重金属在土壤—蔬菜系统中的迁移转运与调控及其健康风险评估

本研究通过在湖南衡阳水口山(旱地土壤A)和郴州柿竹园(旱地土壤B)两个铅锌矿区附近重金属(Pb、Cd、Cu、Zn)污染旱地土壤中进行不同蔬菜品种种植试验、单一改良剂和组配改良剂的筛选试验、组配改良剂调控重金属复合污染蔬菜地土壤的蔬菜种植田间试验,评价在重金属污染土壤施用组配改良剂后蔬菜中重金属的环境风险,其目的在于研究不同类型蔬菜品种对重金属吸收积累的差异,筛选出可食部位中重金属含量较低且为当地居民主要食用的蔬菜品种;筛选出能显著降低土壤中重金属生物有效性的组配改良剂以及研究其对土壤中重金属钝化的机制;研究施用已筛选出组配改良剂对蔬菜根际土壤中重金属生物有效性的影响,以及对蔬菜各部位中重金属积累的影响;研究组配改良剂施用后其对蔬菜环境风险的影响,同时在整个研究过程中探讨重金属在“土壤-蔬菜”系统中的迁移转运规律。主要研究结果表明:(1)衡阳水口山矿区所种植的蔬菜中,对于瓜果类蔬菜,可食部位Pb含量未检出,Cd、Cu、Zn含量范围分别为 0.02-0.65、0.20-0.54、1.59-5.86mg.kg-1;对于叶菜类蔬菜,可食部位中 Pb、Cd、Cu、Zn 含量分别为 0.28-6.94、0.00-8.11、0.35-1.79、3.22-118.61 mg·kg-1。郴州柿竹园矿区所种植的蔬菜中,对于瓜果类蔬菜,可食部位中Pb含量均未检测出,Cd、Cu、Zn含量范围分别为0.003-0.302、0.31-1.01、1.21-2.98 mg.kg-1;对于叶菜类蔬菜,可食部位中Pb、Cd、Cu和Zn含量范围分别为0.36-5.08、0.03-2.92、0.34-3.18、7.07-97.76 mg.kg-1。(2)在改良剂研发实验中,6种单一改良剂和8种不同组配改良剂均对土壤中Pb、Cd、Cu和Zn的醋酸浸出态和MgC12交换态含量有不同程度降低效果。对比本实验中所选的所有改良剂,发现LS(2:1)和HZ(2:1)组配改良剂对土壤重金属生物有效性的固定效果最好,同时考虑到价格因素以及与土壤的异质性,选择LS(2:1)和HZ(2:1)作为野外大田应用改良剂,以考察其实际效果。(3)在旱地土壤A和旱地土壤B中施用组配改良剂LS和HZ使辣椒、空心菜和苋菜土壤中pH值和CEC显著增加,而对土壤OM有略微的降低效果。且LS对土壤pH值和CEC的提高效果要强于HZ。两种组配改良剂LS和HZ均能显著降低了旱地土壤A和旱地土壤B的辣椒、空心菜和苋菜土壤中Pb、Cd、Cu和Zn的交换态含量、TCLP提取态含量和有效态含量,这说明组配改良剂LS和HZ对土壤中对重金属的迁移能力具有较好的钝化效果,且LS对土壤中重金属生物有效性降低效果优于HZ。(4)土壤pH、CEC分别与重金属MgC12和TCLP提取态含量之间关系显著。土壤pH和CEC与Pb的MgC12提取态含量存在显著的负的相关关系(p<0.05),而土壤pH和CEC与Cd、Cu和Zn的交换态含量、有效态含量及土壤pH和CEC与Pb、Cd、Cu和Zn的TCLP提取态含量之间均存在显著或极显著的负的线性相关关系。通过做相关性分析,土壤pH升高,土壤胶体CEC增加及土壤吸附能力增强的共同作用使LS和HZ施入土壤后显著降低土壤中Pb、Cd、Cu和Zn的交换态含量、TCLP提取态含量和有效态含量,且土壤pH升高是最主要影响因素。(5)施用量为8 g.g-1的LS和HZ对辣椒、空心菜和苋菜生物量增加最多,且随着改良剂添加量的增加而增加。