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为探明煤矿区矸石山周围农田土壤—作物系统中重金属Cd、As、Pb、Cu、Ni、Co、Cr、Zn的生物有效性,以改进BCR连续提取法分析了河南省焦作市中马村矿煤矸石山周围农田土壤重金属的形态,在此基础上对土壤重金属的污染现状进行了综合评价,并对土壤重金属的污染来源进行了识别;讨论了土壤有机质、土壤酶与重金属形态的关系;分析了小麦植株内重金属的分布特征和时间变化规律;比较了小麦和玉米作物对重金属富集能力及富集效果的差异性;评估了作物籽粒的健康风险以及秸秆还田的适宜性。结果为:(1)该区域农田土壤为弱碱性矿物质土壤,土壤重金属Cd以可交换态、残渣态为主要赋存形态,而As、Pb、Cu、Ni、Co、Cr、Zn均以残渣态占绝对优势。土壤中各重金属的总量(mg·kg-1)排序为:Zn(81.43±7.34)>Cr(48.58±3.68)>Pb(33.59±3.98)>Ni(29.31±1.42)>Cu(24.32±2.06)>As(18.02±1.73)>Co(12.85±1.64)>Cd(0.48±0.12)。土壤中各重金属的生物有效态含量(mg·kg-1)排序为:Zn(18.46±5.82)>Pb(15.70±4.05)>Ni(7.48±0.60)>Co(5.49±1.93)>As(3.07±1.10)≈Cr(2.89±0.52)>Cu(1.38±0.34)>Cd(0.29±0.06)。(2)该区域土壤中重金属Cd、As、Pb、Cu、Ni、Co、Zn均存在累积现象,煤矸石山是重金属Pb、Cu、Ni、Co、Zn累积的主要来源,主导季风在煤矸石山向外界释放重金属的过程中起到重要作用。该区域土壤存在中度至强度等级的Cd污染,8种重金属的综合生态风险处于中等水平。Cd达到土壤环境质量标准(GB156-1995)Ⅲ类土壤要求,其余7种重金属达到Ⅱ类土壤要求。(3)有机质、土壤酶与重金属形态的关系呈现出多样性。有机质可显著提高As和Ni、抑制Pb和Zn的生物有效性。重金属积累可显著抑制土壤蔗糖酶和淀粉酶活性,重金属胁迫下土壤酶表现出的耐受机制影响着重金属的生物有效性。(4)小麦植株对重金属的富集存在选择性,根部更易富集Cd和Cr,茎叶更易富集Cd和Zn,籽粒更易富集Zn和Cu,富集效果因重金属种类、作物器官而异。植株中重金属的含量大小存在稳定的规律性,根部为Zn≈Cr>Cu≈Ni>Pb>Co≈As>Cd;茎叶为Zn>Cr>Cu≈Ni≈Pb>As>Cd>Co;籽粒为Zn>Cu>Ni≈Pb≈Cr≈Cd≈As>Co。植株对重金属的富集能力也存在稳定的规律性,根部为Cd>Cr>Zn≈Cu≈Ni>Pb>Co>As;茎叶为Cd>Zn>Ni>Cu>Pb≈Cr>As>Co;籽粒为Zn>Cu>Cd>Pb≈Ni≈Cr>As>Co。(5)在小麦的生长周期内,其植株对同一重金属的富集规律与含量的分布规律保持一致,重金属Cd、As、Pb、Ni、Co、Cr均为根部>茎叶>籽粒,Cu为根部>籽粒>茎叶,植株内Zn的分布较为均匀。作物器官内重金属的含量处于变化中,且器官中重金属含量的时间变化特征与器官对重金属富集能力的时间变化特征相吻合。小麦拔节期根部的重金属含量与茎叶中同一重金属的含量呈显著或极显著正相关,Cd在小麦的生长周期内均表现出根部与茎叶间的显著正相关。(6)玉米植株内重金属含量的排序为:根部Zn>Cu>Cr>Ni>Pb>Co>As>Cd,秸秆Zn>Cu>Ni>Cr>Pb>Cd≈As>Co,籽粒:Zn>Cu>Pb≈Ni≈Cr>As>Cd≈Co。玉米植株对重金属富集能力的排序为:根部Cd>Cu>Zn≈Ni≈Cr>Co>Pb>As,秸秆Cd≈Cu>Zn>Ni>Cr≈Pb>Co≈As,籽粒Zn>Cu>Pb≈Ni>Cd≈Cr>Co≈As。玉米植株中重金属含量的分布规律与富集规律相一致,Cd、Pb、Cu、Ni为玉米根≈玉米秆>玉米粒;As、Cr、Co为玉米根>玉米秆>玉米粒;Zn为玉米粒≈玉米秆>玉米根。(7)小麦和玉米作物相比,相同点为:小麦和玉米各部分均以Zn含量最高,Cd、As、Co的量值极低;两者的营养器官对Cd、籽粒对Zn和Cu均具有较高的富集能力;两者的根部对Cu、茎叶和籽粒对Ni的富集能力均相当,含量也相当。不同点为:玉米茎叶对Cu、籽粒对Pb、Cr的富集能力强于小麦,含量也高于小麦;两种作物茎叶对Zn的富集能力相当,但小麦茎叶Zn含量明显高于玉米茎叶;小麦根部对Co的富集能力强于玉米根部,而小麦根部的Co含量却比玉米根部的低;其余情况均为小麦强于玉米。(8)该区域所产小麦籽粒整体处于安全水平。玉米籽粒的Pb含量整体高于GB2762-2012限量值,但满足NY861-2004限量要求,玉米籽粒中Cd、As、Cu、Cr、Zn的含量均处于安全水平。成人及儿童摄入该区域所产小麦或玉米,均不存在由Pb、Cu、Ni、Cr、Co、Zn引起的非致癌健康风险,同时对成人亦不存在由Cd、As引起的致癌健康风险;儿童摄入玉米不存在由Cd、As引起的致癌健康风险,而儿童摄入小麦引起的Cd、As潜在致癌风险高于美国环境保护署推荐的限量值。无论是摄食小麦还是玉米,所引起的潜在健康风险的程度均为儿童大于成人。无论成人还是儿童,通过摄食小麦所引起的潜在健康风险的程度均大于玉米。小麦秸秆不宜进行还田处置,亦不建议玉米秸秆还田。