鲁北平原引黄灌区土壤-小麦系统重金属分布特征及污染风险评价

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探究土壤及农作物中重金属的分布规律,并对土壤及农作物的污染风险进行评估,对于提高农产品质量,促进粮食安全,农业健康有序发展和环境保护具有非常重要的理论指导意义。因此本研究选取鲁北平原12个典型引黄灌区的小麦种植地作为采样点,分别测定了土壤中重金属Cu、Zn、Cd、Cr、Ni和Pb的全量、TCLP法提取的有效态含量及BCR连续浸提法提取的四种化学形态含量,同时测定小麦根、茎、叶和籽粒中重金属Cu、Zn、Cd、Cr、Ni和Pb的含量,结合土壤的理化性质,探究了土壤及小麦中重金属的分布特征和影响因素,并对研究区重金属的污染风险、生态风险和健康风险进行评价。得到的结论如下:(1)研究区土壤两土层中重金属Cu、Zn、Cd、Cr、Ni和Pb均出现不同程度的积累,其平均含量均未超过我国农用地标准值,但高于鲁北平原土壤背景值,尤其是Cd的含量高于其背景值含量高达3倍,积累最为明显,这可能是由农药喷施,施用化肥等农业生产活动造成的。通过对比不同土层的重金属含量状况发现,随着土层的加深,各重金属含量均有降低。(2)通过研究区重金属总量与灌溉年限和土壤理化性质的相关分析发现,除Cu与灌溉年限具有显著相关关系(p<0.05)外,其余重金属均与灌溉年限无显著相关关系;Cd、Ni和Pb与土壤pH和粉砂粒含量呈现显著正相关关系(p<0.05),与砂粒含量呈现显著负相关关系(p<0.05)。通过对重金属元素间的相关分析发现,Cd、Ni和Pb具有同源性,其他重金属元素之间具有同源性的可能性较低,可能来自不同的污染源。通过主成分分析和聚类分析进一步得出影响研究区土壤中重金属的因子1来源于化肥的使用、道路交通等外在因素,主要是Cd、Ni和Pb;因子2主要来源于成土母质,包括Zn和Cr和Cu。(3)通过化学形态分析可以看出,各种金属在两土层的四种化学形态所占比例的大小次序总体表现为残渣态含量最高,其次为可氧化态和可还原态,HOAc溶解态的含量最低。Zn、Cd和Ni的残渣态受总量影响显著,重金属的各化学形态间的相关性不显著。研究区Cu、Zn、Cd、Cr、Ni和Pb的有效态含量均未超过其对应的标准值,土壤pH、CaCO3、有机质、碱解氮和总氮对两土层中土壤重金属有效态含量的影响作用较大,灌溉年限对其影响作用较小。(4)小麦各部位对重金属的吸收、富集程度不同,Cu、Cd和Ni的富集系数在小麦根部和叶部较大,说明小麦的根部和叶部对这三种元素的吸收富集能力较强。除了Zn和Cr,其余四种重金属在小麦植株的根部、茎部和叶部两两间表现为极显著正相关关系(p<0.01);小麦植株各部位的重金属含量基本与土壤重金属总量之间无显著相关关系,说明土壤中重金属总量升高并不能直接提高重金属元素的生物有效性,使小麦植株对重金属的吸收增加。(5)研究区两土层土壤中重金属Cd和Ni的累积指数最大,超标率也最高。通过单因子污染指数评价发现,研究区土壤中主要污染物为Cd,小麦籽粒中Cu的累积指数已经高于警戒线,开始受到污染。通过内梅罗综合污染指数评价发现,研究区土壤属于轻度污染等级;小麦籽粒的污染指数高于警戒线但处于尚清洁水平,存在发生轻度污染的风险。TCLP法评价发现土壤中不存在重金属污染的生态风险。小麦摄入各项重金属对成人和儿童身体造成健康风险(非致癌风险)的排序均为Cu>Zn>Pb,成人和儿童的健康风险值(HI)均大于1,说明食用研究区小麦所摄入的重金属有很大可能对人体健康产生影响;重金属Cd、Cr和Ni存在可能引发癌症的风险,其健康风险指数均在USEPA推荐的最大可接受风险水平以上。
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