污染土壤中銅、鎘的植物有效性及其調(diào)控研究.pdf

1、土壤重金屬污染嚴(yán)重影響了土壤環(huán)境質(zhì)量,并引發(fā)了諸多食品安全問(wèn)題。植物是與土壤相互作用最為密切的生物,因此關(guān)于土壤重金屬的植物有效性評(píng)價(jià)、重金屬污染土壤的修復(fù)和安全利用等問(wèn)題一直是生態(tài)環(huán)境研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文在建立與檢驗(yàn)土壤Cu、Cd的植物有效性評(píng)估模型的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了土壤Cu、Cd復(fù)合污染對(duì)植物生長(zhǎng)、生理指標(biāo)的影響和污染土壤中重金屬有效性的調(diào)控措施,旨在為污染土壤的科學(xué)管理與安全利用提供依據(jù)。
　　 (1)污染土壤中Cu、C

2、d的植物有效性評(píng)估模型的建立與檢驗(yàn)
　　 本文首先以某污染企業(yè)周邊的黃棕壤-水稻籽粒系統(tǒng)(n=7)為研究對(duì)象,采用一元線性回歸的統(tǒng)計(jì)方法,分析0.1mol·L-1 HCl、0.5mol·L-1 HCl、2.5％HOAc、5％HOAc、DTPA(pH7.3)、0.05 mol·L-1 EDTA、0.01 mol·L-1 CaCl2、0.05mol·L-1 CaCl2、0.5mol·L-1NH4OAc、1.0 mol·L-1 NH4

3、OAc、0.1 mol·L-1 NaNO3、1.0 mol·L-1 NH4 NO3、0.5mol·L-1 NH4 NO3+0.02 mol·L-1 EDTA、0.1 mol·L-1 C6H8O7(檸檬酸)和0.1 mol·L-1C2H2O4(草酸)等11種(共15個(gè)處理)化學(xué)提取劑提取的土壤Cu、Cd化學(xué)有效態(tài)含量與作物體內(nèi)Cu、Cd含量的相關(guān)性,確定適宜的提取方法。結(jié)果表明,0.05mol·L-1EDTA、DTPA(pH7.3)、0.

4、1 mol·L-1 HCl、0.1mol·L-1 C6H8O7(檸檬酸)和2.5％HoAc等5種提取劑能有效地反映黃棕壤Cu、Cd的植物有效性。在此基礎(chǔ)上,利用不同污染企業(yè)周邊的紅壤-白菜系統(tǒng)(n=28)檢驗(yàn)了上述5種提取劑的適用性。
　　 由于土壤Cu、Cd的植物有效性受到土壤、重金屬和植物三方面因素的綜合影響,故已篩選出的5種提取劑均無(wú)法同時(shí)表征不同土壤-植物系統(tǒng)中Cu、Cd的植物有效性。采用總權(quán)重離子沖量(ωI=m∑ω(C

5、1/ni))校正土壤Cu和Cd的毒性差異,其中Cu和Cd的權(quán)重值ω分別為1和6i=1;該指標(biāo)不考慮中性和酸性土壤性質(zhì)差異對(duì)Cu、Cd植物有效性的影響,堿性土壤中Cu、Cd的植物有效性較低,可對(duì)提取量減半校正；利用植物含水率校正植物對(duì)重金屬的吸收差異。校正后,0.1mol·L-1 HCl提取的土壤Cu、Cd含量可同時(shí)表征上述兩個(gè)系統(tǒng)申土壤Cu、Cd的植物有效性。其中,土壤Cu、Cd的總權(quán)重離子沖量(ωI)與植物體內(nèi)的總權(quán)重離子沖量極顯著相

6、關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)0.901(n=35,P<0.01)。
　　 為了建立土壤Cu、Cd的植物有效性評(píng)估模型,選擇代表性土壤中的黑土、暗棕壤、棕壤、黃棕壤、磚紅壤、赤紅壤、紅壤、黃壤、紫色土、灰鈣土、潮土和水稻土等12個(gè)土類(lèi)共57個(gè)不同土樣為供試對(duì)象,分析測(cè)定了土壤的基本理化性質(zhì)(pH、有機(jī)質(zhì),速效磷、陽(yáng)離子代換量、粘粒含量和土壤全Cu、全Cd),以0.1mol·L-1 HCl提取的Cu、Cd含量表征土壤重金屬的植物有效性,利用多元線

7、性回歸的方法建立土壤Cu、Cd的植物有效性與土壤基本理化性質(zhì)關(guān)系的評(píng)估模型。本試驗(yàn)結(jié)果表明,土壤中Cd的植物有效性與土壤中全Cd、有機(jī)質(zhì)和速效磷含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,而與土壤pH呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤Cu的植物有效性與土壤全Cu、全Cd和速效磷含量顯著正相關(guān),與土壤pH顯著負(fù)相關(guān)。由此可見(jiàn),在考慮Cu的植物有效性時(shí),必須考慮Cd的影響。采用總權(quán)重離子沖量的形式可同時(shí)表征復(fù)合污染土壤中Cu、Cd的植物有效性:lgω I植物=0.995

