（环境工程专业论文）大环江流域土壤和蔬菜重金属含量调查与健康风险评估.pdf

摘要 2 0 0 1 年6 月，广西环江县遭遇特大洪水，上游尾砂库溃坝，大量含重金属的尾砂随 洪水运移至下游，导致近万亩农田受到重金属污染。近1 0 年过去了，受污染的土壤和农 产品安全状况如何了呢? 为了解大环江流域受尾砂库溃坝影响的污染区域中的菜地土壤 和农产品重金属含量状况，我们以菜地土壤和蔬菜为例，在大环江流域采集了7 5 个土壤 样品和1 0 0 余个蔬菜样品，其中部分蔬菜样品采自农贸市场。分析砷、铅、镉含量，并 评估当地居民通过蔬菜消费摄入的重金属的健康风险。研究发现，大环江流域的土壤砷、 镉、铅总体上符合对数正态分布，其含量范围、算术均值和几何均值分别为：a s - 1 5 9 m g k g v 3 2 7 4 m g k g 、4 4 3m g k g 、3 5 1m g k g ；c d ：0 1 6 3m g k g - - 1 8 5 1m g k g 、4 9 0 m g k g 、1 1 5m g k g ；p b ：1 1 2m g k g - - 4 3 1 8m g k g 、4 5 8 9m g k g 、2 0 9 7m g k g 。大环江 流域受溃坝影响区域菜地的土壤大部分都已经受到严重污染，其中以镉污染最为严重， 综合污染指数大小顺序为：c d p b a s ，三种重金属元素的超标率分别达到了6 4 o 、 8 8 o 、6 9 3 。上地崖村、上吴江屯、下吴江屯、雅脉村这四个地方的部分样点砷、镉、 铅三种元素的污染指数均不超过1 ，说明仍然有部分土壤受影响较小。 各品种蔬菜中三种重金属砷、镉、铅浓度的平均值均低于国家限量标准，但仍有部 分样品超过该标准，蔬菜砷、镉、铅的综合超标率分别为1 1 1 、8 8 9 、3 7 0 ，其砷、 镉、铅含量范围、算术均值和几何均值分别为：0 0 0 l m g k g - o 7 1 7m g k g 、0 0 3 7m g k g 、 0 0 1 8m g k g ；0 0 0 0 2m g k g - - - 1 3 2m g k g 、0 0 7 5m g k g 、0 0 2 5m g k g ；0 0 0 0 1m g k g - - 3 3 6 m g k g 、0 2 4 7m g & g 、0 0 8 5m g k g 。各种蔬菜均出现了不同程度的砷、镉、铅超标现象， 砷重金属超标率最高值出现在菠菜、莲藕、豌豆及油菜，镉超标率最高值的是菠菜，铅 超标率最高的是茼蒿、油菜、芋头。从平均超标率及综合污染指数来看，瓜果类蔬菜污 染最严重，其次是根茎类蔬菜，叶菜类蔬菜污染最轻。分析土壤与蔬菜之间相关性可知， 蔬菜与三种重金属之间的相关性均不显著。 经过蔬菜对重金属富集能力的研究表明，油菜、青麻菜、茼蒿、菜花、豌豆、油麦 菜的a s 富集系数最高，c d 、。p b 富集系数最大值分别为蒜与茼蒿。大环江流域的居民从 蔬菜中人均摄入总砷的量为3 3 9 肛g ( 人d ) ，摄入c d 的量为2 3 6 p g ( 人d ) ，摄入p b 的 量为人均8 5 6 州( 人d ) 。蔬菜a s 含量对大环江流域居民的健康威胁不大，c d 与p b 仍 旧存在一定的健康风险。通过蔬菜种植区划，可将对优先控制重金属( p b ) 富集能力强 的蔬菜避开高风险区域的土壤种植。 关键词：土壤，蔬菜，重金属，含量，健康风险 a b s t r a c t i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h eh e a v ym e t a lc o n t e n to fs o i la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t sa f f e c t e d b yt h et a i l i n gd a mo fh u a n j i a n gr i v e r , t h i sp a p e rd e s c r i b e sa l li n v e s t i g a t i o no fh e a v ym e t a l p o l l u t i o ni nh u a n j i a n g r i v e rw i t hr e g a r d i n gt oa g r i c u l t u r a ls o i la n dv e g e t a b l e s ，7 5s o i l s a m p l e sw e r ec o l l e c t e df r o ml o c a lf i e l d su s e dt og r o wv e g e t a b l ep l a n t s i na d d i t i o n ，m o r et h a n 10 0f r e s hv e g e t a b l es a m p l e sw e r eo b t a i n e df r o mv e g e t a b l eb a s e s ，a n ds u p e r m a r k e t sa n d a n a l y s i s e dt h ec o n t e n to fh e a v ym e t a l ( a s ，c d ，p b ) 。