土壤环境质量指导值与标准研究V.镉在土壤-作物系统中的富集规律与农产品质量安全

通过查阅国内现有镉污染农田土壤和作物中镉含量的相关资料,包括近30年来公开发表文献、国家"七五"科技攻关环保项目"土壤环境容量研究"等科研成果,结合本实验室在长江三角洲、珠江三角洲典型地区污染农田调查数据,经筛选后从88组研究中共收集到镉污染农田土壤和作物中镉含量对应数据509对.根据镉盐来源,将收集的数据分为污染农田调查数据和添加镉盐试验数据;根据作物不同,分为水稻、小麦、茎/叶类蔬菜、根菜和果菜地调查数据.采用富集系数和一元回归模型的方法基于土壤镉含量预测作物可食部分镉含量;采用多元回归模型的方法基于土壤镉含量和土壤pH预测作物可食部分镉含量.结果表明,回归模型对作物可食部分镉含量的预测效果明显优于富集系数中位值;回归模型95%预测上限对作物可食部分镉含量的保守预测优于富集系数90分位值.土壤pH显著影响作物对镉的吸收.影响模型回归效果和预测能力的主要因素是数据分布不均和数据量不足.模型对比后选用多元回归模型的95%预测上限推导稻田和茎/叶类蔬菜用地基于农产品质量安全的土壤镉含量环境基准.     

不同蔬菜对土壤Cd、Pb的累积能力研究

采用盆钵实验法,研究不同蔬菜对土壤Cd、Pb的吸收能力差异。结果表明蔬菜对土壤Cd、Pb吸收能力的种间差异十分显著。不同作物可食部分对镉的富集能力为:青菜>萝卜>莴苣>四季豆>黄瓜>番茄;不同作物可食部分对Pb的富集能力为:青菜>四季豆、萝卜>黄瓜>番茄、莴笋。作物的Cd、Pb吸收量与土壤浓度正相关;随着土壤含量的增加,青菜和萝卜的Cd、Pb累积系数显著提高,而黄瓜和四季豆的Pb累积系数则大幅降低;铅镉交互作用对作物的铅吸收无显著影响,但对镉吸收有显著影响,尤其是萝卜的Cd吸收量随土壤Pb的增加而明显降低。与其他作物相比,番茄Cd、Pb富集能力均较小,在轻度铅镉污染的农田中种植其食品安全的风险性较低。     

蔬菜对土壤镉铜锌富集能力的研究

调查了福建部分污染严重地区不同蔬菜对镉、锌、铜的富集能力。结果表明蔬菜对镉的平均富集系数为0.017，锌的平均富集系数为0.116，铜的平均富集系数为0.014。蔬菜对镉的富集系数的品种间差异最大，达315倍，远高于锌和铜的富集系数的品种间差异。茭白、豇豆和莲藕对镉的富集能力较低，可作为镉污染土壤优先选种的蔬菜品种，而青包菜、白包菜、芥菜、空心菜、芋头等对镉的富集系数较高，不宜在镉污染土壤上栽培。     

无瓣蔊菜对镉的积累特性研究

为从农田杂草中筛选出镉超富集植物用于镉污染农田的修复,本研究以无瓣蔊菜为试验材料,通过模拟不同浓度镉胁迫条件,探究不同镉浓度处理对无瓣蔊菜生长量、光合色素含量以及镉富集特性的影响,揭示无瓣蔊菜对镉污染土壤的修复能力。结果表明,随着土壤镉浓度的增加,无瓣蔊菜的生长受到抑制但无毒害症状,当土壤镉浓度≤75 mg·kg-1时,无瓣蔊菜的叶绿素含量有所降低,但与对照间无显著性差异;当土壤镉浓度达到75 mg·kg-1时,无瓣蔊菜地上部分镉含量为112.77 mg·kg-1,根系镉含量为69.87 mg·kg-1,且植株根系和地上部分对镉的富集系数(BCF)和转运系数(TF)均大于1,说明无瓣蔊菜是一种镉富集植物。转运量系数(TAF)以及镉积累量与土壤镉浓度的回归分析表明,镉在无瓣蔊菜中的分布规律为地上部分根系。当土壤镉浓度≤50mg·kg-1时,镉元素从根系到地上部分的转运能力增强,有利于无瓣蔊菜富集镉。综上所述,无瓣蔊菜对镉有很强的耐性,可吸收土壤中的镉,并转运积累到地上部分,收获后将其迁移出土壤,以达到修复镉污染的目的。无瓣蔊菜适用于镉污染浓度在75 mg·kg-1以内的农田修复。本研究为筛选优良超镉富集植物材料提供了相关的科学依据。     

