重金属在土壤蔬菜系统的迁移与分布特征本科学位论文.docx
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重金属在土壤蔬菜系统的迁移与分布特征本科学位论文
毕业论文
题目：
重金属在土壤-蔬菜系统的迁移与分布特征
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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作者签名：
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摘要
本文将对衡阳市水口山铅锌矿区周边蔬菜地的土壤和15种蔬菜作为研究对象，测定了土壤pH、含水率、有机质、矿质元素、重金属含量等基本理化性质，通过实验分析数据运用相关软件研究了矿区周边蔬菜地的土壤与蔬菜重金属的迁移与分布特征，分析了不同蔬菜体内的重金属含量以及吸收能力和富集能力的差异，得出以下结论：
1）衡阳市水口山铅锌矿区周边蔬菜地的土壤受重金属铅、镉、锌污染严重，积累现象明显，铜污染较轻。
2）衡阳市水口山铅锌矿区周边蔬菜地蔬菜重金属镉、铅、锌、铜含量平均值均高于《食品限量卫生标准》,蔬菜重金属含量严重超标。
3）可食部分茼蒿、苋菜、香菜中镉、铜、铅、锌的含量较高，它们对这四种金属的吸收能力较强，白菜、白萝卜、胡萝卜中镉、铜、铅、锌的含量较少，它们对这四种重金属吸收能力相对能力较弱。
4）用于测定的15种蔬菜对镉、铜、铅、锌四种重金属的富集能力趋势是：
镉、锌、铅、铜，蔬菜对镉的富集能力是最强的，远远高于其他三种蔬菜。
15种蔬菜中茼蒿、芹菜、苋菜、芥菜等对四种重金属的富集能力都较高，其属于叶菜类蔬菜，除了可以从土壤中吸收重金属元素外，对空气中的重金属的吸附作用也较为明显。
关键词：
矿区土壤蔬菜重金属污染
Title：
Heavymetals'migrationanddistributioncharacteristicsinsoilandvegetablessystem
Abstract:
Thispaperresearchthesoiland15kindsofvegetableswhicharearoundofLead-zincmineinHengyangcity.wehavedeterminedthepH,Moisturecontent,Organicmatter,MineralelementsandHeavymetalcontentofthesoil.wehaveresearchedtheHeavymetals'migrationanddistributioncharacteristicsinsoilandvegetablessystem,Ireachedadecision.
1、ThesoilaroundedofLead-zincmineinHengyangcityhasbeenpollutedbylead,zincandcadmiumseriously.It'spollutedbycopperslighted.
2、Thecontentsoflead,zinccadmiumandcopperaremorethanthestandardoffoodsafety,Thecontentofheavymetalsexceedsbidseriously.
3、Thecontentsoflead,zinccadmiumandcopperinTongHao,three-coloredamaranthandparsleyarethemost,theyabsorbmoreheavymetalsthancabbagesandturnips.
4、Theenrichmenttotheheavymetalsof15kindsofvegetablesisdifferent,thecontentofcadmiumisthemost,thecontentofleadislessthanthatofzinc,thecontentofcopperistheleast.Theabilitytocadmiumenrichmentofvegetablesisthestrongest.theabilitytocadmiumenrichmentofTongHao,celeryandmustardisbetterthanothers.Theybelongtotheleafvegetables,theycanabsorbheavymetalformthesoilandair.
