西江下游某滩涂农田土壤与江水中镉砷的分布特征

任杰, 刘晓文, 吴颖欣, 刘星, 李杰, 文展. 西江下游某滩涂农田土壤与江水中镉砷的分布特征[J]. 环境化学, 2021, 40(7): 2168-2178. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020032901
引用本文: 任杰, 刘晓文, 吴颖欣, 刘星, 李杰, 文展. 西江下游某滩涂农田土壤与江水中镉砷的分布特征[J]. 环境化学, 2021, 40(7): 2168-2178. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020032901
REN Jie, LIU Xiaowen, WU Yingxin, LIU Xing, LI Jie, WEN Zhan. Distribution characteristics of cadmium and arsenic in the tidal flat farmland soil and the river environment in the lower Xijiang River[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(7): 2168-2178. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020032901
Citation: REN Jie, LIU Xiaowen, WU Yingxin, LIU Xing, LI Jie, WEN Zhan. Distribution characteristics of cadmium and arsenic in the tidal flat farmland soil and the river environment in the lower Xijiang River[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(7): 2168-2178. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2020032901

西江下游某滩涂农田土壤与江水中镉砷的分布特征

    通讯作者: E-mail:wuyingxin@scies.org
  • 基金项目:
    国家重点研发计划项目(2017YFD0801300)资助

Distribution characteristics of cadmium and arsenic in the tidal flat farmland soil and the river environment in the lower Xijiang River

    Corresponding author: WU Yingxin, wuyingxin@scies.org
  • Fund Project: the National Key Research and Development Program of China(2017YFD0801300)
  • 摘要: 珠三角城市化、工业化过程增加了Cd、As的环境释放量,江水沉积物既是污染物的汇,又是沿江农田污染物输入的源,同时江水水体是污染物远距离迁移的主要载体。为防范沿江农田Cd、As的生态环境风险,需加大对Cd、As分布特征的研究。本文对西江下游F市某滩涂农田开展野外调查研究,采集了沿江水样、沉积物和滩涂农田土壤样品,探究了Cd、As在滩涂农田土壤和江水沉积物中的分布特征和相关关系。研究发现,江水水体中Cd总量普遍小于1 µg·L−1,As总量(均值45.80 µg·L−1)与农闲期(均值3.80 µg·L−1)相比显著增大。滩涂农田土壤和沉积物中Cd含量均值呈现低潮滩农田土壤>河流沉积物>高潮滩农田土壤的趋势;As含量均值呈现河流沉积物>低潮滩农田土壤>高潮滩农田土壤的趋势。相关性分析结果表明,低潮滩农田土壤Cd各形态含量与总量之间存在显著相关性(P <0.05),滩涂农田土壤和江水沉积物中As的残渣态与总量呈现极显著相关性(P<0.01);低潮滩农田土壤中As的个别形态与江水沉积物中As的个别形态之间存在着显著相关性(P<0.05)。研究结果表明,相较高潮滩农田土壤与江水沉积物,低潮滩农田土壤Cd形态分布受到规模性的外部输入影响相对较大。滩涂农田土壤和江水沉积物中As主要为残渣态,江水沉积物和低潮滩农田土壤之间存在着明显的As交换,滩涂农田土壤中As受水力冲刷,发生横向迁移。江水水体中Cd受外源污染程度较小,江水水体中As可能来源于农田污染物迁移、农田排水和江水沉积物As释放。本文通过对西江下游滩涂农田Cd、As的存在形态与迁移规律的研究,以期为珠三角滩涂农田安全生产和Cd、As的生态风险防控提供数据支撑。
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  • 图 1  采样点布置及周边环境示意图

    Figure 1.  The layout of sampling site and the surrounding environment

    图 2  江水沉积物、低潮滩农田土壤和高潮滩农田土壤 Cd、As含量均值

    Figure 2.  Average contents of Cd and As in SED, LTF and HTF

    图 3  Cd、As的MDFs和生物有效性特征

    Figure 3.  MDFs and bioavailability character of Cd and As

    图 4  8月研究区江水水体不同位点Cd、As含量

    Figure 4.  Contents of Cd and As at different sites of river water in the study area in August

    图 5  低潮滩农田土壤中Cd、As迁移的潜在路径和灌溉进水、雨水径流冲刷示意图

    Figure 5.  Potential migration pathways of Cd and As in the LTF and schematic diagram of irrigation inflow and rainwater runoff scouring