大豆和小麦对土壤中镉的吸收与富集研究

在温室条件下,采用盆栽方法研究了大豆和小麦在全镉含量为0.211~2.011 mg/kg的土壤中生长状况以及对镉的吸收与富集特征。结果表明,试验所设土壤镉含量对两种作物的株高和单盆籽粒数没有影响。随土壤镉含量的增加,两者单盆产量呈先增加后降低的趋势。大豆籽粒在土壤全镉含量为0.211~0.811 mg/kg时,小麦籽粒在土壤全镉含量为1.411~2.011 mg/kg时更容易积累镉。添加镉能明显增加两种作物植株各部分镉含量。外源添加镉对大豆的转移系数影响不明显,但能增加小麦的转移系数。两种作物的富集系数基本表现为根>茎叶>籽粒。在土壤全镉含量低于0.511 mg/kg时,大豆根和茎的富集系数接近或大于1.0,对镉的吸收较强。在土壤全镉含量高于0.811 mg/kg时,小麦茎叶的富集系数接近或大于1.0,对镉的吸收较强。小麦根的富集系数均高于大豆,且大于1.0,前者具有更高的镉富集能力。     

复合污染土壤上几种叶类蔬菜对Cd和As的富集效应

[目的]不同蔬菜镉、砷富集系数各异,对镉和砷污染土壤的响应也不同。研究复合污染土壤上不同叶类蔬菜对Cd和As的积累效应,为轻度中度Cd和As污染土壤的合理与安全利用提供适宜的蔬菜种类。[方法]采集了西安市12个污染程度不同的菜地耕层土壤,于2015年3月6日5月26日在西北农林科技大学资源环境学院遮雨大棚内进行了盆栽试验。供试7种叶菜,包括菠菜、油菜、生菜、油麦菜、苋菜、空心菜和茼蒿。蔬菜收获后,测量了蔬菜产量、Cd和As含量与吸收累积量,计算了蔬菜对Cd和As的富集系数等,并用线性回归模型研究了不同蔬菜栽培的土壤Cd和As安全临界值。[结果]镉污染土壤(0.6~2.4 mg/kg)对大多数蔬菜生物量有抑制效应,中、低浓度镉砷复合污染(Cd 1.0~2.4 mg/kg,As 24.9~26.8 mg/kg)对供试蔬菜生长没有叠加效应。镉污染土壤上,菠菜、油菜、苋菜叶、生菜可食部Cd含量均超出食品安全限量标准(0.2 mg/kg),其中菠菜和油菜Cd最高超标4倍以上;而茼蒿和空心菜茎秆Cd未超标。虽然供试蔬菜砷含量随着土壤砷含量增加有升高趋势,但叶菜As含量没有超标。7种蔬菜Cd富集系数为0.083~0.491,高低顺序为油菜、菠菜、生菜和苋菜叶>油麦菜、苋菜茎和空心菜叶>空心菜茎和茼蒿。菠菜、油菜、生菜、油麦菜、苋菜、空心菜和茼蒿土壤Cd安全临界值分别为0.33、0.38、0.46、1.15、0.59~1.79、1.49~8.16和8.98~17.11 mg/kg,其中菠菜、油菜和生菜阈值与现行标准(0.3~0.6 mg/kg)相当,而油麦菜、苋菜、空心菜和茼蒿均大于土壤重金属污染限量值。As富集系数为0.002~0.006,空心菜叶和茼蒿叶片As富集系数显著高于其他蔬菜。7种蔬菜的土壤As临界阈值分别为62.31、70.35、70.21、67.41、67.86~90.43、57.21~75.70和72.43~105.06 mg/kg,均高于现行标准(25 mg/kg)。[结论]中等程度的Cd和As复合污染土壤上,Cd对蔬菜的生长有显著的抑制,As与Cd没有叠加作用。不同蔬菜的产量、污染程度和安全阈值等有显著差异,因此选择低富集、抗污染蔬菜品种是利用中低重金属污染土壤的一条可行途径。空心菜和茼蒿对Cd富集系数低,可推荐在中、低污染土壤上种植。     