施用2-8 g.kg-1的LS和HZ显著降低了辣椒、空心菜和苋菜各部位中Pb、Cd、Cu和Zn的含量。LS使旱地土壤A辣椒、空心菜和苋菜可食部位中 Pb 含量分别降低了 30.9%-74.4%、22.1%-26.9%、17.5%-26.8%,Cd 含量分别降低了 30.0%-62.0%、10.9%-34.1%、7.1%-26.9%,Cu 含量分别降低了55.4%-76.0%、59.6%-80.8%、0.8%-27.4%,Zn 含量分别降低了 37.8%-77.4%、76.6%-89.8%、17.2%-40.0%;LS使旱地土壤B辣椒、空心菜和苋菜可食部位中Pb含量分别降低了 54.4%-97.1%、14.7%-22.8%、45.8%-59.0%,Cd 含量分别降低了53.7%-77.1%、24.4%-51.8%、30.1%-83.3%,Cu 含量分别降低了 0%、11.2%-17.7%、14.4%-60.4%,Zn 含量分别降低了 37.9%-44.8%、24.6%-38.6%、36.3%-78.6%。HZ使旱地土壤A辣椒、空心菜和苋菜可食部位中Pb含量分别降低了 0.1%-94.0%、6.3%-32.7%、20.5%-37.3%,Cd 含量分别降低了 68.2%-98.6%、3.9%-12.8%、6.9%-30.1%,Cu含量分别降低了 79.3%-84.3%、17.7%-81.7%、33.1%-58.9%,Zn含量分别降低了 4.4%-27.0%、14.5%-85.9%、20.3%-81.9%;HZ 使旱地土壤 B 辣椒、空心菜和苋菜可食部位中Pb含量分别降低了 28.4%-91.0%、37.0%-55.9%、15.6%-35.6%,Cd 含量分别降低了 9.2%-59.2%、27.7%-47.6%、7.1%-40.7%,Cu 含量分别降低了81.7%-93.6%、0.2%-50.1%、15.2%-42.2%,Zn 含量分别降低了 23.3%-89.4%、2.6%-31.6%、4.6%-11.2%。2种组配改良剂LS和HZ都能在一定程度上降低蔬菜中重金属含量,且在LS和HZ添加量均为8 g.kg-1时,辣椒、空心菜和苋菜可食部位中Pb和Cd含量均低于国家食品中污染物限量标准。(6)施用组配改良剂LS和HZ后,降低了蔬菜各部位中Pb、Cd、Cu和Zn的含量,使蔬菜根系对重金属的富集系数(BCF)及根系到茎叶转运系数TFrs和茎叶到果实转运系数(TFsg)逐渐降低。蔬菜不同部位对不同重金属元素的富集、转运能力不同。三种蔬菜作物(辣椒、空心菜和苋菜)对Pb、Cd、Cu和Zn的富集能力大小顺序均为Cd>Cu>Zn>Pb。施加LS和HZ后各处理下,辣椒根系到茎、茎到叶和茎到果实的转运系数Cu和Zn始终大于Pb和Cd,而空心菜和苋菜中根系到茎叶的转运系数均为Cd>Zn>Cu>Pb,其中Pb、Cd、Cu和Zn从茎到叶的转运系数最大,且随着改良剂LS和HZ添加量的增加而保持不变。(7)旱地土壤A辣椒、空心菜和苋菜中Pb、Cd的重金属暴露风险值HQ大于1,健康风险较高;LS和HZ施入后,使三种蔬菜中Pb和Cd的HQ均小于1,不存在健康风险。旱地土壤B辣椒和空心菜中Pb、Cd的HQ值小于1,不存在健康风险;苋菜中Pb和Cd的HQ值大于1,具有较高的健康风险,LS和HZ能有效降低苋菜中Pb和Cd的HQ值至小于1。叶菜类蔬菜的重金属健康风险比瓜果类蔬菜的重金属健康风险高,因此建议在当地污染区尽可能种植食用部位Pb和Cd含量较低的瓜果类蔬菜,配套施用LS和HZ,以达到降低居民通过蔬菜途径摄入Pb、Cd的健康风险的目的。