    表 1  土壤中重金属形态的Tessier五步连续提取法

    Table 1.  Tessier five-step continuous extraction method for heavy metal forms in the soil

    步骤
    Steps
    形态
    Forms
    浸提剂
    Leaching agent
    操作条件
    Operating conditions
    可交换态EX8 mL 1.0 mol·L−1 MgCl2(pH=7.0)25 ℃ 振荡1 h
    碳酸盐结合态CAB8 mL 1.0 mol·L−1 NaAc(pH=5.0)(25±1 )℃ 振荡8 h
    铁锰氧化物结合态FMO20 mL 0.04 mol·L−1 NH2OH·HC1(20% HAc溶液)(96±3 )℃ 间歇振荡4 h
    有机物结合态OMa.3 mL 0.02 mol·L−1 HNO3+5 mL 30% H2O2(pH=2)
    b.3 mL 30% H2O2(pH=2)
    c.5 mL 3.2 mol·L−1 NH4Ac(20% HNO3溶液)
    (85±2) ℃ 偶尔振荡2 h
    (85±2) ℃ 间歇振荡3 h
    室温振荡30 min
    残渣态RESHNO3-HF-HClO4土壤消化法
    衔接8 mL超纯水洗涤
    步骤
    Steps
    形态
    Forms
    浸提剂
    Leaching agent
    操作条件
    Operating conditions
    可交换态EX8 mL 1.0 mol·L−1 MgCl2(pH=7.0)25 ℃ 振荡1 h
    碳酸盐结合态CAB8 mL 1.0 mol·L−1 NaAc(pH=5.0)(25±1 )℃ 振荡8 h
    铁锰氧化物结合态FMO20 mL 0.04 mol·L−1 NH2OH·HC1(20% HAc溶液)(96±3 )℃ 间歇振荡4 h
    有机物结合态OMa.3 mL 0.02 mol·L−1 HNO3+5 mL 30% H2O2(pH=2)
    b.3 mL 30% H2O2(pH=2)
    c.5 mL 3.2 mol·L−1 NH4Ac(20% HNO3溶液)
    (85±2) ℃ 偶尔振荡2 h
    (85±2) ℃ 间歇振荡3 h
    室温振荡30 min
    残渣态RESHNO3-HF-HClO4土壤消化法
    衔接8 mL超纯水洗涤
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    表 2  低潮滩农田土壤、高潮滩农田土壤和江水沉积物中As、Cd含量比值

    Table 2.  Ratios of As to Cd contents of LTF, HTF and SED

    As/CdTCEXCABFMOOMRES
    SED21.76±4.570.12±0.060.46±0.3222.83±22.2618.83±4.2768.92±61.07
    LTF18.32±9.220.13±0.140.81±0.558.25±4.0321.39±10.6258.65±28.02
    HTF49.97±21.890.49±0.440.97±0.5137.44±12.0044.43±18.13178.57±216.45
    As/CdTCEXCABFMOOMRES
    SED21.76±4.570.12±0.060.46±0.3222.83±22.2618.83±4.2768.92±61.07
    LTF18.32±9.220.13±0.140.81±0.558.25±4.0321.39±10.6258.65±28.02
    HTF49.97±21.890.49±0.440.97±0.5137.44±12.0044.43±18.13178.57±216.45
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    表 3  江水沉积物、低潮滩农田土壤和高潮滩农田土壤中Cd、As形态含量与其全量的相关性分析

    Table 3.  Cd and As correlation analysis of TC and form contents of SED, LTF and HTF

    相关性
    Correlation
    EXCABFMOOMRESEX+CABFMO+OM
    CdSED0.5380.3090.4260.5020.1290.4900.151
    LFT0.942**0.638*0.864**0.918**0.814**0.954**0.845**
    HFT0.3180.2100.749−0.0740.4450.4620.621
    AsSED0.477−0.5480.813*0.1030.997**−0.1370.816*
    LFT0.316−0.0690.5070.1250.931**0.0300.507
    HFT0.3540.812*0.565-0.0040.996**0.6590.558
      *表示P<0.05,相关性系数达到显著水平;**P<0.01,相关性系数达到显著水平。SED是江水沉积物,LTF是低潮滩农田土壤,HTF是高潮滩农田土壤.
    相关性
    Correlation
    EXCABFMOOMRESEX+CABFMO+OM
    CdSED0.5380.3090.4260.5020.1290.4900.151
    LFT0.942**0.638*0.864**0.918**0.814**0.954**0.845**
    HFT0.3180.2100.749−0.0740.4450.4620.621
    AsSED0.477−0.5480.813*0.1030.997**−0.1370.816*
    LFT0.316−0.0690.5070.1250.931**0.0300.507
    HFT0.3540.812*0.565-0.0040.996**0.6590.558
      *表示P<0.05,相关性系数达到显著水平;**P<0.01,相关性系数达到显著水平。SED是江水沉积物,LTF是低潮滩农田土壤,HTF是高潮滩农田土壤.
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    表 4  江水沉积物和江水水体中Cd、As形态间的相关矩阵

