重金属在土壤-甘蔗中迁移规律及糖业产品中的分布特征研究

摘要

本研究以广西环江县某尾矿库溃坝影响区环江流域上游（A区）、中游（B区）和下游（C区）的甘蔗大田为典型研究区，通过田间调查和布点采样，进行土壤重金属全量(Cu、Zn、Pb、Cd、As、Ni、Cr)和形态、甘蔗重金属含量以及土壤理化性质（pH、有机质、EC等）分析。利用GIS技术和多元数学统计法，系统研究了土壤-甘蔗中重金属的污染水平、生态风险、健康风险、富集特性、影响机制、迁移规律、迁移定量模型以及重金属在糖业产品甘蔗汁、甘蔗渣和白砂糖中的分布特征。取得了以下主要研究结果:　　1、基于土壤环境风险的优先管控重金属指标筛选研究　　分别采用内梅罗综合污染指数法、区间数排序法和人体健康风险模型法对各研究区的土壤质量进行了综合评价。以国家土壤环境质量标准(GB15618-1995)二级标准值进行土壤综合评价，结果表明，A区综合污染指数为4.60，土壤受到严重污染，主要污染物有Cd、Pb、As和Zn;B区综合污染指数为0.53，土壤处于清洁状态;C区综合污染指数为1.05，土壤污染程度为轻污染，主要污染物有Pb。基于区间数排序法的潜在生态风险(Vi)变化序列:按区域A＞C＞B，按元素Cd＞Pb＞As＞Zn＞Cu＞Ni＞Cr。人体健康风险评价结果表明土壤重金属对儿童和成人的总非致癌风险和总致癌风险分别为3.26、0.47和9.93×10-5、5.94×10-5，二者主要来源于Pb、Cd和As。综合考虑，将Pb、Cd和As作为区域优先管控的重金属。　　2、重金属在土壤-甘蔗中的富集特性及迁移规律　　(1)通过对土壤和甘蔗进行监测采样，分析甘蔗各部位重金属(Pb、Cd和As)的累积分布特征。甘蔗中Pb和As的分布规律为:根＞叶＞茎，而Cd则为根＞茎＞叶，且甘蔗不同部位对Pb、Cd和As的积累量差异性极显著。甘蔗根、茎、叶中的Pb、Cd和As含量均随土壤综合污染指数的增加而显著上升。A区甘蔗根Pb、Cd和As的平均含量分别为161.08、0.61和10.28mg/kg，Pb是B、C区的7.73、2.59倍，Cd是B、C区的2.51、2.18倍，As是B、C区的4.05、1.95倍。(2)通过对富集系数、转移系数和吸收量的计算对比以探究甘蔗在土壤-甘蔗中的迁移规律。结果表明，不同污染区甘蔗在对Pb、Cd和As的富集能力方面存在较大差异，轻污染C区甘蔗根Cd富集系数大于1，达到1.60。重金属从甘蔗根部向地上茎、叶的转移能力存在差异性，且转移系数随土壤重金属污染程度增加呈递减趋势，无污染B区甘蔗茎Cd转移系数可以达到0.60。A区甘蔗对Pb、Cd和As的理论吸收量最大，分别达到936.9g/hm2、7.22g/hm2和54.2g/hm2。　　3、重金属在土壤-甘蔗中迁移定量模型的拟合构建　　(1)选取富集系数作为土壤-甘蔗中重金属迁移能力的指标，甘蔗对重金属的吸收累积能力总体上呈现为Cd＞Pb＞As。土壤重金属形态分析结果表明，Cd、Pb的非残渣态含量较高，具有较高的潜在生物有效性，As主要存在于残渣态中，较稳定，生物有效性依次为Cd＞Pb＞As。土壤Cd的潜在生物有效性较高，导致其在土壤-甘蔗中具有较高的迁移能力;(2)通过对甘蔗根重金属富集系数与土壤重金属的形态、pH、有机质、阳离子交换量、电导率等土壤理化指标进行相关性分析和主成分分析，采用多元线性回归法拟合建立土壤-甘蔗中重金属迁移定量模型。结果表明，土壤pH、OM、阳离子交换量、EC、重金属弱酸提取态、可还原态是影响土壤-甘蔗中重金属Cd、Pb和As迁移累积的主要因素。重金属Cd的迁移模型满足对数线性模型，模型决定系数为0.831，具体方程表达为LnEI=-4.64-0.14LnⅠ-0.14LnⅡ-0.43LnⅢ-0.12LnⅣ-0.90LnpH+0.40LnOM-0.72LnTN+0.36LnTP+1.03LnTK+0.12LnCEC-0.10Ln EC，利用该模型对重金属Cd的迁移累积进行预测评价，达到显著预测水平，R2=0.88。　　4、重金属在糖业产品中的分布特征　　基于糖业产品甘蔗汁、甘蔗渣及白砂糖重金属定量分析结果，甘蔗汁和甘蔗渣中Pb和As含量在轻污染C区最高，甘蔗汁Cd含量在重污染A区最高，甘蔗渣Cd含量在轻污染C区最高。以《食品中污染物限量》(GB2762-2012)、《饲料卫生标准》(GB13078-2001)和《白砂糖》(GB317-1998)采用综合污染指数法评价，结果表明，甘蔗汁和甘蔗渣中Pb、Cd和As均属于安全级别。白砂糖中Pb、Cd和As含量低于规定标准值，可安全食用且可用于其他产品原料。另外，甘蔗汁中的蔗汁锤度、蔗汁纯度、蔗糖分、蔗糖还原糖等均处在较好水平，品质良好。　　5、不同甘蔗品种对重金属累积量差异性研究　　通过大田试验中进一步检验柳城03/1137、柳城05/136、桂糖42号、桂糖29、桂辐98/296、台糖27号和台优七种甘蔗对重金属累积量的差异性。试验结果表明，在Pb/As/Cd复合污染达到中度污染的条件下，桂糖42的抗逆性最好，其株高和亩产量最大，达到240.4cm和5412kg，对Pb、Cd和As的理论最大吸收量分别为11.49kg/hm2、53.97kg/hm2和0.54kg/hm2。甘蔗汁中As、Cd和Pb三种重金属含量分布范围为0.001～0.002、0.001～0.003、0.042～0.077mg/kg，符合规定的标准值，可实现重金属污染农田甘蔗安全生产。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 土壤重金属污染

