矿业生产影响区水稻田系统砷 、铅 、镉的污染特征及风险评价——以西江流域大环江下游为例 杨贺;刘杰
【摘 要】以矿业生产密集区广西环江县福龙村农田为研究对象,进行为期1年的实地研究,考察大气干湿沉降、灌溉、施肥、水稻收获等输入、输出因素对土壤-水稻系统重金属累积的影响,基于重金属年净输入量和土壤重金属容纳量对超标年限进行预测.结果表明:大气干湿沉降、背景土壤、灌溉水、化肥对耕层土壤铅的贡献率分别为37.5％、43.8％、12.4％、6.35％;研究区域农田土壤Cd的超标年限为0.69年,应将镉元素作为该区域农田土壤重金属污染的重点控制元素;水稻根部对重金属富集效应表现为Cd>As>Pb,其富集系数分别为6.32、5.59、0.80;水稻植株对3种重金属元素吸收富集和迁移能力的大小为Cd>As>Pb,其富集系数分别为0.0288、0.024、0.000625.大气干湿沉降、耕层土壤、灌溉水、化肥对水稻样品铅的贡献率分别为67％、26％、5％、2％;该农田水稻籽实中Pb含量满足国家卫生标准;Cd风险较低;As轻度污染,应引起重视. 【期刊名称】《江苏农业科学》
破窗器原理【年(卷),期】2018(046)015
【总页数】5页(P205-209)
【关键词】土壤-水稻系统;Pb;Cd;As;重金属污染;输入量;容纳量;超标年限;贡献率;风险评价;富集效应;迁移能力
【作 者】杨贺;刘杰
【作者单位】桂林理工大学,广西桂林 541004;桂林理工大学,广西桂林 541004
【正文语种】中 文
【中图分类】X502;X75
农田土壤重金属污染，尤其是在矿业生产密集区污染一直是环境科学与工程专关注的重点问题[1]。矿业生产区重金属污染严重、污染源去除困难，而我国耕地资源紧缺，短期作为农用难以避免。因此，研究重金属污染区域土壤-农田系统重金属的来源特征与对可食用部分重金属进行风险评价，从源头上控制并解决水稻田重金属污染问题，对实施重金属污染
治理具有重要意义。西江流域是一条贯穿云南、贵州、广西、广东、澳门5省(区)的资源密集型“金腰带”，由于上游矿业生产活动密集，沿岸土壤及农作物均不同程度受到重金属的污染[2]。本试验以西江流域广西环江县福龙村水稻田生态系统为研究对象，研究土壤-水稻籽实中砷、铅、镉3种优先控制污染物含量和来源，作出风险评价，以期为污染农田修复和当地水稻安全种植提供科学依据。
1 材料与方法
研究区域(图1)位于西江流域环江毛南族自治县大环江沿岸，在大环江上游分布着北山铅锌矿区、雅脉钢铁厂、都川铅锌矿区、驯乐铅锌矿区等有金属矿区，矿业生产企业有近百家，这对该地区水稻田系统造成了巨大的生态压力[3]。
1.1 取样方法和时间
1.1.1 大气干湿沉降 在试验田南北两侧离地5 m高处各安放2个采样缸(有机玻璃材质，内径15 cm，高30 cm)。样品处理方法参考文献[4]。取样时间从2015年4月10日采样缸放置开始至2016年7月10日为止，每月取样1次。
供氧器
1.1.2 灌溉水 于每年3月底水稻插秧前进行取样，灌溉水来源于水稻田所处地下游，依靠潜水泵进行输出。因为水深小于5 m，故将采样位置设在水面下0.5 m水深处。
1.1.3 水稻 于水稻成熟季节7月底和11月初，分别采集整株水稻。根据稻田形状，采用梅花布点法取样，共取5株水稻样品。按照根、茎、叶、水稻籽实4个部分分开，经清洗、杀青、烘干、粉碎后进行分析检测。
1.1.4 化肥 在施肥过程中，随机取1 kg化肥样品，按照四分法浓缩至0.2 kg后保存分析检测。取样时间为2015年5、9月和2016年4月。
1.1.5 土壤 根据稻田形状，采用梅花布点法取样，在稻田内按照不同深度共取10个土壤样品，其中0～60 mm为耕层土壤，60～80 mm为背景土壤，同时在水稻田周边采集5个土壤样品，设为对照。取样时间为2015年8月。
1.2 样品分析
Pb、Cd、As含量的测定采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)。铅同位素含量的测定采用DZ/T 0184.12—1997《岩石、矿物中微量铅的同位素组成的测定》，以ISOPROBE-T热
表面电离质谱仪检测样品的铅同位素组成。
1.3 数据分析
1.3.1 大气沉降重金属年输入量
D=A(CsV+CiM)/S。
(1)
式中：D表示年沉降通量；S表示接尘面积(0.035 4 m2)；A表示试验地块面积(241.78 m2)；C湿表示湿沉降中重金属的含量，V表示湿沉降总体积；C干表示干沉降中重金属的含量，M表示干沉降总质量。 1.3.2 灌溉水重金属年通量
I=C1V1-C2V2。
(2)
式中：C1表示灌溉进水中重金属的浓度；C2表示灌溉排水中重金属的浓度；V1表示灌溉进水的体积，为75 m3；V2表示灌溉出水的体积，无出水。
1.3.3 化肥重金属年输入量
(3)