m e a n w h i l e ，i n v e s t i g a t e dt h ep r e s e n t s i t u a t i o no fh e a v ym e t a la n da s s e s s e dt h eh u m a nh e a l t hr i s ki nl o c a lp e o p l e a f t e rs t u d y i n g ，t h e a s 、c da n dp br r e v e a lt h et h el o g n o r m a ld i s t r i b u t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o n so f a s i ns o i l sr a n g e d f r o m1 5 9 m g k gt o3 2 7 4 m g k g ，w i t ha r i t h m e t i ca n dg e o m e t r i co f 4 4 3m g k ga n d3 5 1m g k g ； a n dt h er a n g eo fc dw a sf r o m0 16 3m g k gt o18 5 1m g k g ，、v i t l la r i t h m e t i ca n dg e o m e t r i co f 4 9 0m g k ga n d1 1 5m g k g ；a n dt h er a n g eo fp bw a sf r o m1 1 2m g k gt o4 3 1 8m e k g ，诮t l l a r i t h m e t i ca n dg e o m e t r i co f4 5 8 9m g k ga n d2 0 9 7m g k g r e s u l tr e v e a l st h a tt h es o i l so f h u a n j i a n gf i v e rw e r ep o l l u t e d c dp o l l u t i o nw a st h em o s ts e r i o u s t h eo r d e ro ft h ei n t e g r a t e d p o l l u t i o ni n d e x ( i p i ) w a sc d p b a s t h es t a n d a r dr a t e o fh e a v ym e t a l s ( a s ，c d ，p b ) r e s p e c t i v e l yw a s6 4 o ，8 8 o ，6 9 3 t h ep o l l u t i o ni n d e x o ff o u rv i l l a g e so f ( a s ，c d ，p b ) w a s l o w e rt h a n1 v i l l a g e s s o i l sh a v en o tb e e nf u l l yp o l l u t e d s ot h a tt h e r ea r es t i l ls o m eo ft h es o i l w a sl e s sa f f e c t e d t h r e eh e a v ym e t a l si nv e g e t a b l e so fa l lv a r i e t i e so fa r s e n i c ，c a d m i u m ，l e a dc o n c e n t r a t i o n s w e r el o w e rt h a nt h en a t i o n a la v e r a g el i m i t s ，b u ts t i l lh a v es o m es a m p l e sw e r eh i g n e r t h e c o m p r e h e n s i v es t a n d a r dr a t eo fa r s e n i c ，c a d m i u m ，a n dl e a di nv e g e t a b l ew a s1 1 1 ，8 8 9 ， 3 7 0 t h ec o n c e n t r a t i o n so f a si nv e g e t a b l e sr a n g e df r o m0 0 0 1 m g k gt oo 7 1 7m g k g ，、 r i m a r i t h m e t i ca n dg e o m e t r i co fo 0 3 7m e g k ga n d0 018 m g k g ：a n dt h er a n g eo fc dw a sf r o m 0 0 0 0 2m g l ( gt o1 3 2m e k g ，w i t ha r i t h m e t i ca n dg e o m e t r i co fo 