    Table 4.  Correlation matrix between Cd and As forms in SED and RW

    元素Element

    TCEXCABFMOOMRESEX+CABFMO+OM
    CdTC−0.19−0.15−0.23−0.06−0.060.03−0.18−0.06
    SC−0.03−0.050.030.14−0.10−0.05-0.030.13
    AsTC0.580.260.080.500.040.580.230.51
    SC0.420.170.360.420.360.410.390.44
    元素Element

    TCEXCABFMOOMRESEX+CABFMO+OM
    CdTC−0.19−0.15−0.23−0.06−0.060.03−0.18−0.06
    SC−0.03−0.050.030.14−0.10−0.05-0.030.13
    AsTC0.580.260.080.500.040.580.230.51
    SC0.420.170.360.420.360.410.390.44
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    表 5  低潮滩农田土壤和江水水体中Cd、As形态间的相关矩阵

    Table 5.  Correlation matrix between Cd and As forms in LTF and RW

    元素Element
    TCEXCABFMOOMRESEX+CABFMO+OM
    CdTC0.280.250.390.470.38−0.110.310.46
    SC0.070.000.210.280.19−0.250.060.27
    AsTC0.36−0.180.530.120.86*0.260.420.36
    SC0.12−0.42−0.050.050.530.06−0.140.20
    元素Element
    TCEXCABFMOOMRESEX+CABFMO+OM
    CdTC0.280.250.390.470.38−0.110.310.46
    SC0.070.000.210.280.19−0.250.060.27
    AsTC0.36−0.180.530.120.86*0.260.420.36
    SC0.12−0.42−0.050.050.530.06−0.140.20
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    表 6  低潮滩农田土壤与江水沉积物中Cd、As形态间的相关矩阵

    Table 6.  Correlation matrix between Cd and As forms in LTF and SED

    元素Element
    TCEXCABFMOOMRESEX+CABFMO+OM
    CdTC0.070.05−0.09−0.01−0.040.040.01−0.02
    EX−0.11−0.11−0.12−0.27−0.130.13−0.11−0.26
    CAB−0.23−0.41−0.57−0.16−0.580.27−0.47−0.20
    FMO0.200.190.040.010.200.020.150.02
    OM0.090.12−0.050.100.01−0.040.080.10
    RES0.190.230.010.320.00−0.140.170.30
    EX+CAB−0.15−0.20−0.25−0.26−0.270.18−0.22−0.26
    FMO+OM0.200.180.030.010.180.010.140.03
    AsTC−0.030.730.61−0.04−0.85*−0.020.83*−0.09
    EX−0.340.440.16−0.34−0.49−0.320.34−0.37
    CAB0.670.50−0.550.58−0.110.66−0.160.57
    FMO−0.170.86*0.390.13−0.62−0.200.730.09
    OM0.83*0.13−0.160.400.300.86*−0.060.42
    RES−0.070.490.58−0.15−0.77−0.050.68−0.19
    EX+CAB0.510.54−0.450.43−0.210.51−0.060.42
    FMO+OM0.070.88*0.340.24−0.520.050.700.21
    元素Element
    TCEXCABFMOOMRESEX+CABFMO+OM
    CdTC0.070.05−0.09−0.01−0.040.040.01−0.02
    EX−0.11−0.11−0.12−0.27−0.130.13−0.11−0.26
    CAB−0.23−0.41−0.57−0.16−0.580.27−0.47−0.20
    FMO0.200.190.040.010.200.020.150.02
    OM0.090.12−0.050.100.01−0.040.080.10
    RES0.190.230.010.320.00−0.140.170.30
    EX+CAB−0.15−0.20−0.25−0.26−0.270.18−0.22−0.26
    FMO+OM0.200.180.030.010.180.010.140.03
    AsTC−0.030.730.61−0.04−0.85*−0.020.83*−0.09
    EX−0.340.440.16−0.34−0.49−0.320.34−0.37
    CAB0.670.50−0.550.58−0.110.66−0.160.57
    FMO−0.170.86*0.390.13−0.62−0.200.730.09
    OM0.83*0.13−0.160.400.300.86*−0.060.42
    RES−0.070.490.58−0.15−0.77−0.050.68−0.19
    EX+CAB0.510.54−0.450.43−0.210.51−0.060.42
    FMO+OM0.070.88*0.340.24−0.520.050.700.21
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-29
  • 刊出日期:  2021-07-27