Keywords:
MiningareaSoilVegetableheavymetalspollution
目录
引言…………………………………………………………………………………5
第1章文献综述…………………………………………………………………5
1.1重金属污染概述…………………………………………………………5
1.1.1来源与特点………………………………………………………5
1.1.2危害………………………………………………………………7
1.2重金属污染现状………………………………………………………7
1.2.1我国城郊菜地土壤重金属污染现状……………………………7
1.2.2我国城郊菜地蔬菜重金属污染现状……………………………8
1.3重金属污染评价…………………………………………………………8
1.3.1土壤中重金属污染评价…………………………………………8
1.3.2蔬菜中重金属污染评价…………………………………………9
第2章实验部分…………………………………………………………………9
2.1实验材料…………………………………………………………………9
2.1.1采样点的概况…………………………………………………9
2.1.2样品的采集与前处理…………………………………………10
2.2实验方法………………………………………………………………10
2.2.1标准曲线的指定………………………………………………10
2.2.2植物样品的消解与制备………………………………………10
2.2.3土壤样品的消解与制备………………………………………11
2.2.4样品待测液中金属浓度测定…………………………………11
2.2.5植物富集系数的分析…………………………………………11
2.2.6土壤和蔬菜污染评价…………………………………………11
第3章数据分析………………………………………………………………14
3.1土壤重金属……………………………………………………………14
3.1.1土壤的基本理化性质…………………………………………14
3.1.2土壤重金属含量分析…………………………………………15
3.1.3土壤重金属污染评价…………………………………………16
3.2蔬菜重金属……………………………………………………………17
3.2.1蔬菜重金属含量分析…………………………………………17
3.2.2蔬菜富集能力分析……………………………………………26
3.2.3蔬菜重金属污染评价…………………………………………28
结论………………………………………………………………………………32
致谢………………………………………………………………………………32
参考文献…………………………………………………………………………33
引言
重金属是密度大于5.0g/cm3的一组金属元素,其中包括镉、汞、铅、铝、银、锡等约40多种金属元素。
这些元素在岩石形成过程中主要以分散的形式存在。
随着全球经济的迅速发展及工业化进程的不断推进，现如今与重金属相关的行业企业越来越多，其污染物通过各种途径进入土壤，造成世界各国土壤不同程度的重金属污染。
同时，种植在土壤上的农产品的质量安全问题也一直是人们关注的焦点。
有关研究发现以土壤-蔬菜系统为例，我国各大城市中均存在不同程度的重金属污染，其中镉、铅的污染尤为严重。
本文以衡阳市水口山铅锌矿区周边18个点的蔬菜地土壤-蔬菜系统为研究对象，对不同土壤、蔬菜样品的重金属（镉、铜、铅、锌）含量的测定，充分了解该矿区周边蔬菜地中这四种重金属的基本情况，以期对类似区域的重金属污染起到一定的预示和预警作用；也可以为治理农业环境污染和控制蔬菜质量提供一定的参考，为防止重金属污染危害人体健康提供一定的依据。
第1章文献综述
1.1重金属污染概述
在环境污染研究中所说重金属主要是指Hg、Cd、Pb、Cr以及类金属As等生物毒性显著的元素，还包括具有一定毒性的一般重金属Zn、Cu、Co、Ni、Sn等元素。
上述元素中，有些在植物生长发育中并不需要，且对人体健康有明显危害；有些是生物所必需的微量元素，但在含量达到一定值后也会成为有害的环境污染元素。
土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属加入到土壤中，致使土壤中重金属含量明显高于原有含量，并造成生态环境恶化的现象。
