报纸肥料作用下重金属镉在土壤-小白菜体系中的迁移

陈嵩岳,郭家园， 关 锋， 胡 莹， 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,长春 130012)

镉是一种极具生物毒性的环境污染元素,在自然界普遍存在[1]. 镉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,并可通过食物链途径最终危害人类的健康[2]. 给土壤施肥会影响植物根系和地上部分的生理代谢过程或重金属在植物体内的运转而间接影响植物对重金属元素的吸收[3].

由于镉的潜在毒性仅次于汞， 因此若污染则更易发生较大危害[3],植物能吸收土壤中的可溶态镉,当镉进入植物体内并积累到一定程度时,植物将出现毒害症状. 镉一般在土壤表层累积,一旦累积则不易消除,将成为持久性污染物. 镉的存在形态受土壤质地和pH值等影响差异较大,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引起人们广泛关注[5].

本文以小白菜为样品,通过在土壤中添加不同质量比的金属镉,以盆栽实验方式考察在报纸肥料作用下小白菜的生长及植株体内镉的累积效应.

1 材料与方法

1.1 材 料

实验土壤为质地均匀的东北黑土,取风干后的土壤过80目筛,称取一定质量的土壤进行基本性质测定. 用K2CrO7氧化法测量有机质含量；用电位法测量土壤pH值,在V(水)∶m(土)=2.5条件下用上海精密科学仪器有限公司生产的PHS-3B型雷磁pH计测定；用原子吸收分光光度法测定HNO3-HClO4消解后的全镉；用石墨炉测定[6]浓度为0.1 mol/L HCl浸提土壤中的有效镉,土壤的理化性质列于表1.

表1 供试土壤的基本理化性质Table 1 Some physical and chemical properties of test soil

实验植物为小白菜,由吉林省蔬菜花卉科学研究所提供. 肥料由废旧报纸自制: 将质量分数为10%的HNO3溶液和质量分数为10%的H3PO4溶液按一定比例加入装有40 g报纸碎屑的烧杯中,浸泡1 h后用KOH中和经酸处理的纸屑至pH=8,加热使混合物由灰色变成棕褐色， 在干燥炉内107 ℃干燥处理后研磨,即为所需肥料.

1.2 盆栽实验

分别设置镉污染质量比为0，10，20，40 mg/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；肥料用量分别为0，1，3，5 g/kg. 采用盆栽实验,每盆装土1 kg,共16组,每组4盆平行样. 平衡一周后播种,生长5周后收获.

1.3 测定方法

1.3.1 生物量的测定 在种植的第5周收割小白菜,先用自来水将各组小白菜洗净后,再用蒸馏水洗涤,擦干表面水分. 每盆取4株样品,每组共取16株样品,用电子天平称每株样品的鲜质量,用直尺测量植株的根长、 株高和叶宽,取平均值作为指标值.

1.3.2 小白菜中镉的测定 称取5.0 g鲜样品,剪碎后置于50 mL锥形瓶中,加入5 mL浓HNO3和3 mL浓H2O2,在55～65 ℃恒温水浴加热至样品完全溶解,取出冷却后过滤,移入25 mL容量瓶中,定容. 每组取3个平行样,同时做试剂空白[8]. 采用PerkinElmer A600型石墨炉原子吸收分光光度计测定镉的质量比[9].

1.3.3 土壤中镉的测定 实验用花盆高12 cm,土壤在花盆中的垂直深度约为10 cm,分别在距离土壤表面3，6，9 cm处取土壤,待土壤风干后,过100目筛,称取1 g土壤置于50 mL锥形瓶中,加水湿润后加入12 mL浓HNO3和3 mL浓HClO4,置于电热板上加热至样品完全溶解,此时土壤呈灰白色或淡黄色. 取出加适量蒸馏水,冷却20 h后过滤,移入25 mL容量瓶中,定容,摇匀[8-11]. 采用PerkinElmer火焰原子吸收分光光度计测定镉的质量比.

