干旱区绿洲土壤中重金属的形态分布及生物有效性研究

干旱区绿洲土壤中重金属的形态分布及生物有效性研究——以土壤-油菜(Brassicacampestris)系统实验分析为例摘要：通过野外采样调查和实验分析，对干旱区绿洲典型受污染地区油菜中的重金属镉(Cd、Pb、Zn和Ni）的形态分布特征和生物有效性进行了研究。结果表明：供试绿洲土壤原状土中，Cd、Pb、Zn和Ni均以稳定的残渣态形式存在；而在处理土壤中，重金属被钝化的量有限，Cd的存在形式主要以碳酸盐态为主，Pb、Zn和Ni则主要以铁锰氧化态为主；4种元素的活性大小依次为Cd＞Pb＞Ni＞Zn。根据相关性分析，油菜根部和叶部Ni含量均与土壤中Ni的各非残渣态含量几乎都有相关性，表明当土壤中Ni以非残渣态存在时,活动性Ni的总浓度高,其潜在的能被生物吸收利用的可能性也最大；油菜根部的Zn含量与土壤中Zn的碳酸盐结合态含量有显著的正相关性；油菜各部位对Ｃｄ和Pb的吸收量与土壤中各形态分配系数之间无显著相关关系。关键词：绿洲土壤；重金属Cd、Pb、Zn和Ni；形态分析；生物有效性ExperimentsonSpeciationandbioavailabilityofSelectedHeavyMetalsinAridOasisSoil,NorthwestChinaAbstract:Onthebasicoftheinvestigationandexperiments,collectedthesoilsamplesfromAridOasisareascompoundedwithheavymetalssolutionandsowedBrassicacampestrisseedsandinvestigatedthespeciationandbioavailabilityofthevegetables.TheresultsshowsthatthechemicalformcontentsofCd、Pb、ZnandNiexistedinresidualfractioninuntreatedsoilsmainlywhileintreatedoasissoilstheactivityorderofthefourselectedheavymetalswasCd＞Pb＞Ni＞Zn.Accordingtotheresultsofregressionanalysis,itwasfoundthateveryun-residualfractionmadehighcorelationshiptotheaccumulationofmetalNiintherootandleafofBrassicacampestris.Keywords:Oasissoils;Cd、Pb、ZnandNi;Speciationanalysis;Bioavailability1前言土壤-植物系统是陆地生态系统中最基本的结构单元,也是生态系统物质能量循环的枢纽[1]。土壤是环境要素的重要组成部分,它同时承担着环境中约90%的各种污染物[2]。土壤的重金属污染是当今面积最广、危害最大的环境问题之一。在土壤-植物系统中,重金属（主要包括Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Ag、Ni等）污染不但影响植物产量与品质,而且也影响大气和水环境质量,并通过食物链危害人类的生命和健康,更为严重的是这种污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性及后果严重性等特点。干旱区绿洲农业是中国西北内陆地区农业的重要组成部分，随着工矿业的发展以及污灌的普及,中国干旱区部分城市农田土壤及农作物中都有一定的重金属积累[3-4]。虽然有的重金属如Cu和Zn是作物生长中必需元素,但过量的重金属进入农田土壤后将在作物中积累,威胁人类健康。其中蔬菜是人们生活中必不可少的食物,也是十分重要的经济作物。因而最近十几年有关作物中的重金属含量以及相关的人体健康风险受到越来越多的关注[4-6]。