土壤施用富集植物秸秆对荠菜镉积累的影响

通过在镉污染土壤中施用镉富集植物碎米荠、旱莲草、豆瓣菜和小飞蓬秸秆,研究了四种镉富集植物秸秆施入土壤对荠菜镉积累的影响。结果表明:四种镉富集植物秸秆施入土壤均提高了荠菜地上部分生物量、总生物量和抗性系数,同时也提高了荠菜叶片SPAD值(绿色度)。土壤施用旱莲草秸秆提高了荠菜茎、叶片及地上部分的镉含量,分别比各自对照提高了23.81%、1.51%和10.95%,同时也提高了土样有效态镉含量,其余三种处理均低于各自对照。土壤施用旱莲草秸秆的荠菜整株镉积累量显著高于未施用,为43.82μg plant-1,比未施用提高了17.35%,而其余三种处理的荠菜整株镉积累量均低于未施用。因此,土壤施用旱莲草秸秆能够提高荠菜对土壤镉的吸收与积累,有利于提高荠菜对镉污染土壤的修复。     

牛繁缕对镉的积累特性研究

以牛繁缕为试材,采用盆栽试验研究其在不同镉浓度条件下的镉积累特性。结果表明:牛繁缕根系生物量、地上土壤部分生物量和总生物量均随土壤镉浓度的升高而降低。在土壤镉浓度小于100 mg kg-1时,牛繁缕的抗性系数均大于0.5;当土壤镉浓度为25 mg kg-1时,抗性系数最大,为0.931。在不同镉浓度条件下,牛繁缕光合色素的合成会受到一定程度的抑制,叶绿素b、类胡萝卜素和叶绿素总量均随镉污染浓度的增加而逐渐降低,但叶绿素a和a/b值则表现为波动变化的趋势。随土壤镉浓度的增加,牛繁缕根系及地上部分镉含量呈增加的趋势;当土壤镉浓度为100 mg kg-1时,牛繁缕地上部分镉含量为118.94 mg kg-1,大于镉超富集植物临界值(100 mg kg-1)。牛繁缕根系和地上部分富集系数均大于1,但转运系数小于1。牛繁缕根系、地上部分和整株的镉积累量最大分别能达到449.05、126.07、532.83μg plant-1,生物富集量系数及转运量系数均随土壤镉浓度的增加而降低。在土壤镉浓度不高于75 mg kg-1时,牛繁缕生物富集量系数大于1 g plant-1,但各个镉处理下的转运量系数均小于1。由此可见,牛繁缕是一种镉富集植物,具有较强的镉富集能力,可用于镉污染农田的修复。     

菜地土壤铅、镉有效态与生物有效性研究

通过野外采样、室内测试分析,探讨重庆市北碚区菜地土壤铅、镉的有效态含量及生物有效性。结果表明：研究区菜地土壤铅、镉有效态平均含量为3.114,0.051mg/kg,生物有效性系数分别为7.7%,25.1%;小白菜可食部分铅、镉平均含量分别为0.123,0.021mg/kg,富集系数分别为0.4%,9.8%;从富集系数和生物有效性系数看,研究区菜地土壤镉的潜在生态风险要大于铅的。研究区菜地土壤理化性质中pH对有效态镉有显著影响;砂粒、粘粒和有机质对有效态铅含量有显著影响;铅、镉有效态与全量变化一致,全量是有效态含量的主要影响因素;土壤类型对铅、镉有效态含量有影响;在人类活动中交通对有效态铅含量有影响,肥料的施用对有效态镉含量有影响。菜地土壤中铅、镉有效态含量与小白菜可食部分铅、镉的含量相关性优于全量的,用土壤中铅、镉的有效态表征铅、镉的生态风险更准确。     

