13期

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1 中国农学通报 2012,28(13): Chinese Agricultural Science Bulletin 磷石膏改良基质中 Cd Zn 在内的富集和迁移特征王运长 1, 李金娟 1, 解田 2, 杨丽萍 2 1, 郭兴强 ( 1 贵州大学资源与环境工程学院, 贵阳 ; 2 瓮福 ( 集团 ) 有限责任公司, 贵州福泉 ) 摘要 : 为查明改良磷石膏是否可以用作耕地, 选择和在磷石膏改良基质上种植, 分析 Cd Zn 在 4 种不同部位的富集和迁移特征结果表明 :4 种中 Cd Zn 的含量范围分别为 0.004~ ~ mg/kg,cd 可满足农产品安全质量无公害安全要求, 而 Zn 超过农产品安全质量无公害安全要求 Cd Zn 在中的总体分布规律均为 : 根 > 茎 > 叶, 其富集系数分别为 0.23~ ~3.19, 且 Zn>Cd, 富集较强, 表明 Zn 较 Cd 在中的富集能力强, 易被吸收 Cd Zn 在中的迁移率总体呈现为 : 地下部位 > 地上部位关键词 : 改良磷石膏基质 ; ;Cd;Zn; 富集系数 ; 迁移中图分类号 :X705 文献标志码 :A 论文编号 : The Characteristics of Enrichment and Migration of Cd and Zn in Vegetables Planted in Improved Phosphogypsum Matrix Wang Yunchang 1, Li Jinjuan 1, Xie Tian 2, Yang Liping 2, Guo Xingqiang 1 ( 1 College of Resources and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang ; 2 Wengfu Group, Fuquan Guizhou ) Abstract: To find out whether the improved phosphogypsum matrix can be used as farmland or not, chinese cabbage, Brassicachinensis, Brassica juncea Cosson and spinach were chosen to be planted on the improved phosphogypsum matrix. The characteristics of enrichment and migration of Cd and Zn in different parts of 4 vegetables were analyzed. The results showed that the contents of Cd and Zn in 4 vegetables were mg/kg and mg/kg, respectively. Cd could meet Safety Qualification for Agricultural Product-safety Requirements for Non-environmental Pollution Vegetable, however, Zn could not meet this standards. The rule of Cd and Zn distributed in different parts was ranked as root>stem>leaf. The enrichment coefficients of Cd and Zn were and , respectively, moreover, Zn>Cd, showing enrichment ability of Zn was stronger than Cd and Zn could be easily absorbed by vegetables. The migration rate of Cd and Zn in vegetable showed as underground parts>ground parts. Key words: improved phosphogypsum matrix; vegetables; Cd; Zn; enrichment coefficient; migration 0 引言磷石膏是湿法生产磷酸时所排放的工业固体废渣, 主要处置方式是露天堆存堆存的磷石膏易被雨水冲刷进入河流农田等生态系统而引起磷及重金属 [1] 污染, 造成周边水体水质恶化磷石膏中重金属元 [2] 素种类繁多含量高, 环境治理难度大且成本高, 同时还可通过食物链形式进入和人体, 最终危害人 [3] 体健康中国对中重金属研究较晚,20 世纪 90 基金项目 : 贵州省社会发展攻关项目固废改良磷石膏植被恢复及种植农作物的可行性研究 ( 黔科合 SZ 字 [2009]3020); 与瓮福 ( 集团 ) 有限责任公司合作项目固废改良磷石膏植被恢复及种植农作物的可行性研究 (Z093147) 第一作者简介 : 王运长, 男,1985 年出生, 贵州纳雍人, 硕士, 研究方向 : 固体废物资源化通信地址 : 贵州省贵阳市花溪区贵州大学资源与环境工程学院, [email protected] 通讯作者 : 李金娟, 女,1976 年出生, 山东烟台人, 副教授, 硕士生导师, 博士, 研究方向 : 环境污染控制与固体废物资源化通信地址 : 贵州省贵阳市花溪区贵州大学资源与环境工程学院, [email protected] 收稿日期 : , 修回日期 :

039 45.56~361.89 mg/kg,cd 可满足农产品安全质量无公害安全要求, 而 Zn 超过农产品安全质量无公害安全要求 Cd Zn 在中的总体分布规律均为 : 根 > 茎 > 叶, 其富集系数分别为 0.23~0.47 0.90~3.