西江下游某滩涂农田土壤与江水中镉砷的分布特征

    通讯作者: E-mail:wuyingxin@scies.org
  • 1. 兰州交通大学环境与市政工程学院,兰州,730070
  • 2. 生态环境部华南环境科学研究所,广州,510655
基金项目:
国家重点研发计划项目(2017YFD0801300)资助

摘要: 珠三角城市化、工业化过程增加了Cd、As的环境释放量,江水沉积物既是污染物的汇,又是沿江农田污染物输入的源,同时江水水体是污染物远距离迁移的主要载体。为防范沿江农田Cd、As的生态环境风险,需加大对Cd、As分布特征的研究。本文对西江下游F市某滩涂农田开展野外调查研究,采集了沿江水样、沉积物和滩涂农田土壤样品,探究了Cd、As在滩涂农田土壤和江水沉积物中的分布特征和相关关系。研究发现,江水水体中Cd总量普遍小于1 µg·L−1,As总量(均值45.80 µg·L−1)与农闲期(均值3.80 µg·L−1)相比显著增大。滩涂农田土壤和沉积物中Cd含量均值呈现低潮滩农田土壤>河流沉积物>高潮滩农田土壤的趋势;As含量均值呈现河流沉积物>低潮滩农田土壤>高潮滩农田土壤的趋势。相关性分析结果表明,低潮滩农田土壤Cd各形态含量与总量之间存在显著相关性(P <0.05),滩涂农田土壤和江水沉积物中As的残渣态与总量呈现极显著相关性(P<0.01);低潮滩农田土壤中As的个别形态与江水沉积物中As的个别形态之间存在着显著相关性(P<0.05)。研究结果表明,相较高潮滩农田土壤与江水沉积物,低潮滩农田土壤Cd形态分布受到规模性的外部输入影响相对较大。滩涂农田土壤和江水沉积物中As主要为残渣态,江水沉积物和低潮滩农田土壤之间存在着明显的As交换,滩涂农田土壤中As受水力冲刷,发生横向迁移。江水水体中Cd受外源污染程度较小,江水水体中As可能来源于农田污染物迁移、农田排水和江水沉积物As释放。本文通过对西江下游滩涂农田Cd、As的存在形态与迁移规律的研究,以期为珠三角滩涂农田安全生产和Cd、As的生态风险防控提供数据支撑。

English Abstract

  • 随着城市化、工业化发展,农用地被其他类型用地挤占的状况愈发严重,沿海省市等经济发达地区的人均耕地面积严重不足 [1]。珠三角地区作为我国经济最发达的地区之一,人均耕地面积呈现不断缩减的态势 [1]。西江下游段流经珠三角地区,流域内河网密布,滩涂面积相对较大,滩涂农田开发已初具规模。有学者指出滩涂农田重金属污染受人为活动影响较大[2],镉(Cd)、砷(As)复合污染是珠三角农田典型的污染形式之一[3],珠三角滩涂围垦农田土壤污染以Cd为主[1],西江沿岸属于高As背景区域[4]且As对人体健康的危害较大[5],土壤Cd、As污染使西江下游滩涂农田的生态风险不断攀升。滩涂在地貌学上称之为“潮间带”,受潮汐作用影响,低潮滩农田土壤(low-tidal flat soil,LTF)会经常被水淹没,相对堤内农田、中潮滩和高潮滩农田土壤(high-tidal flat soil,HTF)而言,低潮滩农田土壤受江河水潮汐作用的影响更大,在暴雨径流、高频度灌溉作业和江水潮汐作用下,滩涂农田连续种植可能存在较高的Cd、As生态风险。