式中：F表示重金属的年输入通量；Ck表示化肥k中的重金属含量；Mk表示化肥k的年施用量；k包括尿素、磷肥、复合肥、农家肥、农药等。
1.3.4 水稻重金属输出量
OP=CPYP。
(4)
式中：CP表示稻谷中的重金属含量；YP表示稻谷的产量。
1.3.5 水稻田重金属净累积量 根据前面几项的计算，则水稻田重金属每年的净输入量N：
N=D+I+F-OP。
(5)玻璃夹胶机
1.3.6 超标年限预测 污染超标年限T预测(匀速累积模型)：
T=H/N。
(6)
土壤重金属环境容量H：
H=ρ×V×(C0-Ct)×10-3。
(7)
式中：ρ表示土壤密度，以2.25 g/cm3计算；V表示土地体积，cm3，测量值；C0表示土壤重金属i的允许限值；Ct表示土壤重金属i的现存含量，测量值；参照土壤环境质量二级标准，As、Cd、Pb含量的允许值分别为30、0.3、250 mg/kg。
1.4 铅同位素污染源解析模型
如果主要污染源和样品的铅的同位素特征已知，则可建立铅源解析多元混合模型[5-6]，即：
(8)
(9)
简报器(10)
f1+f2+f3+f4=1。
(11)
式中：为样品丰度比；分别为4个主要铅来源的铅同位素206Pb、207Pb、208Pb与204Pb的丰度比；f1、f2、f3和f4分别为4个主要铅来源的相对贡献率，对应的4个端源分别为背景土壤、化肥、大气干湿沉降、灌溉水，通过实验室检测各个样品的丰度值。
1.5 污染评价方法
管理ip该农田中As、Cd、Pb的污染评价方法采用综合污染指数法(尼梅罗综合污染指数法)[7]，计算公式如下：
Pi=Ci/Si；
(12)
P综
(13)
式中：Pi为求出的As、Cd、Pb单项污染指数；Ci为该元素实测值；Si为国家规定的限量值；P综为综合污染指数；Pimax为最大单项污染指数；Piavg为评价单项污染指数。
根据P值的变化划分为4个污染等级：非污染，P≤1；轻度污染，1≤P≤2；中度污染，2≤P≤3；重污染，P≥3[8]。
2 结果与分析
2.1 土壤中砷、铅和镉含量特征及风险评价
2.1.1 超标年限预测 从2015年4月10日2组大气干湿沉降采样缸放置开始至2016年7月10日为止，对大气干湿沉降每月采样1次，统计试验数据并计算大气沉降重金属年输入量如表1、表2所示。农田土壤系统重金属输入部分主要来源于大气干湿沉降、灌溉水、化肥和农药等；重金属输出部分主要是水稻植株部分对重金属富集从而在收割后输出农田的部分。根据公式(1)，大气干湿沉降As、Cd、Pb的年输入量分别为8 815.29、1 373.31、 23 575.96 mg。于2016年3月对该水稻田灌溉1次，灌溉水经三角堰测量约75 m3，根据公式(2)计算灌溉水As、Cd、Pb的年输入量分别为122.62、33.15、35.1 mg。该水稻田使用化肥量约23 kg，根据公式(3)计算化肥As、Cd、Pb的年输入量分别为0.088、0.000 115、0.014 mg；在2015年11月和2016年6月底共收割水稻产量约300 kg，经检测并根据公式(4)、公式(5)计算该水稻田As、Cd、Pb的年净输入量分别为8 876.21 、1 405.98、23 604.78 mg。
根据上述统计结果，结合公式(6)、(7)，As、Cd、Pb的环境容量分别为2.47×106、0.97×103、23.82×106 mg；在目前的种植模式下，根据已有的研究结果进行计算，As、Cd、Pb的超标年限分别为27.8×103、0.689、1.01×103年[9-11]。因此，应将Cd作为该区域农田土壤重金属污染的重点控制元素，制定污染物定量控制方案并采取相应的农田修复
措施以遏制和扭转目前污染形势。
空气过滤材料表1 大气干沉降重金属元素年输入量元素方位大气干沉降重金属元素的年输入量(mg)2015年2016年合计7月8月9月10月11月12月1月2月3月4月5月6月干沉降含量(mg/m2)As南侧4.2614.663.6849.8942.360.5032.692.167.77137.400 12.1451.14622.0117.57北侧55.509.122.6033.4738.711.632.758.5534.3731.6715.2129.78Cd南侧5.264.701.354.400.520.041.510.100.5013.832.275.1080.832.28北侧10.875.322.2813.040.280.040.210.321.832.063.681.32Pb南侧201.18146.4156.96256.980.154.6954.6211.6115.90124.68174.23190.622 682.8575.78北侧123.33303.0460.23421.733.007.986.5416.6966.01195.3111.89229.07
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