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物探与化探, 2024, 48(4): 1136-1145 doi: 10.11720/wtyht.2024.1333

生态地质调查

凤凰县土壤—农作物系统中Cd含量及迁移富集特征

肖凯琦,, 徐宏根,, 戴亮亮, 李毅, 李凯

中国地质调查局 长沙自然资源综合调查中心,湖南 长沙 410625

Cd in the soil-crop system in Fenghuang County: Content and migration and enrichment characteristics

XIAO Kai-Qi,, XU Hong-Gen,, DAI Liang-Liang, LI Yi, LI Kai

Changsha General Survey of Natural Resources Center, China Geological Survey, Changsha 410625, China

通讯作者: 徐宏根(1979-),男,正高级工程师,主要从事生态修复和遥感地质领域相关工作。Email:honggen_xu@163.com

第一作者: 肖凯琦(1997-),男,工程师,主要从事环境地球化学和土地质量地球化学调查工作。Emall:xiaokaiqi@mail.cgs.gov.cn

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2023-07-26   修回日期: 2023-10-7  

基金资助: 中国地质调查局地质调查项目(ZD20220214)

Received: 2023-07-26   Revised: 2023-10-7  

摘要

为了研究湘西州凤凰县土壤—农作物系统中重金属元素迁移富集特征,依托土地质量地球化学调查项目,系统采集了当地主要的120组农作物及根系土样品(50件猕猴桃,36件水稻,34件玉米),农作物样品测试As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb和Zn共7项指标,根系土样品测试pH值、Mn、Se、As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn和理化性质等共18项指标,分析研究区内土壤和农作物籽实重金属含量特征,采用多元线性回归、相关性分析等方法,开展Cd在土壤—农作物系统中迁移富集特征的研究。结果表明,研究区土壤以弱酸性为主,土壤中Cd含量高于湖南省背景值,Cr、Ni和Cu高值区主要分布于西南和东南部,Cd与pH呈西高东低的分布趋势。农作物籽实中重金属元素富集系数最高的元素为Cd、Zn和Cu,研究区土壤—农作物中Cd的迁移主要受土壤pH与质地影响,pH值越高,质地越细,Cd迁移能力越弱,此外其迁移能力一定程度上还受土壤中Mn、CaO和总碳含量影响。区域内猕猴桃重金属富集系数较低,适宜推广生产。

关键词： 凤凰; 土壤; 农作物; 迁移; 影响因素

Abstract

To investigate the migration characteristics of heavy metals in the soil-crop system of Fenghuang County, Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture, this study systematically collected 120 groups of local staple crop and root-soil samples (50 for kiwi fruit, 36 for rice, and 34 for corn). Agricultural crop samples were tested for seven indicators, including As, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, and Zn. Root soil samples were tested for 18 indicators, including pH, Mn, Se, As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn, and physicochemical properties. The test results were used to analyze the heavy metal contents of soil and crop seeds in the study area. Furthermore, the migration and enrichment of Cd in the soil-crop system were examined through multiple linear regression and correlation analysis. The results are as follows: (1) The study area is dominated by weakly acidic soil, with Cd content higher than the background value in Hunan Province. The high-value zones of Cr, Ni, and Cu are primarily distributed in the southwestern and southeastern portions of the study area. The Cd and pH in the soil show higher values in the west and lower values in the east; (2) In crop seeds, the three heavy metals with the highest enrichment coefficients are Cd, Zn, and Cu. The migration of Cd in the soil-crop system of the study area is principally influenced by soil pH and texture. A higher pH value and finer texture correspond to weaker migration of Cd. Additionally, Cd migration is affected to some extent by the contents of Mn, CaO, and total organic carbon in the soil. The relatively low heavy metal enrichment coefficient of kiwi fruit in the study area makes kiwi fruit suitable for production promotion.