    近年来,国内外学者在滩涂农田重金属污染方面进行了大量研究工作,主要集中于原生滩涂、垦区土壤及其作物中重金属的含量和分布等[1, 6-9]。目前,珠三角地区滩涂农田Cd、As迁移影响因素的研究不多。本文以西江下游某连续从事农业生产的低潮滩农田作为研究区域,以高潮滩农田土壤作为对照,研究低潮滩农田土壤与江水环境(river environment,RE)之间的相关性,并考虑研究区Cd、As分布受到暴雨径流、江水潮汐作用和高频度灌溉作业等迁移驱动力的影响,研究低潮滩农田土壤、高潮滩农田土壤和江水沉积物(river sediment,SED)中Cd、As含量的分布特征,具体而言,初步探究滩涂农田土壤Cd、As在横向上的迁移规律与污染形成机制,江水水体(river water,RW)、江水沉积物对滩涂农田土壤Cd、As分布的影响。

  • 研究区域位于珠三角地区西江下游F市,主要种植叶菜类蔬菜作物,以江水为主要灌溉水源,灌溉方式为水泵抽提江水直接灌溉。滩涂农田沿江呈长条状排布,易遭受高位点汇聚的雨水等径流冲刷。低潮滩农田还会受到潮汐作用的影响,在降雨集中期容易出现淹水等现象。研究区域农田由低潮滩农田和高潮滩农田两部分构成,总面积1.56 hm2,其中低潮滩农田土壤面积0.51 hm2。本次研究包含7个取水点,均处于正常使用中,采样点布置详见图1,样品包括RE 1—7:RW 1—7、SED 1—7,LTF 2a—7b和HTF 1A—7B,采样期间农田均处于待耕阶段,尚未施加肥料等农用物资。

  • 农田重金属主要来源:按照输入途径,农用地重金属污染主要有农业投入品(肥料等)输入、大气输入和水源输入三大来源。为明确农田重金属污染来源,课题组前期对研究区域开展了溯源研究。其中,采用短期的湿法被动采样方式,收集研究区域数份雨水混合样品,用于反映污染物大气沉降情况;调查各茬作物肥料和农药使用情况,用于反映污染物随农用物资输入情况;在作物的苗期、生长期、成熟期,农闲期末,监测江水上覆水重金属含量,用于反映灌溉输入情况。根据对同一时期研究区域农田Cd、As年输入状况的初步估算,输入源取最大值,结果如下[10]:灌溉水(48.39%)对农田Cd年外源输入影响最大,其次为农用物资(46.98%)和大气沉降(4.63%);农用物资(56.17%)对农田As年外源输入影响最大,其次为灌溉水(22.25%)和大气沉降(21.58%)。

    农田规模性外源影响:潮汐引发的低潮滩农田土壤淹水、中雨及以上降雨径流、灌溉进水与排水可能对沿江农田土壤产生较大的影响。

    江水污染物可能来源:陆上交通运输、水路交通;附近工业污废水处理出水入江排放;雨水搬运、农田排水等导致农田污染物迁移;上游污染物长途搬运等。

  • 步骤:2019年8月,选择连续无降水的日期安排样品采集工作(水样在6—11月采集,本文以8月水样为例)。通过奥维互动地图辅助完成采样点布设,并依据定位信息逐次采样。水样采集江水上覆水,0—4 ℃运至实验室,混匀分为两份(n=2),并根据不同测试内容要求尽快完成前处理,于4 ℃冰箱中保存,在规定时间内尽快完成样品检测。土壤采集表层5—15 cm,四分法采样,混合土壤以1 kg左右为宜,江水底泥通过抓斗式采样器抓取。采集的土壤和江水沉积物样品自然风干后去除植物残体和石块,用橡皮锤粉碎后过100目尼龙筛待用,每份样品检测3次,取平均值(±标准差)用于分析。

  • 水样Cd全量(total content,TC)按照HNO3—HClO4混合酸法在电热板上加热消解,采用原子吸收光谱仪(Pin AAcle 900T,PerkinElmer,USA)测定。水样As 全量按照文献中的样品预处理方法[11],在电热板上加热消解,采用原子荧光光谱仪(AFS—9700,北京海光仪器有限公司,中国)测定。水样Cd、As溶解性含量(solubility content,SC):未酸化的水样中能通过0.45 μm滤膜部分的含量。

    土样Cd全量按照HNO3—HF—HClO4三酸法消解,采用原子吸收光谱仪(Pin AAcle 900T,PerkinElmer,USA)测定。土样As全量按照1+1王水水浴法消解,采用原子荧光光谱仪(AFS—9700,北京海光仪器有限公司,中国)测定。Cd、As形态:采用Tessier五步提取法分析土壤中各化学形态的质量分数[12],提取步骤见表1

