg、Pb、Zn、Cu、Ni 8種重金屬含量,采用統計法及生物系數法探索重金屬元素在玉米植株中各部位的富集和遷移規律。同時將對莖的分析,細化為下莖、中莖、上莖三個部分,以此來探索重金屬元素在垂直形態中的遷移與富集規律。

1 研究區概況

南張樓村位于山東省濰坊市青州市何官鎮東部,春秋旱、夏澇、冬冷。平均年降水量664 mm,顯著小于年蒸發量1 535.52 mm,平均氣溫12.7 ℃,平均無霜期191.7 d,平均積溫4 331.7 ℃。研究區是典型的平原村落,地貌類型屬沖積-洪積平原,地勢平坦,覆蓋第四紀全新世黑土湖組。土壤類型西北部為潮土,面積約占21%,其他為砂姜黑土。區域內無地表水系,地下水類型屬山前傾斜平原沖洪積層孔隙潛水、承壓水。土地利用類型以水澆地(約占73%)和農村宅基地(約占11%)為主(圖1)。表土以呈現堿性為主,pH為7.13～8.31,平均8.03。主要種植農作物為玉米、小麥、胡蘿卜,遠離城區及工業園區,土壤受污染程度微弱,主要污染源為化肥、農藥、生活垃圾。

2 樣品采集與分析

2.1 樣品采集處理

玉米種植田塊為取樣單元,在玉米收獲期采集根系土、配套根、莖、葉、籽實等樣品。每個取樣單元隨機選取5～10個植株,各自混合成樣,其中莖按自下而上均分為下莖、中莖和上莖三個樣品。根系土采集于相應玉米種植田塊內,采樣深度0～20 cm,由2～3個分樣等量組合成1件樣品。共采集32套玉米配套樣品(圖1)。

圖1 研究區土地利用類型及取樣點分布圖

各類樣品處理嚴格遵照《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T 0295—2016)。玉米植株各部位樣品采集后,在第一時間沖洗,除去污染,再用蒸餾水沖洗,晾干。籽實在80～90 ℃烘箱中烘30 min,然后降溫至60～70 ℃,逐盡水分,時間0.5～1 d。根、莖、葉切碎、粉碎至20～40目過篩待測。根系土樣品置于干凈整潔的室內通風處晾干,并適時翻動,并將大土塊用木棒敲碎,并將植物殘體、石塊等其他所有非土物質剔除干凈；土樣壓碎全部過2 mm的尼龍孔徑篩；過篩后土壤樣品稱量后混勻,用塑料瓶盛裝,重量不少于500 g。

2.2 樣品分析測試

加工處理的樣品均由山東省第四地質礦產勘查院實驗測試中心分析測試。植株各部位樣品采用原子熒光光譜法測定As、Hg,電感耦合等離子體質譜法測定Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Cd。根系土樣品采用電感耦合等離子體質譜法測定Cd,X射線熒光光譜法測定Cu、Pb、Zn、Ni、Cr,原子熒光光譜法測定As、Hg。各環節嚴格按照規范執行。

2.3 數據處理

以統計學方法及生物系數法為基礎,通過對研究區32套玉米配套樣品重金屬含量進行數理統計,根系土、根、莖、葉、籽實樣品含重金屬特征如表1所示。下莖、中莖、上莖樣品含重金屬特征如表2所示。植物對重金屬元素的吸收效率可以用富集系數(bioconcentration factor, BCF)和轉移系數(translocation factor, TF)來表示。富集系數反映從土壤到植物的轉移效率,轉移系數反映從根部到地上部分的遷移效率[17-19]。

(1)

(2)

式中,Cm為玉米植株某一部位的重金屬含量, mg/kg；Cs為根系土中重金屬含量, mg/kg；Cup為玉米根部以上某一部位重金屬含量, mg/kg；Croot為玉米根部重金屬含量, mg/kg。玉米植株某一部位的富集系數用該部位樣本富集系數的平均值表示(表3),其中玉米上、中、下莖中富集系數平均值單獨列表(表4)。玉米植株某一部位的轉移系數用該部位樣本轉移系數的平均值表示(表5),其中玉米上、中、下莖中轉移系數平均值單獨列表(表6)。

