土壤-水稻系統(tǒng)重金屬空間對應關系和定量模型研究.pdf

1、食品安全問題及其相關的人體健康風險一直是全球關注的焦點。水稻作為世界第二大糧食作物，也是我國第一大糧食作物，稻米的品質與人們的健康密切相關。在影響農產品質量的諸多因素中，土壤污染及其導致的環(huán)境質量惡化是引起農產品質量安全問題的重要源頭因素，是決定農產品質量的基礎條件。重金屬因其具有非生物降解性和持久性引起了全世界的普遍關注，土壤重金屬污染已成為國內外環(huán)境污染研究的熱點之一。因此，土壤-水稻系統(tǒng)中重金屬污染研究對于保護土壤環(huán)境質量和食品安

2、全都具有重要意義。目前，土壤-水稻系統(tǒng)中重金屬遷移轉化特征及其機理的研究，大多是局限于盆栽實驗和小區(qū)田間試驗有限“點”的研究，而關于實際水稻產地區(qū)域范圍內“面”的研究很少。因此，十分有必要開展區(qū)域范圍內產地土壤-水稻系統(tǒng)重金屬立體污染的深入研究，為提高產地土壤環(huán)境質量，指導水稻安全生產布局，保障農產品安全，提供必要的理論依據(jù)。本文以浙江省水稻典型產區(qū)浙北南潯區(qū)、浙中嵊州市和浙南溫嶺市為研究樣區(qū)，通過科學的采樣布點，在研究區(qū)內分別采集10

3、0、94和96個水稻以及對應的土壤樣品，進行土壤重金屬(Cd、Cu、Ni、Pb、Zn)全量和形態(tài)，稻米重金屬含量以及土壤理化性質(pH、有機質、電導率、土壤機械組成等)分析。利用GIS技術和多種空間分析方法，系統(tǒng)研究了水稻典型產區(qū)稻米及其產地土壤環(huán)境中重金屬的污染現(xiàn)狀、空間變異、遷移轉化、空間相關、影響機制和定量模型，取得了以下主要研究結果和結論：
　　 ⑴以浙江省土壤背景值和國家二級限值為評價標準，對南潯產區(qū)、嵊州產區(qū)和溫嶺產

4、區(qū)土壤重金屬進行單因子污染指數(shù)和內梅羅綜合污染指數(shù)評價，結果表明三個產區(qū)的局部土壤已經具有重金屬Cd、Cu、Ni、Pb和Zn不同程度的累積，表現(xiàn)出一定的污染特征，但土壤環(huán)境質量總體上符合農業(yè)安全生產的要求。通過污染源分析表明，工業(yè)化、城市化以及農業(yè)生產的發(fā)展，是導致三個水稻產區(qū)土壤重金屬污染的主要原因。以食品衛(wèi)生相關標準進行水稻重金屬污染風險評價，結果表明三個產區(qū)水稻質量從總體上來說尚屬安全。在所研究重金屬中，Cd是研究區(qū)土壤和水稻的主

5、要污染元素，具有一定的潛在健康風險。
　　 ⑵利用地統(tǒng)計學方法對南潯產區(qū)，嵊州產區(qū)和溫嶺產區(qū)土壤以及水稻重金屬的空間變異性進行分析，結果表明三個產區(qū)土壤和水稻重金屬均具有一定的空間變異結構和空間分布規(guī)律。水稻與土壤中重金屬空間分布格局相比較，三個產區(qū)土壤-水稻系統(tǒng)中Cd的空間分布格局最為相似，其他重金屬的空間分布規(guī)律也具有一定程度的相似性，說明水稻對土壤重金屬的吸收累積因重金屬不同而有差異，除了土壤重金屬全量之外，可能還受其他因

6、素的影響。
　　 ⑶三個產區(qū)水稻和土壤中重金屬全量的相關分析發(fā)現(xiàn)，Cd、Cu和Ni分別達到極顯著(p<0.01)水平，但相關系數(shù)僅為0.21、0.18和0.20，Zn則沒有明顯的相關性，說明土壤重金屬全量不能較好地表征重金屬對作物的生物有效性。以溫嶺產區(qū)為例，運用交叉相關函數(shù)定量分析水稻重金屬及其產地土壤重金屬形態(tài)的空間對應關系.結果表明，水稻Cd、Zn與土壤交換態(tài)、鐵錳結合態(tài)和有機結合態(tài)均強烈空間正相關，水稻Ni與土壤交換態(tài)強