  • 实验试剂均为优级纯,实验室器皿在使用前均用10%硝酸浸泡24 h以上,使用前用高纯水冲洗干净。实验中均采用20%平行样、GSF—3标准土样和GSS—16标准土样进行质量监控,误差控制在5%以内。检测项目标准曲线的R2值均高于0.995,数据精度和准确度均符合要求。

  • 实验数据统计分析及数据图制作采用Microsoft Excel 2016、SPSS 22. 0和Origin 9.0。

    同时,本研究引入活性系数(Mobility Factor,MF),用于表达土壤中重金属的生物可利用性,其计算公式[13]为:

    式中,EX、CAB、FMO、OM、RES分别代表各形态重金属的含量,mg·kg−1

  • 低潮滩农田土壤、高潮滩农田土壤和江水沉积物以中性和弱酸性为主,江水沉积物 pH的95%置信区间为(4.43,6.39),低潮滩农田土壤 pH的95%置信区间为(5.07,6.78),高潮滩农田土壤 pH的95%置信区间为(5.84,7.17),pH均值分布大致为高潮滩农田土壤>低潮滩农田土壤>江水沉积物。pH值与Cd、As形态分布无显著线性相关性。可以初步判断各点位Cd、As形态分布受外源影响,该影响破坏了Cd、As的形态发育。

  • 江水沉积物、低潮滩农田土壤和高潮滩农田土壤中Cd、As含量均值见图2。从Cd含量的分布来看,高潮滩农田土壤含量小于江水沉积物和低潮滩农田土壤,除个别点外,低潮滩农田土壤含量普遍大于江水沉积物,可见江水沉积物中Cd的累积能力有限,可能受江水水体频繁冲刷,洪涝等影响;初步判断外源因素对低潮滩农田土壤的影响倾向于输入。从As含量的分布来看,高潮滩农田土壤含量小于江水沉积物和低潮滩农田土壤,除个别点之外,低潮滩农田土壤含量普遍小于江水沉积物,初步判断外源因素对潮滩农田土壤As的影响倾向于输出。

    对照《农用地污染风险管控标准(试行)》(GB15618—2018),滩涂农田土壤普遍受到Cd、As的复合污染,除极少数几个位点之外,低潮滩农田土壤中Cd、As污染程度均高于风险筛选值。胡文友等[14]对大量蔬菜研究发现,叶菜类作物对Cd的富集能力最强,即使土壤Cd的含量普遍较低,叶菜类依旧具有较强的富集能力以及较高的潜在暴露风险。因此,应当加强低潮滩农田土壤农产品Cd、As的质量监测,对超过风险管制值的农田应当采取禁止种植食用农产品、退耕还林等严格管控措施。

  • 重金属元素在土壤中的形态分布常用形态分布系数(MDF,%)表示,即某一形态含量占各形态含量之和的百分数[13]。不同形态的重金属产生不同的环境效应与生物毒性,具有不同的移动性和生物利用率,根据各形态生物可利用性[15],分为有效态(EX+CAB)、潜在有效态(FMO+OM)和不可利用态(RES)。Cd、As的MDFs和生物有效性特征见图3

    由Cd的MDFs可知,江水沉积物中RES(42.91±22.96)占比最大,其次为EX(22.75±10.84)、FMO(18.01±8.36),OM(4.03±0.84)占比最小。低潮滩农田土壤中FMO(33.79±7.30)占比最大,其次为RES(26.31±7.63)、EX(25.88±5.62),OM(4.33±1.02)占比最小。高潮滩农田土壤中RES(38.09±20.83)占比最大,其次为EX(23.64±12.64)、FMO(17.05±12.63),OM(7.02±5.15)占比最小。

    由As的MDFs可知,江水沉积物、低潮滩农田土壤和高潮滩农田土壤中RES占比最大,其次为FMO、OM,EX占比最小。

    江水沉积物中Cd不同形态(有效态、潜在有效态和不可利用态)含量分别为(0.62±0.30)、(0.39±0.20)、(0.75±0.42)mg·kg−1,As不同形态含量分别为(0.12±0.02)、(6.15±1.31)、(32.34±10.07)mg·kg−1。低潮滩农田土壤中Cd不同形态含量分别为(0.74±0.31)、(0.76±0.30)、(0.53±0.29)mg·kg−1,As不同形态含量分别为(0.16±0.03)、(6.35±2.26)、(24.37±5.39)mg·kg−1。高潮滩农田土壤中Cd不同形态含量分别为(0.23±0.08)、(0.12±0.05)、(0.21±0.11)mg·kg−1,As不同形态含量分别为(0.11±0.03)、(5.04±0.81)、(21.18±7.36)mg·kg−1