植物吸收污染土壤中镉的规律

选取黑麦草和羽衣甘蓝两种植物进行盆栽试验,并对25、50、75、100、125、150 mg/kg 6个浓度等级下两种植物地上部分镉含量进行了测定与分析,结果表明:黑麦草吸收、富集镉的能力较弱,羽衣甘蓝在土壤中镉浓度超过125 mg/kg时,地上部分镉含量超过100 mg/kg,但其富集系数和转运系数均小于1,两种供试植物均不是理想的修复镉污染土壤的超积累植物。     

浙江省主要优势农产品产地土壤-农作物镉含量空间分布及相关性研究

针对目前土壤-农作物镉污染问题,以浙江省40个县(市、区)主要优势农产品产区为研究对象,在粮食、油菜、蔬菜种植地以及茶园和果园土壤中共采集898个单元土壤样品及相对应的五大类农作物,并对其镉含量进行分析评价;同时采用富集系数比较不同农作物对土壤重金属镉的吸收差异。结果表明,研究区产地土壤和农作物的镉含量存在一定程度超标,土壤超标率为10.69%,农作物超标率为4.57%。不同农作物对土壤镉的富集系数差异较大,变化范围在0.002~0.257之间。土壤-农作物镉含量的相关性并不显著。     

辽北地区农田土壤-作物系统中Cd、Pb的分布及富集特征

对铁岭地区农田土壤重金属Cd、Pb全量和DTPA可提取态量及其相应的玉米、水稻、蔬菜农作物中的重金属含量进行了分析。结果表明,铁岭地区蔬菜土受Cd污染最严重,超标率为40%,水稻土中Cd的超标率为6.67%,玉米土中Cd未有超标;该区3种作物农田土壤未受到环境Pb的影响,农田土壤Pb含量均低于自然背景值35 mg kg-1。该区农田土壤Cd的有效性强于Pb,表现为3种作物农田土壤重金属Cd的DTPA可提取态系数显著(P0.05)高于Pb。Cd在该地区蔬菜中的污染较为严重,超标率为20%,玉米和大米中Cd均未有超标;Pb在玉米和大米粮食作物中的污染较为严重,超标率分别为26.7%和13.3%,蔬菜中Pb未有超标。玉米、大米、蔬菜对土壤有效态Pb的富集系数大多低于0.2,对土壤有效态Cd的富集系数高于0.2的样本分别占各样本总数的26%、46%6、0%,3类作物对Cd的富集能力要强于Pb,而蔬菜对Cd的富集能力要强于大米和玉米。     

磷肥杂质对土壤生态环境的影响

阐述了磷肥中有毒有害成分重金属镉(Cd)、放射性元素和三氯乙醛对土壤生态环境的影响,论述了施用磷肥对土壤和作物产品重金属含量的影响;讨论了土壤、作物和肥料Cd含量标准的制定;指出一般农田短期内不存在Cd污染,但对长期大量施用磷肥的地区和特定作物(如根叶类蔬菜)施用磷肥须谨慎.在现有施肥水平下,磷肥中放射性杂质不会导致土壤放射性污染.废酸磷肥中的三氯乙醛含量必须控制在作物临界剂量以下,并应采取适当施肥方法.     

土壤中水分和镉供应量对油菜器官中镉分布特征的影响

为探究油菜作为镉(Cd)污染农田修复植物的可行性,本研究以德油5号为试验材料,采用全生育期土培盆栽试验,设置高、中、低3个水平的土壤水分及4个水平的土壤镉含量,研究不同土壤水分条件下油菜对镉的吸收和富集规律。结果表明,土壤水分与镉浓度对油菜的吸镉能力影响显著,且其吸收量随着土壤水分与镉浓度的增加而增大;油菜不同器官的镉含量差异较大,其地上部分吸镉量为土壤总镉含量的0.41%～1.17%,叶片镉含量为总吸收量的46.4%～72.6%;不同水分条件下,油菜器官的镉富集量差异明显,高水、中水处理下油菜各器官的镉富集表现为叶>茎>根>角果壳>籽粒,低水处理下表现为叶>根>茎>角果壳>籽粒。综上,油菜整体具有较强的吸镉能力,但镉离子不溶于菜籽油,说明油菜可吸收土壤中的镉,又不影响菜籽油食用,是修复镉污染农田土壤的理想植物。本研究为利用油菜进行重金属土壤综合治理提供了理论依据。     

