煤矸石充填復(fù)墾區(qū)小麥中重金屬Zn的富集特征

郭 倉，張滿滿，肖 昕 (.河南理工大學萬方科技學院，河南鄭州45400;.鄭州大學環(huán)境政策規(guī)劃評價研究中心，河南鄭州45000;.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇徐州6)

煤礦資源的開采導(dǎo)致地面沉陷，大量的土地資源遭到破壞，而且我國人多地少，耕地資源相對貧乏，因此充分利用煤礦復(fù)墾區(qū)種植糧食作物尤其重要。20世紀80年代初，我國就開始了礦區(qū)復(fù)田綜合治理研究，提出了煤矸石充填復(fù)墾、粉煤灰充填復(fù)墾和挖深墊淺3種礦區(qū)復(fù)墾技術(shù)［1］。但是，礦區(qū)廢棄物——煤矸石中含有較高含量的重金屬元素，因此利用煤矸石充填復(fù)墾的土地很可能會遭受重金屬污染。而且這些重金屬對土壤的污染一般都是不可逆的，重金屬進入土壤后很難自然降解掉，會破壞土壤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能［2－4］。在煤矸石充填復(fù)墾區(qū)種植糧食作物，作物的根系會吸收土壤中的重金屬，并將其積累在作物的各個器官中，從而會影響作物的生長發(fā)育，降低作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，而且作物中的重金屬也會進入到食物鏈中，最終會對人體的健康產(chǎn)生極大的破壞［5－8］。筆者以江蘇省徐州市柳新礦區(qū)復(fù)墾區(qū)為例，研究了煤矸石充填復(fù)墾區(qū)小麥中重金屬Zn的富集規(guī)律、受污染程度，評價研究區(qū)域內(nèi)的糧食安全性，從而為今后煤礦區(qū)的復(fù)墾工作和農(nóng)作物的耕作制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 研究區(qū)位于江蘇省徐州市西北20 km的銅山縣柳新鎮(zhèn)境內(nèi)，該區(qū)屬暖溫帶季風氣候，年平均氣溫14℃，年平均降水量860 mm，無霜期200～220 d。整個塌陷區(qū)集中分布在8個村，部分村組復(fù)墾前人均耕地面積不足0.006 7 hm2，因此復(fù)墾后土地依然用于農(nóng)業(yè)種植，種植制度為小麥 －水稻輪作［9］。研究區(qū)內(nèi)的煤矸石回填場地(341.42°N，117.114°E)于1998 年回填復(fù)墾，即將塊粒大小不等的煤矸石直接充填到塌陷區(qū)，然后覆土40～45 cm進行種植，所覆土為礦區(qū)內(nèi)黏土［10］。整個試驗場地位于東至307國道，西至柳沿公路，南至柳新礦北側(cè)，北至蘇北堤河，總面積703.33 hm2的區(qū)域內(nèi)。

1.2 樣品采集和預(yù)處理 分別于煤矸石復(fù)墾區(qū)小麥的返青期和抽穗期進行采樣，采樣時間分別為2012年2月20日和5月21日。根據(jù)該研究區(qū)的污染源分布、地形地貌及氣象(該區(qū)常年夏季呈東南風向，冬季呈西北風向)等特征，在復(fù)墾區(qū)內(nèi)設(shè)置了3個采樣點(A、B、C)，以復(fù)墾區(qū)為中心在復(fù)墾區(qū)外距其 3、5、10、30、50、100 m 處分別設(shè)置了6個采樣點(D、E、F、G、H、I)。因為復(fù)墾區(qū)東邊臨近307 國道，為了防止交通道路對研究區(qū)的影響，故設(shè)置采樣點時往復(fù)墾區(qū)西邊布置(圖1)。在每個采樣點處采集小麥植株，裝入塑料袋并做好標記。將小麥植株在室溫下自然風干后，用瑪瑙研缽磨細，裝入密封袋中保存。

1.3 測定項目及分析方法 分別稱取適量的小麥根系、葉片及麥穗預(yù)處理樣品，用HNO3-HF-HCLO4混合酸法消解［11］，用 ICP-MS測定 Zn元素的含量。用 AutoCAD2006、EXCEL2007進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥生長過程中重金屬Zn的富集特征