Keywords： Fenghuang County; soil; crop; migration; influencing factor

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肖凯琦, 徐宏根, 戴亮亮, 李毅, 李凯. 凤凰县土壤—农作物系统中Cd含量及迁移富集特征[J]. 物探与化探, 2024, 48(4): 1136-1145 doi:10.11720/wtyht.2024.1333

XIAO Kai-Qi, XU Hong-Gen, DAI Liang-Liang, LI Yi, LI Kai. Cd in the soil-crop system in Fenghuang County: Content and migration and enrichment characteristics[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(4): 1136-1145 doi:10.11720/wtyht.2024.1333

0 引言

土壤是自然界所有陆地生物不可或缺、赖以生存的物质基础[1],根据2014年公布的全国土壤污染状况调查公报显示[2],全国土壤点位超标率为16.1%,其中Cd的点位超标率高达7%。土壤污染具有一定程度的不可逆性[3],局部地区土壤重金属异常引起的土地质量下降、农作物超标和生态环境恶化等重大生态问题已成为当前社会各界所关注的重点[4-5]。为此,目前众多学者开展了关于土壤重金属污染相关报道和研究,如杨忠芳[6]在广西岩溶区开展土壤土地质量地球化学评价时,发现广西土壤Cd超标区的重金属生物有效态含量与农作物籽实Cd超标率远低于受人为活动污染严重的国内其他地区。宋春然等[7]利用内梅罗指数法对贵州某农田区域土壤重金属污染状况进行了评估,认为Cd是该区域主要的污染因子。

在环境污染方面,重金属主要是指Hg、Cd、Pb、Cr以及类金属As等生物毒性显著的元素,重金属元素在人体内累积到一定程度,会导致重金属中毒[8],例如Cd可引起以肾小管损害为主的肾功能障碍,继而引起钙磷代谢障碍,导致骨质脱钙[9-10];而Pb、Hg等重金属超标,会对神经递质的功能造成干扰,使交感神经系统受到过度刺激,进而可能引发头晕、昏迷、抽搐等神经异常的表现[11-12]。土壤中重金属元素无法直接进入人体中,其主要是通过食物链从土壤—农作物—人体迁移富集,从而危害人体健康,因此研究土壤重金属元素如何迁移至农作物中,如何降低农作物重金属元素活性成为目前比较热门的研究方向[13]。

本研究选择湘西土家族苗族自治州凤凰县某重要农耕区作为研究区域,在该区域开展1∶5万土地质量地球化学调查,以区内3种主要的农作物(玉米、水稻和猕猴桃)及其根系土作为研究对象,选用土壤中pH值、Mn、Se、As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、各理性指标和农作物籽实中的各类重金属含量等作为评价指标,开展土壤质量评价。通过揭示土壤中重金属含量及其空间分布、农作物籽实含量及其超标率、土壤—农作物系统迁移原因等,评估影响区内农作物重金属活性的主控因素,以期为区内合理利用土地资源和提高高品质农产品生产提供科学依据,保障当地居民食品健康。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湘西土家族苗族自治州凤凰县中部(图1),地处湖南省西部边缘,面积约123 km2,位于东经109°24'11″~109°35'17″,北纬 27°53'21″~27°55'25″之间,地势四周高、中间低,地层主要为寒武系上统比条组、车夫组、牛蹄塘组和板溪群马底驿组,主要地形为低山、岗地,地表物质以红岩为主,夹有部分石灰岩、面岩。土地利用类型以耕地为主,区内主要种植玉米、水稻和猕猴桃等农作物。年平均气温为15.9 ℃,日照差年平均8.3 ℃,降雨量较低。土壤类型大多为红壤,质地偏黏,多为壤土。区域内水系发达,北部为长谭岗水库,东部有沱江流经,南部为白泥江纵横。

图1

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图1   研究区点位分布及地质图

Fig.1   Schematic diagram and geological map of point distribution in the research area


