溶解性有機(jī)質(zhì)對土壤鎘形態(tài)及對萵筍吸收鎘的影響＊

閆 飛 李興菊 王定勇＊＊

(1 西南大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶,400715;2 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶,400716;3 重慶市農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究重點實驗室,重慶,400716)

溶解性有機(jī)質(zhì)對土壤鎘形態(tài)及對萵筍吸收鎘的影響＊

閆 飛1,2,3李興菊1,2,3王定勇1,2,3＊＊

(1 西南大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶,400715;2 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶,400716;3 重慶市農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究重點實驗室,重慶,400716)

溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)是陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)中的一種重要的活躍的化學(xué)組分,是具有不同結(jié)構(gòu)及分子量大小的有機(jī)物的連續(xù)體或混合體.它影響著環(huán)境的酸堿特性、營養(yǎng)物質(zhì)的有效性、污染物質(zhì)的環(huán)境行為特性等.DOM的濃度通常用溶解性有機(jī)碳 (DOC)來衡量.在土壤和水體中可充當(dāng)難溶性污染物的主要助溶劑和載體.DOM能夠增加某些重金屬,如 Zn,Cd和 Cu的溶解性,從而提高 DOM對萵筍的毒性.其次 DOM影響重金屬的沉淀-溶解平衡,改變土壤中固相物質(zhì)的表面活性,從而影響重金屬在土壤中的化學(xué)行為.因此,DOM對重金屬環(huán)境行為的影響已成為研究前沿.

本文對兩種土壤上施加兩種不同DOM,考察對萵筍對 Cd的吸收,旨在探明 DOM對重金屬污染行為的影響.

1 樣品的采集與分析

供試土壤為重慶菜地典型的紫色土和黃壤.紫色土采自西南大學(xué)實驗農(nóng)場,黃壤采自重慶市北碚區(qū)槽上蔬菜基地,采樣點附近未受工業(yè)污染,采樣深度為 0—20 cm.土壤經(jīng)自然風(fēng)干、粉碎后過不同粒級篩進(jìn)行相關(guān)測定.供試DOM提取自西南大學(xué)實驗農(nóng)場所收集的豬糞和稻草.

設(shè)置 4個處理進(jìn)行盆栽試驗,各處理均重復(fù) 3次.B1(對照):土壤 +萵筍;B2:土壤 +重金屬 +萵筍;B3:土壤 +重金屬 +豬糞DOM+萵筍;B4:土壤 +重金屬 +稻草DOM+萵筍.分別于 0,30,60,90 d時采集土壤樣品,并各取兩個平行進(jìn)行土壤中 pH,DOM含量測定和重金屬形態(tài)分析;在 90 d時采集植株,植株先用自來水沖洗,再用去離子水洗凈,擦干,分根、莖、葉于 105℃殺青 30min,然后在 65℃下烘干、磨細(xì).分析植株各部分重金屬含量,并進(jìn)行分析.

豬糞DOM的提取參考Baham的方法[1],稻草 DOM提取參考周立祥的方法[2],土壤基本性質(zhì)測定方法參照《農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測原理與應(yīng)用》,土壤中鎘的總量測定采用王水-HC lO4消解法,消解液用原子吸收分光光度計測定,土壤中鎘形態(tài)分析采用 Tisser方法測定,用原子吸收分光光度計測定重金屬 Cd的含量,用 TOC總有機(jī)碳測定儀測定濾液中有機(jī)碳含量,將結(jié)果進(jìn)行水分校正,即為土壤中DOM含量.

2 不同土壤外源添加DOM后重金屬在萵筍中的吸附積累

表1 萵筍對 Cd的吸收量 (mg·kg-1)

本實驗選用萵筍來研究不同土壤外源添加 DOM后重金屬在植物中的吸附積累 (表1).