2 272 中国农学通报年代以来对中重金属元素进行分析, 初步明晰了 [4] 重金属元素在中的分布特征, 但是中重金属的富集过程相对复杂, 不仅受到元素本身特性影响, 还受到品种生长环境不同部位及生长气候条件 [5-8] 等各种因素影响为了查明改良磷石膏 ( 利用污泥等固体废物对磷石膏基质进行改良 ) 是否可以用作耕地, 笔者选取和种植在改良磷石膏基质中, 分析不同部位中重金属 Cd Zn 的迁移特征及富集特征, 以期对磷石膏等固体废物应用于农田耕种提供理论依据 1 材料与方法 1.1 试验时间地点试验于 2009 年 10 月在贵州大学蔡家关校区试验场地进行, 室内实验于 2010 年 4 月在贵州大学资源与环境工程实验室贵州省农产品质检中心进行试验场地为水泥砖砌成的矩形池, 位于贵州大学采矿实验楼下为模拟磷石膏渣场的植被恢复, 试验地底部先填入 20 cm 厚的纯磷石膏, 然后在上面均匀地加入 8~10 cm 厚的改良基质将试验地划分为 4 个小区, 分别种植和 1.2 试验材料笔者改良磷石膏基质的材料主要为 : 磷石膏 ( 取自福泉市瓮福磷矿渣场 ) 污泥 ( 取自贵阳市小河污水处理厂 ) 粉煤灰 ( 取自贵阳市火电厂 ), 而试验中包括和 ( 主要取自福泉市当地农民种植所用 ) 1.3 试验方法样品处理对整株取样, 用清水浸泡 1 h, 再用自来水反复冲洗上残留基质, 然后用蒸馏水浸泡 30 min 将样品洗净后, 用 90~105 的温度进行杀青, 再置于 60~70 条件下烘干, 直至完全烘干后将样品粉碎, 过 100 目筛并称取样品 2 g 把磷石膏改良基质置于牛皮纸上自然风干, 将风干的样品磨碎过 100 目筛, 称取 0.5 g 称取 2 g 样品放入聚乙烯烧杯, 再加入 25 ml 浓硝酸, 放到电热板上缓慢加热至 100,30 min 后观察冒泡情况, 然后缓慢升高温度直至 210, 液体呈粘稠状时停止加热, 取下冷却后加少量去离子水, 继续加热 5 min 后, 冷却定容至 25 ml 根据土壤农化常规分析法, 称取磷石膏改良基质 0.5 g, 加入 10 ml 盐酸放到电热板上加热直至 2~ 3 ml, 取下冷却后加入 10 ml 硝酸 3 ml 氢氟酸 3 ml 高氯酸, 再放到电热板上加热, 直至溶液变干涸, 取下冷却后加入 3 ml 去离子水, 继续加热最后定容至 25 ml 样品测定将样品和磷石膏改良基质样品消解定容完毕后, 利用等离子发射光谱仪进行测量 ICP-AES 检出限低精密度高基体效应小线性范围宽且多种元素可同时进行测定, 并在植物微量元素分析中广泛应用试验仪器与试剂试验仪器 :ICP-AES( 型号 HK-2000, 精密度高相对标准偏差 RSD<1.5%, 主产地为北京华科天成科技有限公司 ); 试剂 : 浓硝酸氢氟酸浓盐酸高氯酸氧化钙柠檬酸钠冰乙酸氢氧化钠溶液 (5 mol/l) 去离子水 2 结果与分析 2.1 改良磷石膏基质理化性质分析改良磷石膏基质和贵州农用地理化性质, 见表 1 由表 1 可知, 土壤理化性质中氮磷钾是必不可少的部分, 它们是植被生长中必需的营养元素改良磷石膏基质中总氮碱解氮总钾速效钾总磷有效磷的含量分别为 g/kg 与贵州省东部西部西南部和南部农用地土壤理化性质相比, 改良磷石膏基质中总氮碱解氮和总钾的含量偏低, 而速效钾总磷和有效磷的含量高于贵州省东部西部西南部和南部中磷含量在植被生长过程中, 氮是构成生命体重要的元素, 磷参与组成植物体许多重要化合物, 能促使作物增产, 而钾是植物体生长代谢过程不可缺少的具有激活多种酶的活性提高光合速率促进物质合成增强作物抗逆等功能, 同时对于表 1 改良磷石膏基质和贵州农用地理化性质对比 g/kg 类型总氮碱解氮总钾速效钾总磷有效磷改良磷石膏基质贵州西部农用地贵州东部农用地贵州西南部农用地贵州南部农用地注 : 贵州农用地理化性质来自贵州喀斯特石漠化地区荒地土壤理化性质及环境效应研究

