第23卷第2期2005年5月贵州师范大学学报(自然科学版)Journa l of Guizhou Nor m al University(Natural Sciences)Vo.l23.No.2M ay2005文章编号:1004)5570(2005)02-0113-08土壤中重金属环境污染元素的来源及作物效应王济1,王世杰2(1.贵州师范大学地理与生物科学学院,中科院地化所环境地球化学国家重点实验室,中科院研究生院贵州贵阳550002;2.中科院地化所环境地球化学国家重点实验室,贵州贵阳550002)摘要:主要介绍我国5土壤环境质量标准6中规定含量的8种重金属环境污染元素(汞、镉、铅、铬、砷、锌、铜、镍)的污染来源及作物效应。

土壤中重金属的主要来源是成土母质,矿山开采的三废污染,大气中重金属的沉降,农药、化肥、塑料薄膜等的使用等。

重金属在作物中的分布规律一般是根>茎>叶>籽实。

关键词:土壤;重金属;环境;污染;来源;作物效应中图分类号:X53文献标识码:AThe sources and crops effect of heavy m eta l ele m en ts of con ta m i na ti on i n soilWANG Ji1,WANG S h i2ji e2(1.Gu iz hou Nor ma lUn i ve rs i ty,The State Key Laboratory of Enviro nmenta lGeochem istry,Institute of Geochem i stry,GraduateSchool of Ch i nese A cade m y of Sc i ences,Guiyang,Gu i zho u550002,Ch i na;2.The S tate Key Laboratory of Environ m en tal Geoche m istry,Instit ute of Geoche m istry,Chinese A cade m y of Sc i ences,Guiyang,Gu i zho u550002,Ch i na)Abstr act:Th is paper has intr oduced t h e source and crops eff ect of heavymetal e le ments of conta m i n a2 ti o n(H g,Cd,Pb,Cr,A s,Z n,Cu,N i)li m ited by Environmental Qua lity Standar d f or Soils (GB1561821995).The ma i n source is f ro m mother2materi a l of soi.l The heavy meta ls polluti o n also can be related w ith the produce ofm iner,sedi m en tation of heavy me tals in at m osphere,use of agro2 che m icals etc.The distri b uti o na l or der in crops i s root>ste m>leaf>f rui.tK ey w ord s:soi;l heavy meta;l environmen;t pollution;source,crop e f fect土壤中重金属污染元素主要包括汞、镉、铅、铬及类金属元素砷等生物毒性显著的元素,以及有一定毒性的锌、铜、镍等[1]。

因此我们将汞、镉、铅、铬、砷、锌、铜、镍合称为重金属环境污染元素。

人类活动将重金属加入到土壤中,致使土壤中重金属含量明显高于原有含量,并造成生态环境质量恶化的现象称为土壤重金属污染[2]。

重金属污染物在土壤中移动性很小,不易随水淋滤,不被微生物降解[3,4]。

它们一方面对农作物、农产品和地下水等许多方面产生重大影响,并通过食物链危害人体健康;另一方面因大多数重金属在土壤中相对稳定且难以迁出土体,对土壤理化性质及土壤生物学特性(尤其是土壤微生物)和微生物群落结构产生明显不良影响,从而影响土壤生态结构和功能的稳定性[2,5]。

113收稿日期:2005-01-04基金项目:贵州省高校发展专项资金(黔教科2004111),贵州师范大学校科研启动费资助项目。

作者简介:王济(1975-)男,博士,研究方向:土壤与环境。

1砷(As)土壤环境中的砷来源可分为自然源和人为源,前者主要是地质岩石中的砷,它决定了土体的含砷量;后者主要来自农药和化肥和矿山冶炼。

曾经用过的含砷农药有:砷酸钙、砷酸铅、稻脚青、稻宁、亚砷酸钠和巴黎绿等。

随着化肥用量的不断增加,磷肥中的砷进入土壤并可能产生潜在污染,加大施用含砷量高的磷肥会使土壤中砷不断积累,以至达到有害程度[6,7]。

矿山开采及矿石冶炼也是砷的主要污染原因之一[8,9,10]。

砷是影响植物生长发育的有害元素之一。

其危害程度与砷在土壤中的积累量及其形态分布密切相关。

土壤中的砷以一定的形态分布着,而土壤砷的吸附行为对砷的形态分布、有效性、迁移性和缓冲性影响很大。

砷的吸附行为受土壤类型、p H 值、砷价态、有机质、离子交换、共沉淀、化学沉淀、络合和氧化还原状况等多种因素影响[11,12]。

土壤中砷污染对植物和人体都有明显的影响。

砷主要由植物根部通过共质体途径进入体内的[13]。

过量的砷可降低伤流和蒸腾速率、抑制根系的活性、阻碍对水分、氮、磷、钾、镁、钙等养分的吸收和运输。

植物表现为叶片脱落,根部伸长受阻,直至植物枯死[9]。

土壤中砷含量水平与作物中砷的含量呈显著正相关。

同时作物种类的不同对砷的抗性也不同,旱生作物>水生作物,禾谷类作物>豆类、蔬菜,作物不同部位对砷的累积能力也有很大差异,一般根>茎、叶>子粒、果实,呈现自下而上的递减规律,因此砷含量高的土壤不适合种植蔬菜[6,9,14]。

