华北小麦玉米轮作体系下土壤重金属污染研究进展
时间：2021-02-01 12:13:45 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：我国工业发展迅速，工业生产所产生的废气、废水、废渣的不达标排放以及交通运输和农业生产活动中各种农资的使用与污水灌溉等活动致使土壤中重金属含量明显增加。土壤中重金属通过食物链在人体内积累，对生态环境和人体健康造成严重威胁。华北地区粮食产量约占全国产量的1/3。调查分析华北地区农田小麦玉米轮作体系下土壤重金属来源及污染现状对农产品安全具有重要意义。该文综述了华北平原农田小麦玉米轮作体系下土壤重金属污染来源和污染现状，分析了重金属对农产品安全的影响，并对今后土壤重金属污染的防治研究进行了展望。
关键词：华北;小麦玉米轮作体系;重金属污染;农产品安全
中图分类号：S344.1+3：X53文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）12-0144-08
华北平原涵盖京津冀、山东、河南、安徽、江苏等省市，是我国第二大平原，海拔多在50 m以下[1]。其中小麦玉米轮作区包括河北、河南、山东和山西。华北平原农田小麦玉米轮作区耕地总面积为1 220.42×104 hm2，其中玉米产量约占全国产量的1/5，小麦产量超过全国产量的1/3[2，3]，在我国的粮食产量和农产品安全方面占有重要地位。因此，保护华北地区农业生态环境对农产品和粮食安全具有极其重要的意義。随着经济与社会的发展，人类各种活动如矿产开发、工业生产、农业生产和商业等都对环境造成一定伤害。这些活动的直接后果之一就是重金属沉积在土壤表层。重金属对植物、动物和生态系统的伤害不容小觑。重金属通过食物链、呼吸系统和皮肤接触等途径进入人体，影响人的身体机能。重金属会导致人体发育迟缓，引发多种癌症，损害肾脏，造成内分泌紊乱，以及对免疫和神经系统产生影响等。低浓度重金属刺激植物生长，高浓度重金属会对植物造成一定损害：Zn和Cd会降低植物的代谢活性，引起氧化损伤;Cu产生氧化应激;Hg可引起生理失调;Cr在CO2固定、电子传输、酶活性等方面影响光合作用;Pb诱导植物异常形态等等[4-6]。在全球环境变化趋势日益严峻的背景下，重金属污染研究成为当前生态环境研究的热点。重金属在土壤中的来源、转化以及输出是一个复杂的动态生物化学过程，受到多种因素的影响，所以华北小麦玉米轮作区重金属污染研究仍然存在不确定性。目前，对于农田土壤重金属污染研究以南方水稻种植体系较多，对于华北地区玉米小麦轮作体系重金属污染研究较少。本研究对华北小麦玉米轮作体系重金属来源、重金属污染现状等方面进行了阐述，并根据当前污染现状分析了重金属对农产品的危害，为进一步推进华北地区乃至我国重金属污染研究提供参考。
1 重金属来源
重金属的人为来源，主要为污水灌溉、工业生产和交通、农用物资的使用、固体废弃物的堆放、大气沉降等。工业“三废”是指废水，废气和固体废弃物。农用物资包括：化肥、农药和农膜的使用等[7]。研究土壤中重金属污染来源的主要方法有：多元统计法、空间分析法和重金属同位素比值法等[8]。董同喜等[9]指出，华北小麦玉米轮作体系畜禽粪便有机肥是Cu、Zn、Cd、Ni、Pb、Cr的主要输入源，磷肥为土壤Hg、As 的主要输入源。
1.1 污水灌溉