0 7 5m g k ga n d0 0 2 5m g k g ； a n dt h er a n g eo f p bw a sf r o mo 0 0 01m g g k gt o3 3 6m g k g ，埘t l la r i t h m e t i ca n dg e o m e t r i co f 0 2 4 7m g k ga n do 0 8 5m g k g e v e r yv e g e t a b l ew e r eb e y o n dt h er e s t r i c t e ds t a n d a r di na d i f f e r e md e g r e e so fa s ，c da n d p b t h eh i g l l e s tr a t eo fe x c e e d i n gs t a n d a r do fa sw a ss p i n a c h ，l o t u sr o o t ，c e l e r ya n dr a p e 1 1 1 e h i g h e s tr a t eo fe x c e e d i n gs t a n d a r do fc dw a ss p i n a c h ，a n dt h ep bw a sg a r l a n dc h r y s a n t h e m u m ， r a p ea n dt a r o w h i l et h el e v e l so fh e a v ym e t a l s ( a s ，c d ，p b ) i nl o c a l g r o w nv e g e t a b l e sw e r e s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h o s eo fv e g e t a b l e si m p o r t e df r o mo t h e rp l a c e si nc h i n a a c c o r d i n gt o t h ea v e r a g er a t eo fe x c e e d i n gs t a n d a r da n dt h es y n t h e t i cp o l l u t i o ni n d e xo fv e g e t a b l e st h e n p o l l u t i o no r d e ro fh e a v ym e t a l sa m o n gi n v e s t i g a t e dv e g e t a b l e sw a sa sf o l l o w s ：m e l o na n df r u i t v e g e t a b l e r o o ta n dt u b e rv e g e t a b l e l e a fv e g e t a b l e t h e r ew e r en os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e s b e t w e e nt h ev e g e t a b l e sa n dt h r e eh e a v ym e t a l s a f t e rh e a v ym e t a la c c u m u l a t i o nb y v e g e t a b l er e s e a r c hs h o w s t h a tt h ea b s o r b i n g c o e f f i c i e n to fa sw a sh i g h e s ti nr a p e ，g r e e nh e m pf o o d ，g a r l a n dc h r y s a n t h e m u m ，c a u l i f l o w e r , p e a sa n dl e t t u c e t h ed a i l yi n t a k e so f a s 、c da n dp bw e r e3 3 9 p g d 、2 3 6 i _ t g da n d8 5 6 i t g d t h e r e s u l t so fh e a l t hr i s ka s s e s s m e n to fh e a v ym e t a l si ns o i l si n d i c a t e dt h a t t h er i s ko f a sw a sl o w e r t h a nt h a to ft h eo t h e rh e a v ym e t a l s a n dt h er i s k so fc da n dp bs t i l lh a v ec e r t a i nh e a l t hr i s k s t h r o u g hd i v i d i n gt h ev e g e t a b l eg r o w i n ga r e a s ，w ew i l la v o i dp l a n t i n gv e g e t a b l e sw h i c hw e r e t h eh i g h e s ta b s o r b i n gc o e f f i c i e n ti nh i g h - r i s ka r e a s k e yw o r d s ：s o i l ，v e g e t a b l e s ，h e a v ym e t a l s ，c o n t e n t , h e a l t hr i s k s i i i 桂林理工大学硕士学位论文 第1 章文献综述 土壤是构成生态系统的基本要素之一，是国家最重要的自然资源之一，也是很多 污染物质的最后归属地。