三种肥料对镉污染土壤中小白菜吸收镉的影响

为了评价施用不同肥料对小白菜富集污染土壤镉的效果,通过盆栽试验研究普通复合肥、有机肥和缓释氮肥3种肥料及其不同用量对小白菜在镉污染土壤中吸收镉的影响。结果表明,与对照相比,施用肥料增强了小白菜对镉的吸收。施用普通复合肥的处理富集镉的效果最高,其次是施用缓释氮肥和有机肥的处理。根部镉含量分别提高了23.80%~26.53%、19.93%~21.48%和10.17%~15.88%。小白菜地上部Cd含量分别提高了11.79%~25.47%(普通复合肥)、9.49%~13.82%(缓释氮肥),而施有机肥降低了小白菜地上部Cd含量。在所有种植(包括施肥和未施肥的)的小白菜中,根部镉含量明显高于地上部分,是地上部分镉含量的2.28~2.74倍。同时,肥料施用增加了小白菜对镉的富集系数,根部的富集系数是茎叶的2倍左右。施用普通复合肥和缓释氮肥增加了土壤有效态镉含量,分别增加了12.16%~39.64%和1.35%~18.92%;施用有机肥降低了土壤有效态镉含量,分别降低了16.22%和7.66%。研究结果对小白菜修复镉污染的土壤具有重要的理论意义和借鉴价值。     

典型乡镇企业密集区土壤-蔬菜系统重金属分布与关联特征

土壤中有毒污染物的生物有效性及其在土壤－植物系统的迁移富集是当前研究的热点问题。该研究对乡镇企业密集地——东莞地区常见的7种叶菜类蔬菜及其相应土壤样品中的Cu、Zn、Cr、Ni、Pb等重金属元素的全量和稀盐酸可提取态进行了分析。结果表明：研究区蔬菜存在明显的有毒金属元素（Ni、Pb）超标和有益金属元素（Cu、Zn）缺乏问题,蔬菜重金属含量与土壤重金属总量和可提取态重金属含量均无显著的相关性,但可提取态含量的富集系数与蔬菜重金属含量具有显著相关性,其可以较好地指示土壤可提取态重金属向蔬菜系统的转移规律。不同品种蔬菜对各重金属的富集系数随可提取态重金属含量增加呈幂函数形式递减,且递减趋势与土壤中可提取态重金属含量范围密切相关。当数据量有限时,利用富集系数与对应可提取态重金属含量之间的回归模型对富集系数定量估值,其准确性要高于取相应的均值或中值。     

基于东亚金发藓监测土壤镉污染的生物学机理

采用对镉具有高敏感性特征的苔藓植物——东亚金发藓(Pogonatum inflexum)为材料,以不同浓度梯度镉污染基质作为胁迫条件,观测该植物在镉胁迫下的生长发育状况、镉富集能力、叶绿素含量、可溶性蛋白含量及MDA含量,并分析比较了各项指标变化特征与土壤中全镉含量及有效镉含量的相关性。结果显示,供试土壤中有效镉含量约占全镉含量的20%~40%,东亚金发藓对镉的富集能力总体较弱,其最大富集浓度值为1.627 mg kg-1,最高富集系数为63.9%,植株富集浓度与土壤有效镉含量之间的相关性高于全镉;东亚金发藓对镉污染表现出显著反应特征,植株孢子体和配子体受害症状明显,1~2 mg kg-1以上的镉胁迫(土壤有效镉含量大于0.559 mg kg-1时)即可使叶部黄化、褐变,5 mg kg-1的镉处理导致蒴柄弯折、植株枯亡;东亚金发藓叶绿素含量、可溶性蛋白含量、丙二醛(MDA)含量等生理指标变化特征受镉胁迫影响明显,且与有效镉含量呈显著相关性,适合作为东亚金发藓监测土壤镉污染及镉生物有效性的指示指标。     