1.1.1来源与特点
土壤在形成过程中就含有一定量的重金属，即所谓的土壤环境背景值。
但其中的重金属还远不至于对土壤环境构成威胁。
土壤中重金属污染主要由人类的工农业活动造成的。
其污染来源主要有以下几方面：
首先，工业“三废”随大气沉降、污水和固体废弃物进入土壤，使重金属以不同形态在土壤中吸附和转化。
其次，金属矿山的开采、冶炼及重金属尾矿、冶炼废渣和矿渣堆放等，都可以产生含重金属离子的工业废水，其中的重金属随着排水和降雨进入水体或直接进入土壤，造成土壤重金属污染。
黑色和有色冶金企业排放的大部分重金属（95％以上）以工业粉尘的形式进入土壤，还有一些随大气沉降、水体最终进入土壤。
最后是农药、化肥等农用物资的使用。
个别农药在其组成中含有Hg、Cu、Zn和Fe等重金属。
而有机氯农药和重金属（Pb、As、Hg）制剂因性质稳定，不易降解，累积后必引起污染。
化肥引起的重金属污染主要来自磷肥。
由于磷肥中含有痕量的镉，从而导致成品肥料镉污染。
这些随磷肥进入土壤的镉与土壤中自然存在的镉相比具有较大的可溶性。
农用塑料薄膜生产应用的热稳定剂中含有Cd和Pb，在大量使用塑料大棚和地膜过程中都可以造成土壤重金属污染。
土壤重金属污染具有以下几个特点：
（1）广泛性。
随着工业生产的不断发展，重金属污染几乎威胁着每个国家。
二十世纪八大公害事件之一的“骨痛病”于1955～1972年发生在日本富山县神通川流域。
由于当地冶炼厂排放了含镉的废水，废水污染了当地的河水，两岸居民用河水灌溉稻田，致使土壤含镉量明显增高。
N.SridharaChary,C.T.Kamala等人在印度的Musi流域也发现了重金属污染。
我国亦有很多城市的郊区和灌溉区遭到了不同程度的重金属污染。
（2）累积性。
所有的污染物都将最终进入土壤，而污染物在土壤中并不像在大气和水体中那样容易扩散和稀释。
因此会在土壤中不断积累，进而超过土壤的自净能力而超标。
（3）潜在性和滞后性。
土壤重金属不像大气污染、水污染和固体废弃物污染那么直观，通过感官就能轻易的发现。
它往往要通过对土壤样品和农作物品质的检测，或通过研究对人畜健康状况的影响才能发现和确定。
而对食物链的影响，一般也需要数十年的时间才能观察出来。
因此，土壤重金属存在明显的潜在性和滞后性。
（4）难治理性。
由于土壤是所有污染物的最终承载体，所以它不像单纯的大气和水体污染那样，切断污染源之后通过稀释和自净作用能很好改善污染状况。
土壤重金属污染仅仅依靠切断污染源不能得到马上的改观，有时需要换土、淋洗土壤等修复手段才能更好的解决问题。
再加上重金属不能被微生物分解，而且能被土壤胶体所吸附，被微生物富集。
无论现代的何种治理方法，都不能将重金属从环境中彻底消除，只能是从一种形态转化为另一种形态，从甲地迁移到乙地，从浓度高的变成浓度低的等等。
研究和开发重金属的回收再利用技术不仅对消除污染十分有效，而且对充分利用重金属资源也是很重要的。
1.1.2危害
（1）对整个环境的影响。
含重金属浓度较高的污染表土容易在外力作用下分别进入到大气和水体中，导致大气污染、地表水污染、地下水污染和生态系统退化等环境问题。
同时，大多数重金属在土壤中相对稳定，但是大量的重金属进入土壤后，就很难在生物物质循环和能量交换过程中分解，更难以从土壤中迁出，逐渐对土壤的理化性质、土壤生物特性和微生物群落结构产生不良影响，进而影响土壤生态结构和功能的稳定性。
（2）对植物的影响。
我国大多数城市近郊土壤都受到了不同程度的污染，有许多地方的粮食、蔬菜和水果等食物中的Cd、Cr、As、Pb等重金属含量接近临界值或已超标。
吸收到植物体内的重金属能诱导其体内产生某些对酶和代谢具有毒害作用和不利影响的物质，间接引起植物伤害。
如在某些重金属胁迫下植物体内产生过氧化氢、乙烯类等物质，使植物体内代谢和酶活性形成负效应，并能够对其带来直接伤害。
（3）对人体健康的危害。
表层土壤的重金属污染物质可能在风的作用下，作为扬尘进入大气中，并进一步通过呼吸作用进入人体。
这一过程对人体健康的影响可能有些类似于食用受污染的食物。
再者，土壤重金属污染会使污染物在植（作）物体中积累，并通过食物链富集到人体和动物体中，危害人畜健康，引发癌症和其它疾病等。
1.2重金属污染现状
1.2.1我国城郊菜地土壤重金属污染现状