1.2 样品采集与分析测试

于2022年6~8月,根据《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[14]标准,参考研究区地形图、土地利用类型图和遥感卫星图,前往实地采集120组农作物及根系土样品(50件猕猴桃、36件水稻和34件玉米样品)。采集后的农作物样品中水稻进行脱粒处理后自然风干,玉米和猕猴桃采集后使用湿布擦净表面污染物,然后再用蒸馏水冲洗 1~2 次,去除粘附的可能影响分析测试结果的杂物后直接送往分析测试单位进行化验分析。采回的根系土壤样品及时清理、登记后,置于干净整洁的室内通风场挂在样品架上自然风干,在风干过程中,适时翻动,并将大土块用木棒敲碎以防止黏结成块,加速干燥,同时剔除土壤以外的杂物,人工进行拍敲粉碎后采用四分法经过200目筛网后送到分析测试单位进行化验分析。

本次土壤样品分析单位为湖北省地质实验测试中心(自然资源部武汉矿产资源监督检测中心),农作物样品测试As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb和Zn共7项指标,根系土样品测试pH值、Mn、Se、SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O、TC、As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn共18项指标,农作物和根系土样品分析测试方法见表1和表2[15]。

表1   农作物籽实指标分析方法

Table 1  Analysis method for crop seed index

元素分析方法
As原子荧光光谱法
Cr电感耦合等离子体质谱法
Cd电感耦合等离子体质谱法
Cu电感耦合等离子体质谱法
Hg原子荧光光谱法
Pb电感耦合等离子体质谱法
Zn电感耦合等离子体质谱法

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表2   根系土指标分析方法及检出限

Table 2  Analysis method and detection limit of root soil index

指标分析方法检出限
As原子荧光光谱法0.2
Cd电感耦合等离子体质谱法0.02
CrX 射线荧光光谱法1.5
Cu电感耦合等离子体质谱法0.1
Hg原子荧光光谱法0.0005
Mn电感耦合等离子体原子发射光谱法0.5
Ni电感耦合等离子体原子发射光谱法0.2
Pb电感耦合等离子体质谱法1
Se原子荧光光谱法0.01
Zn电感耦合等离子体质谱法1
SiO2X 射线荧光光谱法0.05
Al2O3X 射线荧光光谱法0.03
TFe2O3X 射线荧光光谱法0.02
MgO电感耦合等离子体原子发射光谱法0.02
CaO电感耦合等离子体原子发射光谱法0.02
Na2O电感耦合等离子体原子发射光谱法0.02
TC容量法0.02
pH离子选择电极法分析0.01

注:元素含量单位为10-6;氧化物及TC单位为%;pH无量纲。

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1.3 质量控制与质量保证

根系土按所送样品总数随机抽取5%试样,编成密码,交由分析技术人员,单独进行预重复性分析,待基本分析完成后,计算基本分析结果和重复性检验数据之间的相对双差,分析数据的相关质量参数由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所质量监控中心进行总体评估并通过验收。农作物籽实样品分析的外部质量控制,采用外部实验室测试检查方式进行,检测项目结果低于国家环境、农业、食品等标准中相关元素质量标准控制限量的基本分析结果,其外检比例不低于 5%~8%。所有含超标元素的样品必须有50%送至自然资源部南京矿产资源监督检测中心进行分析评价。经统计,本次测试数据的合格率均大于 96.15%。

1.4 数据处理

本研究基于 IBM SPSS 25 软件对根系土样品中重金属元素含量和pH值进行描述性统计和相关性分析,采用ArcGIS 10.7软件对土壤重金属进行普通Kriging插值得到空间分布图,采用Origin 2021绘制相关图件。