良磷石膏 ( 利用污泥等固体废物对磷石膏基质进行改良 ) 是否可以用作耕地, 笔者选取和种植在改良磷石膏基质中, 分析不同部位中重金属 Cd Zn 的迁移特征及富集特征, 以期对磷石膏等固体废物应用于农田耕种提供理论依据 1 材

3 王运长等 : 磷石膏改良基质中 Cd Zn 在内的富集和迁移特征 273 光合作用的产物有重要作用 2.2 Cd Zn 在中的含量与富集情况研究中 Cd Zn 的含量分布及富集特征, 见表 2 由表 2 可知,Cd 在和不同部位的含量范围分别为 0.004~ ~ ~ ~0.034 mg/kg Zn 在叶用芥菜和不同部位的含量分布分别为 ~ ~ ~ ~ mg/kg 与农产品安全质量无公害安全要求 GB/T ( 见表 2) 相比,Zn 在叶用芥菜和的根茎叶含量远远超过农产品安全质量无公害安全要求中 Zn 的限定值 (20 mg/kg),cd 在中的含量符合农产品安全质量无公害安全要求中 Cd 限定值 (0.5 mg/kg) 表 2 中 Cd Zn 的含量分布和富集情况以及 GB/T 元素根 /(mg/kg) 茎 /(mg/kg) 叶 /(mg/kg) 标准偏差平均值变异系数 /% 富集系数 GB/T /(mg/kg) Cd Cd Zn Zn 由图 1(a) 可知,Cd 在根茎叶的大小分别为 : : 茎 > 根 > 叶, : 根 > 茎 > 叶, : 根 > 茎 > 叶, : 叶 > 根 > 茎由图 1(b) 可知,Zn 在根茎叶中大小分别为, : 茎 > 叶 > 根, : 根 > 茎 > 叶, : 根 > 茎 > 叶, : 叶 > 茎 > 根重金属富集系数是指某部位元素含量与基质中相应元素含量之比, 在一定程度上反映中元素富集的难易程度重金属富集系数计算, 见公式 (1) [9] 重金属富集系数 = 中重金属含量 / 改良磷石膏基质中重金属含量 (1) 富集系数越大, 说明农作物越容易吸收基质中重金属元素, 则该重金属元素的迁移性就越强 Cd 在白菜和中的富集系数分别为 ( 见表 2) , 富集能力表现为 : > 菠菜 > > Zn 在和中富集系数分别为 , 富集能力表现为 : > > > 中 Cd 和 Zn 的富集系数大小为 :Zn>Cd, 说明 Zn 在中的富集能力较强, 容易被吸收,Cd 的富集能力较差 2.3 Cd Zn 在中的迁移情况迁移系数, 是指植物吸收某元素, 而该元素在根茎叶中流动的含量比值, 主要分为地下部位和地上部位迁移率的计算, 见公式 (2) (3) [10] 地下部位迁移率 =[ 茎中重金属含量 /( 根中重金属含量 + 茎中重金属含量 )] 100% (2) 根部茎部叶部根部茎部叶部含量含量图 1 Cd 在根茎叶中含量 (a) 和 Zn 在根茎叶中含量 (b)

1 2001( 见表 2) 相比,Zn 在叶用芥菜和的根茎叶含量远远超过农产品安全质量无公害安全要求中 Zn 的限定值 (20 mg/kg),cd 在中的含量符合农产品安全质量无公害安全要求中 Cd 限定值 (0.

