有机肥料对重金属镉在土壤－小萝卜体系中的迁移及对小萝卜生长的影响研究

2013-09-15陈嵩岳郭家园王娟辉张振斌陈力可

东北师大学报（自然科学版） 2013年3期

陈嵩岳，郭家园，冷粟，王娟辉，张振斌，陈力可，刘淼

（吉林大学环境与资源学院，地下水资源与环境教育部重点实验室，吉林长春 130021）

土壤是一个复杂的体系，一旦遭受重金属污染将难以彻底清除，具有长期性和不可逆性.镉是一种极具生物毒性的环境污染元素，其在土壤中的累积不仅影响土壤的生态功能，还可通过土壤－植物系统危害作物生长以及通过食物链途径最终危害人类健康［1］.施肥是农业生产中必不可少的一项增产措施，即使在污染土壤上亦是如此.肥料进入土壤后可对土壤产生一系列影响，这些都会影响到植物对重金属元素的吸收.施肥主要通过以下两种途径影响植物对土壤中重金属的吸收：一是植物生长吸收肥料的过程；二是根系和地上部分的生理代谢过程，或是重金属在植物体内的运转过程进而间接影响重金属元素的吸收.因此，研究在污染农田中施肥对植物重金属吸收的影响具有重要的意义［2］.

镉是毒性最强的重金属元素之一，在自然界普遍存在［3］.土壤中镉的来源分为天然来源和人为来源.前者主要来自于岩石和矿物的本底；后者主要来源于工业“三废”和含镉化肥的大量施用.在重金属元素中，镉的潜在毒性仅次于汞，但镉的污染更易产生大的危害［3］.植物能够吸收土壤中的可溶态镉，当镉进入植物体内并且积累到一定程度时，植物便会出现毒害症状.镉在土壤中一般在表层累积，而且一旦在土壤中累积就很难消除，成为持久性污染物.镉的存在形态受土壤质地、pH值等条件影响差异很大，水溶态镉是植物吸收镉的直接来源［4］.目前，如何有效清除污染土壤中的镉已成为科学家共同关注的难题.植物修复技术以其潜在的高效、廉价及环境友好性越来越受到重视，近年来，植物对镉的吸收、转运及解毒机制方面的研究取得了很大进展，为植物修复镉污染土壤奠定了基础［5］.

本试验以小萝卜为试材，通过盆栽试验的方法在土壤中添加不同质量分数的金属镉，探讨了在肥料的作用下，小萝卜在镉污染土壤中的生长情况及植株体内镉的累积效应.

1 材料与方法

1.1 实验材料

试验土壤为质地均匀的东北黑土.取风干后的土壤过0.149mm细筛，称取一定量的土壤进行基本性状的测定.有机质含量测定采用K2CrO7氧化法；土壤pH采用电位法，在w水∶w土＝2.5∶1条件下用雷磁PHS－3B测定；全镉含量采用HNO3－HClO4消解后原子吸收分光光度法测定；土壤有效镉含量采用0.1mol／L HCl浸提后用石墨炉原子吸收分光光度计测定［6］，结果见表1.

表1 供试土壤的基本理化性质

试验植物为小萝卜，由吉林省蔬菜花卉科学研究所提供.肥料由废旧报纸自制：用10%的HNO3溶液和10%的H3PO4溶液按照一定比例加入装有40g报纸碎屑的烧杯中，浸泡1h后用KOH中和至pH＝8；加热使酸性混合物由灰色变成棕褐色；在107℃干燥炉内进行干燥处理后进行研磨，即得所需肥料.

1.2 实验处理及培养方法

设置镉污染质量分数分别为0，10，20，40mg／kg，相当于土壤环境质量标准（三级标准）的0，10，20，40倍［7］.将Cd（NO3）2·4H2O配成溶液后与土壤混合.肥料的用量为0，1，3，5g／kg.采用盆栽试验，每盆装土1kg，共16组，每组4盆平行样.平衡一周后播种，待生长5周后收获.

1.3 测定方法

（1）生物量的测定.在种植的第5周收割小萝卜，用自来水将各组小萝卜洗净后，再用蒸馏水洗涤，擦干表面水分.每组共取16株样品，用电子天平称量每株苗的鲜重，用直尺测量植株的根长、株高、叶宽，取平均值作为指标值.

（2）小萝卜中镉的测定.样品预处理：准确称取5.0g鲜样，剪碎后倒于50mL锥形瓶中，加入5mL浓HNO3、3mL浓H2O2，55℃～65℃恒温水浴加热，3.5h后样品完全溶解，取出冷却20h后过滤，移入25mL容量瓶中，定容.每组取3个平行样，同时做试剂空白对照［8］.将处理后样品于PerkinElmer A600型石墨炉原子吸收分光光度计上进行分析，测定样品的镉含量.