2 结果与分析

2.1 根系土壤重金属特征分析

2.1.1 根系土壤重金属含量描述性统计分析

研究区根系土中8种重金属的含量及pH值参数统计如表3所示,土壤重金属Zn、Cr、Pb、Ni、Cu、As、Cd和Hg平均值依次为79.92×10-6、63.34×10-6、31.97×10-6、28.12×10-6、26.23×10-6、9.53×10-6、0.27×10-6和0.11×10-6。研究区pH介于3.98~8.16之间,中位数为5.61,土壤以弱酸性为主。与湖南省土壤背景值相比[16],研究区Cd远超背景值,且根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)[17]中土壤污染风险筛选值和管控值对比可得,研究区Cd有35%的样品超出土壤筛选值,但未超出土壤管控值。Cd是一种危害人体和农作物品质的重金属元素,研究区农作物根系土的Cd高含量对于该区域农作物种植和人体健康有一定的风险和危害。土壤变异系数可以反映土壤中重金属受外来因素影响的程度[18-19],研究区Cd、As、Hg和Cu变异程度较高,分别为36.51%、35.17%、34.79%和26.02%,Zn、Ni、Pb和Cr变异系数较低,分别为20.75%、16.80%、15.11%和11.24%。数据分析表明, 研究区Cd含量与变异系数均较高。

表3   研究区土壤重金属元素参数统计(n=120)

Table 3  Parametric statistics of heavy metal elements in soil of the study area(n=120)

指标均值最小值中位数最大值变异系数/%湖南省土壤背景值[16]超筛选值/%超管控值/%
As9.533.16927.935.1715.7000
Cd0.270.0880.270.6536.510.13350
Cr63.344563.8585.911.2471.4000
Cu26.2312.324.954.626.0227.300.8—
Hg0.110.0520.100.2734.790.1200
Ni28.1218.427.7543.816.8031.900—
Pb31.9723.531.968.615.1129.7000
Zn79.9245.178.118820.7594.400—
pH5.853.985.618.1620.43———

注:各元素含量单位为10-6;pH无量纲;“—” 表示无数据。

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2.1.2 根系土壤重金属空间分布特征

克里金插值法(Kriging)是依据协方差函数对随机过程(随机场)进行空间建模和预测(插值)的回归算法[20⇓-22],一直以来均被广泛应用于地理科学、环境科学、大气科学等领域。笔者利用IBM SPSS 25将研究区内重金属含量数据进行正态检验后,采用普通Kriging插值法对研究区内根系土样中重金属元素及pH进行空间分析,如图2所示。由图2可得知,根系土中Cr、Ni和Cu含量空间分布基本一致,其高值区域主要分布在西南和东南地区,且与研究区地层分布较为一致,高值区域主要分布在寒武系上统车夫组,其原因为Cr、Ni和Cu主要受成土母质因素影响,变异系数较小,耐受干预能力强[23]。As、Pb、Hg和Zn含量空间上无较大峰值域,分布较为均匀,仅存在小范围的异常域。pH值较高区域主要分布在研究区西部,研究区整体虽呈弱酸性,但西部存在大片碱性土壤,与Cd含量高值分布较为一致。Cd含量空间分布层次较强,从西向东逐级递减,Cd含量较高的区域峰值达到了0.65×10-6,且与研究区北部的沱江走向相同,应引起高度重视。

图2

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图2   研究区根系土壤重金属空间分布

Fig.2   Spatial distribution of heavy metals in root soil of the study area


2.1.3 根系土壤重金属含量影响因素分析

为探寻研究区内重金属含量空间分布及富集影响因素,笔者选取了根系土壤中Mn、TC、pH及各类氧化物含量与根系土重金属含量进行Pearson相关性分析,结果见表4。据表4可得,研究区内根系土壤重金属元素与Mn、TFe2O3呈正相关。有研究认为[23],土壤中含Fe、Mn矿物的大量发育是土壤中重金属元素富集的主要因素,研究区根系土壤中As、Cr、Ni等重金属元素受土壤中铁锰氧化物吸附,从而导致土壤中As、Cr、Ni等重金属元素的富集。研究区内重金属元素与SiO2呈负相关,与Al2O3呈正相关,而SiO2和Al2O3是影响土壤质地的重要组成成分[24],Al2O3含量越高,其质地越细,土质呈黏性。研究表明,研究区内根系土壤中重金属元素的富集与土壤质地和黏粒有密切联系[25]。pH值与土壤中重金属元素基本呈正相关,其中Cd、Cu和Hg与pH呈显著相关,说明pH值越高,土壤中重金属含量越高,与前文中空间分布规律趋于一致。