4 274 中国农学通报地上部位迁移率 =[ 叶中重金属含量 /( 茎中重金属含量 + 叶中重金属含量 )] 100% (3) [11] 迁移系数越大, 说明重金属迁移能力越强, 地下部位和地上部位中 Cd 和 Zn 的迁移率, 见表 3 由表 3 可知,Cd 在地下部位与地上部位的迁移率范围分别为 44%~6l3% 和 10%~59%,Zn 在地下部位和地上部位的迁移率范围分别为 %~61% 和 39%~70% 说明对 Cd Zn 的吸收能力存在差异性,Cd Zn 在不同中迁移情况不同, 吸收率也不同主要表现为容易吸收 Cd Zn, 而菠菜和吸收 Cd Zn 的能力相对较差因此, 地下部位和地上部位中 Cd Zn 的迁移特征与基质中重金属元素呈正相关关系 Cd Zn 在中的迁移率总体表现为 : 地下部位 > 地上部位表 3 Cd Zn 在地下部位和地上部位的迁移率元素地下部 /(mg/kg) 地上部 /(mg/kg) 地下部迁移率 /% 地上部迁移率 /% Cd Zn 结论 (1) 与农产品安全质量无公害安全要求 GB/T 相比可知,Cd 满足农产品安全质量无公害安全要求,Zn 超过农产品安全质量无公害安全要求 (2)Cd 在中富集系数为 0.47,Zn 在中富集系数为 3.18, 富集能力较强但 Cd Zn 在其他 2 种中富集系数较低, 富集能力较弱通过 Cd Zn 的富集系数分析可知,2 种元素在吸收过程中可能存在相互竞争, 但需要进一步研究 (3)Cd Zn 的迁移率在地下部位和地上部位分别以和最高, 总体上呈现 : 地下部位 > 地上部位由于的生理指标重金属元素本身的理化性质, 吸收情况的差异性因此, 重金属 Cd Zn 在蔬菜中呈现的规律为 : 根 > 茎 > 叶 4 讨论磷石膏不仅能提供农作物营养元素, 还能改善肥料的理化性状, 且有利于肥效稳定和延长, 提高氮肥和磷肥利用率但是, 磷石膏中含有重金属等有害元素, 且物质组成差异较大, 可能会在作物植株中发生富集将磷石膏进行改良后, 利用改良磷石膏基质种植和分析 Cd Zn 的含量及富集迁移特征研究作物主要是叶菜类, 地下部位中 Cd Zn 含量高于地上部位,Cd Zn 在不同蔬菜不同部位中含量不同, 中 Cd Zn 含量明显高于和笔者的研究中,Cd Zn 在蔬 [12] 菜中富集规律与茹淑华等对中重金属富集特征的研究相符 Cd 在和中富集含量差异较小, 而 Zn 在和的富集含量差异较大由于品种不同, 所呈现的生物特性也不同, 因此重金属在中含量呈极显著差异 [13] [14] 汪雅谷等用富集系数对中重金属的富集能力进行评估, 中重金属富集系数越小表明吸收能力越差, 而抗土壤重金属污染能力越强 [15] 中 Cd Zn 富集系数不同, 同种元素在不同中富集系数不同 Zn Cd 在和中富集系数表现为 Zn>Cd 由于 Cd Zn 有相似的化学性质, 当植物吸收土壤中重金属时,Zn 作为营养元素之一, 能改变植物 Cd 的吸收状况并减少 Cd 的吸收量 [16] 由图 2(a) 可知,Cd Zn 在地下部位的迁移率超过 40%, 迁移率较高 ; 由图 2 (b) 可知,Cd 在和地上部位的迁移率分别为 10% % 29% 59%,Zn 在叶用芥菜和地上部位的迁移率分别为 39% % 42% 70%, 总体呈现为 Cd 在地上部位的迁移率低于 Zn 在地上部位的迁移率 Cd Zn 在不同蔬菜中迁移情况不同, 因此存在差异性重金属 Cd Zn [17] 的迁移率总体表现为地下部位 > 地上部位莫争等研究发现, 不同重金属在不同植物体内迁移能力不同,

移率范围分别为 44%~6l3% 和 10%~59%,Zn 在地下部位和地上部位的迁移率范围分别为 %~61% 和 39%~70% 说明对 Cd Zn 的吸收能力存在差异性,Cd Zn 在不同中迁移情况不同, 吸收率也不同主要表现为容易吸收 Cd Zn, 而菠菜和吸收