（3）土壤的消解.样品预处理：分别在距离土壤表面3，6，9cm处取上、中、下3层土壤，待土壤风干后，过0.149mm细筛；准确称取1g土壤倒于50mL锥形瓶中，加水湿润，加12mL浓HNO3、3mL浓HClO4置于电热板上加热，3.5h后样品完全溶解，土壤呈灰白色或淡黄色；加适量蒸馏水，冷却20h后过滤；移入到25mL容量瓶中，定容，摇匀［8－10］.将处理后样品于PerkinElmer火焰原子吸收分光光度计上进行分析，测定样品镉含量.

2 结果与讨论

2.1 不同质量分数镉污染与肥料处理对小萝卜生物量的影响

不同质量分数镉污染与肥料处理下小萝卜根长、株高、叶宽和鲜重的测定结果见表2.

由表2可以看出，肥料质量分数为0、镉质量分数为10mg／kg时，根长指标与空白对照相比提高了20.1%；镉质量分数为20mg／kg和40mg／kg时，根长指标与空白对照相比分别降低了11.6%和13.7%，抑制了小萝卜根的生长.当肥料质量分数为1g／kg、镉质量分数为0时，小萝卜根长指标与空白对照相比提高了14.0%；金属镉加入时，肥料的施加抑制了小萝卜根的生长，随着镉污染浓度的增加，抑制趋势显著.当镉质量分数为40mg／kg时，根长与空白对照相比降低了13.7%.但随着肥料浓度的增加，镉对小萝卜根生长的抑制作用没有显著变化.原因是肥料的施加促进了根对土壤中各种物质的吸收，当植物根部对重金属吸收时，根细胞壁中存在大量交换位点，能将重金属离子交换吸收或者固定.有研究表明，金属镉大部分集中在植物的根部，肥料的施加虽然促进了植物对所需物质的吸收，同时也促进了小萝卜对金属镉的吸收，导致镉在小萝卜根部积累，而镉抑制其根部生长的效应显著大于肥料对其根部生长的促进作用，抑制了根的进一步生长［11］.说明镉污染对小萝卜根的生长有显著的抑制作用，肥料的施加使这种抑制作用更为显著.

表2 不同质量分数镉污染与肥料处理对小萝卜生物量的影响

株高的影响分析表明，无论是否加入肥料，当镉污染的质量分数为10mg／kg和20mg／kg时对小萝卜株高的影响均不显著.当镉污染的质量分数为40mg／kg时，在不添加肥料的情况下，金属镉对小萝卜株高的生长没有显著影响；在施加肥料的情况下，镉污染对小萝卜株高的生长有抑制作用.无论是否加入金属镉，肥料的施加对小萝卜株高都有不同程度的促进作用；当肥料质量分数为3g／kg时，这种促进作用最为显著.镉污染对小萝卜叶宽和鲜重的影响并不显著，肥料的施加促进了小萝卜叶的生长.李德明等的研究表明，镉在植物不同器官的分布量依次为根部、叶片、叶柄［12］，这与表2中镉污染明显抑制了小萝卜根的生长而对株高和叶宽影响不显著的结论一致.

2.2 不同质量分数镉污染与肥料处理对小萝卜根系耐性指数（RTI）的影响

根系耐性指数（RTI）是各处理组根系长度与对照根系长度的比值，能够较好地反映植物对重金属污染的耐性情况.由图1可见，施加肥料且无镉污染的3组小萝卜根系耐性指数均大于1.0；加入镉污染的各处理组中，仅镉污染的质量分数为10mg／kg，且不加肥料组的根系耐性系数大于1.0，其余都小于1.0，小萝卜根部生长均受阻.镉污染的各处理组中，不施加肥料的处理组根系耐性系数普遍高于加入肥料的处理组.在镉污染质量分数为40mg／kg、肥料质量分数为5g／kg时，根系耐性系数最低；从植物生长状态看，在此浓度下小萝卜根部短小、叶边缘卷曲，有明显的失绿症状.由此可见，高浓度的镉污染使镉离子在根部大量积累，降低了镉离子向地上部位运输的效率，影响了根部生长.