表4   研究区土壤重金属与理化性质相关系数

Table 4  Correlation coefficient between heavy metals and physicochemical properties of soil in the study area

元素MnSiO2Al2O3TFe2O3MgOCaONa2OTCpH
As0.503**0.1440.180*0.532**-0.109-0.041-0.468**-0.221*-0.132
Cd0.127-0.376**0.0670.185*0.492**0.419**0.196*0.569**0.704**
Cr0.412**-0.307**0.1550.762**0.429**0.158-0.285**0.1460.181*
Cu-0.079-0.470**0.376**0.370**0.649**0.236**0.1030.552**0.423**
Hg0.101-0.167-0.0540.0380.0070.308**-0.0590.350**0.274**
Ni0.189*-0.398**0.497**0.716**0.598**-0.036-0.0550.1620.12
Pb0.0980.0960.1170.246**-0.036-0.232*-0.212*-0.0430.184*
Zn0.1-0.425**0.498**0.531**0.408**0.0330.0160.190*0.108

注:“**”代表在0.01级别(双尾)相关性显著;“*”代表在0.05级别(双尾)相关性显著。

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2.2 农作物重金属元素含量特征分析

2.2.1 农作物重金属含量描述性统计分析

研究区内采集的34件玉米、36件水稻和50件猕猴桃样品中重金属含量特征见表5,对比3种农作物中As、Cd、Cu和Hg含量可知,水稻中这4类重金属含量高于玉米和猕猴桃,而Cr、Pb和Zn含量玉米中高于水稻和猕猴桃。几类元素中,水稻中的As含量远高于玉米,主要原因在于湿生种植的水稻,其根系拥有强大的氧化能力[26],土壤中游离的亚Fe离子容易与根系形成不溶于水的Fe氧化物从而进入水稻中。根据《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2022)中标准限值[27],3种作物中As含量均未超标,研究区内无作物As污染风险;猕猴桃中的Pb和水稻中的Hg存在超标现象,其超标率分别为4.00%和2.94%,但50件猕猴桃样品中,Pb中位数与平均值远低于标准限值,仅有2件样品存在细微超标,水稻仅有1件样品Hg超标,两者均在可控范围内;而玉米和水稻中的Cd均存在较高超标,超标率分别为29.41%和16.67%。综合农作物与根系土中重金属元素含量、作物种类和超标率等指标可得,研究区内农作物受Cd污染风险较大,这与Cd在土壤—作物中的迁移能力有关。

表5   研究区不同农作物重金属元素含量特征

Table 5  Characteristics of heavy metal element content in different crops in the research area

元素作物检出件数均值最小值中位数最大值标准限值[27]超标率/%
As玉米10.0170.0170.0170.0170.50
水稻360.2050.0280.2260.3650.50
猕猴桃500.0020.00110.00160.002——
Cd玉米340.0570.0030.01850.270.129.41
水稻360.1020.0040.0230.560.216.67
猕猴桃500.0030.0010.0030.0080.050
Cr玉米340.0540.0340.0440.2110
水稻360.0410.0280.0380.1110
猕猴桃500.0100.0070.010.015——
Cu玉米342.0850.841.893.97——
水稻362.6670.562.5554.96——
猕猴桃500.8430.350.841.58——
Pb玉米340.0360.0150.0320.0710.20
水稻330.0170.010.0150.0330.20
猕猴桃500.0160.0020.0070.160.14.00
Hg玉米0————0.02—
水稻340.0110.00310.009250.0260.022.94
猕猴桃60.000320.00030.000320.00036——
Zn玉米3420.52415.720.0526——
水稻3617.43314.617.2520.8——
猕猴桃500.6080.260.5850.93——

注:各元素含量单位为10-6;“—”表示无数据。

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2.2.2 农作物重金属元素富集特征

农作物中可食用部分的元素含量与根系土中该元素含量的比值[28],可以反映农作物对于土壤中该元素的富集和吸收能力,即BCF,其大小可以表征该元素的生物有效性,具体公式如下:

