Chromium transformation driven by iron redox cycling in basalt-derived paddy soil with high geological background values

The flooding and drainage of paddy fields has great effects on the transformation of heavy metals, however, the transformation of Cr in basalt-derived paddy soil with high geological background values was less recognized. The typical basalt-derived paddy soil was incubated under alternating redox conditions. The Cr fractions and the dynamics of Fe/N/S/C were examined. The HCl-extractable Cr increased under anaerobic condition and then decreased during aerobic stage. The UV-vis spectra of the supernatant showed that amounts of colloids were released under anaerobic condition, and then re-aggregated during aerobic phase. The scanning transmission electron microscopy(TEM) and X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) revealed that Fe oxides were reduced and became dispersed during anaerobic stage, whereas Fe(Ⅱ) was oxidized and recrystallized under aerobic condition. Based on these results, a kinetic model was established to further distinguish the relationship between the transformation of Cr and Fe. During anaerobic phase, the reduction of Fe(Ⅲ) oxides not only directly released the structurally bound Cr, but also enhanced the breakdown of soil aggregation and dissolution of organic matter causing indirect mobilization of Cr. During aerobic phase, the oxidation of Fe (Ⅱ) and further recrystallization of newly formed Fe(Ⅲ) oxides might induce the re-aggregation of soil colloids and further incorporation of Cr. In addition,the kinetic model of Cr and Fe transformation was further verified in the pot experiment.The model-based findings demonstrated that the Cr transformation in the basalt-derived paddy soil with high geological background values was highly driven by redox sensitive iron cycling.

滇东地质高背景区土壤镉的伴矿景天修复及其对后茬水稻的影响

云南是我国典型的重金属元素地球化学高背景区,超积累植物能否有效修复镉(Cd)地质高背景土壤,从而实现农产品安全生产,尚鲜见报道。以云南石林、富源和罗平等三地的典型Cd地质高背景农田土壤为对象,开展温室盆栽试验,探究Cd、锌(Zn)超积累植物伴矿景天对土壤Cd的吸取修复效果,及对后茬水稻生长和Cd吸收的作用。结果表明,种植三季伴矿景天使三地土壤全量Cd分别下降24.8%、30.9%和58.8%;伴矿景天在富源玄武岩风化物母质发育的土壤上长势最好,与富源土壤肥力相对最高有关;伴矿景天在罗平石灰岩风化物发育的土壤上重金属吸取修复效果最佳,与罗平土壤呈中性、酸化作用更为明显有关,这些差异由土壤母质、养分与重金属有效性等综合影响所致。经伴矿景天吸取修复三季后,全生育期淹水种稻,其糙米和秸秆Cd浓度均大幅降低,可实现糙米Cd安全生产。未经植物吸取修复,旱作处理下水稻糙米Cd存在超标风险。植物吸取修复后种植水稻,再结合水分管理措施,可进一步降低稻米中Cd浓度,实现稻米安全生产,为Cd地质高背景区土壤的农作物安全生产提供理论依据和技术支撑。

地质高背景区晚疫病马铃薯根际土壤细菌群落对重金属胁迫的响应

探究地质高背景区重金属胁迫下晚疫病马铃薯根际土壤细菌群落变化及其影响因素,对马铃薯安全生产具有重要意义。采集马铃薯(‘青薯9号’‘威芋5号’和‘威芋3号’)健康植株和晚疫病发病植株根际土壤,检测土壤p H、有机质和重金属含量,用Illumina MiSeq高通量测序技术分析细菌群落;采集马铃薯块茎,测定重金属含量。试验区土壤Cd、Cr和Zn含量均值分别为2.14、170和220 mg/kg,Cd含量超过国家土壤质量标准风险管制值,Cr和Zn含量超筛选值。马铃薯块茎仅1个样品Cd含量为0.103 mg/kg,超过国家食品安全限值标准。发病马铃薯根际土壤优势细菌门及其相对丰度主要为变形菌门(Proteobacteria)33.16%~39.09%、放线菌门(Actinobacteria)13.45%~17.11%;优势菌属主要为鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)8.78%~12.30%、芽单胞菌属(Gemmatimonas)6.22%~7.61%,发病植株优势菌相对丰度与健康植株存在差异。不同品种间细菌多样性与丰度不同,马铃薯感染晚疫病后根际土壤细菌群落多样性升高,细菌菌群丰度下降。主成分分析显示发病植株与健康植株细菌群落差异性贡献率为29.59%。冗余分析结果表明,土壤重金属和pH显著影响土壤细菌群落组成和结构,对优势菌群的影响尤为明显,健康与发病植株间细菌群落的差异受土壤Pb、Cr胁迫的影响更大。因此,地质高背景区重金属胁迫下马铃薯可实现安全生产,染病马铃薯植株根际土壤细菌群落多样性降低,丰富度上升,土壤Pb、Cr通过改变根际土壤细菌群落有益菌类而影响晚疫病的发生和发展。