图1 不同质量分数镉污染与肥料处理下小萝卜根系耐性指数

2.3 镉在小萝卜地上和地下部分的含量与分布

由图2可见，当肥料质量分数为0，且加入镉污染时，小萝卜地上部分镉含量高于加入肥料的各处理组，且随着土壤镉污染水平的增大，小萝卜地上部分镉含量也相应增高.加入肥料后，地上部分镉含量明显降低，并且当镉污染水平较高时，加入的肥料的质量分数越大，地上部分镉含量越低.无肥料处理组中，小萝卜地下部分镉含量随着土壤镉污染水平的增大而增加；加入肥料的各处理组地下部分镉含量都有不同程度的增加，并且当土壤镉污染水平较高时，加入的肥料的质量分数越大，地下部分镉含量越高.施加肥料后地下部分镉含量明显高于地上部分，并且肥料的质量分数越高，差距越显著.当镉质量分数为40mg／kg、肥料质量分数为5g／kg时，小萝卜根对镉的吸收高于其他各组，吸收量与镉质量分数为40mg／kg、肥料质量分数为0时相比增加了209.6%.

图2 小萝卜地上与地下部分镉含量比较

2.4 镉在小萝卜中的转移系数（TF）

转移系数（TF）是植物地上部重金属含量与其根部重金属含量的比值［9］.由图3可知，无肥料组的TF值随着镉污染质量分数的增大而增高，当镉污染质量分数为40mg／kg时，TF值＞1，说明在不添加肥料的情况下，地下部分的镉含量随着镉污染质量分数的增大而增大.同时，小萝卜根部积累的镉通过植物的蒸腾作用向植物的茎叶等地上部分转移［13］.肥料的加入促进了植物根部的吸收，大量的镉被富集在根部，且随着镉污染质量分数的增高，根部对镉的吸收也增强.由图3可知，加入肥料后，TF值随着镉污染质量分数的提高而降低，且TF值最低为0.20.说明根部向茎叶部分转移镉的能力显著低于根部吸收镉的能力，在镉污染质量分数为20mg／kg和40mg／kg时，小萝卜的平均转移系数分别为0.36和0.32，表明小萝卜吸收的镉大部分集中在根部，镉污染抑制了小萝卜根部生长，说明根系是小萝卜积累镉的重要器官.

图3 镉在小萝卜中的转移系数

2.5 不同土壤层次的含镉量

图4是盆栽结束后不同层次土壤的镉含量测定结果.由图4可见，与种植前相比，土壤中镉含量均有所下降，分析原因可能是小萝卜种植期间每次浇水时部分金属镉会以离子形式随着水溶液由花盆底部的透风空隙渗透出来，造成镉的流失；另一个可能的原因是由于小萝卜根系的吸收和代谢作用将土壤中的镉通过根部吸收到其体内，并将部分镉向地上部分运输.当肥料质量分数为1g／kg和3g／kg时，镉含量在土壤下层（距离土壤表面9cm处）降低显著，分析原因为根部（根长约5cm）吸收距离土壤表面5cm左右的镉，深处的镉由于土壤中的浓度差向上迁移，导致下层含量降低.各污染浓度下，土壤各层含镉量所呈现的规律大体相同，分别为中层含量大于上层和下层，分析原因为根部主要在中层对镉进行吸收，由于浓度差导致其上层和下层的镉向中层迁移.当肥料质量分数为5g／kg时，小萝卜根部吸收范围主要在土壤表层下3cm左右（此浓度下根长约为2.5cm），由于各层镉质量分数的差异，导致轻度镉污染的土壤上层含镉量降低，下层和中层的镉向上迁移，整体呈现镉含量中层＞上层＞下层的趋势.中度污染土壤的镉含量为中层＞下层＞上层，分析原因是污染浓度较高，导致镉在下层向上层的迁移效果不显著.重度污染的土壤呈现镉含量上层＞中层＞下层的规律，分析原因为镉浓度的差异使大量的镉向上迁移，最终累积到根部.［14－19］

图4 各层土壤中镉含量

3 结论

（1）镉污染对小萝卜根的生长有显著的抑制作用，肥料的施加使这种抑制作用更为显著.

（2）无论是否加入金属镉，肥料的施加对小萝卜株高都有不同程度的促进作用，当肥料质量分数为3g／kg时，这种促进作用最为显著.在施加肥料的情况下高浓度镉对小萝卜的株高有抑制作用.镉污染对小萝卜叶宽和鲜重的影响并不显著，肥料的施加促进了小萝卜的生长.

（3）镉污染的各处理组中，不施加肥料的各处理组根系耐性系数普遍高于加入肥料的处理组，说明肥料的加入提高了根部对镉的吸收能力，高质量分数的肥料阻止了镉离子进一步向地上部分运输，从而在根部积累，影响根部生长.根部向茎叶部分转移镉的能力显著低于根部吸收镉的能力，表明植物吸收的镉大部分集中在根部；镉污染抑制植物根部生长，说明根系是小萝卜积累镉的重要器官.

（4）小萝卜通过根部对镉进行富集，根的长度和吸收位置影响土壤中镉的分布.

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