华北地区水资源匮乏，污水灌溉现象比较普遍。污水灌溉虽然节省水资源，给土壤带来一些营养物质，但是废水中含有一定量的重金属，导致重金属在农业生态系统中积累，造成农产品质量下降[10]。Balkhair等[11]指出，沙特阿拉伯西部地区污灌区重金属Cr、Pb、Cd、Mn含量高，农产品可食用部位健康风险指数（HRI）>1，有潜在的健康风险。Meng等[12]指出，污水灌溉土壤中Cd、Cu、Pb、Zn、Ni、Cr和Hg的含量比清水灌溉土壤高得多;表层土重金属含量远高于深层土壤;在天津地区使用未经处理的废水灌溉，土壤中出现了大量重金属Cd、Zn和Hg，造成严重污染。这一结论与Wang等[13]所得结论相似。解文艳等[14]通过对污水灌溉区重金属相关性分析得出，Pb、Zn、Cu、Ni、Mn、Cr、As、Cd重金属之间呈极显著相关，因此，这些重金属可能来自相同的污染源。Liu等[15]指出，土壤中Cd、Cu、Hg、Pb、Zn、Cr的污染主要来源于农业生产实践，特别是污水灌溉。Zhang等[16]指出，山东污灌区重金属含量高于清水灌溉区，同时通过对149个土样研究表明，大多数重金属含量比当地农田土壤的背景值高。薛占军[17]分别从保定、石家庄、沧州、衡水等污灌年限较长的地区采样，测定其重金属含量发现，Pb、Zn、Cu、Ni、Mn、Cr、As、Cd、Hg等都存在明显的累积特征。在石家庄和保定地区，Hg、Cd、Zn、Pb和Cu的累积量已经达到中上水平，不仅污染环境，同时也造成了一定程度的生态危害。综上所述，污水灌溉是华北小麦玉米轮作体系下农田土壤重金属污染的主要来源之一。
1.2 农用物资的使用
农用物资包括农业运输机械、生产及加工机械、农药、种子、化肥、农膜等。其中农药、肥料和农膜均会对土壤及农产品产生一定的污染，造成生态危害。目前在我国由农药、肥料和农膜产生的面源污染问题已经十分严重，成为制约农业发展的重要因素[18]。研究表明在农田土壤中，农药和化肥的利用率较低，大部分的农药和化肥通过挥发扩散等途径进入大气、土壤和水体中，对农产品质量和人体健康造成了一定影响[19]。
肥料一般分为有机肥和化肥。有机肥是有机废弃物经过发酵堆积而成，有机废弃物主要有粪便、秸秆和污泥等。有机肥能够增加土壤中有机质含量，增加土壤养分，但是这些有机废弃物中含有一定的重金属，影响土壤中重金属含量。有机肥提高了土壤中Cu、Zn和Cd的含量[20]。不同种类化肥中重金属含量也有所不同。如磷肥大多是高温加热磷矿石产生，导致磷肥中含有多种重金属元素。多项研究结果表明，增施化肥土壤中Cd、Pb含量增加，磷肥的增施与土壤中重金属的含量呈显著相关[21]。 李树辉[22]指出，化肥和有机肥对农田土壤中重金属的输入量主要取决于化肥和有机肥的使用量及其中重金属的浓度。一般情况下，化肥的重金属输入量大于有机肥。马骥[23]指出，华北地区农田有机肥的施用量少于化肥。因此可以得出，化肥的使用是华北地区小麦玉米轮作体系重金属的主要来源之一。唐海龙[24]通过对山东沂蒙地区小麦玉米轮作体系采样分析表明，增施有机肥使土壤中Cu含量增加趋势更加明显，但是在播种后期，增施化肥使土壤中Cu含量略有增加;增施有机肥使土壤中Zn含量减少，增施化肥使土壤中Zn含量增加。小麦和玉米播种前后，增施有机肥和化肥都会使土壤中Pb含量增加，同时，在农田中使用农用机械，燃料的燃烧也会使土壤中Pb含量增加。在小麦和玉米生长期内，施用化肥可使土壤中Cr含量增加。王美等[25]对河南郑州小麦玉米轮作体系采样分析，结果表明长期施用化肥没有增加土壤中Cu、Zn、Cd的含量，施用磷肥和有机肥可增加土壤中Zn、As和Hg的含量。