我们赖以生存的土地“中毒 越深，生态环境、食品安全和 农业可持续发展就越令人担忧。随着我们工农业的发展，土壤污染已经成为一个日趋 严重的世界性问题。而土壤作为环境的主要部分，不仅与人类生活息息相关，更是发 展绿色无公害蔬菜所必不可少的条件。工农业的发达，使得大量的有毒物质尤其是重 金属通过各种途径进入生态环境中，使土壤和蔬菜受到不同程度的污染，尤以重金属 污染最严重。 土壤重金属污染是指由于自然和人类活动将重金属加到土壤中，致使土壤中重金 属含量明显高于原有含量，并造成生态恶化的现象【l 】。重金属进入人体主要通过空气 ( 呼吸) 、水、食物和皮肤接触。在环境没有收到严重污染的情况下，重金属一般是通 过食物和消费品的消费进入人体的。因此，从目前人们几种常见的消费形式，主要是 稻米、烟草、水产品和蔬菜等的消费途径，可以了解重金属进入人体的方式，以及重 金属对人体的危害，从而有针对性地采取一些防范措施。 为此本研究根据大环江流域生产污染状况及蔬菜生产特点，探究其土壤及同片区 域上的蔬菜，并研究不同蔬菜品种对重金属a s ( a s 是一种类金属，但由于其行为及 来源与重金属类似，故本研究将其列为重金属来研究) 、c d 、p b 的富集情况，研究其 对人体的健康风险，并筛选出抗污染能力最强的蔬菜品种，对下一步合理进行蔬菜的 生产布局，降低蔬菜重金属含量，提高蔬菜的质量，确保无公害蔬菜的生产，保障人 们的饮食安全，促进蔬菜生产可持续发展都有重要意义，同时为政府有关部门治理农 业环境污染，控制蔬菜质量提供一定的科学依据。 1 1 重金属污染的来源 由于土壤具有隐蔽性、不可逆性、普遍性、表聚性等特点，使得重金属在土壤中 不易被水淋溶，并且不容易被生物降解，具有明显的生物富集性，因此土壤污染有较 长的潜伏期。土壤中的重金属可分为自然来源和人为来源，前者主要来源于成土母质， 不同的母质在成土的过程中所形成的土壤含有的重金属差异也很大【2 】，其决定了土壤 的背景含量。 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 1 砷的污染来源 砷是一种有毒的非金属物质，因其行为与来源均和重金属类似，故在环境研究中 被列为重金属来研究。 砷污染的主要来源包括采矿、冶金、焦炼、火力发电、造纸、皮革、电子、化石 燃料燃烧等工业来源和农药( 除草剂、杀虫剂等) 化肥( 磷肥) 等农业来源 3 - 6 以及 油漆、木材防腐剂的使用。 蔬菜和粮食是人体摄入a s 的重要途径，其中的a s 则主要来源于土壤，因此，土 壤a s 含量的高低不仅直接决定农产品的a s 含量，而且也直接关系到人类的健康。 1 1 2 镉的污染来源 镉( c d ) 是一种银白色的稀有金属，质地柔软，富有延展性，抗腐蚀、耐磨，易挥 啦 及o 土壤中的c d 的来源出了来自岩石和矿物中的本底值外，还有来自于人为原因， 包括工业三废( 工业废气、工业污水灌溉及工业废弃物的堆积，其中工业废气是造成 空气c d 的主要来源) 和农业中含c d 肥料的大量施用【7 】。 蔬菜中的c d 的来源主要就是来自土壤c d 的污染，土壤遭受到c d 的污染后，其 所含有的c d 就会通过植物的生长向植物体内进行迁移、积累，通过食物链，接触及 呼吸等方式很容易进入到人体内，从而危害人类的健康。 1 1 3 铅的污染来源 铅是自然界中常见元素之一，与人的健康有密切的关系。铅及其化合物可通过废 水、废气、废渣大量流入环境，产生环境污染及健康危害。 随着社会和工业的发展，人类越来越多地使用p b ，使得环境p b 浓度不断升高， 环境污染日益加重。土壤中的p b 主要来自于岩石、大气、工业废水和废渣等，主要 以p b ( o h ) 2 、p b c 0 3 的形式存在。而大气中的p b 大部分都来自汽车尾气的排放，然后 经过降雨、沉降等途径进入到土壤中，使土壤受到污染，据n i c h o l s o n 等对英格兰及 威尔士农业土壤的研究发现，大气沉降对农业土壤中p b 输入的贡献率最大【8 】。作物中 的p b 除来自根系吸收土壤中的p b 外，空气中的p b 也会通过叶片上的气孔进入到作 物体内，从而污染农作物。作物所吸收的p b 主要集中于根部。 p b 元素在土壤中流动性很低，使得p b 在土壤中富集，造成了对植物和人类的潜 在危害。 2 桂林理工大学硕士学位论文 1 2 重金属污染的危害及研究现状 受到重金属污染的土壤危害很大，不仅会导致严重的农作物污染与减产，造成很 大的经济损失，同时还能导致生物、食品、及农作物的品质的下降，而且，含有重金 属浓度比较高的土壤在风力和水力的作用下容易进入到水体和大气中，衍生出许多的 次生生态问题，比如，生态系统退化、大气污染、地下水、地表水污染等。