2 结果与分析

2.1 不同镉污染质量比与不同质量比肥料处理对小白菜生物量的影响

表2为不同镉污染质量比与不同质量比肥料处理下的小白菜根长、 株高、 叶宽和鲜质量指标. 由表2可见：w(肥料)=0和w(Cd)=10 mg/kg的根长指标比w(肥料)=w(Cd)=0提高了10.1%,即镉促进了小白菜根的生长；当w(Cd)=20，40 mg/kg时,根长指标分别降低了20.5%和34.0%,即过量的镉抑制了小白菜根的生长；当w(肥料)=1 g/kg，w(Cd)=0时,小白菜根长指标比w(肥料)=w(Cd)=0时提高了5.4%. 通过上述分析可见， 当金属镉存在时,施加肥料抑制了小白菜根的生长,随着镉污染质量比的增加,抑制趋势明显增强；当w(Cd)=40 mg/kg时,根长与空白相比降低了43.4%；随着肥料质量比的增加,镉对小白菜根生长的抑制作用变化较小. 文献[12]研究表明， 金属镉大部分集中在植物根部,施加肥料可促进小白菜生长和小白菜对金属镉的吸收,导致镉在小白菜根部积累,抑制其根部生长， 该抑制作用远大于肥料对其生长的促进作用， 即镉污染对小白菜根的生长具有抑制作用,施加肥料可使该抑制作用更显著.

表2 不同镉污染质量比与不同质量比肥料处理下小白菜的生物量Table 2 Biology indexes of different cadmium pollution concentrations on cabbage biomass at different fertilizer concentration

株高指标分析表明：当w(Cd)=10，20 mg/kg时， 是否加入肥料对小白菜株高的影响均较小;当w(Cd)=40 mg/kg时,在不添加肥料的情况下,金属镉对小白菜株高的生长影响较小,在施加肥料的情况下,镉污染对小白菜株高的生长具有抑制作用. 叶宽指标分析表明：镉污染对小白菜叶的生长具有抑制作用;无论是否存在镉污染,施加肥料对小白菜叶的生长均具有促进作用. 小白菜的鲜质量指标表明: 施加肥料对增加小白菜的鲜质量有促进作用,当w(Cd)=40 mg/kg时,小白菜的鲜质量指标与无镉污染相比略有下降. 李德明等[13]研究表明,镉在小白菜上的分布量依次为：根系>叶片>叶柄， 与表2中镉污染抑制小白菜根生长最大的结论相符.

2.2 不同镉污染质量比与不同质量比肥料处理对小白菜根系耐性指数的影响

根系耐性指数(RTI)是各组根系长度与对照根系长度的比值,能较好地反映植物对重金属的耐性. 图1为不同镉污染质量比与不同质量比肥料处理下小白菜的RTI.

图1 不同镉污染质量比与不同质量比 肥料处理下小白菜的RTI Fig.1 Influence of different cadmium pollution concentrations on RTI of cabbage at different fertilizer concentrations

由图1可见: 施加肥料且无镉污染的3组小白菜的RTI均大于1.0,在加入镉污染的各组中,仅w(Cd)=10 mg/kg,且不加肥料组的RTI大于1.0,其余均小于1.0,即小白菜根部生长均受阻；在镉污染的各组中,不施加肥料的各组RTI普遍高于加入肥料组的RTI;当w(Cd)=40 mg/kg，w(肥料)=5 g/kg 时， RTI最低. 因此,高质量比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,从而影响了根部生长.

2.3 镉在小白菜地上和地下部分的质量比及分布

图2为不同镉污染水平和不同质量比肥料下小白菜地上与地下部分镉的质量比. 由图2可见: 无肥料组中小白菜地上部分的镉的质量比均高于加入肥料组中小白菜地上部分镉的质量比,且随着土壤中镉污染水平的增大,小白菜地上部分镉的质量比增高；加入肥料后,地上部分镉的质量比明显降低,当镉污染较大时,加入的肥料质量比越大,地上部分镉的质量比越低；无肥料组中小白菜地下部分镉的质量比随土壤镉污染的增大而增加， 加入肥料的各组小白菜地下部分镉的质量比均增加， 当土壤镉污染较大时,加入的肥料质量比越大,小白菜地下部分镉的质量比越高；施加肥料后小白菜地下部分镉的质量比明显高于地上部分,且肥料的质量比越高,差距越显著；各组小白菜地上部分镉的质量比平均值为0.007 1 mg/kg,地下部分镉的质量比平均值为0.015 8 mg/kg,表明镉污染抑制了小白菜根的生长， 而对株高和叶宽影响较小. 当w(Cd)=40 mg/kg,w(肥料)=5 g/kg时,小白菜根对镉的吸收高于其他各组,吸收量比w(Cd)=40 mg/kg,w(肥料)=0时相比增加了215.5%.

