【研究进展】玄武岩地质高背景区农田重金属污染研究进展

    全国土壤污染调查结果显示，我国耕地土壤受重金属元素污染严重，其中相当一部分受污染的土壤分布在地质高背景区。作为一类具有高地质背景的基性火山岩，玄武岩含有某些高浓度的重金属元素（如Cr和Ni），其含量通常可达几百ppm。地表环境中，伴随着玄武岩的风化，玄武岩中所含的有害重金属元素会被释放到土壤中，并通过食物链进入人体，对人体健康造成潜在的危害。全球范围内，玄武岩分布于世界各地，其分布面积约占陆地总面积的5.2%，达7.69×10⁶km²。我国的玄武岩主要包括西南部二叠纪末的峨眉山大火成岩省和东部的新生代玄武岩，总面积约为33×10⁴km²。这些玄武岩分布区发育有大量农田，其上种植着包括水稻、小麦和玉米在内的多种农作物。然而，目前我们对这些农田系统中的重金属元素的地球化学行为和潜在的人体健康风险仍知之甚少。

因此，为了理解玄武岩分布区农田系统中重金属元素的地球化学行为及其控制因素，评估该类型的土壤及作物籽实的人体健康风险，南京大学地球科学与工程学院陈旸副教授课题组，选取江苏省盱眙县为研究区，系统采集了该区域内的玄武岩基岩、农田表层土壤和农作物（小麦和水稻）样品，测定了玄武岩基岩-表土-作物系统中八种重金属元素（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn）的浓度和表层土壤中镍元素的生物有效性，研究了这八种重金属元素在“基岩-土壤-作物”系统中的过程中的地球化学行为及其对人体健康的潜在危害。研究结果表明：

（1）玄武岩基岩及其发育形成的土壤具有高含量的镍、铬和锌。基岩（n=16）中这三种元素的平均含量分别为Ni（210 mg/Kg）、Cr（286mg/Kg）和Zn（113mg/Kg），表层土壤（n=54）中这三种元素的平均含量分别为Ni（110 mg/Kg）、Cr（169mg/Kg）和Zn（90mg/Kg）。

（2）表层土壤和作物籽粒均表现出了显著的镍元素超标，水稻籽粒较小麦籽粒更容易累积镍元素。

（3）表层土壤中的镍元素主要来源于玄武岩基岩的风化，其在表土中的富集与表土中氧化铁的含量密切相关（R²=0.888，p<0.05）。镍元素在作物籽粒中的累积主要受控于土壤的pH值，0.01M CaCl₂可提取态的镍可作为预测作物籽粒中镍元素积累的良好指标。

（4）人体健康风险评估结果表明，食用受重金属污染的大米会对当地居民造成较高的健康风险。

图1研究区玄武岩基岩和表层土壤中重金属元素浓度的标准化 (a)与相关性分析 (b), 以及表层土壤中Ni与其他主量元素浓度之间的相关性分析 (c)

本研究首次系统研究了玄武岩发育形成的农田系统中重金属元素的地球化学行为和人类健康风险。本研究可为玄武岩地质高背景区的粮食安全生产提供参考指导，同时对镍元素超标的农田分类管理提供基础数据支撑。

图2 研究区居民食用作物籽实的人体非致癌风险 (a)和致癌风险 (b)

    该研究成果以“Geochemical behavior and potential health risk of heavy metals in basalt-derived agricultural soil and crops: A case study from Xuyi County, eastern China”为题发表在环境科学领域期刊Science of The Total Environment上。南京大学表生地球化学教育部重点实验室博士研究生王浩贤为论文第一作者，陈旸副教授为通讯作者。论文作者还包括南京大学地球科学与工程学院硕士研究生李旭明、李子波助理研究员、季峻峰教授、陈骏教授，南非大学David William Hedding教授，黑尔堡大学的Werner Nel教授。该研究得到了国家重点研发专项“农田地质高背景重金属污染机理研究”（2017YFD0800300）和中非国际合作项目“基于中国和南非玄武岩流域的风化比较学研究”（41761144058）的资助。