以下将三 种重金属的危害及目前国家的研究现状分述之。 1 2 1 砷污染的危害及研究现状 a s 是人体的组成元素之一，具有毒性和致癌性，尤其是其固体化合物三氧化二砷， 又名砒霜，具有剧毒。舡是国际肿瘤机构( i a r c ) 确认的对人体的i 类致癌物，长期暴 露可引发皮肤和肺脏等的肿痼9 1 。 a s 对健康的危害是多方面的，摄入体内后可经血液迅速分布至全身，皮肤、神经、 心和肺等均可受损【lo l l 】。长期饮用含a s 较高的水会导致a s 慢性中毒，主要表现为皮 肤色素沉着，皮肤变黑或呈现雨点状，有的为暗褐色密集斑点分布于全身，以躯干、 臀腿等非裸露部位最为明显，人们称这类慢性a s 中毒为“皮肤黑变病” 1 2 1 。 a s 以五价和三价形态存在于生物体内，可与细胞内酶蛋白的巯基结合而发生病 变，使细胞正常代谢发生障碍，最终可导致细胞死亡，对人体健康产生极大的危害【1 3 】。 近年来，a s 在植物中的含量状况及其对人体的健康风险已受到国内外研究者的广 泛关注 t 4 - 2 0 ，据报道，我国南方地区如湖南、广东和广西，因矿冶、制酸造成的砷污 染相当严重，而云南、贵州以及湖北一些地区也同样面临着严重的a s 污染问题【2 l 】， 随后许多学者也对a s 污染进行了区域性的研究，并且也取得相关成效。例如，广州 市菜地土壤a s 含量仍然在我国土壤环境质量标准中的二级标准内，蔬菜a s 含量均无 超过我国食品砷的限量卫生标准【9 1 ；荆州市的大棚和露天芹菜、菠菜都存在轻度a s 污 染【捌；成都市的蔬菜均没有受到污染【2 3 1 ；对武汉市的油麦菜、莴苣、四季香葱、芹菜、 叶菜、萝卜等六种蔬菜及其对应土壤研究发现，这些蔬菜及土壤中的a s 均不超标1 2 4 i 北京市菜地土壤a s 含量明显高于北京市的土壤砷含量背景值，而蔬菜中的a s 含量均 未超过食品中砷限量卫生标准( g b 4 8 1 0 9 4 ) 的限量值【2 5 】。而湖南郴州a s 污染区 的土壤含a s 量就比全国平均土壤含a s 量高2 2 5 倍，蔬菜可食用部分含a s 量超过了 蔬菜卫生标准( g b 4 8 1 0 8 4 ) 规定的最大允许量【2 6 】，如果长期食用这种含a s 量高 的蔬菜，对人们的健康是非常不利的。 1 2 2 镉污染的危害及研究现状 镉的毒性较大，空气和食物遭受到镉污染时会对人体危害严重，镉会对呼吸道产 桂林理工大学硕士学位论文 生刺激，长期暴露会造成嗅觉丧失症、牙龈黄斑或渐成黄圈，镉化合物不易被肠道吸 收，但可经呼吸被体内吸收，积存于肝或。肾脏造成危害，尤以对肾脏损害最为明显， 还可导致骨质疏松和软化，据估计人体中的c d 有7 0 来自于食品中的蔬菜【2 7 】。 目前，我国c d 污染形势非常严峻。对广东珠江三角洲城市郊区农业土壤重金属 的研究表明：c d 超标率达5 6 ( 土壤环境质量二级标准) ，广州市郊区c d 的超标率 达8 2 ，超标率为所有重金属之首，并且部分地区c d 污染已经相当严重，广州郊区 老污灌区，土壤c d 含量最高竟达到2 2 8 m g k g ，平均含量为6 6 8 m g k g t 2 s l 。沈阳张士 灌区有2 5 3 3 h m 2 遭受c d 污染，其中严重污染占1 3 0 t 2 9 。北京市菜地土壤c d 积累范 围为0 0 9 1 m g k g 。1 。0 9 7 1 m g k g i ，其中只有两个点超过( - i - 壤环境质量标准( g b l 5 6 1 8 - 1 9 9 5 ) 中的二级标准，而蔬菜c d 的平均含量虽远低于食品中镉限量卫生标准( o b 1 5 2 0 1 9 4 ) ，但仍存在一定的潜在危险【3 0 】。据统计，我国农田c d 污染面积1 9 8 0 年为9 3 3 3 h m 2 ，1 9 8 9 年为1 33 3 3h m 2 ，在各类c d 污染农田中有5 * o - 1 0 的面积严重减产【3 l 】。 而2 0 0 7 年统计，我国受c d 污染的农田已达1 0 9 1 0 4 懈，并且还有上升的趋势【3 2 】。 2 0 0 1 年农业部对全国2 4 个省市3 2 0 个重点污染区5 4 8 万h m 2 农田进行调查监测，结 果表明，全国污染区大田类产品中污染物超标面积占污染区农田总面积的2 0 t 3 3 1 。c d 污染给环境经济带来巨大的损失，并对人体健康造成潜在的危害不容忽视。 1 2 3 铅污染的危害及研究现状 铅并不是植物生长的必须元素，但其对农作物和人体均能产生不利影响。p b 容易 在距离污染源较近的地方发生沉降【3 4 】，沉降后就进入到土壤中，土壤中的p b 浓度将 直接影响蔬菜中p b 的浓度，浓度越高对蔬菜的生长影响就越大，导致蔬菜减产，造成 直接的经济损失。蔬菜主要通过根系从土壤吸收、富集重金属，蔬菜中具有积累性和 持续性危害的重金属含量的多少，将直接影响人类的健康【3 5 】。当人体通过食物链等途 径累积过量的p b 时，容易引起慢性p b 中毒。