5 王运长等 : 磷石膏改良基质中 Cd Zn 在内的富集和迁移特征 275 迁移率迁移率图 2 地下部位对 Cd Zn 的迁移情况 (a) 和地上部位对 Cd Zn 的迁移情况 (b) 不同植物对不同重金属的吸收与累积存在差异性本研究中 Cd Zn 的迁移特征不同, 与改良磷石膏基质的理化性质元素本身性质及品种有直接关系, 而 Cd Zn 之间是否存在相互影响需要进一步研究参考文献 [1] 向仰州, 刘方. 不同草种在磷石膏基质中生长适应性 [J]. 辽宁工程技术大学学报,2010,29(3): [2] 覃勇荣, 陈燕师, 刘旭辉, 等. 土壤重金属污染背景下的任豆修复试验 [J]. 农业环境科学学报,2010,29(2): [3] 施泽明, 倪师军, 张成江. 成都城郊典型中重金属元素的富集特征 [J]. 地球与环境,2006,34(2): [4] 王丽凤, 白俊贵. 沈阳市污染调查及防治途径研究 [J]. 农业环境保护,1994,13(2): [5] 李非里, 刘丛强, 杨元根, 等. 贵阳市郊菜园土 - 辣椒体系中重金属的迁移特征 [J]. 生态与农村环境学报,2007,23(4): [6] Millis.P.R, Ramsey M H, Johnea. Heterigeneity of Cadmium Concentration in Soil as a Source of uncentainty in plant up-take and Its Implications for Human Health Risk Assessment[J].Science of the Total Environment,2004,326(1/2/3):-53. [7] Moreno D A, Villora G, Ruiz J M, et al. Growth Conditions, Elemental Accumulation and Induced Physiological Changes in Chinese Cabbage[J].Chemosphere,2003,52(6): [8] Turkdogan M K, Kilicel F, Kara K, et al. Heavy Metals in Soil, Vegetables and Fruits in the Endemic Upper Gautrointestinal Cancer Region of Turkey[J]. Environmental Toxicology and Pharmacology,2003,13(3): [9] 方凤满, 汪琳琳, 谢宏芳, 等. 芜湖市三山区中重金属富集特征及健康风险评价 [J]. 农业环境科学学报,2010,29(8): [10] 李凡, 张义贤. 单一及复合污染下铅铜在玉米幼苗体内积累与迁移的动态变化 [J]. 农业环境科学学报,2010,29(1): [11] Mattina M, Lannucci, Berger W, et al. Cincurrent Plant Up Take of Heavy Metals and Persistent Organic Pullutants from Soil[J]. Environmental Pollution,2003,124: [12] 茹淑华, 张国印, 孙世友, 等. 富集金属 Cu,Zn,Pb 和 Cd 的特征和规律研究 [A]. 见 : 中国土壤学会第十一届全国代表大会暨第七届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会论文集 [C]. 北京 : 土壤科学与生态安全和环境健康,2008: [13] Zurera-Cosano G, Moreno-Rojas R, Salmeron-Egea, et al. Heavy metal uptake from green-house border soils for edib vegetables[j].j Sci Food Agric,1989,: [14] 汪雅谷, 卢善玲, 盛沛麟, 等. 重金属低富集轮作 [J]. 上海农业学报,1990,6(3):41-. [15] 宋波, 陈同斌, 郑袁明, 等. 北京市菜地土壤镉含量及其健康风险分析 [J]. 环境科学学报,2006,26(8): [16] Hart J J, Welch R M, Norvell W A. Transport Interaction between Cd and Zn in Roots Of Bread Wheat and Wheat Seedlings[J]. Physiologia Plantarum,2002,116(1): [17] 莫争, 王春霞, 陈琴, 等. 重金属 Cu,Pb,Zn,Cr,Cd 在水稻植株中的富集和分布 [J]. 环境化学,2002,21(2):

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资源环境生态土壤气象

资源环境生态土壤气象中国农学通报 2016,32(14):106-111 Chinese Agricultural Science Bulletin 基于医学 CT 和工业 CT 扫描研究土壤大孔隙结构特征的区别刘勇, 胡霞, 李宗超, 孙贞婷 ( 北京师范大学减灾与应急管理研究院 / 环境演变与自然灾害教