BCF=CnCt 。

式中:BCF代表富集系数;Cn代表农作物中可食用部分的元素含量;Ct代表根系土中该元素含量。

对研究区农作物各重金属元素进行富集系数计算,如图3所示,猕猴桃中重金属元素富集系数由大到小依次为Cu、Cd、Zn、Pb、As、Cr和Hg,水稻中重金属元素富集系数由大到小依次为Cd、Zn、Cu、Hg、As、Cr和Pb,玉米中重金属元素富集系数由大到小依次为Zn、Cu、Cd、Pb、Cr、As和Hg。不难看出,在3种农作物中重金属元素富集系数最高的为Cd、Zn和Cu,尤其以Cd在水稻中平均富集系数最高,达33.08%,这表示该区域不仅土壤中存在Cd污染,其农作物中也同样面临高风险,这与Cd易于迁移的特性有关,因为在土壤中Cd主要以碳酸盐的形式存在,Cd2+在土壤中容易被各类阳离子转运从而被植物吸收[29],而Zn和Cu是农作物必须的微量元素,植物对其需求较强,导致其富集系数较高,相比之下,根系会阻碍Pb、Cr、As和Hg吸收至农作物中[30-31],导致其富集系数较低。

图3

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图3   研究区猕猴桃、水稻、玉米富集系数

Fig.3   Enrichment coefficient map of kiwifruit, rice, and corn in the study area


3 土壤—农作物中Cd迁移影响因素分析

人类主要通过食物链接触和吸收重金属元素,而土壤中重金属向农作物中迁移富集是一个关键过程[32],即土壤中的重金属元素能否被植物所吸收。综合考量研究区农作物Cd污染风险较高,因此对研究区内Cd在土壤—农作物系统中的迁移影响因素进行分析。

3.1 线性回归分析

采用IBM SPSS Statistics 25中线性回归模块中的步进法对研究区内3种农作物中Cd的富集系数及其根系土壤中各项指标(pH、Mn、TC、各类氧化物)进行线性回归分析,研究土壤—作物中Cd迁移转化的主要影响因素。在回归方程运行中选择显著性较高的、决定系数R值最大的方程作为最终的回归方程[33]:

lgBCF水稻=-0.622×pH值+0.569×lg[w(SiO2)]+4.806,R=0.821,

lgBCF玉米=-0.382×pH值-0.262×lg[w(MgO)]+1.904,R=0.644,

其中猕猴桃Cd富集系数中显著性不足,故无线性回归方程形成。根据水稻和玉米的Cd富集系数回归方程可得,土壤pH与农作物富集系数成反比,即pH值越高,Cd的生物有效性越低,其原因在于土壤酸碱度会直接影响Cd在土壤中的吸附、解吸附、形态转化和赋存形式,在酸性条件下,土壤中H+等阳离子含量增加,使得土壤中离子交换竞争强烈,从而导致Cd吸附减少,增加了Cd的生物有效性;而随着pH值增加,土壤对Cd的吸附愈强,从而降低了作物对Cd的吸收程度[34]。此外,水稻Cd生物有效性与SiO2呈正比,玉米Cd的生物有效性与MgO呈反比,而MgO、SiO2均为土壤质地的主控因素,有研究表明[35],土壤中SiO2含量越高,MgO、Al2O3和TFe2O3等组分含量越低,土壤孔隙越大,导致土壤中离子交换和吸附能力减弱,土壤趋于砂质,从而增加了农作物对Cd的吸收力度[36⇓-38]。从多元线性回归方程步进法可得,影响研究区土壤—农作物Cd迁移能力最主要的因素是pH和土壤质地。

