人为污染与地质高背景农田土壤重金属生物有效性对比研究

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近年来,农田重金属污染已得到了持续的关注和研究。重金属污染不仅会影响土壤质量,还会影响作物的正常生长,人类长期食用被重金属污染的农作物会对身体健康造成危害。土壤重金属污染在成因上主要分为两种,一是人为污染;二是自然成因,即地质高背景。土壤重金属污染的生态危害不仅与其总量有关,更大程度上由其形态分布所决定。为探索地质高背景和人为污染农田土壤重金属生物有效性差异,本文选择了人为污染地区浙江海盐和温岭、硫化物矿区广西大新和锡基坑铅锌矿区以及广西岩溶地区作为典型研究区,采集了各地区土壤和水稻籽实样品,查明了这些地区土壤和水稻籽实的重金属富集特征及生态风险;并以0.01 MCaCl2提取法、0.05 M EDTA提取法、0.43 M HNO3提取法及梯度扩散薄膜(DGT)技术对不同污染类型地区土壤重金属生物有效性进行了系统性对比研究,得到的主要认识如下:(1)三种污染类型地区土壤中重金属元素富集程度和控制因素各不相同。总体上Cd是各研究区中污染最为普遍且污染程度最高的元素,对农业生态和食品安全造成巨大风险。人为污染地区控制土壤中Cd含量的主要因素是土壤Corg和S含量;硫化物矿区土壤中Cd的主要影响因素是土壤p H以及S、Fe、Al等主量元素的含量;而岩溶地区土壤中Cd的富集主要受土壤p H和Ca O含量的控制。(2)各污染类型地区水稻籽实中超标最严重的元素是Cd,其次是Ni和As。各类污染地区土壤重金属总量与水稻籽实重金属含量相关性并不显著,并且根据总量评估的土壤污染情况与水稻籽实超标情况差异较大,所以使用总量对重金属生态风险评价结果准确性不高。水稻籽实Cd含量的主要控制因素是土壤p H与Cd的生物有效性。(3)三种有效态化学提取(0.01 MCaCl2、0.05 M EDTA及0.43 MHNO3)结果均显示Cd是重金属元素中提取率最高的,所以Cd是活动性最强的重金属元素。典型的硫化物矿区(锡基坑矿区)Cd的提取率最高,生物有效性最强;而具有岩溶背景地区(大新矿区和广西岩溶地区)土壤Cd的Ca Cl2提取率相对较低,有效性亦较低。DIFS(土壤和沉积物中DGT诱导通量)模型估算的速率常数(k-1)和反应时间(Tc)解释了Cd的生物有效性强于Ni的原因,Cd相对于Ni更易于从土壤固相中解析至溶液中,故生物有效性更强。(4)三类地区中0.01 MCaCl2提取态Cd含量与水稻籽实Cd含量相关性较强,是评估土壤Cd生物有效性的有效方法。(5)Cd、Ni等重金属(As除外)Ca Cl2提取态含量与土壤p H均存在较为普遍的负相关关系,说明对土壤p H进行调控减少有效态重金属含量,以此降低重金属生物有效性。
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