贵州草海湿地周边耕地土壤与农作物重金属污染特征

采集草海湿地周边主要农作物可食部分及对应根系的土壤样品,分析测试了重金属Cd,Cr,Hg,Pb,As和Zn的含量,对比研究了土壤和作物中重金属污染水平及对重金属的富集能力。结果表明:土壤重金属元素Zn,As,Cr平均含量未超过贵州省土壤元素背景值,其他3种重金属Pb,Cd,Hg平均值分别是背景值的1.24,1.44,7.5倍;与中国《食品中污染物限量》标准相比,除Hg平均含量超标外,蔬菜中As,Cr,Zn,Cd和Pb平均含量处在可接受范围内。6种重金属的单因子污染指数的高低依次是Hg > Pb > Cd > As > Cr > Zn,葱和萝卜处于安全水平,其余农作物处于警戒线;不同种类作物中重金属富集特征差异较大,菠菜对As,Cd,Hg,Pb的富集系数比其余作物高,萝卜叶对Cr和Zn的富集能力较强,重金属Cr富集系数最低的是玉米,Zn和Hg富集系数最低的是萝卜根,Cd和Pb富集系数最低为马铃薯,As富集能力最低的为白菜。     

攀西地区某蔬菜生产基地土壤镉污染评价及其对蔬菜安全性的影响

为探索四川省攀西地区某蔬菜生产基地土壤中镉(Cd)含量对蔬菜质量安全的影响,本文采集蔬菜生产基地土壤样品110个,同步采集成熟蔬菜样品122个,测定土壤样品pH、Cd全量、5种形态Cd含量和蔬菜样品总Cd含量,分析土壤Cd污染情况和蔬菜样品中Cd超标情况,以及土壤中Cd形态分布特征和蔬菜对Cd的积累富集特征。结果表明,土壤Cd含量风险筛选范围、管制范围分别占40.9%、1.8%,存在较为严重的镉污染风险;蔬菜Cd总含量合格率达99.2%,安全性高;研究区域土壤中Cd主要以可交换态、铁锰氧化物结合态、残渣态存在,迁移系数(M)与土壤pH呈负相关,各类蔬菜富集Cd的能力也与土壤pH呈负相关。通过分析得知,土壤pH影响土壤中Cd的生物有效性,可通过增加土壤pH降低Cd的生物有效性,从而降低蔬菜对Cd的富集作用;土壤Cd超标不一定影响蔬菜的安全性,可通过选择合适的蔬菜品种保障蔬菜的质量安全。     

秸秆还田对镉污染农田土壤中镉生物有效性的影响

通过温室盆栽试验和土壤培养试验,研究了重金属镉污染水稻土和人为模拟镉污染土壤上不同种类和不同量的作物秸秆还田后,土壤中可提取态镉的动态变化规律以及对白菜生长和吸收重金属镉的影响。结果表明,秸秆还田显著提高了2种镉污染土壤的pH值。镉污染水稻土上还田玉米和菜豆秸秆显著提高了土壤中醋酸铵提取态镉和DTPA提取态镉含量,秸秆还田后2周时醋酸铵提取态镉含量增加了17%~33%,随时间延长,土壤中可提取态镉增加变的不明显。模拟镉污染土壤上还田玉米和菜豆秸秆对土壤中醋酸铵提取态镉和DTPA提取态镉含量影响不明显。镉污染水稻土上秸秆还田量2%时显著降低了白菜体内镉含量,还田菜豆秸秆和玉米秸秆白菜体内镉含量分别降低了18%和27%。还田玉米秸秆影响了白菜生长,降低了白菜的产量;模拟镉污染土壤上还田菜豆秸秆对白菜生长和镉含量影响不明显,但还田2%玉米秸秆降低了白菜生物量,增加了白菜镉含量。