因此开展干旱区绿洲农田蔬菜及其土壤重金属污染状况及其对人体健康风险评价的研究具有重要意义。重金属污染物在环境土壤中的迁移转化规律,并不完全取决于它的总浓度,而是取决于化学形态本性,因此只有借助形态分析才能阐明重金属进入土壤环境的方式、迁徙、转化过程的本质,才能揭示重金属污染物在土壤中的行为特性,为重金属污染土壤提供经济、有效的修复方法。对于重金属的形态分析，具有代表性的形态分析方法是由Tiesser等人提出的[7-8]，将土壤或者沉积物中的金属元素分为可交换态、碳酸盐结合态、铁-锰氧化物结合态、有机物结合态与残渣态。生物有效性的概念首次出现的时候是基于物理化学的概念,认为它是在水体环境中,污染物在生物传输或生物反应中被利用的程度[9]。而如何确定环境中重金属元素的生物有效性是环境科学领域里的热点问题，Helegesen[10]等将生物有效性定义为提取态中元素的含量与植物中富集该元素之比。土壤中的重金属元素的生物有效性在很大程度上取决于元素的存在形态,从某种角度上讲,形态分析是生物有效性的基础,而生物有效性是形态分析的延伸。目前大多数生物有效性的研究方法还都是通过确定污染物在环境中的形态和分布,再将这些形态分布与生物体中污染物的富集量通过Pearson相关系数进行统计分析。本文以干旱区绿洲典型受污染土壤-蔬菜系统为研究对象，采用实地调查和实验的方法，重点讨论了干旱区绿洲地区重金属污染对该地区蔬菜的污染程度及其对人体造成的健康风险，为典型区域的农田土壤重金属的含量阈值的确定及制定区域土壤修复方案和土壤污染防治政策提供科学依据。2研究方法2.1盆栽试验试验土壤为甘肃河西城郊绿洲土，主要理化性质见表１。试验采集绿洲耕作土壤晾干后过２ｍｍ筛。按表２将不同剂量组合的重金属硝酸盐溶液加入１．５ｋｇ干土中拌匀装入花盆，加水使土壤含水量为田间持水量的６０％，按照农作制度播入菜种；每种组合设３个平行。６６天后分别取回土壤和油菜样品。新鲜油菜经清洗后分别称取根、株鲜重，并测其根长和株长。鲜样在１０５℃杀青２小时后，再在８０℃下烘干１２小时，恒重后称量、粉碎过６０目筛待用。土壤样品经风干、磨细后过２００目筛，四分法取其中５０ｇ待用。表１试验区土壤理化性质Table1somephysicalandchemicalpropertiesoftheexperimentalsoils土壤类型PH值有机质%阳离子交换量cmol/kgCdmg/kgZnmg/kgNimg/kg灌漠土8.161.548.10.5562.9753.86试验采集绿洲耕作土壤晾干后过２ｍｍ筛。按表２将不同剂量组合的重金属硝酸盐溶液加入１．５ｋｇ干土中拌匀装入花盆，加水使土壤含水量为田间持水量的６０％，按照农作制度播入菜种；每种组合设３个平行。６６天后分别取回土壤和油菜样品。新鲜油菜经清洗后分别称取根、株鲜重，并测其根长和株长。鲜样在１０５℃杀青２小时后，再在８０℃下烘干１２小时，恒重后称量、粉碎过６０目筛待用。土壤样品经风干、磨细后过２００目筛，四分法取其中５０ｇ待用。表２试验土壤中重金属处理浓度设计（单位：ｍｇ／ｋｇ）Table2Designoftheexperimentandtreatmentconcentrationofheavymetalsadded(units:mg/kg)剂量水平012345678Cd00.350.751.251.82.53.557.5Pb07515023032045070010001350Zn0501001803004506008001000Ni06011017025035050075011002.2.样品分析测试2.2.1全量分析土壤重金属全量分析采用HNO3-HF-HCLO4三酸法消解[11]，其中Zn用BG/T17138-1997标准,Pb和Cd用BG/T17141-1997,Ni用BG/T17139-1997。油菜样品采用GB/T5009中规定的HNO3-HCLO4体系进行消解.