基于地质大数据技术对云南土壤重金属地质高背景区的划定

为系统研究云南省土壤重金属地质高背景区的分布范围及超标元素,以全省1∶20万水系沉积物重金属元素含量数据和区域地质图为基础,采用GIS空间分析功能,并利用昆明、玉溪、昭通等地区的土壤重金属数据进行验证,确定云南省土壤重金属含量值超农用地筛选值的地质单元61个,占全省国土面积的21.09%,其中位于地质高背景区的耕地面积约284.41万公顷,占全省国土面积的7.22%;影响土壤重金属超标的岩性主要为碳酸盐岩、基性—超基性火山岩、中基性侵入岩、含煤碎屑岩和含基性组分碎屑岩;地质高背景区超标重金属元素主要为Cu、Cr、Ni、Cd,而As主要于碳酸盐岩地层中存在超标风险,Pb、Zn仅于个别地层中存在超标风险,Hg基本无超标风险。

土壤重金属地质高背景成因、风险与管控研究进展

土壤重金属地质高背景是近年来学术界研究的热点之一,涉及地质学、地球化学、土壤学、环境科学等学科。采用文献计量方法分析了土壤重金属地质高背景领域的研究进展与近期热点,介绍了全球和中国土壤重金属地质高背景分布特征、成因与类型,梳理了高背景区土壤重金属的环境风险及管控措施,以期为土壤重金属地质高背景成因机制与风险管控提供理论与技术参考。建议关注高背景区土壤重金属背景值调查、富集特征与形成机制、潜在活化与迁移,开展地质高背景区土壤风险评估、环境基准研究与管控技术研发。

江浙地质高背景区土壤-水稻系统重金属迁移富集特征研究

为了解地质高背景区农田土壤的重金属富集及迁移特点,该文对2种不同地质高背景(江苏玄武岩区和浙江黑色页岩区)农田土壤及水稻籽实中元素(Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、As)分布特征进行分析;研究2个地区土壤-水稻系统中重金属迁移富集差异及主要影响因素,并结合土壤基本理化性质和有效态重金属建立对水稻籽实中主要重金属含量的预测模型。研究结果表明,Cd是江浙地质高背景区农田土壤中暴露风险最高的重金属元素,其中重金属元素Zn、Cu、Cd的生物富集因子最高,Ni和As相对较高,Cr和Pb最低,江苏玄武岩区农田土壤中Ni的迁移能力较强而浙江黑色页岩区Cd的迁移能力较强。土壤pH、CaO和Fe_(2)O_(3)等理化性质是影响农田土壤中重金属迁移能力的关键因素。回归预测模型表明,水稻籽实中重金属累积受到pH、CEC、黏土矿物和碳酸盐矿物的显著影响,而EDTA提取的有效态重金属更容易在水稻籽实中迁移富集。