据报道，我国儿童p b 中毒发病率高达 5 1 6 ，p b 会对儿童带来多方面不良影响，并且p b 对儿童发育的毒性作用可持续到 成人，短期内不可逆转【3 6 】。可见，p b 浓度的增加无疑将带来极高的环境健康风险【3 7 】。 重金属元素p b 的危害目前已经引起专家们的广泛关注，人们对p b 环境影响的关 注可追溯到1 9 世纪2 0 年代1 3 8 1 ，而对p b 的污染研究，国外许多学者也进行了诸多研究 3 9 1 。 而我国对土壤与农产品中重金属p b 的污染也有人展开了大规模的研究。祖艳群 等人针对云南昆明市的土壤及蔬菜p b 的研究表明，该地区的p b 就达到了轻度污染， 而蔬菜中的p b 含量均超过国家食品卫生标准和绿色蔬菜标准1 4 0 1 1 北京市的土壤p b 含 量虽然存在显著的积累效应，但仍低于土壤环境质量标准，蔬菜中的p b 含量也低 于食品中铅痕量卫生标准魏但其对居民所存在的健康风险仍不可忽视 4 1 l ；新乡市的 4 桂林理工大学硕士学位论文 市售蔬菜中所含有的p b 含量仍低于安全使用的p b 标准，可以放心购买【4 2 】；蔡立梅等 人的研究发现，东莞市的农业土壤p b 含量普遍偏高，9 2 4 的样品p b 含量超过国家 土壤环境质量一级标准，而且蔬菜p b 含量超标也严重，尤其是油麦菜和生菜，超标 率分别达到4 2 8 6 和3 7 5 t 4 3 。作为国家的首都一北京市市区3 0 个典型公园中已有 部分公园存在p b 污染问题，其表土的p b 含量平均值为6 6 2m g k g ，变幅为2 5m g k g - 2 0 7 m g k g ，污染指数为0 5 4 1 m 。 1 3 土壤和蔬菜污染的特点 1 3 1 土壤污染的特点 土壤污染的特点主要有隐蔽性和滞后性、累积性、不可逆转性及难处理等，不像 大气污染、水污染和废弃物污染那么容易就能发现及处理。 a 隐蔽性和滞后性。 土壤污染不像等问题那么直观，通过感官就能发现，它往往需要分析化验及农作 物的检测，甚至通过研究对人及动物健康状况的影响才能确定。 b 土壤污染的累积性 在大气和水体中的污染物，相对于在土壤中更易迁移。因为土壤中的污染物不容 易扩散和稀释，导致其在土壤中不断积累而超标，同时也让土壤污染具有很强的地域 性。 c 土壤污染具有不可逆转性 土壤污染的不可逆转性主要体现在土壤需要花很长一段时间才能降解大部分有机 化合物质的污染，有些土壤甚至需要花费1 0 0 - - 2 0 0 年的时间才能够恢复。 d 土壤污染很难治理 对于大气和水体污染来说，切断污染源、稀释作用及自净化作用都可能使污染问 题不断逆转，但积累在土壤中的难降解污染物就难以靠稀释作用和自净化作用来消除， 一旦发生土壤污染，仅靠切断污染源是解决不了问题的，有时还需要换土、淋洗等方 法才能解决问题，而其他的治理技术见效又需要很长的时间，因此，土壤治理成本通 常很高，并且周期较长。 如果发生土壤污染的现象，单是依靠切断污染源的方法往往就很难恢复，有的时 候需要采取相应的方法来解决，比如可以靠换土、淋洗土壤等方法，即使有其他的有 效的治理技术也有可能很慢。因此，治理已受污染的土壤处理成本就比较高、治理周 期也相对比较长。 桂林理工大学硕士学位论文 1 3 2 蔬菜对重金属的富集与吸收特点 蔬菜的富集系数是指植物中某种重金属含量与其在土壤中含量的比值，它可以大 致反映植物在相同土壤重金属含量条件下对该种重金属的吸收能力，一般来说，富集 系数越小，则表明蔬菜吸收重金属的的能力越差，抗污染的能力则较强。植物种类的 差异直接决定了吸收重金属能力的差异。 不同种类的植物对不同的重金属的富集能力不同。陈同斌等【4 5 】发现蜈蚣草是a s 的超富集植物，薛生国等【4 6 i 通过野外调查和室内分析发现，商陆对m n 具有明显的富 集特性，李华等【4 7 坝0 发现海洲香薷其生物量大，植株c u 总富集量较高，张学洪等【4 8 】 则发现李氏禾( l e e r s i ah e x a n d r a s w a r t z ) 是一种新的c r 超富集植物。 同一种植物种类对不同的重金属的吸收富集能力也不同。而在柳勇等【4 9 】人在对广 州的菜心吸收重金属的研究中也证实出，菜心吸收重金属的难易程度为c d h g a s 、 c r 、p b 。 不同种类的植物对相同重金属的吸收富集能力也会存在明显差异不同s o 】。徐明飞 等【5 l 】对浙江省主栽的四大类蔬菜( 瓜类、茄果类、叶菜类、根茎类) 中的p b 、a s 、c d 及h g 四种金属的研究表明，在同等条件下，c d 在黄瓜中的积累量比长瓜与丝瓜中的 积累量都高，而对汞的积累量则是丝瓜大于黄瓜与长瓜；同为茄果类蔬菜，a s 在茄子 中的积累量则大于辣椒与番茄，而番茄中h g 的积累量比茄子和辣椒还要高；在这4 种重金属的积累量调查中发现，青菜4 中重金属的积累量均高于其它类型的蔬菜，并 且是所有供试品种中对p b 、a s 、c d 及h g 积累量最高的品种；根茎类的蔬菜中，萝 卜与莴笋相比，萝卜比较容易积累p b ，而莴笋则更容易积累c d 。这与蔡立梅等【4 3 】人 对东莞市蔬菜p b 含量的研究一致，其认为不同品种蔬菜对土壤p b 的富集能力不同， 富集能力顺序依次为：生菜 菠菜 芥菜、油麦菜、白菜 菜心、芹菜。 