污染土壤中銅、鎘的植物有效性及其調(diào)控研究.pdf

1、土壤重金屬污染嚴重影響了土壤環(huán)境質(zhì)量,并引發(fā)了諸多食品安全問題。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價、重金屬污染土壤的修復(fù)和安全利用等問題一直是生態(tài)環(huán)境研究領(lǐng)域的熱點。本文在建立與檢驗土壤Cu、Cd的植物有效性評估模型的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了土壤Cu、Cd復(fù)合污染對植物生長、生理指標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的植物有效性評估模型的建立與檢驗
　　 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)為研究對象,采用一元線性回歸的統(tǒng)計方法,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種提取劑均無法同時表征不同土壤-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;該指標不考慮中性和酸性土壤性質(zhì)差異對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,可對提取量減半校正；利用植物含水率校正植物對重金屬的吸收差異。校正后,0.1mol·L-1 HCl提取的土壤Cu、Cd含量可同時表征上述兩個系統(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0.901(n=35,P<0.01)。
　　 為了建立土壤Cu、Cd的植物有效性評估模型,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個土類共57個不同土樣為供試對象,分析測定了土壤的基本理化性質(zhì)(pH、有機質(zhì),速效磷、陽離子代換量、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)系的評估模型。本試驗結(jié)果表明,土壤中Cd的植物有效性與土壤中全Cd、有機質(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顯著負相關(guān)。由此可見,在考慮Cu的植物有效性時,必須考慮Cd的影響。采用總權(quán)重離子沖量的形式可同時表征復(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種類型6個企業(yè)周邊采集土壤-蔬菜樣品(n=75)以檢驗評估模型的適用性。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)測值與實測值之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.88,n=75,P<0.001),說明復(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估方程能較好地預(yù)測土壤Cu、Cd的植物有效性。
　　 (2)土壤Cu、Cd復(fù)合污染對植物生長、生理指標的影響
　　 評估和預(yù)測土壤中Cu、Cd的植物有效性是為了針對不同污染水平的土壤如何選擇不同的利用方式,以實現(xiàn)科學(xué)合理的管理目標。因此,本文進一步探討了土壤Cu、Cd復(fù)合污染對黑麥草和海州香薷兩種植物種子萌發(fā)、幼苗生長和生理指

10、標的影響。
　　 Cu、Cd脅迫對黑麥草和海州香薷種子的萌發(fā)實驗結(jié)果表明,種子萌發(fā)過程主要依靠自養(yǎng),因此Cu、Cd脅迫對種子萌發(fā)帶來的影響不大。水培實驗結(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,黑麥草的苗長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,海州香薷的苗長受到極顯著的脅迫作用(P<0.01).在本實驗條件下,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表現(xiàn)出毒性興奮現(xiàn)象,說明海州香薷是Cu的耐性植物而黑麥草為Cd的耐性植物。
　　 生物盆栽實驗結(jié)果表明,兩種植物地下部對Cu、Cd的吸收系數(shù)>地上部的吸收系數(shù)。紅壤pH對黑麥草影響較大,土壤pH<5.0時黑麥草就無法正常生長。對于弱酸性紅壤(pH6.0左右),全Cu<80 mg·kg-1時,黑麥草的生物量、葉綠素含量、抗氧化酶活性、根系活力和MDA含量與對照相比差異不大。當(dāng)土壤中Cu含量達到2

12、30 mg·kg-1時,盡管黑麥草地上部分減產(chǎn)不明顯,但黑麥草的生化指標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含量的增加未對黑麥草的生長和生理指標表現(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),與對照相比,土壤中Cu含量為80 mg·kg-1時還能促進海州香薷的生長；當(dāng)Cu含量達230

13、 mg·kg-1時,海州香薷的生長則受到顯著抑制。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,海州香薷的生長和生理指標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含量等生理指標均能反映Cu、Cd對海州香薷和黑麥草生長的脅迫作用。土壤蛋白酶、脲酶、過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,而二氧化鈦可通過羥基基團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,比較兩者對復(fù)合污染土壤中Cu、Cd有效性的調(diào)控效果的差異。結(jié)