喀斯特高地质背景区土壤-水稻Cd对不同调理剂及组合的响应

当前土壤调理剂在水稻Cd污染防治方面的应用,主要集中在华东、华中、华南等工农业污染区,而在西南喀斯特高Cd地质背景区应用较少。本文在贵州罗甸喀斯特高地质背景区开展了土壤-水稻Cd对NPK复合肥、菜籽饼肥、牛粪、硅钙镁肥调理剂及组合的响应试验研究,结果显示:(1)与种植前相比,各调理剂及组合处理下土壤有效态镉(DTPA-Cd)含量平均降低了21.6%、可还原态Cd含量占比平均降低了5.84%、弱酸提取态Cd含量占比平均提高了5.53%、可氧化态和残渣态Cd含量占比基本保持不变;(2)与空白相比,除NPK复合肥+菜籽饼肥外各调理剂及组合处理下糙米Cd含量平均降低了24.7%、糙米Cd富集系数平均降低了20.0%;(3)NPK复合肥+牛粪这种传统种植(施肥)模式效果最优,土壤DTPA-Cd含量降幅最大(28.1%)、糙米Cd含量最低(0.182 mg/kg)、糙米Cd富集系数最低(0.0230),值得开展更大范围的试验示范与推广。本研究区土壤-水稻Cd对各调理剂及组合的响应明显不同于我国工农业污染区,体现了喀斯特区域特点:淹水致使土壤中占主导的可还原态Cd一定程度地被活化,弱酸提取态Cd占比相应地提高,但富碳酸钙镁的岩溶水灌溉驱动碳酸盐与Cd共沉淀的钝化机制,总体降低了土壤Cd的生物可利用性。

重庆岩溶地质高背景区土壤-农作物系统重金属累积特征及影响因素

为了揭示重庆岩溶地质高背景区土壤-农作物系统中重金属的迁移累积特征,选择在重庆市南部典型岩溶区,系统地采集大宗农作物(水稻、玉米和红薯)及其耕层土壤84组,分析测定农作物及耕层土壤中重金属砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、汞(Hg)、镍(Ni)、锌(Zn)含量及理化性质,采用地统计、生物富集因子及皮尔逊相关系数分析等方法,开展重金属元素在重庆岩溶地质高背景地区土壤−农作物系统中累积特征及影响因素。结果表明,研究区水稻田、玉米地和红薯地耕层土壤重金属平均含量均高于重庆市和全国表层土壤背景值,呈现不同程度的积累,其中Cd元素富集现象较为突出。依据GB 15618-2018和GB 2762-2017,耕层土壤种Cd超标率达41.59%,水稻、玉米和红薯中Cd超标率分别为5.89%、6.25%和5.56%,显示出岩溶地质高背景区虽然土壤中重金属含量总量高,但生物有效性较低。相关分析显示,土壤-农作物系统Cd等重金属含量主要受土壤pH、土壤质地和土壤中铁锰氧化物影响。

三峡库区地质高背景区土壤-油菜重金属迁移特征

三峡库区广泛分布的黑色岩系富含镉(Cd)、铬(Cr)、镍(Ni)、锌(Zn)等重金属元素,导致土壤重金属元素含量显著高于我国土壤背景值,成为典型的地质高背景区。本文选择三峡库区地质高背景区油菜种植地为研究对象,分析了土壤-油菜系统中砷(As)、Cd、Zn、铜(Cu)、铅(Pb)、Cr、Ni、汞(Hg)等重金属元素含量分布特征、富集迁移规律以及影响因素。研究结果表明,研究区油菜种植地土壤中Cd、Cr、Cu、Hg、Ni等重金属含量显著高于我国土壤背景值,单因子污染指数评价显示土壤As、Zn、Hg、Pb等重金属均属于无污染等级,Cu、Ni污染程度受到pH影响,Cd为重度污染和极高生态风险。不同重金属元素在油菜各部位含量差异明显,Pb、Cd、As等生物非必需元素更倾向进入茎、果荚,营养元素Cu和Zn则在油菜籽中含量较高,而Cr易在果荚中富集。研究区土壤中重金属元素含量、土壤pH、重金属元素间的拮抗作用以及油菜解毒机制可能是影响重金属元素在土壤-油菜各部位富集迁移的重要因素。

典型铅锌冶炼区与自然地质高背景区周边耕地土壤中重金属分布特征及来源分析

为了研究典型铅锌冶炼区与自然地质高背景区耕地土壤中重金属分布特征及来源,采集云南省2个区域91份土壤样品,运用单因子指数法、土壤重金属累积性分析和潜在生态危害指数法等研究土壤重金属分布特征和生态风险。结果表明,自然地质背景区域8个重金属元素90%以上均为轻度累积和无明显累积,表层和深层的重金属(除Cr和Ni)含量无明显变化;典型铅锌冶炼区域Cd和Pb的累积程度80%以上为中度和重度累积,重金属主要富集在0~60 cm,随着深度的增加,重金属含量呈下降趋势。典型铅锌冶炼区域主要为Pb、Cd污染,污染来源主要为铅锌冶炼带来的人为污染;自然地质高背景区域主要超标元素为Ni、Cr、Cu,来源主要为成土母质和母岩。自然地质高背景区域周边耕地土壤重金属潜在生态风险比典型铅锌冶炼区域周边耕地土壤低。