例如生长在冶炼厂附近的植物中,花椰菜叶片含砷量仅为515mg/kg,而草本植物叶片含砷量竟高达396 mg/kg,两者相差70多倍[15]。

在北方,砷含量高达100mg/kg的土壤中,小麦籽粒的含砷量仍未超过食品卫生标准;而水稻只要生长在砷含量为12mg/kg 的土壤中,糙米的含砷量就超过食品卫生标准。

2镉(Cd)在自然界中没有单独的镉矿藏,镉是铅-锌矿、铜-铅-锌矿的伴生元素;人类对含镉矿物的开采、冶炼是引起土壤镉污染的重要原因之一;各种铅锌矿的开采、冶炼等过程所排放的废水废气中均含有镉;此外煤、原油中均含有微量的镉,在燃烧过程中可以释放到大气,最终沉入土壤[16]。

农业施肥所利用的过磷酸钙、混合磷肥和污泥也含有程度不等的镉,因此人类的活动也影响土壤中镉的变化[17]。

自然界中原有的镉的化学循环处于生态平衡中,不会造成公害,但在人类活动参与下,将地下岩石圈中含镉的矿物开发利用,又将大量废弃物以渣、烟和废水的形式向环境中排放,从而引起环境有害的变化,甚至威胁到人类健康。

据统计世界上每年由冶炼和镉处理而释放到大气中的镉大约为1000,t约占散发到大气中镉的45%。

燃煤、石油燃烧和垃圾废弃物的焚烧也能造成镉对大气的污染,最终通过沉降污染水体和土壤。

镉在自然界中平均含量如表1所示[18]。

表1镉在自然界中的平均含量Tab.1The average contents of Cd i n nature单元大气圈水圈岩石圈生物圈海水淡水地下水沉积岩石灰岩土壤海洋生物陆地生物人体浓度0.030.060.050.101.00.080.202.0-4.00.3050单位L g/m3L g/kg L g/kg L g/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg m g/kg L g/L常用肥料氮肥和钾肥中重金属含量很少,混杂有重金属的主要是磷肥、含磷复合肥以及以城市垃圾、污泥为原料的肥料。

磷肥的生产原料磷矿中,除富含P2O5外,还含有其它无机营养元素钾、钙、锰、硼、锌等,同时也含有毒物质如砷、镉、铬、氟、钯等,含量因矿源有很大差异。

磷矿石中镉的含量以美国为高,尤其是西部磷矿石高达60~340mg/kg,摩洛哥和澳大利亚居中,较低的是中国和原苏联。

磷矿石的镉不会因为加工成肥料而清除,还是有相当一部分保留在肥料中,美国西部磷矿石生产的重钙其中镉含量还高达50~250mg/kg,东部稍低为10~20mg/kg,澳大利亚生产的过磷酸钙镉含量也较高,为38~48mg/kg,我国过磷酸钙中镉含量较低仅0.61mg/kg。

但是无论含量大小,镉均会随磷肥一起施入到土壤中,长期积累就会导致土壤镉含量超标[19]。

114贵州师范大学学报(自然科学版)第23卷镉是毒性最强的重金属元素之一。

同时镉还是易于被植物吸收并向地上部运输的元素,各器官(尤其根)与土壤含镉量呈显著正相关[20]。

镉在植物体内的分布量通常是根>茎>叶>籽实[21,22,23],但胡萝卜则是叶中的浓度高于其根[24]。

有些植物的根对镉有很强的富集能力,可使富集的镉量是环境中镉量的几倍至几十倍,且根系中的镉往往很难往地上部迁移,例如北美乔松等5种乔木幼苗在土壤镉含量为100mg/kg时其根系所吸收的镉只有213%~1316%迁移到地上部[25]。

镉在水稻体内的分布,根系:茎叶:糙米约为80B5B1。

豆科植物吸收的镉绝大部分滞留在根部,仅有2%被运送到茎叶,结实期间也只有8%迁移到种子中[26]。

菠菜的茎叶与根中的镉含量之比只有1B171[27,28]。

土壤镉污染直接影响作物的生长发育[29]。

镉污染使糙米中粗蛋白、粗淀粉、直链淀粉、赖氨酸等含量显著降低,从而降低营养品质[30]。

在相近栽培条件下,叶菜类作物镉吸收量高于其它类作物;禾谷类作物叶片镉含量高于籽粒[31]。

镉在玉米体内的积累和分配规律为根>茎>叶[20]。

镉污染含量达到50mg/kg,使水稻减产5%;在5mg/kg时,使白菜、莴苣产量稍有下降,而萝卜产量下降10%左右;在小麦、水稻、菜豆和番茄中镉含量:根>茎叶>果实(种子),而白菜、萝卜、莴苣和茄子则茎叶>根>果实[32,33]。

镉使水稻叶片逐渐褪绿,破坏叶绿素结构[34]。

水稻受镉危害后,表现为叶片失绿,出现褐色条纹,严重时根系少且短,根毛发育不良[22]。

花生受镉毒害后,叶片发黄、植株矮小、结荚数量明显减少,严重时,可使植株死亡;当土壤镉含量低于1mg/kg时,减产不明显,5mg/kg处理水稻减产10%以上[35]。