7、烈空間正相關，與其他重金屬相比，水稻Cu與重金屬形態(tài)的空間相關性較弱，其中與有機結合態(tài)的空間相關關系最強。水稻重金屬與土壤重金屬形態(tài)空間相關性總體上呈交換態(tài)>有機結合態(tài)>鐵錳氧化物結合態(tài)>殘差態(tài)，說明交換態(tài)和有機結合態(tài)的生物有效性相對較高，而殘渣態(tài)最低。
　　 ⑷以富集系數(shù)作為衡量土壤-水稻系統(tǒng)中重金屬遷移能力的指標，結果表明水稻對重金屬的吸收累積能力總體上為Cd>Zn>Cu>Ni。Cd的遷移能力顯著高于其他重金屬，是導致研究產

8、區(qū)水稻具有潛在Cd污染的原因。土壤重金屬形態(tài)分析結果表明，重金屬的形態(tài)分布因重金屬不同而不同。Cd以交換態(tài)、鐵錳結合態(tài)等非殘渣態(tài)為主，而Cu、Ni、Pb和Zn則以殘渣態(tài)為主，交換態(tài)含量最低，產地土壤中重金屬的潛在生物有效性依次為Cd>Pb>Zn>Ni=Cu。土壤Cd的潛在生物有效性遠遠大于其他重金屬，導致其在土壤-水稻系統(tǒng)中具有較高的遷移能力。
　　 ⑸以溫嶺產區(qū)為例，從水稻類型作為內部因素以及土壤理化性質作為外部因素分析了重金

9、屬遷移累積能力和生物有效性的影響機制。水稻類型東西區(qū)域分布的空間差異和土壤類型的空間分布是導致產區(qū)重金屬富集系數(shù)空間異質性的部分原因。交叉相關函數(shù)表明Cd、Ni和Zn的富集系數(shù)與土壤pH、有機質和電導率的空間相關性最強，而與土壤氧化鐵含量相關性最差；Cu的富集系數(shù)與土壤性質的空間相關性則相對較弱，尤其是與土壤pH和有機質的空間關系幾乎不存在，說明土壤理化性質的空間變異性也影響重金屬富集系數(shù)的空間變異，并以pH、有機質和電導率的影響最大，

10、但是土壤性質對Cu有效性的影響最小。相關系數(shù)分析結果表明土壤重金屬形態(tài)分布與土壤相關理化性質顯著相關，并以pH和有機質對重金屬形態(tài)分布的影響最為顯著，說明土壤性質可能通過影響重金屬形態(tài)分布而影響重金屬的生物有效性。
　　 ⑹三個產區(qū)土壤-水稻系統(tǒng)重金屬遷移能力(富集系數(shù))依次為嵊州產區(qū)>溫嶺產區(qū)>南潯產區(qū)，方差分析表明，三個產區(qū)土壤-水稻系統(tǒng)重金屬的遷移累積和生物有效性受水稻類型和生長環(huán)境交互作用影響最大，其次為生長環(huán)境，然后是

11、水稻類型。在土壤環(huán)境因素(重金屬形態(tài)含量和土壤理化性質)中，以土壤理化性質為主導因素。由此說明，南潯、嵊州和溫嶺產區(qū)水稻類型和水稻田土壤性質的交互效應是導致其土壤-水稻系統(tǒng)重金屬遷移能力顯著性差異的主導因素。
　　 ⑺以嵊州產區(qū)和南潯產區(qū)分別為雜交水稻和晚粳稻研究區(qū)，利用多元回歸分析方法擬合了重金屬的遷移累積和生物有效性(富集系數(shù))與土壤重金屬形態(tài)分布和土壤理化性質(pH、有機質、電導率、機械組成)等環(huán)境因子的定量關系，結果表明