20世纪80年代末期，周艺敏等的调查结果表明，天津市菜地土壤的8种重金属元素（Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Cd、Hg、As）含量均高于本市农业土壤背景值的1倍以上，尤以Cd和Hg最为严重，分别为背景值的5倍和60倍。
90年代初期对上海市蔬菜及菜区土壤的研究结果表明，上海市蔬菜受到重金属污染，尤以Cd和Pb污染为甚，超标率分别为13.29%和12.0%。
上海市宝山区菜区土壤受到不同程度的重金属污染，Cd和Hg为主要污染元素。
沈阳市菜地土壤重金属含量与其土壤背景值相比，Cd、Pb、Zn的平均值分别为背景值的7.06、3.96和3.87倍，表明了沈阳市菜地土壤已受到多种重金属的复合污染。
戴军等1995年报道，广州市约有9.5%的菜区土壤受重金属污染，其中Cd、Pb和As的含量分别为广东省土壤背景值的2.77、2.97和1.40倍。
1.2.2我国城郊菜地蔬菜重金属污染现状
90年代中期的调查结果表明，沈阳市蔬菜也受到程度不同的重金属污染，超标率较大的元素是Pb和Hg，其次是Zn和Cd；蔬菜综合超标率为36.1%，污染面积为3600hm2。
20年代初期，马往校等对西安市郊区蔬菜的可食部分中重金属元素监测的结果表明，Pb是西安市郊区蔬菜的主要污染元素，超标率为48.0%，最高超标6.91倍；Cr和Cd的污染仅表现在个别蔬菜中，超标率分别为4.0%和2.0%，最高超标分别为5.20倍和1.32倍。
而最近，丁爱芳等对南京城郊零散菜地土壤上种植的青菜重金属含量进行分析，其叶中Cu、Zn、Pb、Cd质量分数的变化范围分别为5.00±1.57、62.21±16.05、5.90±3.09、0.73±0.39mg/kg，其中Pb、Cd质量分数全都超过国家食品卫生标准。
长沙市各主要蔬菜基地生产的13个蔬菜种类Pb和Cd污染严重，超标率分别为60%和51%。
珠三角地区近四成菜地重金属污染超标，其中10%属“严重”超标。
事实表明，当前我国城郊菜地蔬菜已受到严重污染。
1.3重金属污染评价
1.3.1土壤中重金属污染评价
我国对蔬菜地尚未制定出统一的土壤污染评价标准，根据已有资料，对蔬菜地土壤污染状况常采用以下2种标准来进行评价:
a.土壤环境质量标准（GB15612-1995）中的二级标准。
b.中华人民共和国农业行业标准（NY/T391-2000）中的土壤中各项污染物的指标要求。
以上国家制定的两种土壤环境质量标准不是从蔬菜地土壤重金属试验获得的，仅是适用于蔬菜地的土壤重金属评价，同时还要参考土壤的pH值。
因此，有必要收集全国各地不同蔬菜地土壤上，不同蔬菜吸收和累积重金属的数据，经过析研究，得出我国蔬菜地土壤重金属健康风险准（临界值）。
1.3.2蔬菜中重金属污染评价
我国对蔬菜中重金属污染评价标准,根据已有资料，常采用以下2种食品标准来反推到土壤标准，即当蔬菜中重金属超过蔬菜食品卫生标准时，此时对应的土壤重金属含量就是土壤重金属标准（容许值）:
a.我国已颁布了多项蔬菜食品卫生标准，目前多采用国家有关的食品卫生标准。
b.上海农科院制定的有别于一般的食品卫标准的蔬菜重金属含量分级标准，其中把国家已有的卫生标准置于第Ⅲ级第Ⅴ级，Ⅳ级（临界）应为人类安全食用蔬菜重属环境容量的指标限值。
以上两种标准一种是食品中重金属卫生标限值，不是直接针对蔬菜而言，因为食品分很多类，蔬菜只是其中一种；另一种则是直接对蔬菜重金属含量进行分级。
本文土壤重金属评价采用GB15618-1995《土壤环境质量标准》，蔬菜重金属评价参考蔬菜食品卫生标准和GB18406.1-2001农产品安全质量无公害蔬菜安全要求。
第2章实验部分
2.1材料和方法
2.1.1采样点的概况
水口山铅锌矿区位于湖南省常宁县水口山区，北距衡阳市40km，地理坐标为：
东经112°35'，北纬26°34'，本次调查是针对其周边蔬菜地的18个采样点。
2.1.2样品的采集与前处理
矿区某蔬菜基地采用梅花形采样法，设18个采样点，采集深度0-20cm左右的表层土壤，对各点采集的试样混合。
植物的采集为选取蔬菜基地长势较好的蔬菜1-2株，土样放于室内自然风干待用。
植物样品的处理：
植物样品依次用自来水、蒸馏水洗净，将各样品的根、茎、叶用不锈钢剪刀剪成小片或小块，在105℃杀青30min，80℃电热烘箱中烘至恒重为止。
将烘干的植物样品分别放入不锈钢粉碎机粉碎，磨碎的样品贮存于干净干燥的塑料小袋密封，贴上标签，注明植物名称、植物部位、采样地点、装样时间，再放入干燥器中干燥，待用。