表3 玉米各部位的富集系數

表4 玉米莖各部位的富集系數

表5 玉米各部位的轉移系數

表6 玉米莖各部位的轉移系數

3 結果與分析

3.1 重金屬元素在玉米配套樣品中的含量特征

由表1和表2可知:①根系土中除Hg之外的各重金屬元素的變異系數均小于0.2,說明研究區域內除Hg之外的各重金屬元素的分布較為均勻,重金屬元素Hg的分布比較分散,存在差異性；②在玉米根中重金屬元素Cu、Pb、Zn、Cd的變異系數均小于0.4,這一結果與其根系土的均一性一致,這說明根中的Cu、Pb、Zn、Cd的含量變化主要與土壤背景值相關；而Cr、Ni、As、Hg的變異系數均大于0.4,除了Hg所對應的根系土差異較大之外,其他三個重金屬元素根系土的均一性良好,說明其他三個元素在玉米根中的富集受到其他因素的干擾；③玉米莖中各重金屬元素的變異系數均大于0.4,這說明重金屬元素在莖中的富集比較容易受到不同外界因素的干擾,同時下莖、中莖、下莖的變異系數也均大于0.4,說明重金屬的在莖中的差異性富集不區分位置；④玉米葉中各重金屬元素的變異系數均小于0.4,表明葉對于各個重金屬的吸收和轉移能力最為穩定；⑤玉米籽實中重金屬元素Cu、Zn、As、Hg的變異系數小于0.4,而Pb、Cr、Cd、Ni的變異系數大于0.4,其中Cr、Ni的變異系數大于1,說明玉米籽實對Cu、Zn、As、Hg的吸收較為穩定,但對Pb、Cr、Cd、Ni尤其是Cr、Ni的吸收受到外部環境影響較大；⑥玉米植株除籽實外的各部分Hg含量的變異系數都與其根系土變異系數一致,說明玉米植株中籽實對Hg的吸收比較穩定,不受到土壤背景環境的影響,而玉米植株的其他各部位對Hg的吸收都取決于其土壤背景環境。

表1 各元素在32套配套樣品中不同部位含量特征統計表

表2 各元素在32套配套樣品中不同莖位含量特征統計表

3.2 重金屬元素在玉米各部位中的聚集特征

植物從土壤中吸收重金屬元素,有一些元素累積在根部和莖部靠近地面一端,向上輸送的量一般不多[21-23],研究區主要為堿性土壤,而堿性土壤中的多數重金屬不易被作物吸收[24]；也有一些元素含量出現葉、籽實>根的分布特征,這與玉米對某種元素的吸收能力有關。

將重金屬元素在玉米不同部位平均含量百分比做成柱狀圖(圖2),將玉米中不同部位重金屬總含量做成柱狀圖并添加趨勢線(圖3)來分析判斷重金屬元素在玉米不同部位的含量差異及不同部位對重金屬元素的吸收能力。

圖2 各元素在玉米植株不同部位含量百分比柱狀圖

圖3 玉米植株不同部位重金屬總含量圖

通過圖2、圖3分析發現:①重金屬元素主要聚集在玉米根中,這與文獻查閱結論一致[12,25]；②Pb、Cr、Ni、As的近地聚集表現更為明顯；③Zn最容易聚集在玉米植株的籽實中,其他重金屬元素在玉米籽實中的聚集較為微弱；④Cu、Zn容易被玉米植株的各個部位吸收；⑤重金屬聚集總量表現為根>莖>葉>籽實。

為了進一步探索各個重金屬元素在垂向上的遷移規律,將下莖、中莖、上莖的重金屬百分含量做成柱狀圖(圖4),玉米下莖、中莖、上莖中重金屬總含量做成柱狀圖并添加趨勢線(圖5)。分析對比圖4、圖5發現:①Pb、Cr、Ni、As在玉米莖中的分布表現出了明顯的近地面富集,這與文獻查閱結論一致；②Zn、Cd在玉米莖中的聚集則表現出了明顯的頂端聚集,這與傳統的結論相反,這種結果的相悖可能是由于參考文獻中的重金屬富集研究多發生于受污染區域,而本研究區土壤未受到污染,反映出了自然狀態下Zn、Cd的富集特征,這一研究結論說明土壤污染不僅影響重金屬元素在植物植株中的富集含量,還會影響其遷移效率；③Zn、Cd的頂端聚集還體現了其在玉米莖中具有較強的遷移能力；④盡管多數重金屬元素在聚集中表現出了明顯的近地面性質,但是由于Zn、Cd在莖中的富集含量較大,且表現出的頂端聚集較為突出,重金屬總含量在莖中的聚集體現為頂端聚集。

