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土壤-水稻系统重金属空间对应关系和定量模型研究

赵科理  
【摘要】:食品安全问题及其相关的人体健康风险一直是全球关注的焦点。水稻作为世界第二大粮食作物,也是我国第一大粮食作物,稻米的品质与人们的健康密切相关。在影响农产品质量的诸多因素中,土壤污染及其导致的环境质量恶化是引起农产品质量安全问题的重要源头因素,是决定农产品质量的基础条件。重金属因其具有非生物降解性和持久性引起了全世界的普遍关注,土壤重金属污染已成为国内外环境污染研究的热点之一。因此,土壤-水稻系统中重金属污染研究对于保护土壤环境质量和食品安全都具有重要意义。目前,土壤-水稻系统中重金属迁移转化特征及其机理的研究,大多是局限于盆栽实验和小区田间试验有限“点”的研究,而关于实际水稻产地区域范围内“面”的研究很少。因此,十分有必要开展区域范围内产地土壤-水稻系统重金属立体污染的深入研究,为提高产地土壤环境质量,指导水稻安全生产布局,保障农产品安全,提供必要的理论依据。 本论文以浙江省水稻典型产区浙北南浔区、浙中嵊州市和浙南温岭市为研究样区,通过科学的采样布点,在研究区内分别采集100、94和96个水稻以及对应的土壤样品,进行土壤重金属(Cd、Cu、Ni、Pb、Zn)全量和形态,稻米重金属含量以及土壤理化性质(pH、有机质、电导率、土壤机械组成等)分析。利用GIS技术和多种空间分析方法,系统研究了水稻典型产区稻米及其产地土壤环境中重金属的污染现状、空间变异、迁移转化、空间相关、影响机制和定量模型,取得了以下主要研究结果和结论: (1)以浙江省土壤背景值和国家二级限值为评价标准,对南浔产区、嵊州产区和温岭产区土壤重金属进行单因子污染指数和内梅罗综合污染指数评价,结果表明三个产区的局部土壤已经具有重金属Cd、Cu、Ni、Pb和Zn不同程度的累积,表现出一定的污染特征,但土壤环境质量总体上符合农业安全生产的要求。通过污染源分析表明,工业化、城市化以及农业生产的发展,是导致三个水稻产区土壤重金属污染的主要原因。以食品卫生相关标准进行水稻重金属污染风险评价,结果表明三个产区水稻质量从总体上来说尚属安全。在所研究重金属中,Cd是研究区土壤和水稻的主要污染元素,具有一定的潜在健康风险。 (2)利用地统计学方法对南浔产区,嵊州产区和温岭产区土壤以及水稻重金属的空间变异性进行分析,结果表明三个产区土壤和水稻重金属均具有一定的空间变异结构和空间分布规律。水稻与土壤中重金属空间分布格局相比较,三个产区土壤-水稻系统中Cd的空间分布格局最为相似,其他重金属的空间分布规律也具有一定程度的相似性,说明水稻对土壤重金属的吸收累积因重金属不同而有差异,除了土壤重金属全量之外,可能还受其他因素的影响。 (3)三个产区水稻和土壤中重金属全量的相关分析发现,Cd、Cu和Ni分别达到极显著(p0.01)水平,但相关系数仅为0.21、0.18和0.20,Zn则没有明显的相关性,说明土壤重金属全量不能较好地表征重金属对作物的生物有效性。以温岭产区为例,运用交叉相关函数定量分析水稻重金属及其产地土壤重金属形态的空间对应关系。结果表明,水稻Cd、Zn与土壤交换态、铁锰结合态和有机结合态均强烈空间正相关,水稻Ni与土壤交换态强烈空间正相关,与其他重金属相比,水稻Cu与重金属形态的空间相关性较弱,其中与有机结合态的空间相关关系最强。水稻重金属与土壤重金属形态空间相关性总体上呈交换态有机结合态铁锰氧化物结合态残差态,说明交换态和有机结合态的生物有效性相对较高,而残渣态最低。 (4)以富集系数作为衡量土壤-水稻系统中重金属迁移能力的指标,结果表明水稻对重金属的吸收累积能力总体上为CdZnCuNi。Cd的迁移能力显著高于其他重金属,是导致研究产区水稻具有潜在Cd污染的原因。土壤重金属形态分析结果表明,重金属的形态分布因重金属不同而不同。Cd以交换态、铁锰结合态等非残渣态为主,而Cu、Ni、Pb和Zn则以残渣态为主,交换态含量最低,产地土壤中重金属的潜在生物有效性依次为CdPbZnNi=Cu。土壤Cd的潜在生物有效性远远大于其他重金属,导致其在土壤-水稻系统中具有较高的迁移能力。 (5)以温岭产区为例,从水稻类型作为内部因素以及土壤理化性质作为外部因素分析了重金属迁移累积能力和生物有效性的影响机制。水稻类型东西区域分布的空间差异和土壤类型的空间分布是导致产区重金属富集系数空间异质性的部分原因。交叉相关函数表明Cd、Ni和Zn的富集系数与土壤pH、有机质和电导率的空间相关性最强,而与土壤氧化铁含量相关性最差;Cu的富集系数与土壤性质的空间相关性则相对较弱,尤其是与土壤pH和有机质的空间关系几乎不存在,说明土壤理化性质的空间变异性也影响重金属富集系数的空间变异,并以pH、有机质和电导率的影响最大,但是土壤性质对Cu有效性的影响最小。相关系数分析结果表明土壤重金属形态分布与土壤相关理化性质显著相关,并以pH和有机质对重金属形态分布的影响最为显著,说明土壤性质可能通过影响重金属形态分布而影响重金属的生物有效性。 (6)三个产区土壤-水稻系统重金属迁移能力(富集系数)依次为嵊州产区温岭产区南浔产区,方差分析表明,三个产区土壤-水稻系统重金属的迁移累积和生物有效性受水稻类型和生长环境交互作用影响最大,其次为生长环境,然后是水稻类型。在土壤环境因素(重金属形态含量和土壤理化性质)中,以土壤理化性质为主导因素。由此说明,南浔、嵊州和温岭产区水稻类型和水稻田土壤性质的交互效应是导致其土壤-水稻系统重金属迁移能力显著性差异的主导因素。 (7)以嵊州产区和南浔产区分别为杂交水稻和晚粳稻研究区,利用多元回归分析方法拟合了重金属的迁移累积和生物有效性(富集系数)与土壤重金属形态分布和土壤理化性质(pH、有机质、电导率、机械组成)等环境因子的定量关系,结果表明两种类型水稻的重金属迁移模型均为对数线性模型。利用拟合的迁移模型对温岭产区两种水稻重金属的迁移累积进行预测,几乎均达到了极显著预测水平,而杂交水稻Cd预测结果不理想,而且部分重金属迁移模型也存在高估低富集系数的现象,说明本研究的对数线性迁移模型能够较好预测实际产地环境中土壤-水稻系统重金属的迁移累积,但也存在一些缺陷,有待进一步改进。


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