土壤-水稻系統(tǒng)重金屬空間對(duì)應(yīng)關(guān)系和定量模型研究.pdf

1、食品安全問(wèn)題及其相關(guān)的人體健康風(fēng)險(xiǎn)一直是全球關(guān)注的焦點(diǎn)。水稻作為世界第二大糧食作物，也是我國(guó)第一大糧食作物，稻米的品質(zhì)與人們的健康密切相關(guān)。在影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的諸多因素中，土壤污染及其導(dǎo)致的環(huán)境質(zhì)量惡化是引起農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題的重要源頭因素，是決定農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)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(guān)注，土壤重金屬污染已成為國(guó)內(nèi)外環(huán)境污染研究的熱點(diǎn)之一。因此，土壤-水稻系統(tǒng)中重金屬污染研究對(duì)于保護(hù)土壤環(huán)境質(zhì)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(zhuǎn)化特征及其機(jī)理的研究，大多是局限于盆栽實(shí)驗(yàn)和小區(qū)田間試驗(yàn)有限“點(diǎn)”的研究，而關(guān)于實(shí)際水稻產(chǎn)地區(qū)域范圍內(nèi)“面”的研究很少。因此，十分有必要開(kāi)展區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)地土壤-水稻系統(tǒng)重金屬立體污染的深入研究，為提高產(chǎn)地土壤環(huán)境質(zhì)量，指導(dǎo)水稻安全生產(chǎn)布局，保障農(nóng)產(chǎn)品安全，提供必要的理論依據(jù)。本文以浙江省水稻典型產(chǎn)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(guò)科學(xué)的采樣布點(diǎn)，在研究區(qū)內(nèi)分別采集10

3、0、94和96個(gè)水稻以及對(duì)應(yīng)的土壤樣品，進(jìn)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(zhì)(pH、有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率、土壤機(jī)械組成等)分析。利用GIS技術(shù)和多種空間分析方法，系統(tǒng)研究了水稻典型產(chǎn)區(qū)稻米及其產(chǎn)地土壤環(huán)境中重金屬的污染現(xiàn)狀、空間變異、遷移轉(zhuǎn)化、空間相關(guān)、影響機(jī)制和定量模型，取得了以下主要研究結(jié)果和結(jié)論：
　　 ⑴以浙江省土壤背景值和國(guó)家二級(jí)限值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)南潯產(chǎn)區(qū)、嵊州產(chǎn)區(qū)和溫嶺產(chǎn)

4、區(qū)土壤重金屬進(jìn)行單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明三個(gè)產(chǎn)區(qū)的局部土壤已經(jīng)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(zhì)量總體上符合農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)的要求。通過(guò)污染源分析表明，工業(yè)化、城市化以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，是導(dǎo)致三個(gè)水稻產(chǎn)區(qū)土壤重金屬污染的主要原因。以食品衛(wèi)生相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水稻重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明三個(gè)產(chǎn)區(qū)水稻質(zhì)量從總體上來(lái)說(shuō)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(fēng)險(xiǎn)。
　　 ⑵利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)南潯產(chǎn)區(qū)，嵊州產(chǎn)區(qū)和溫嶺產(chǎn)區(qū)土壤以及水稻重金屬的空間變異性進(jìn)行分析，結(jié)果表明三個(gè)產(chǎn)區(qū)土壤和水稻重金屬均具有一定的空間變異結(jié)構(gòu)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(gè)產(chǎn)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(shuō)明水稻對(duì)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(gè)產(chǎn)區(qū)水稻和土壤中重金屬全量的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，Cd、Cu和Ni分別達(dá)到極顯著(p<0.01)水平，但相關(guān)系數(shù)僅為0.21、0.18和0.20，Zn則沒(méi)有明顯的相關(guān)性，說(shuō)明土壤重金屬全量不能較好地表征重金屬對(duì)作物的生物有效性。以溫嶺產(chǎn)區(qū)為例，運(yùn)用交叉相關(guān)函數(shù)定量分析水稻重金屬及其產(chǎn)地土壤重金屬形態(tài)的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系.結(jié)果表明，水稻Cd、Zn與土壤交換態(tài)、鐵錳結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)均強(qiáng)烈空間正相關(guān)，水稻Ni與土壤交換態(tài)強(qiáng)

7、烈空間正相關(guān)，與其他重金屬相比，水稻Cu與重金屬形態(tài)的空間相關(guān)性較弱，其中與有機(jī)結(jié)合態(tài)的空間相關(guān)關(guān)系最強(qiáng)。水稻重金屬與土壤重金屬形態(tài)空間相關(guān)性總體上呈交換態(tài)>有機(jī)結(jié)合態(tài)>鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)>殘差態(tài)，說(shuō)明交換態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)的生物有效性相對(duì)較高，而殘?jiān)鼞B(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(biāo)，結(jié)果表明水稻對(duì)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(dǎo)致研究產(chǎn)

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(jié)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(jié)合態(tài)等非殘?jiān)鼞B(tài)為主，而Cu、Ni、Pb和Zn則以殘?jiān)鼞B(tài)為主，交換態(tài)含量最低，產(chǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他重金屬，導(dǎo)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(chǎn)區(qū)為例，從水稻類(lèi)型作為內(nèi)部因素以及土壤理化性質(zhì)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(jī)制。水稻類(lèi)型東西區(qū)域分布的空間差異和土壤類(lèi)型的空間分布是導(dǎo)致產(chǎn)區(qū)重金屬富集系數(shù)空間異質(zhì)性的部分原因。交叉相關(guān)函數(shù)表明Cd、Ni和Zn的富集系數(shù)與土壤pH、有機(jī)質(zhì)和電導(dǎo)率的空間相關(guān)性最強(qiáng)，而與土壤氧化鐵含量相關(guān)性最差；Cu的富集系數(shù)與土壤性質(zhì)的空間相關(guān)性則相對(duì)較弱，尤其是與土壤pH和有機(jī)質(zhì)的空間關(guān)系幾乎不存在，說(shuō)明土壤理化性質(zhì)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(jī)質(zhì)和電導(dǎo)率的影響最大，

10、但是土壤性質(zhì)對(duì)Cu有效性的影響最小。相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果表明土壤重金屬形態(tài)分布與土壤相關(guān)理化性質(zhì)顯著相關(guān)，并以pH和有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬形態(tài)分布的影響最為顯著，說(shuō)明土壤性質(zhì)可能通過(guò)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(gè)產(chǎn)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(chǎn)區(qū)>溫嶺產(chǎn)區(qū)>南潯產(chǎn)區(qū)，方差分析表明，三個(gè)產(chǎn)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(lèi)型和生長(zhǎng)環(huán)境交互作用影響最大，其次為生長(zhǎng)環(huán)境，然后是

11、水稻類(lèi)型。在土壤環(huán)境因素(重金屬形態(tài)含量和土壤理化性質(zhì))中，以土壤理化性質(zhì)為主導(dǎo)因素。由此說(shuō)明，南潯、嵊州和溫嶺產(chǎn)區(qū)水稻類(lèi)型和水稻田土壤性質(zhì)的交互效應(yīng)是導(dǎo)致其土壤-水稻系統(tǒng)重金屬遷移能力顯著性差異的主導(dǎo)因素。
　　 ⑺以嵊州產(chǎn)區(qū)和南潯產(chǎn)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(zhì)(pH、有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率、機(jī)械組成)等環(huán)境因子的定量關(guān)系，結(jié)果表明