地质高背景农田土壤中水稻对重金属的富集特征及风险预测

为了解地质高背景农田重金属的行为特征,对两个不同地区(浙江北部丘陵地区和广西中部岩溶地区)土壤和水稻子实中As、Cd、Pb、Ni、Cu和Zn的含量进行了分析,研究重金属的迁移富集差异及其主要影响因素,并以土壤理化参数和有效态重金属(EDTA提取态)为变量,建立两个研究地区水稻子实中重金属含量的最优经验预测方程。结果表明,在浙江研究区土壤中Cd和As超标明显,广西研究区土壤Pb、As和Cd超标严重;但从水稻子实重金属含量结果来看,只有Cd在浙江研究区超标。两个研究区重金属元素在水稻中的生物富集因子均较低,明显低于人为污染的农田;相关性分析和回归预测表明,土壤有效态重金属、pH、有机质和CaO是影响水稻子实重金属含量的主要因子。

西南重金属高背景区农田系统土壤重金属生态风险评价

西南地区是我国典型重金属高背景区,在重金属高背景区开展生态风险评价对保障粮食安全有重要意义。采集云南省重金属高背景区土壤表层(0~20 cm)样品242件,农作物及对应的根系土样品74件,分析土壤和农作物样品中8种重金属(Cd、Cr、As、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni)含量以及土壤中重金属赋存形态。研究发现,受地质背景因素影响,Cd、Cr、Cu、Hg、Ni和Zn含量平均值均超过云南省土壤背景值,Cd、Cu和Ni含量平均值均超过农用地土壤污染风险管控标准规定的筛选值,土壤pH值多呈酸性,有机质含量较低。土壤中As、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn主要以残渣态形式存在,生物有效性低,是由地质背景引起的;Cd残渣态占比较低,生物有效组分较高,Cd元素的地累积指数分布显示,Cd受人为污染和地质背景交互叠加的影响,是研究区污染风险最高的重金属元素。Hg来源较为复杂,全量较低,污染风险较小。研究区大宗粮食作物(马铃薯和玉米)重金属含量均不超标,生物富集系数(BCF)均小于0.03,粮食作物较安全,生态风险较低。黄烟中Cd含量远远超过目前初步制定的安全限量标准,BCF为3.13,说明烟草特别能富集Cd,存在一定的生态风险。表层土壤重金属潜在生态风险指数(RI)统计结果显示,土壤重金属RI贡献降序依次为Cd(73.71)>Hg(57.40)>Cu(25.25)>Ni(8.76)>As(7.39)>Cr(4.15)>Pb(4.04)>Zn(2.0),Cd和Hg是研究区最重要的风险元素,但均以中等生态危害为主,很强生态危害分布面积较小,研究区生态风险整体较低,风险可控。

地球化学高背景农田土壤重金属镉的累积效应及环境影响

镉(Cadmium)是自然环境中普遍存在且毒性极强的重金属元素,几乎所有的土壤、地表水和植物体内均含有镉,摄入微量的镉不仅威胁生物个体的生理和健康,而且还对生物种群数量和物种分布产生影响。全球碳酸盐岩出露面积约占陆地面积的12%,沉积岩发育土壤普遍具有镉的地球化学高背景特征,在我国西南地区,工矿业排放、农用化学品投入、污水灌溉等与高背景值叠加,导致农田土壤镉累积严重,点位超标率高,存在一定的农产品安全风险。本文从镉的地球化学高背景成因、土壤镉的地球化学过程和累积效应、环境影响和风险评估等方面阐述农田土壤重金属镉的研究进展,以期对镉地球化学过程机制的深入研究和土壤环境质量管控提供科学参考。

