甘肃白银东大沟流域农田土壤重金属污染现状及其在土壤—作物—人体系统中的迁移转化规律

发布时间：2019-07-22 09:53

【摘要】：农田土壤中的重金属污染物不仅干扰作物正常生长发育,影响粮食品质,导致作物减产,而且可通过食物链途径到达人体并在靶器官内蓄积,最终严重威胁机体健康。近年来,我国政府及民众对环保问题越来越重视,对治污工作的投资力度越来越大。2015年7月,国家财政部和环保部联合发文,宣布择优支持全国范围内30个区域的重金属污染治理工作,其中甘肃省白银市因其严峻的污染形势而位列重点治理区域之首。本研究在调查甘肃白银东大沟流域农业区土壤重金属Cd、Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Mn污染现状的基础上,绘制了这些土壤重金属元素的空间分布图,分析了土地利用类型对土壤重金属水平的影响,并对其污染源进行了深入的探究。通过检测该地区土壤重金属的生物可利用性和作物籽粒重金属的生物可给性,利用线性回归分析阐释了重金属元素在土壤-作物-人体系统中的迁移转化规律,并评估了作物籽粒重金属通过饮食暴露途径对当地成年男性居民可能造成的健康风险。通过上述研究,得到的主要结果如下:1、白银东大沟流域农业区土壤中最主要的重金属污染元素为Cd,其浓度远超当地土壤背景值以及国家土壤环境质量标准GB15618-1995中规定的安全阈值;此外,土壤中Cu、Pb、Zn三种元素的浓分别高于各自背景值,但并未超过相关安全阈值;而Cr、Ni、Mn三种元素的浓度则并不明显高于各自背景值。2、随着与东大沟河道距离的增加,该地区农田土壤中重金属Cd、Cu、Pb、Zn的水平逐渐降低。土地利用类型对土壤重金属水平有着明显的影响——农田土壤重金属浓度显著高于非农田土壤的(p0.05),表明长期农业活动可使农田土壤中重金属水平提升。3、白银东大沟流域农田土壤中重金属Cd、Cu、Pb、Zn的首要污染源为东大沟污水。随着环保意识的加强和治污工作的开展,该地区利用东大沟污水灌溉的模式已被废除,引黄灌溉成为农田土壤中重金属污染物的主要来源,其次为农化产品的施用。此外,大气沉降对当地土壤中Cd和Zn的积累也有一定的贡献。4、白银东大沟流域内,东大沟上游靠近工业区的春小麦农田系统受重金属污染的程度显著高于东大沟中下游的玉米农田系统和水稻农田系统(p0.05)。该地区土壤重金属污染程度越重,其生物可利用性就越高;作物籽粒重金属污染程度越重,其生物可给性也越高。5、白银东大沟流域农田土壤中Cd、Cu、Pb、Zn四种元素的生物可利用性及其总量之间具有显著正相关性(p0.001)。DTPA(Diethylenetriaminepentacetic acid)提取态Cu、CH3COOH提取态Cd和Pb,以及HCl提取态Zn和Ni分别是预测各元素被作物籽粒富集程度的最佳指标(R2=0.549-0.971,p0.001)。6、RIVM(Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu)体外模拟消化实验结果发现,白银东大沟流域作物籽粒中重金属生物可给性浓度相对较低。Cd、Cu、Zn、Ni四种元素的生物可给性含量及其总量之间具有显著正相关性(R2=0.518-0.666,p0.001),可根据其总量推测出重金属元素通过食物链途径在当地居民体内的暴露水平。7、利用籽粒重金属生物可给性浓度进行健康风险评价发现,长期食用当地出产的春小麦和水稻可能会对机体产生不良健康效应,尤其应当重视春小麦籽粒中的Pb和Cd元素。综上所述,本研究调查了甘肃白银东大沟流域土壤中几种主要重金属元素的污染现状,揭示了它们在土壤中的空间分布及污染来源,为当地政府针对性地开展土壤重金属污染防治工作提供了可靠的依据。本研究阐述了重金属元素在土壤-作物-人体系统中的迁移转化规律,证实线性回归分析法可用来预测土壤重金属污染物经作物籽粒进入人体内的含量。以上研究结果对指导当地粮食的安全生产,保护居民身体健康具有重要参考价值。
【图文】：
甘肃白银东大沟流域示意图

兰州大学博士研究生学位论文甘肃白银东大沟流域农田土壤重金属污染现状及其在土壤-作物-人体系统中的迁移转化规律甘肃白银东大沟流域土质为灰钙土（Nan and Zhao, 2000），属于干旱半干旱气候，年均气温约 6-9 °C，年均降水量约 180-450 mm（Cao et al., 2016）。近年来，受惠于引黄灌溉的便利条件，该地区逐渐发展为当地最重要的农业区之一，为当地百姓及周边城镇居民（包括靖远县、白银市和兰州市等地）提供了充足的蔬菜和粮食资源。该流域内种植的主要粮食作物包括玉米、春小麦和水稻，常见的蔬菜作物包括萝卜、青菜、生菜、大白菜、西红柿、西葫芦、辣椒和茄子等。监测表明，白银市东大沟两侧耕地土壤重金属严重超标，受污土壤约 7870 亩，污染深度为 0-60 cm，，东大沟水质偏酸，重金属超标明显，不适于直接灌溉农田。该流域内生态系统脆弱，粮食安全和人畜健康受到严重威胁。
研究区域及样点分布图

兰州大学博士研究生学位论文甘肃白银东大沟流域农田土壤重金属污染现状及其在土壤-作物-人体系统中的迁移转化规律第三章实验结果与讨论3.1 白银东大沟流域农业区土壤重金属的空间分布3.1.1 实验设计及土壤基本理化性质为了准确布置采样位点以便绘制白银东大沟流域农业区土壤重金属（Cd、Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Mn）的空间分布图，本实验利用 Google Earth 网站截取该研究区域平面图（图 3.1），随后在该平面图上以约 1 km ×0.8 km 的网格等间距布置采样位点（共 48 个），换算出各位点的经纬坐标。2013 年 12 月的采样中，根据上述所获的经纬坐标，利用便携式 GPS 仪指示准确到达各位点，采取足量表层土壤样品（地表下 0-20 cm 深），并记录各样点土壤类型。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X53;X50

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