2.4 镉在小白菜中的转移系数

转移系数(TF)是植物地上部分重金属质量比与其根部重金属质量比的比值[10]. 图3为不同镉污染水平和不同质量比肥料下小白菜的TF.

图2 小白菜地上与地下部分镉的质量比比较Fig.2 Mass ratioes of cadmium in ground and underground parts of cabbage

图3 镉在小白菜中的TFFig.3 Cadmium transfer factor coefficient in cabbage

由图3可见：不施加肥料组的TF值随镉污染质量比的增大而增高,当w(Cd)=40 mg/kg时,TF>1,即在不施加肥料的情况下,小白菜地下部分镉的质量比随镉污染质量比的增大而增大， 同时,小白菜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[14],当w(Cd)=40 mg/kg时,地上部分镉的质量比高于地下部分；加入肥料促进了植物根部对镉的吸收,大量镉被富集在根部,且根部对镉的吸收随镉质量比的增大而增强；加入肥料后,TF值随镉质量比的增大而降低,其最高值为0.41,表明根部向茎叶部分转移镉的能力远低于根部吸收镉的能力；当w(Cd)=20，40 mg/kg时,小白菜的平均转移系数为0.35,表明小白菜吸收的镉大部分集中在根部,即根系是小白菜积累镉的重要器官.

2.5 不同土壤层次中镉的质量比

图4为盆栽中不同层次土壤中镉的质量比. 由图4可见：与种植前土壤对比,种植后土壤中镉的质量比均略有下降,这是由于给小白菜浇水使部分金属镉以离子形式随水溶液由花盆底部的透风空隙渗出， 以及小白菜根系在吸收和代谢时将土壤中的镉通过根部转移到其体内,并将部分镉向地上部分运输所致；当w(肥料)=1，3 g/kg时,镉的质量比在土壤下层显著降低,这是因为根部(根长约5 cm)吸收距土壤表面约5 cm处的镉,在深处的镉由于土壤中的质量比差向上迁移,导致下层中镉的质量比降低；各污染质量比下,土壤中各层含镉质量比的规律基本相同,即中层>上层和下层,这是因为根部主要在中层对镉进行吸收所致；当w(肥料)=5 g/kg时,小白菜根部吸收范围主要在土壤表层下约3 cm处(根长约为2.5 cm),由于各层镉质量比的差异,导致轻度镉污染的土壤上层镉的质量比降低,下层和中层的镉向上迁移,镉的质量比整体呈现“中层>上层>下层”的趋势；中度污染土壤中镉的质量比为：中层>下层>上层,这是由于当镉的质量比较高时， 使镉在下层向上层迁移效果较差所致；重度污染土壤中镉的质量比呈“上层>中层>下层”的趋势， 这是由于镉质量比的差异使大量镉向上迁移,最终累积到根部所致.

图4 各层土壤中镉的质量比Fig.4 Mass ratioes of cadmium in different horizon

综上， 本文可得如下结论：

1) 镉污染对小白菜根生长的抑制作用较大,施加肥料可增强该抑制作用；

2) 无论是否加入金属镉,施加肥料对小白菜株高均有促进作用；当w(肥料)=3 g/kg时,该促进作用最大；在施加肥料的情况下， 高质量比的镉对小白菜的株高具有抑制作用， 但对小白菜叶宽和鲜质量的影响较小；

3) 加入肥料可提高根部对镉的吸收速率,高质量比的肥料阻止镉进一步向地上部位运输,从而在根部积累,影响根部生长；由于根部向茎叶部分转移镉的能力远低于根部吸收镉的能力,因此小白菜吸收的镉大部分集中在根部,即根系是小白菜积累镉的重要器官.

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