植物的不同部位因重金属的富集能力而有所不同。一般来说，一般都是植物的根 所含的重金属量比茎叶中的含量要高，主要是由于植物中的重金属大部分是从土壤中 来，植物的根系吸收这些元素后，在根部积累，然后再被转移到植物的其他部位，致 使重金属在植物中的积累状况因植物的部位不同而不同。但迟爱民等【5 2 】的研究就发现， c u 、p b 、z n 、c d 、汞h g 的含量在西红柿、青椒、豆角这三种蔬菜中均是叶的含量高 于在根、茎中的含量，c r 含量在植物中的分布则都是根高于叶。 1 3 3 土壤与蔬菜之间重金属相关性的研究 目前，对于土壤与蔬菜之间重金属相关性的研究，前人也已经进行了较多的研究 【5 3 ，剐，普遍认为：各种元素在植物体内的蓄积量存在差异【5 5 】。已有的研究也证明不同 蔬菜品种对各种重金属元素的累积量也各有差异，一般认为土壤重金属元素有效含量 与蔬菜中重金属元素含量间有较好的相关性【蚓。仝磊等【5 7 】通过研究苏州市常见的1 2 6 桂林理工大学硕士学位论文 种蔬菜及土壤，分析蔬菜与土壤中重金属含量相关性后发现，土壤中的z n 、c u 、c d 含量与多数蔬菜的含量呈显著的正相关，而p b 含量在多数蔬菜中均表现为与土壤含量 无相关性。赵勇等【5 8 】人发现，郑州市土壤中的z n 、c u 、c d 、c r 污染与多数蔬菜的污 染呈显著的正相关，而p b 、h g 在多数蔬菜中均与土壤污染不相关；多数蔬菜重金属 污染一般随土壤污染的加重而表现为先高、后低、再升高的关系。另外，赵勇等【5 9 】人 也认为郑州市的叶菜与土壤中的p b 含量都存在较好的相关性，这与前人的结果相同 【删。然而，马往校等【6 l 】人所得出的结果却相反。 1 4 土壤与蔬菜重金属污染的预防措施 由于土壤自身的特性，其本身也会接纳一定的污染，缓和及降低污染的程度。但 是，土壤不容易流动，其自净能力也十分有限，所以需要靠人类自觉保护土壤，减少 土壤污染的面积，降低土壤污染的程度。并且蔬菜的生长及其重金属的残留也跟土壤 污染息息相关，防治土壤污染也是在对蔬菜的生产、人类的健康提供保障，因此，必 须采取相关措施来保护土壤，保护人类的生命安全。 首先，除了制定相应法律法规加强对工业“三废 的治理和综合利用外，还要严 格控制污染物的排放，严禁向土壤任意倾倒、堆放含各种对土壤造成污染的有害物质， 同时在生产中提倡清洁生产工艺；定期对污泥、污水以及周围土壤重金属的浓度及残 留状况进行监测。 其次，谨慎施用含有重金属的农药，降低土壤与蔬菜中的重金属含量，积极研发 高效、低毒、低残留的农药，减少化肥的施用，积极推广有机肥的施用。通过采取在 重金属污染土壤中施加石灰、碳酸钙、粉煤灰、硅肥和石灰硫磺合剂等改良剂，提高 土壤p h 值，以降低重金属污染土壤的毒性和危害，改良土壤性状、合理施用改良剂可 以增加土壤环境容量，减少土壤溶液中重金属的活性，抑制农作物对土壤重金属的吸 收，特别是减少重金属在农作物可食部分的累积量，从而达到控制或切断重金属进入 食物链的目的【6 2 】。另外，对于用来灌溉农田的污水必须严格监测和控制，最好使用处 理过后的水来进行灌溉。 第三，进行蔬菜种植的区域，尽量选择远离公路，尤其是运送矿石、尾矿的公路 要尽可能的远离，工矿区等污染源，并且根据当地的居住环境，尽量选择在城郊进行 规划蔬菜种植基地。根据不同蔬菜品种对重金属富集与吸收的差异，合理进行蔬菜的 生产布局，在重金属污染区有意识的减少易富集重金属的蔬菜品种种植面积，而相应 的增加富集重金属能力较低的品种种植比例，大力推广无公害、无污染、绿色环保的 蔬菜生产技术，从而降低和控制城市蔬菜的重金属污染，为人们能够吃到高品质无污 染的绿色蔬菜提供保障。 第四，严格控制对土壤污染的大气沉降物，由于特定的天气条件和空气污染源的 7 桂林理工大学硕士学位论文 影响，在农村、工厂、居民区附近及道路两旁都出现相当严重的降尘和酸雨的污染， 同时降尘中也含有其他的有毒有害物质，它们都将危害土壤和农作物【6 3 】。 1 5 土壤重金属污染的治理措施 根据各地的条件，对已被重金属污染的土壤，可采取换土、去表土、客土、深耕 翻土、施加改良剂等措施【叫。而目前用的最多的是以下几种方法： a 植物修复 植物修复的原理是基于植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论，利用植 物及及其共存微生物系统的存在，包括植物吸收与富集污染物、根系分泌物以及土壤 微生物降解污染物等的综合因素，是一种清除环境中污染物的治理技术【6 5 】。而相应的 修复机理也会根据污染物的不同而有所不同，其中最常见和研究较多的就是对有机污 染物和重金属污染土壤的植物修复技术。 植物修复有机污染物的机理复杂程度比植物修复重金属污染大得多，主要包括吸 收、吸附、转移、降解、挥发等过程，有机污染物能否被植物吸收，在植物体内发生 转移，完全由有机污染物的亲水性、可溶性、极性和分子量来决定【删。被植物吸收的 有机污染物与有机物的亲水性有关，亲水性越强，植物吸收的有机污染物就会越少。 植物主要通过植物直接吸收有机污染物、植物根系释放分泌物和酶、植物和根际微生 物的联合作这3 种方式来达到去除环境中的有机污染物的目的【6 7 】。 