圖4 各元素在玉米下、中、上莖中含量百分比柱狀圖

圖5 玉米下、中、上莖中重金屬總含量圖

3.3 重金屬元素在玉米各部位的富集系數特征

各重金屬元素在玉米植株不同部位的富集系數(BCF)特征如圖6,其玉米莖不同部位的富集系數(BCF)特征如圖7。從圖中可以看出:①各重金屬元素在根中的富集系數均大于8%,說明重金屬元素由玉米根進入玉米植株其他部位的過程中必然有一部分富集在根中；②Cr、Ni在根中的富集系數最大甚至超過了100%,說明這兩種元素從土壤中進入玉米根之后發生聚集,同時很難再被轉移到其他位置；③Cu、Hg在葉片中的富集系數最大,Pb、As在玉米植株中的富集系數最低；④在玉米植株各部位中玉米莖的Pb、As富集系數最低,同時還表現出了向上富集系數降低的趨勢；⑤玉米莖中Cu、Ni的富集系數較大。

圖6 各元素在玉米中不同部位富集系數圖

圖7 各元素在玉米下、中、上莖中的富集系數圖

3.4 重金屬元素在玉米各部位的轉移系數特征

當重金屬元素從土壤進入植物根系后完成富集系,開始從根部向其他各個部位轉移,轉移系數(TF)能夠反映各重金屬元素在植物體系內的運移能力。各重金屬元素在玉米植株不同部位的轉移系數(TF)特征如圖8,其玉米莖不同部位的轉移系數(TF)特征如圖9。通過圖8、圖9分析發現:①從玉米根部吸收的重金屬元素,在葉片中的轉移系數普遍偏高,尤其是Cu、Zn、Hg的轉移系數超過了150%；②重金屬元素在玉米莖中的轉移系數次之,從玉米根到玉米籽實的轉移系數較低；③除Zn外的重金屬元素在玉米下、中、上莖中的轉移系數差異不明顯,Zn的轉移系數表現出向頂增加的趨勢。

圖8 各元素在玉米中不同部位轉移系數圖

圖9 各元素在玉米下、中、上莖中的轉移系數圖

4 玉米種植與秸稈還田討論

秸稈還田可以培肥地力已得到普遍認同[26-29],但近年來,缺點也不斷被放大,通常被提起的有病蟲害、微生物爭奪營養等,還有重要的一點就是重金屬的累積[30-31]。在自然狀態下,玉米植株對重金屬的富集來源于其種植土地,秸稈還田只是將重金屬歸還于土地,并不會引發重金屬疊加污染。耕地土壤中的重金屬來源一般有大氣沉降、農藥、化肥、機械廢氣等[32-33],隨著耕作時間的推移,土壤的重金屬污染會成為必然趨勢,因此應在考慮農藥、化肥持續污染的同時,探討秸稈還田的適宜性,秸稈還田不能一刀切。同時根據研究區域各個重金屬元素在玉米植株各部位中的富集及遷移規律,在重金屬污染區域應開展區別化種植與還田。

(1)玉米籽實對各重金屬元素的富集與遷移能力均比較低,在重金屬污染區域可以開展適種,分析籽實中的重金屬是否符合國家標準,如果符合國家標準,可以繼續開展種植,但是由于玉米植株的根莖葉對重金屬的富集與遷移能力均比較強,則重金屬污染區域不予還田。

(2)各重金屬元素均在玉米植株的根中表現出良好的富集與遷移能力,因此在重金屬污染區域可以開展秸稈部分還田工作,玉米植株中Cr、Ni在根中的富集系數大于100%,因此土壤重金屬污染以Cr、Ni為主時,玉米根不還田莖葉可還田；Cu、Hg在葉中的富集系數大于50%,因此土壤主要表現為Cu、Hg污染時,玉米葉不還田根莖可還田。

通過選擇性種植可以在保證食品安全的同時,提高土地利用率。通過部分還田工作,能夠在減少碳排放量的同時,降低土壤中的重金屬污染程度。

據中國農科院最新研究發現,秸稈還田過程會釋放溶解性有機碳,若還田過量,會抑制土壤有機鐵氧化物復合體形成,降低其對Cr(III)的固定量。而配套樣品中,根系土與籽實中Cr相關系數為0.369(0.05水平),所以土壤中Cr的活性增強,便會增加其通過食物鏈進入人體的風險。

5 結論

(1)研究區玉米配套樣品中各類樣品重金屬含量差異明顯,主要表現為根>莖>葉>籽實。重金屬元素大多累積在根部,除Cr、Ni外,大多數重金屬元素甚至出現葉部富集的特征。

(2)Zn、Cd更容易向上遷移,Zn更容易被玉米各部位吸收,籽實Zn富集系數也相對較高。

(3)根據重金屬在玉米植株各部位的含量特征,提出了選擇性種植與秸稈部分還田設想。