地质高背景土壤重金属赋存特征及微生物群落结构差异

以广西岩溶地区不同发育阶段和母质类型的地质高背景农田土壤(马岭、锣圩、苏圩、云表)为研究对象,比较重金属赋存状态、土壤理化性质以及微生物群落功能多样性差异,结合冗余分析(RDA)获得影响地质高背景土壤微生物群落结构的关键环境因子。结果表明:(1)发育阶段和母质类型显著影响土壤基本性质以及重金属浓度。发育阶段较早的马岭土壤有机质含量及重金属富集量更高。碳酸盐系石灰岩发育而来的马岭土壤镉(Cd)元素含量高于第四纪河流沉积物发育而来的其他土壤。(2)不同土壤微生物活性和群落结构差异显著。苏圩土壤微生物对碳源的利用能力及微生物多样性指数显著低于其他三个土样;云表、锣圩与马岭土壤利用胺类和氨基酸类碳源的微生物代谢活性较高,苏圩土壤利用糖类和多聚物类碳源的微生物代谢活性较高。(3)冗余分析(RDA)表明,土壤有机质、pH、全量砷(As)、Cd、铅(Pb)以及有效砷是引起土壤微生物碳源利用分异的主要环境因子。(4)相关性分析表明土壤微生物对胺类、氨基酸类、酚酸类的利用强度与土壤有机质、pH呈正相关,与As、有效铜、有效砷呈负相关。

地质高背景区成土母岩对表土硒含量及其生物有效性的影响

选取秦岭地槽和川中前陆盆地结合部的重庆市城口县为研究区,采集表土样品115件,测定土壤pH、有机质(SOM)、主量元素、全硒(Se_(total))和磷酸盐提取态硒(Se_(bioa))含量。结果显示:研究区表土Se_(total)含量在0.013~14.5 mg/kg,中值为0.510 mg/kg,86.1%的土壤样品硒含量高于0.175 mg/kg,表明研究区表土整体处于富硒水平;表土Se_(bioa)含量中值为0.046 mg/kg。整体上,乌坪断裂以北地区表土Se_(total)和Se_(bioa)含量较高。随着地层从新到老其上发育的土壤Se_(total)和Se_(bioa)含量增高,表明研究区成土母岩控制着表土中硒及其生物有效性。综上,即使在高硒地质背景区,土壤硒及其生物有效性含量的分布也具有显著性差异,而这种差异主要由成土母岩控制,但也受到其他成土因素制约。

高镉地质背景区设施菜地土壤镉生物有效性主控因子分析

以贵州织金县某设施蔬菜基地为例,运用简单相关、主成分分析和路径分析等方法,研究高Cd地质背景区设施菜地蔬菜Cd累积特征,土壤Cd的主要来源、生物有效性及其与土壤pH、有机质(SOM)、碱解氮(NA)等土壤基本理化性质的相关性,并分析土壤Cd生物有效性的主控因子。结果表明,该基地耕作层土壤Cd含量大于贵州省耕作层土壤Cd背景值(0.659 mg·kg^(-1))的点位占比为75.32%,基地设施蔬菜对Cd的累积规律表现为白菜>番茄>豇豆,3种蔬菜均未超标。从食品安全角度考虑,在设施菜地土壤污染风险评价中,土壤有效Cd比土壤全Cd能更准确表征土壤Cd的安全风险。该基地设施菜地Cd主要来源为成土母质风化,其高Cd含量与高施氮量分别是提高土壤Cd生物有效性的直接因子和间接因子,土壤SOM、P和K等养分指标对土壤Cd生物有效性的影响不显著。因此,在高Cd地质背景区发展设施蔬菜栽培,可以考虑种植豇豆,并严格控制氮肥施用量,从而保证“菜篮子”安全。

