焦作农田土壤的生态风险评价及不同材料对土壤重金属的钝化修复研究

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土壤重金属钝化修复技术通过添加钝化剂改变重金属在土壤中的化学形态和赋存状态,从而降低重金属的生物有效性和迁移性,减少植物对重金属的吸收。本文对焦作某农田土壤和植株中重金属生态风险进行评估后,选用腐殖酸、畜禽粪便、沸石、麦饭石等不同的钝化剂对试验地土壤进行原位钝化修复,研究不同钝化材料的田间效应以及钝化材料对农产品产量和质量的影响,并结合饮食习惯对当地居民通过粮食摄入的健康风险进行评估,以期筛选出能够有效降低农作物可食部分中重金属含量的钝化材料,为指导当地农业生产提供科学参考。本文主要研究结果如下:(1)钝化前土壤中重金属Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb的全量分别为65.74 mg/kg、111.15 mg/kg、77.05 mg/kg、33.95 mg/kg、1.47 mg/kg、88.29 mg/kg,其中Cu、As、Cd含量则超出农用地土壤污染风险筛选值标准。单项污染指数显示,P(Cd)=2.45,污染级别属轻度污染;P(Cu)=1.11、P(As)=1.36,污染级别属轻微污染。内梅罗综合污染指数为1.87,按土壤重金属污染分级标准划分,属轻度污染。重金属Cr、Cu、As、Cd、Pb在植株中的分布规律均表现为根>茎叶>籽粒,Zn在植株中的分布规律则表现为根>籽粒>茎叶。籽粒中As、Cd、Pb含量分别为0.60 mg/kg、0.11 mg/kg、0.22 mg/kg,依据《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB2762-2017),植株籽粒中P(As)=1.20、P(Cd)=1.13和P(Pb)=1.11,均属轻微污染水平。(2)添加不同钝化材料后,土壤中pH未受到明显影响,所有处理组中土壤pH值基本稳定在8.0左右,小麦亩产量也无明显变化。腐殖酸、畜禽粪便、沸石、麦饭石四种钝化材料中,腐殖酸对土壤中Cr钝化效果较好,增施腐殖酸后土壤Cr有效态含量比修复前降低28.29%;沸石对土壤中Cu、Zn、As、Cd、Pb的钝化效果较好,增施沸石后土壤重金属Cu、Zn、As、Cd、Pb有效态含量分别比修复前降低33.74%、33.62%、34.75%、24.16%、28.42%;麦饭石对土壤中Pb钝化效果最好,增施麦饭石后土壤Pb有效态比修复前降低28.87%。畜禽粪便对As的钝化效果较好,增施畜禽粪便钝化的处理组中土壤As有效态含量为11.95mg/kg,比修复前降低29.98%,但处理组中土壤Zn有效态含量为51.88mg/kg,比修复前土壤Zn有效态含量增加6.51%。(3)增施腐殖酸和畜禽粪便处理后,小麦不同部位重金属Cr、Cu、As、Cd、Pb含量依次为:根>茎叶>籽粒;Zn含量在小麦中的分布依次为:根>籽粒>茎叶。増施沸石、麦饭石钝化处理后,重金属Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb在小麦植株中的分布均表现为:根>茎叶>籽粒。四种钝化材料处理后,小麦籽粒中重金属含量均降到食品中污染物限量值标准及以下。小麦的生物富集因子(BCF)和转运系数(TF)表明,腐殖酸降低了Cu、Zn、Cd从小麦根部向茎叶转运的能力以及Cr、As、Pb从小麦茎叶向籽粒转运的能力,该材料能较大幅度降低小麦根部对As的吸收;畜禽粪便降低了Cd从小麦根部向茎叶转运的能力,同时降低了Cr、Zn、Cd、Pb从小麦茎叶向籽粒的转运能力,该材料能较大幅度对降低小麦根部对Cu、Zn的吸收;沸石降低了Cr、Zn、As、Cd从小麦茎叶向小麦籽粒转运能力,能最大幅度降低小麦根部对Cr的吸收;麦饭石降低了Cr、Cu、Cd从小麦根部向茎叶转运的能力。(4)健康风险评价表明,畜禽粪便处理组儿童的非致癌风险最高,沸石处理组儿童的非致癌风险最低,但所有处理组中重金属As的单项非致癌风险指数均大于1,表明重金属As很可能对人的身体健康产生了影响。致癌风险评价表明,不同处理组中重金属As、Cd对人体的致癌风险指数均大于10-4,风险显著。四种钝化材料均降低了人类对小麦Cd摄入的致癌风险以及总致癌风险,其中沸石对致癌风险的降低效果最好。
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