菜样全量分析，其中Zn根据GB/T5009.14-1996，Pb根据GB/T5009.12-1996，Cd根据GB/T5009.15-1996，Ni根据:GB/T16343-1996。测定含量均为全量。所有消解液经0.5%的硝酸溶液定容至50ml容量瓶，利用美国ThermoFisher的SOLLARAAM6原子吸收光谱仪测定各重属含量，土壤中的Zn、Ni和油菜中的Zn采用火焰法测定，土壤中的Cd和油菜中的Cd、Ni采用石墨炉法进行测定。采用平行样和GSS-1标准土样和GSB-6标准油菜样进行监控质量，误差控制在5%以内,分析时采用国标溶液控制工作曲线。实验试剂均选用优级纯试剂，实验用器皿在使用前均经过10％硝酸浸泡24h以上。采用SPSS11.5统计软件和MicrosoftExcel软件开展数据处理。2.2.2形态分析按照tessier的五步提取法[7]开展形态分析，即将重金属形态分为可交换态(EXC)、碳酸盐结合态(CAB)、铁-锰氧化物结合态(FMO)、有机物结合态(OM)和残渣(RES)5种形态，各个形态的具体提取过程为：（1）可交换态：称取1g过100目筛土壤样品，放入离心管中并同时标记，（因为过程中没有标准物质全程监控，所以每隔8个样做一个平行样，或采取每一个样用两个平行），加入8ml1mol/l的Mgcl2，调节PH值为7.0，在室温下（25±5℃）振荡2h，然后在4000r离心机上离心20min。取上清液移入50ml容量瓶，定容待测。（注意滤纸和离心管中溶液的二次洗涤）。（2）碳酸盐结合态：取上次剩下的残渣，加入1mol/l的NaAC8ml，PH值为5.0，在25±5℃振荡5h，然后在4000r离心机上离心20min。取上清液移入50ml容量瓶，定容待测。（3）铁锰氧化态：在残渣中加入20mol/l0.04mol/l盐酸羟铵，以及25％（体积比）的醋酸，调节PH值为2，在96℃的水浴下6h，偶尔振荡，取出放入离心机离心20min，移取上清液入50ml容量瓶，定容待测。（4）有机物结合态：在残渣中加入5ml30％的双氧水，3ml0.02mol/l的硝酸，慢慢搅拌，待反应平缓后，置于恒温水浴中间歇搅拌，在86±1℃下提取2h，然后取出冷却，再补加上述混合溶液在水浴中（86±1℃）提取3h，使样品氧化完全，然后加入5ml3.2mol/l的NH4AC溶于体分数为20％的硝酸中，在室温下提取30min，离心20min，移取上清液入50ml容量瓶，定容待测。（5）残渣态：用全量与以上4种可提取态总和的差值计算。3结果与分析3.1土壤中重金属Cd、Pb、Zn和Ni的形态含量及其分布规律图1～8分别为供试绿洲土壤不同剂量组合下Cd、Pb、Zn和Ni在土壤中的形态含量及其赋存形态分布系数的变化图，其中图2、图4、图6和图8依次为Cd、Pb、Zn和Ni在原状土、最接近干旱区绿洲土壤本底值的2号水平（Cd：0.75；Pb：150；Zn：100；Ni：110）较接近干旱区绿洲受污染土壤平均含量的5号水平（Cd：2.50；Pb：450；Zn：450；Ni：350）和最高浓度剂量8号水平（Cd：7.5；Pb：1350；Zn：1000；Ni：1100）时的赋存形态分布比例图。由图可见，与原状土相比，在各剂量水平下土壤中Cd、Zn、Pb和Ni4金属的赋存形态各有特征但有共同的趋势，即原状土壤中的Cd、Zn、Pb和Ni主要以稳定的残渣态形式存在，随着可溶态金属浓度的增加，非残渣态含量逐渐增大，所占百分比也明显提高，但残渣态含量基本上没有发生明显的变化。在Cd、Pb、Zn和Ni的添加变异系数分别为80.07%、78.67%、73.76%和81.52%时，各重金属的非残渣态含量变率依次为23.74%、42.55%、12.89%和17.92%。这表明在本研究中，碱性绿洲土壤在重金属外源污染下，随着剂量的增加残渣态含量并无明显的变化，即可被钝化的重金属量有限，更多的重金属量则直接或者间接与生物吸收之间产生一定的关联，也使土壤-油菜系统受到的潜在污染危害程度逐渐加深。此外，对照比较4种金属各形态分布系数可知，在不同剂量水平组合下，可交换