成都平原东北部高地质背景下水稻土镉生物有效性及稻米中镉积累的影响因素

在运积型高镉地质背景土壤中,土壤镉的生物有效性与稻米中镉含量高度相关。在成都平原东北部绵竹地区高镉运积型酸性水稻土分布区采集了20组土壤和稻米样品,研究土壤中镉生物有效性和镉在稻米中积累的影响因素。结果表明:土壤中总镉含量为0.36~0.78 mg/kg,其含量与土壤中的钙、铁含量呈显著正相关(R^(2)>0.96,P<0.05),表明镉和钙、铁元素来源于相同的物源区。土壤镉的活性比(AR)、生物富集系数(BCF)与土壤pH值呈显著负相关(R^(2)>0.75,P<0.05),土壤中的钙和pH值之间具有显著的正相关关系(R^(2)=0.86,P<0.05),因此土壤pH值与土壤钙是水稻土镉生物有效性和稻米中镉积累最主要的影响因素。建立了土壤中镉和稻米中镉的耦合模型,预估了控制稻米中镉含量满足国标限值0.2 mg/kg的土壤中镉的阈值。成都平原东北部高地质背景水稻土种植的稻米镉含量超标的风险较高,需进行土壤重金属污染修复治理。

云南典型地质高背景区土壤重金属含量特征及污染风险评价

云南峨眉山玄武岩和碳酸盐岩分布区为典型重金属地质高背景区,选取云南鲁甸县典型地质高背景区为研究对象,采集1406件表层土壤样品,系统研究土壤中重金属含量特征,评价土壤重金属污染风险,重点探讨不同地质岩性对土壤重金属含量的影响,分析土壤重金属的来源。结果表明:①表层土壤中Cu、Cr、Cd、Zn和Ni含量均超出云南省背景值,土壤重金属含量明显受成土母质影响,碳酸盐岩明显富集Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn,飞仙关组碎屑岩明显富集Cr、Cu、Ni、Cd,玄武岩明显富集Cu、Cd、Zn、Cr,均为典型的地质高背景区;②表层土壤重金属综合评价等级以风险可控为主,碳酸盐岩、飞仙关组碎屑岩和玄武岩土壤中污染风险较高的重金属元素主要为Cd、Cu、Cr、Ni,且明显受玄武岩岩浆活动影响;③主成分和空间分析结果显示,地质高背景区土壤重金属高含量主要为成土母岩中重金属高含量及其风化成土过程中次生富集作用导致,人为影响相对较小。

滇东土壤重金属高背景区不同农田利用方式对作物镉砷含量的影响

【目的】了解滇东土壤重金属高背景区不同农田利用方式对土壤和农作物镉、砷含量的影响及其存在的生态风险。【方法】以滇东土壤重金属高背景区农田土壤和作物为研究对象,通过162对土壤与农作物协同采样分析,研究旱地、蔬菜地和水-旱轮作地3种利用方式下镉、砷在土壤和农作物中的含量特征和潜在生态风险。【结果】调查区农用地土壤pH以中性偏碱为主,有机质含量10.8~118.0 g/kg。土壤镉含量分布为0.10~3.2 mg/kg,超筛选值比例为59.88%,超管制值比例为3.09%;砷含量分布为2.59~112.0 mg/kg,超筛选值比例为35.80%,超管制值比例为1.23%。土壤镉、砷活化率分别为0.162%~0.231%和0.013%~0.041%。相对于旱地和水-旱轮作地,蔬菜地土壤镉、砷活化率显著高于旱地。调查的稻谷、玉米、小麦、叶菜、芸薹类蔬菜、块根和块茎蔬菜、瓜果类蔬菜、豆类8个作物类别的可食部分镉、砷含量和富集系数均较低,仅有2个样品镉含量超过GB 2762—2017限值,超标率为1.23%。相比较而言,蔬菜地农作物可食部分的镉含量和镉富集系数显著高于旱地农作物;而水-旱轮作地农作物可食部分砷含量和砷富集系数显著高于旱地和蔬菜地。同一农田利用类型下,土壤镉活化率均显著高于砷活化率,农作物对镉的富集系数均显著高于砷富集系数。【结论】在滇东土壤重金属高背景区农田土壤镉、砷潜在生态风险等级属轻微风险。

青岛营房地区土壤氡浓度的调查与评价

根据在营房地区开展的土壤氡浓度的调查工作,以实测结果与地质背景及现场特征分析相结合,推断该地区总体土壤氡浓度及其分布状况。简要叙述了RaA法测氡的基本原理,野外工作方法及数据处理方法;对不同地质单元、不同测量对象、不同人居环境分类的土壤氡浓度进行统计。分析了土壤氡浓度的干扰因素和氡高背景区的分布特征与形成原因,给出了氡高背景区危害的防治对策。