8、 lgω I土+0.1531gP速效+0.0841gSOM-0.058pH-0.365(r=0.875,F=42.570,n=57,P<0.001)。
　　 在南昌地區(qū)化工、鋼鐵、電鍍和塑料4種類(lèi)型6個(gè)企業(yè)周邊采集土壤-蔬菜樣品(n=75)以檢驗(yàn)評(píng)估模型的適用性。一元線性回歸的分析結(jié)果表明,土壤Cu、Cd的植物有效性預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.88,n=75,P<0.001),說(shuō)明復(fù)合污染土壤中Cu、Cd的植物

9、有效性主要受到土壤Cu和Cd的全量、pH、有機(jī)質(zhì)和速效磷含量的影響,且采用總權(quán)重離子沖量建立的評(píng)估方程能較好地預(yù)測(cè)土壤Cu、Cd的植物有效性。
　　 (2)土壤Cu、Cd復(fù)合污染對(duì)植物生長(zhǎng)、生理指標(biāo)的影響
　　 評(píng)估和預(yù)測(cè)土壤中Cu、Cd的植物有效性是為了針對(duì)不同污染水平的土壤如何選擇不同的利用方式,以實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的管理目標(biāo)。因此,本文進(jìn)一步探討了土壤Cu、Cd復(fù)合污染對(duì)黑麥草和海州香薷兩種植物種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)和生理指

10、標(biāo)的影響。
　　 Cu、Cd脅迫對(duì)黑麥草和海州香薷種子的萌發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,種子萌發(fā)過(guò)程主要依靠自養(yǎng),因此Cu、Cd脅迫對(duì)種子萌發(fā)帶來(lái)的影響不大。水培實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)溶液中Cu和Cd的濃度分別為10 mg·L-1和30 mg·L-1時(shí),黑麥草的苗長(zhǎng)受到極顯著的脅迫作用(P<0.01)；當(dāng)Cu和Cd的濃度分別為30 mg·L-1和5 mg·L-1時(shí),海州香薷的苗長(zhǎng)受到極顯著的脅迫作用(P<0.01).在本實(shí)驗(yàn)條件下,溶液中低濃度的C

11、u和Cd分別使海州香薷和黑麥草的苗長(zhǎng)表現(xiàn)出毒性興奮現(xiàn)象,說(shuō)明海州香薷是Cu的耐性植物而黑麥草為Cd的耐性植物。
　　 生物盆栽實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,兩種植物地下部對(duì)Cu、Cd的吸收系數(shù)>地上部的吸收系數(shù)。紅壤pH對(duì)黑麥草影響較大,土壤pH<5.0時(shí)黑麥草就無(wú)法正常生長(zhǎng)。對(duì)于弱酸性紅壤(pH6.0左右),全Cu<80 mg·kg-1時(shí),黑麥草的生物量、葉綠素含量、抗氧化酶活性、根系活力和MDA含量與對(duì)照相比差異不大。當(dāng)土壤中Cu含量達(dá)到2

12、30 mg·kg-1時(shí),盡管黑麥草地上部分減產(chǎn)不明顯,但黑麥草的生化指標(biāo)已受到了明顯的抑制,且重金屬的吸收系數(shù)較大。由于黑麥草是Cd的耐性植物,Cd含量的增加未對(duì)黑麥草的生長(zhǎng)和生理指標(biāo)表現(xiàn)出顯著差異。因此,為保證牧草的品質(zhì)安全,黑麥草不適宜種在Cu、Cd重污染土壤上。海州香薷對(duì)土壤Cu含量乖土壤酸性均有較高的耐性,在酸性紅壤上(pH5.0左右),與對(duì)照相比,土壤中Cu含量為80 mg·kg-1時(shí)還能促進(jìn)海州香薷的生長(zhǎng)；當(dāng)Cu含量達(dá)230

13、 mg·kg-1時(shí),海州香薷的生長(zhǎng)則受到顯著抑制。與黑麥草不同,當(dāng)土壤Cd含量由0.05 mg·kg-1增加到15.97 mg·kg-1時(shí),海州香薷的生長(zhǎng)和生理指標(biāo)受到顯著的抑制作用。
　　 葉綠素含量、POD酶活性、SOD酶活性,根系活力和MDA含量等生理指標(biāo)均能反映Cu、Cd對(duì)海州香薷和黑麥草生長(zhǎng)的脅迫作用。土壤蛋白酶、脲酶、過(guò)氧化物酶和酸性磷酸酶可以指示土壤Cu、Cd復(fù)合污染的程度。Cu和Cd之間表現(xiàn)為協(xié)同作用,并且這種協(xié)

14、同作用在高Cu含量時(shí)更大。
　　 (3)復(fù)合污染土壤中Cu、Cd植物有效性的調(diào)控措施
　　 最后,本研究進(jìn)一步探索了調(diào)控復(fù)合污染土壤中Cu、Cd有效性的具體措施。由于殼聚糖可提高土壤中Cu、Cd的活性,而二氧化鈦可通過(guò)羥基基團(tuán)的吸附作用鈍化土壤中的Cu、Cd活性,所以采用“海州香薷聯(lián)合殼聚糖活化誘導(dǎo)”和“海州香薷聯(lián)合二氧化鈦鈍化”兩種“植物+改良劑”聯(lián)合的方法,比較兩者對(duì)復(fù)合污染土壤中Cu、Cd有效性的調(diào)控效果的差異。結(jié)