2.1.1 返青期。由表1可知，返青期小麥莖、葉和根系中的Zn含量隨著與復(fù)墾區(qū)距離的增加呈減少趨勢。在A、B、C、D、E 5個采樣點處，根系中 Zn含量比例為38.11% ～54.62%，葉片中 Zn 含量比例為45.38% ～61.89%(圖2)，植株各部位Zn含量表現(xiàn)為葉＞根;距離復(fù)墾區(qū)更遠的F、G、H、I 4個采樣點處，植株各部位Zn含量表現(xiàn)為根＞葉，但二者相差甚少，幾乎相等。可見，返青期小麥葉片積蓄Zn的能力比根系強，這可能是由于小麥自身的蒸騰作用導(dǎo)致重金屬Zn由根部遷移到葉片。

表1 不同采樣點小麥各器官中Zn含量 mg/kg

2.1.2 抽穗期。抽穗期，小麥葉片、根系中的Zn含量隨著與復(fù)墾區(qū)距離的增加呈減少趨勢，但在距離復(fù)墾區(qū)5～50 m處(E、F、G、H 4個采樣點)明顯增加(表1)，這可能與該處施用了過量的化肥有關(guān)［12－13］。在 A、B、C、D、E 5個采樣點處，根系中Zn含量比例為38.97% ～49.62%，葉片中Zn含量比例為40.29% ～48.17%，麥穗中 Zn含量比例為10.09% ～15.00%(圖3)。麥穗中的Zn含量最小，只有根系和葉片中Zn含量的1/3左右，并且隨距離的增加表現(xiàn)得較為平穩(wěn)，說明麥粒對Zn的富集能力很弱?？梢?，抽穗期小麥各部分Zn含量表現(xiàn)為葉＞根＞穗。

2.1.3 不同生育時期對比。由表1可知，除了A、F、G采樣點外，其他6個采樣點小麥根系的Zn含量表現(xiàn)為返青期＞抽穗期;A、B、C、D、E采樣點小麥葉片的Zn含量表現(xiàn)為返青期＞抽穗期;而其他采樣點表現(xiàn)為抽穗期＞返青期，但相差不大?？梢姡还苁切←湼颠€是葉片，Zn含量總體上表現(xiàn)為返青期＞抽穗期，即隨著小麥的生長，各部位富集Zn的能力逐漸降低。

2.2 復(fù)墾區(qū)小麥的安全性評價 采用內(nèi)梅羅指數(shù)法［14－17］，對復(fù)墾區(qū)小麥中Zn污染進行評價，評價模型如下:

P=G/S

式中，P為Zn的污染指數(shù);C為Zn含量;S為國家糧食衛(wèi)生標準，這里采用中國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準(50 mg/kg)［18］。若P＜1，表示未受到污染;P＞1，表示受到污染;P越大，受污染程度越嚴重。

因為環(huán)境科學研究的主題對象是人類［19］，人類只食用小麥的籽實，由于取樣時籽實還未成熟，但麥穗已經(jīng)形成，故僅對抽穗期麥穗中的Zn污染進行評價。由表2可知，各采樣點處的內(nèi)梅羅指數(shù)P均小于1，說明復(fù)墾區(qū)內(nèi)及其周邊的小麥未被Zn污染。若單從Zn這一指標來看，研究區(qū)內(nèi)小麥可以食用。但考慮到煤矸石中重金屬元素不單單只有Zn元素，還含有 Pb、Cd、Cr、Cu、Hg 等［20］。為了更準確地評價研究區(qū)內(nèi)小麥的安全性，后續(xù)將對其他重金屬進行調(diào)查與測定。

表2 小麥麥穗中Zn污染評價結(jié)果

3 結(jié)論

(1)返青期，小麥莖、葉和根系中的Zn含量隨著與復(fù)墾區(qū)距離的增加呈減少趨勢，小麥葉片積蓄Zn的能力比根系強。

(2)抽穗期，小麥葉片、根系中的Zn含量隨著與復(fù)墾區(qū)距離的增加呈有減少趨勢，但是在距離復(fù)墾區(qū)5～50 m處(E、F、G、H 4個采樣點)有明顯增加，這可能與該處施用了過量的化肥有關(guān);而麥穗中Zn含量變化趨勢不明顯。抽穗期小麥各部分Zn含量表現(xiàn)為葉＞根＞穗。

(3)不管是小麥根系還是葉片，Zn含量均表現(xiàn)為返青期＞抽穗期。

(4)采用內(nèi)梅羅指數(shù)法評價研究區(qū)小麥的Zn污染狀況，發(fā)現(xiàn)復(fù)墾區(qū)內(nèi)及其周邊的小麥麥穗中Zn含量未超過國家標準(50 mg/kg)，沒有被Zn污染。

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