    江水沉积物、低潮滩农田土壤和高潮滩农田土壤中Cd的主要赋存形态分别为RES、FMO和EX,RES的MDFs均值大于EX。江水沉积物、低潮滩农田土壤和高潮滩农田土壤中Cd的有效态含量均相对较高,其中低潮滩农田土壤中有效态和潜在有效态Cd均值最高,江水沉积物中RES均值最高。江水沉积物、低潮滩农田土壤和高潮滩农田土壤中As主要赋存形态为RES,其余四态含量相对较低,含量变化无显著规律,生物不可利用态含量最高,其它形态含量相对较低,且相对较为稳定。江水沉积物中As的全量和RES均值大于滩涂农田土壤,且RES均值呈现从高位点到低位点递增的趋势,进一步验证了灌溉排水和暴雨径流冲刷等对滩涂农田As迁移可能存在输出影响。

    低潮滩农田土壤、高潮滩农田土壤和江水沉积物中As、Cd含量比值见表2。从总量上来看,该研究区As、Cd的含量存在着数量级上的差异;从形态分布来看,Cd的EX、CAB含量高于As,可见Cd的生物有效态含量较高。江水沉积物的As、Cd含量比值与低潮滩农田土壤相对接近,均明显异于高潮滩农田土壤,初步判断前两者可能受到相同频繁的外源影响,江水泛滥是可能性较大的因素之一。

  • 土壤中重金属的活性很大程度上取决于其赋存状态,MF能够反映土壤中不同重金属可被生物利用的潜力,进而反映对环境构成潜在危害的能力[13, 15]。经计算得出,江水沉积物、低潮滩农田土壤和高潮滩农田土壤中Cd的MF(%)均值分别为35.05±15.59、35.57±5.63和40.70±13.60,江水沉积物、低潮滩农田土壤和高潮滩农田土壤中As的MF(%)均值分别为0.33±0.11、0.53±0.15和0.44±0.11,可见江水沉积物中Cd的活性最低,与低潮滩农田土壤Cd的活性接近,均低于高潮滩农田土壤;低潮滩农田土壤As的活性最大,江水沉积物中As的活性最小,可见低潮滩农田土壤中Cd、As活性处于极高水平。除灌溉进水与排水之外,高潮滩农田土壤Cd活性也可能受道路雨水径流影响,低潮滩农田土壤中As活性也可能受江水泛滥和高位点雨水径流等影响。

  • 外源重金属进入土壤后易被截留于表层,需要一个较长的周期重新分布,各位点重金属形态发育与位点的土壤理化属性、人为影响等有关,往往存在较大差异。为进一步探究农田土壤Cd、As的形态分布的机理和受淹水、降雨径流等外源的影响程度,对江水沉积物、低潮滩农田土壤和高潮滩农田土壤中Cd、As各形态含量与其全量进行相关性分析,结果见表3。江水沉积物、高潮滩农田土壤中Cd各形态含量与其全量相关性均不显著,说明其Cd的累积和形态分布存在着较大的差异,不存在规模性(如面源)影响,各位点受局部影响较大。相反,低潮滩农田土壤中Cd的全量与各形态含量相关性达到显著或极显著水平;由图3可知,其不可利用态含量低于江水沉积物,高于高潮滩农田土壤,其他形态高于江水沉积物和高潮滩农田土壤。由图2可知,除个别位点之外,低潮滩农田土壤中Cd均值普遍大于江水沉积物和高潮滩农田土壤,Cd在低潮滩农田土壤呈现出明显的整体性的分布规律,可见低潮滩农田土壤中Cd受到规模性地频繁地干预/干扰——高位点的雨水搬运、潮汐作用引发的江水沉积物颗粒的输入,使原有或外源Cd的存在、转化趋势受到显著影响,呈现长期规模性的输入累积特征。As的RES与全量呈现极显著相关性,从侧面进一步说明了江水沉积物、低潮滩农田土壤和高潮滩农田土壤中As主要为RES。

  • 8月(农忙期)研究区江水Cd、As的含量均值见图4。其中,自然未受污染的水体中Cd含量普遍低于1 µg·L−1,已知7月农闲期间雨后江水水体中Cd、As含量分别为(0.28±0.08)、(3.80±0.73)µg·L−1。对比农闲期,As 的全量显著增大,可能受农田污染物迁移、江水沉积物释放的影响. Cd 的全量和溶解性含量 Pearson 相关系数为 0.90(P<0.01),且沿岸江水水体江水中 Cd 含量普遍小于 1 μg·L−1,可见 Cd 受外界污染的影响相对较小.