1．1．1 土壤重金属污染来源

1．1．2 土壤重金属环境质量评价

1．1．3 土壤重金属污染对农产品质量的影响

1．1．4 农产品重金属污染的健康风险

1．2 土壤-甘蔗中重金属研究进展与存在问题

1．2．1 土壤重金属的有效性

1．2．2 甘蔗中重金属的富集与分布

1．2．3 土壤-甘蔗中重金属的关联特征

1．2．4 土壤-甘蔗中重金属迁移转化的影响机制

1．2．5 土壤-甘蔗中重金属研究存在的问题

1．3 课题目的、研究内容及技术路线

1．3．1 研究目的和意义

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

1．3．4 创新点

1．3．5 研究区域概况

第二章 基于土壤环境风险的优先管控重金属筛选研究

2．1 材料与方法

2．1．1 样品采集

2．1．2 样品处理与分析

2．1．3 土壤环境质量评价

2．1．4 土壤环境风险评价

2．1．5 统计分析

2．2 结果与讨论

2．2．1 土壤重金属空间分布特征

2．2．2 土壤重金属污染评价

2．2．3 土壤重金属生态风险评价

2．2．4 土壤重金属健康风险评价

2．3 本章小结

第三章 重金属在土壤-甘蔗中迁移规律研究

3．1 材料与方法

3．1．1 样品处理

3．1．3 富集系数和转移系数

3．1．4 数据统计

3．2 结果与讨论

3．2．1 重金属在重度污染土壤-甘蔗中的迁移

3．2．2 重金属在轻度污染土壤-甘蔗中的迁移

3．2．3 重金属在无污染土壤-甘蔗中的迁移

3．2．4 不同污染区甘蔗中重金属富集特性比较

3．3 本章小结

第四章 重金属在土壤-甘蔗中迁移模型建立

4．1 重金属富集系数的比较

4．2 土壤环境因子

4．2．1 土壤理化性质

4．2．2 土壤重金属全量

4．2．3 土壤重金属有效态

4．3 相关性分析

4．4 土壤-甘蔗环境因子分析

4．5 迁移模型方程的建立

4．6 本章小结

第五章 重金属在糖业产品中的分布特征研究

5．1 材料与方法

5．1．1 样品前处理

5．1．2 分析项目及方法

5．1．3 评价标准

5．1．4 安全性分析

5．2．1 重污染区甘蔗汁和甘蔗渣中重金属的分布特征

5．2．2 轻污染区甘蔗汁和甘蔗渣中重金属的分布特征

5．2．3 无污染区甘蔗汁和甘蔗渣中重金属的分布特征

5．2．4 不同污染区甘蔗汁及甘蔗渣中重金属分布比较

5．2．5 重金属对甘蔗汁品质的影响

5．2．6 白砂糖中重金属残留量

5．3 本章小结

第六章 不同甘蔗品种对重金属富集特性研究

6．1 材料与方法

6．1．1 试验场地

6．1．2 试验材料

6．1．3 试验设计

6．1．4 试验实施

6．1．5 数据处理

6．2 结果与讨论

6．2．1 重金属对不同糖蔗品株高的影响

6．2．2 重金属对不同糖蔗品种含糖量的影响

6．2．3 重金属对不同糖蔗品种产量的影响

6．2．4 不同甘蔗各部位重金属的分布特征

6．2．5 整株甘蔗富集重金属量

6．2．6 甘蔗汁的安全性

6．3 本章小结

7．1 研究结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的研究成果