b 生物修复 有机污染土壤生物修复研究主要是围绕微生物修复展开的，通过微生物降低土壤 中重金属的毒性，吸附积累重金属，改变根际微环境，从而提高植物对重金属的吸收 或固定效率。如可以施用石灰、钙镁磷肥等，使易被蔬菜吸收的重金属元素转换为蔬 菜难以吸收的有机结合态。微生物修复内容包括：高效降解微生物筛选和合理搭配、 生物修复的化学强化和生物化学强化、生物修复的物理强化和物理化学强化、生物修 复的电化学强化、生物修复的酶学强化以及植物与微生物的联合修复等。高效降解微 生物的筛选方法主要有2 种，一是从有机物污染场地( 如污染土壤或地下水等) 分离、 鉴定【6 8 6 9 】：二是从一些已知微生物中筛选对有机污染物降解效率较高的菌种【硎。 修复被有机污染物和重金属污染的土壤主要采用微生物修复技术，当然也包括治 理被放射性物质、氯化烃、金属复合试剂等污染的土壤。通过研究适用性微生物修复 技术，可以将微生物修复技术应用扩展到解决环境污染的各种问题上【7 l 】。去除重金属 主要采用的是微生物治理，i l p 乖v , i 用某些微生物在土壤重金属的吸收、沉淀、氧化和还 原等作用，从而降低了土壤中重金属的毒性，如果用于处理土壤环境，可能这种方法 比较有效，而目前这方面已进行了广泛的研究【倒。据报道【7 3 】，日本发现一种吞噬重金 属的细菌，其对吸收土壤中的重金属效果显著，但分离土壤与细菌这个问题比较棘手。 8 桂林理工大学硕士学位论文 如果土壤与细菌的分离能得到妥善解决，这将是一种非常有发展前景的治理方法。 c 农业生态修复 通过增施有机肥改良土壤环境容量、控制土壤水分、选择适当形态的肥料、种植 抗污染农作物品种以及改变耕作制度或改为非农业用地等措施都能得到良好的治理效 果【7 4 1 。其中，增加土壤有机质和养分含量可以采取增施有机肥料，既可以改善土壤的 理化性质特别是土壤的胶体性质，而且还增加了土壤环境容量，提高土壤自净能力。 受到重金属污染的土壤，有机肥料可以提高土壤胶体的吸附能力，而土壤腐殖质也可 对污染物产生络合作用【7 5 】。 另外，沸石在重金属污染土壤修复中在改善土壤养分状况、盐碱地改良、土壤物 理性状改善和污染土壤修复等方面的应用也受到广泛关注【7 6 】。而目前许多学者也对其 修复方面也进行了相关的研究，并取得很大的成效。比如，江伟武等【明利用沸石分子 筛处理含汞废水时发现，沸石分子筛对二价汞有较强的去除作用，并有较大的吸附容 量，按汞与分子筛质量比为3 2m g g 进行处理，汞的去除率达9 9 以上。刘伯元铮7 8 l 发现，沸石还可以与化肥混合或者作为复合肥施用，可以减少有效营养元素的流失( 达 2 0 以上) ，并能改良土壤性能，显著降低农业种植成本。有研究表明，沸石配以骨炭 施入土壤中可有效降低土壤有效态重金属含量，使轻度污染土壤上的蔬菜达到卫生安 全标准【7 9 】。沸石对土壤重金属p b 具有一定的钝化效果，可有效抑制土壤p b 的迁移及 生态有效性【- 8 l 】。同时沸石还可利用粉煤灰来进行人工合成为，从而达到污染土壤中 的重金属固定的目的，降低其在环境中的迁移性和生物可利用性i s 2 。可见，合理施用 天然沸石可钝化土壤中重金属，降低重金属的活性，从而降低农作物的重金属含量， 在低污染土壤中应用广泛。 1 6 影响重金属生物有效性的因素 影响重金属生物有效性的因素有很多，主要有土壤p h 、氧化还原电位( e h ) 、有 机质、粘土矿物含量，等等。有人认为，在影响重金属生物有效性的诸因素中，呈粘 粒含量 p h 有机质含量 重金属含量。 1 土壤p h 值：p h 值的改变可以导致土壤中重金属形态的变化，从而会影响重 金属的生物有效性。p h 值低时，土壤中c d 、z n 等离子的浓度随p h 值上升而下降， 但p h 过高离子又会溶解，浓度会再升静8 3 】。一般来说，在酸性条件下，重金属对作 物的危害较大，即有效态含量相对较高。可以通过施用石灰等碱性物质来提高土壤p h 值，从而缓解重金属的危害。 2 氧化还原电位( e h ) ：土壤氧化还原电位对变价元素f e 、m n 、c u 、h g 、a s 、 s e 、c r 、m o 等元素的活动性产生重大影响，从而影响作物对其吸收【删。 e h 值较低时就处于还原环境下，就会提高大多数低价元素的活动性，增强作物对 9 桂林理工大学硕士学位论文 其吸收的能力。相反，氧化环境下，即e h 值较高时，就会增强作物对高价元素的吸 收。但是，在氧化环境中，即f e 、m n 形成f e 2 0 3 、m n 0 2 ，作物难以吸收。但a s 、s e 、u 、v 、 c r 、m o 等在耽值高时，形成络阴离子，如a s 形成a s 0 2 。3 、a s 0 2 - 4 ，s e 形成s e 0 2 。3 ， m o 形成m 0 0 2 - 4 等，其活动性增强，增强了进入作物的能力。 3 有机质t 土壤的显著特点是其中含有大量的有机质，特别是腐殖质，它们含有螯合基团如 羟基( 一o h ) 、羧基( c o o h ) 、氨基( n h 2 ) 、羰基( = o c ) 等，能被螫合的金 属离子有f e 、m n 、c u 、p