    个别点存在异常值情况,可能与沿岸农田排水和江水沉积物中Cd溶解或颗粒形态释放等过程有关。As的全量和溶解性含量Pearson相关系数为0.67,无显著相关性,可见江水水体中As受到多元的污染,可能与滩涂农田土壤中As的淋溶影响有关。

  • 江水沉积物和江水水体、低潮滩农田土壤和江水水体中Cd、As的含量没有显著相关性(结果分别见表4表5)。低潮滩农田土壤与江水水体中Cd的溶解性含量相关性系数较全量更小,这可能与溶解性含量较低、占比相对较少有关,发生同源迁移/累积的组分主要为悬浮颗粒相。低潮滩农田土壤中As的OM含量与江水水体中As的全量呈现显著极强相关,二者极可能具有相同来源(不排除偶发性),江水水体泛滥和农灌是可能性较大的因素。

    低潮滩农田土壤与江水沉积物中Cd、As的相关性分析结果见表6。其中,低潮滩农田土壤与江水沉积物中Cd各形态间相关性均未达到显著水平。低潮滩农田土壤中As的全量与江水沉积物中As的OM含量呈现显著极强负相关,二者不具有相同累积来源,也可能是由于江水沉积物中As的OM含量相对较小所致。

    其中,低潮滩农田土壤与江水沉积物中As的某些形态间相关性达到显著水平。低潮滩农田土壤中As的全量与江水沉积物中As的有效态含量呈现显著极强相关。

    低潮滩农田土壤中As的FMO含量与江水沉积物中As的EX含量呈现显著极强相关。低潮滩农田土壤中As的OM含量与江水沉积物中As的总量呈现显著极强相关,与江水沉积物中As的RES含量呈现显著极强相关,前文发现低潮滩农田土壤中As的OM与江水水体中As的全量呈现极强相关,说明低潮滩农田土壤中As的OM可能通过水体溶解/悬浮形式—吸附/沉降作用向江水沉积物迁移。低潮滩农田土壤中As的潜在有效态含量与江水沉积物中As的EX含量呈现显著极强相关。

    综上可见,江水沉积物和低潮滩农田土壤之间存在着显著性的As交换,进一步推断As在江水沉积物和低潮滩农田土壤之间通过江水水体发生双向迁移,发生形式可能与江水水体灌溉/江水环境泛滥等有关。

    结合江边农田地形、降水等环境特征、灌溉状况以及相关性分析,可大致发现,江边农田灌溉系统中Cd、As的潜在来源有江水沉积物、上游江水和农田排水等地表径流(见图5)。该局部系统江水水体中Cd、As潜在来源有江水沉积物、上游江水和农田污染物,农田污染物迁移是滩涂灌溉取水区As含量升高的主要因素。滩涂农田土壤中As在高频灌溉作业和降水影响下随地表径流、江水水体等迁移,同时江水中As也会再次通过灌溉进入滩涂农田土壤,呈现明显的横向迁移特征。

  • 本文对西江下游某滩涂农田土壤与西江Cd、As的分布特征研究,可获得以下结论:

    (1)当地滩涂农田土壤和江水沉积物中Cd的生态风险高于As,低潮滩农田土壤中Cd、As活性处于极高水平。低潮滩农田土壤中Cd存在规模性的外源输入,以非残渣态为主,生物活性极高,迁移能力很强,江水沉积物和高潮滩农田土壤中Cd受局部影响较大。滩涂农田土壤和江水沉积物中As主要以RES存在,其中江水沉积物中As的全量和RES最大,滩涂农田土壤中As呈现向低位点迁移的趋势,降雨径流等是可能性较大的迁移方式。

    (2)江水水体中Cd受外源污染较小,As的全量较农闲期显著增大,可能受农田污染物迁移等影响。滩涂农田土壤中As呈现从高位点向低位点迁移的现象,可能借助水动力主要以溶解形态/非残渣态发生横向迁移。江水沉积物和低潮滩农田土壤之间存在着明显的As交换,江水泛滥/农灌是可能性较大的交换途径。

    (3)灌溉进水可适当加强净化力度,优化中间生产构筑物的结构,增加截留效果和减少外源降雨径流等的污染。优化潮滩农田排水系统,完善农田排水(包括降雨径流)的过程构筑物和末端处置。

参考文献 (15)

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