3.2 相关性分析

由于步进法仅会选取显著性最高的几项指标进行建模分析,为进一步探寻影响研究区内土壤—农作物Cd的迁移转化影响因素,笔者代入各项指标与3种农作物富集系数进行Pearson相关性分析,其结果见表6。从相关性来看,SiO2与水稻Cd富集系数为显著正相关关系(P<0.05), pH与3种农作物富集系数均为显著负相关关系,Mn、CaO、TC与水稻Cd富集系数相关性显著(P<0.05),TC与玉米Cd富集系数相关性显著(P<0.05),TFe2O3、MgO与猕猴桃Cd富集系数相关性显著(P<0.05)。

表6   研究区Cd富集系数与理化指标相关系数

Table 6  Correlation analysis of BCFcd with soil physicochemical properties

富集系数MnSeSiO2Al2O3TFe2O3MgOCaONa2OTCpH
BCF猕猴桃-0.253-0.2490.153-0.038-0.324*-0.361*-0.273-0.009-0.106-0.363**
BCF水稻-0.412*-0.3030.535**0.213-0.06-0.086-0.413*0.021-0.341*-0.733**
BCF玉米0.086-0.0050.137-0.1210.024-0.454**-0.202-0.099-0.367*-0.551**

注:“**”代表在0.01级别(双尾)相关性显著;“*”代表在0.05级别(双尾)相关性显著。

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选取与农作物显著相关的Mn、CaO和TC指标,研究其与农作物中Cd富集系数的内在联系,制作散点图。如图4所示,Cd的富集系数与Mn含量呈反比,在水稻中最为明显,当Mn含量大于300×10-6时,其Cd有效性剧减,原因在于含Mn的氧化物可通过物理吸附Cd等重金属元素从而形成稳定的新生矿物晶格,导致农作物不易吸收Cd[39⇓-41]。通过图4可以看出,Cd富集系数较高的样品主要集中在CaO含量小于0.4%范围,当超出这个范围时,Cd富集系数极低。有研究表明[42],Cd2+和Ca2+的离子半径极其相近,分别为0.097 nm和0.099 nm,在农作物吸收土壤中的元素时,Ca2+比Cd2+更容易被吸收,同时,土壤中的CaCO3 会促进活动态 Cd向稳定态转化,从而抑制了Cd的生物有效性。此外玉米和水稻中Cd富集系数与土壤中TC呈显著负相关(P<0.05),其原因在于土壤中有机碳能够促使土壤中弱酸提取态Cd向可还原态Cd和残渣态Cd转化,有利于降低土壤中Cd的生物活性[43]。

图4

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图4   土壤中Mn、CaO和TC与Cd富集系数散点图

Fig.4   Scatter plot of enrichment coefficients of Mn, CaO, TC, and Cd


综上所述,研究区内猕猴桃中各类重金属富集系数远低于水稻与玉米,其中相较于水稻和玉米,猕猴桃中Cd活性更低,Cd污染风险最小,因此,建议在该区域种植猕猴桃等Cd低累积作物,改善农作物 Cd污染问题。

4 结论

1)研究区土壤以弱酸性为主,土壤重金属Zn、Cr、Pb、Ni、Cu、As、Cd和Hg平均值依次为79.92×10-6、63.34×10-6、31.97×10-6、28.12×10-6、26.23×10-6、9.53×10-6、0.27×10-6和0.11×10-6。从空间分布来看,土壤中Cr、Ni和Cu高值区主要分布于西南和东南部;Cd与pH呈西高东低的趋势。从相关性来看,研究区内根系土壤重金属元素与Mn、TFe2O3呈显著正相关,与SiO2呈显著负相关。

2)根据食品安全国家标准,研究区内玉米和水稻中的Cd均存在较高超标,超标率分别为29.41%和16.67%,猕猴桃中的Pb和水稻中的Hg存在细微超标,在3种农作物中重金属元素富集系数最高的元素为Cd、Zn和Cu。

3)研究区土壤—农作物系统中Cd的迁移能力主要受土壤pH与质地影响,pH值越高,质地越细,Cd迁移能力越弱, 此外还受土壤中Mn、CaO和总碳含量影响。综合研究表明,区域内猕猴桃重金属活性较低,适宜推广生产。

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