土壤样品的处理：
将土样在室温下风干，取风干土样100～200mg，放在木板上用圆木棍碾碎（在玛瑙研钵中磨细），然后过100目筛。
最后，将土壤混匀盛于广口瓶中贴好标签备分析用。
2.2实验方法
本实验的测定采用原子吸收光谱法（AAS法）。
基本原理为：
依据物质的原子蒸汽对光源发出的特定谱线的吸收作用来进行物质定量分析。
测定时，将待测元素制成溶液，通过喷雾器成为细雾，与可燃性气体混合进入火焰，在高温下待测元素离解为原子蒸汽。
以该元素制成的空心阴极灯发出的该元素的特征谱线通过火焰时，被原子蒸汽吸收，吸收程度由检测装置测得，然后从工作曲线就可求得待测元素的含量。
2.2.1标准曲线的制定
利用原子吸收分光光度计将配制好的某一种标准系列溶液（浓度由低到高）分别喷入火焰，读出各自的吸光度，以测得的吸光度为纵坐标，金属浓度为横坐标，绘制标准曲线。
2.2.2植物样品的消解与制备
植物重金属含量分析采用湿法消解法，样品经加混合酸在电热板上加热消解彻底后，用火焰原子吸收光谱法同时测定铜、铅、锌、镉等元素的含量。
称量2.0g烘干样品放入50mL洁净干燥的三角烧瓶中，加入10:
1的HNO3-HClO4，于电热板加热消解，为提高实验精确度，可将小漏斗置于三角烧瓶瓶口处，滴入一两滴蒸馏水，防止消解液溅出。
加热至样品微沸，冒白烟至消解液清亮，若消解不完全，可继续添加5mLHNO3和0.5mLHClO4。
蒸发去除多余的酸后将消解液转移至50mL容量瓶，用稀硝酸反复冲洗锥形瓶至比色管中，冷却后加稀硝酸定容，备测。
原子吸收分光光谱法测定重金属元素含量。
2.2.3土壤样品的消解与制备
土壤消解也采用湿法消解，消解液用王水和高氯酸，土壤样品经加混合酸在电热板消解彻底后，用火焰原子吸收光谱法同时测定铜、铅、锌、镉等元素的含量。
称量1.0g烘干样品放入50mL洁净干燥的三角烧瓶中，加入10:
1的消解液，于电热板加热消解，其他同蔬菜样消解。
2.2.4样品待测液中金属浓度测定
在相同实验条件下，依次喷入待测试样溶液及空白试剂，通过原子吸收分光光度计得出待测样品中金属的浓度。
金属浓度的计算:
金属（mg/kgDW）＝C×V/W
式中：
C－标准曲线上查得的金属浓度（mg/L）；
V－样品的定容体积（mL）；
W－烘干样品的称取重量（g）。
2.2.5矿区植物富集系数的分析
按照以下公式计算各样点植物的富集系数BF值：
BF=C地上部/C土壤；
2.2.6土壤和蔬菜污染评价
1重金属污染评价
A土壤重金属污染评价
1）评价标准
采用GB15618-1995土壤环境质量标准（表1-1）进行分析与评价，同时与长沙市土壤环境背景值进行对比分析。
表1-1土壤环境质量标准（GB15618-1995）（mg.kg-1）
Table1-1Soilenvironmentqualitystandards（GB15618-1995）（mg.kg-1）
项目
一级
二级土壤
二级土壤
二级土壤
三级土壤
自然背景
pH＜6.5
6.5≤pH≤7.5
pH＞7.5
pH＞6.5
镉≤
0.2
0.3
0.3
0.6
1
铜（农田等）≤
35
50
100
100
400
铅≤
35
250
300
350
500
锌≤
100
200
250
300
500
2）评价方法
土壤环境质量现状评价模式分单因子污染指数法和综合污染指数法。
①单因子污染指数法，按公式
（1）计算:
Pi=Ci/Si——1
式中：
Pi—土壤中污染物i的污染指数；
Ci—土壤中污染物i的实测浓度的统计平均值；
Si—污染物i的评价标准。
单因子污染指数具体反映某污染物超标倍数和程度，
Pi值越大受污染程度越严重。
Pi≤1表示未受污染，判定为合格；
Pi＞1表示已受污染；
1＜Pi≤2为轻度污染；
2＜Pi≤3为中度污染；
Pi＞3为重度污染。
②土壤综合污染指数：
各类土壤一般为多种重金属所污染，因而土壤污染评价多应用综合污染指数法进行评价，这里采用内梅罗指数评价。
采用公式
（2）计算，计算结果按土壤综合评价分级标准（表1-2）进行评价：
——2
式中：
Pimax——某测点土壤污染物单因子污染指数最大值；
Pi——某测点单因子污染指数。
表1-2土壤综合评价分级标准
Table1-2Gradestandardofsoilconcen
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