表1的結(jié)果表明,不同土壤中萵筍各部位的吸收量有所不同.黃壤中萵筍各部位的吸收量明顯高于紫色土,這與土壤 pH值有一定聯(lián)系,但黃壤中萵筍各部位重金屬相對于紫色土的增加值在添加外源重金屬的處理中遠(yuǎn)高于對照處理,說明在污染條件下,黃壤中萵筍可吸收利用的重金屬即萵筍有效態(tài)重金屬較紫色土要多,其危害也會更大.添加DOM可改變?nèi)n筍各部位對重金屬吸收積累的數(shù)量.在紫色土中,添加豬糞和稻草 DOM可促進(jìn)萵筍對 Cd的吸收,其中以豬糞DOM的效果更明顯,在黃壤中,兩種DOM都會阻礙萵筍對 Cd的吸收,且都以豬糞DOM的作用更明顯.

3 萵筍中各部位重金屬含量與土壤重金屬形態(tài)的相關(guān)性

在兩種土壤中與萵筍各部分重金屬相關(guān)性最好的均為交換態(tài),它們之間表現(xiàn)出相同的增減規(guī)律,具良好的正相關(guān)性,將交換態(tài)含量與萵筍各部位含量進(jìn)行線性回歸發(fā)現(xiàn),其相關(guān)系數(shù)為 0.957＊—0.997＊＊(r0.05=0.95,r0.01=0.99,n=4),達(dá)到顯著或極顯著水平.碳酸鹽結(jié)合態(tài)與萵筍體內(nèi)重金屬的相關(guān)性也較強(qiáng),黃壤中 Cd與萵筍根的相關(guān)系數(shù)為0.993＊＊,達(dá)極顯著相關(guān),與莖、葉的為 0.979＊和 0.981＊,也達(dá)顯著;鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)與萵筍各部位不具有明顯的相關(guān)性,殘留態(tài)與萵筍各部位重金屬表現(xiàn)出負(fù)相關(guān),但只在黃壤中吸收 Cd時達(dá)顯著 (根 0.978＊,莖0.961＊,葉 0.964＊).因此與植株重金屬累積關(guān)系最密切的形態(tài)是交換態(tài),其含量高低直接影響到萵筍內(nèi)重金屬的濃度水平;碳酸鹽結(jié)合態(tài)的活性比交換態(tài)低,但其時刻處于與交換態(tài)的轉(zhuǎn)化平衡中,能持續(xù)提供重金屬源,對萵筍吸收重金屬也有一定的貢獻(xiàn);鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)較為穩(wěn)定,生物活性較低,萵筍不易吸收,但也有向有效態(tài)轉(zhuǎn)化的可能;殘留態(tài)屬強(qiáng)結(jié)合形態(tài),活性最低,幾乎不被萵筍吸收,其含量越高,說明土壤活性重金屬占的比例越小,重金屬向無效態(tài)轉(zhuǎn)化.

外源添加DOM會改變重金屬在萵筍體內(nèi)的吸收量,其效果因土壤類型和DOM種類而異.栽種萵筍可在一定程度上提高了土壤DOM的含量.因此在農(nóng)地施用有機(jī)物料時,必須將 DOM對重金屬的作用考慮在內(nèi),以防止 DOM活化重金屬而引起的食品污染.

4 土壤重金屬形態(tài)變化與 DOM變化的相關(guān)性

將試驗整個階段各處理土壤中重金屬各賦存形態(tài)的含量與土壤中DOM的含量進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果表明 DOM對重金屬有效態(tài)的影響非常明顯,紫色土均達(dá)顯著水平,而黃壤中均達(dá)極顯著水平.對于不同的土壤和重金屬,DOM對有效態(tài)的作用方向存在差異,紫色土中DOM含量與交換態(tài) Cd呈顯著正相關(guān) (r=0.408);黃壤中 DOM含量與交換態(tài)Cd呈極顯著負(fù)相關(guān) (r=-0.592).DOM對土壤中重金屬有機(jī)結(jié)合態(tài)也有較大的影響 (紫色土 r=0.250,黃壤 r=0.548).DOM可促進(jìn)其它形態(tài)向有機(jī)結(jié)合態(tài)的轉(zhuǎn)化,說明DOM對于不同重金屬有效態(tài)的作用效果是不同的,且在不同土壤上也存在差異.其原因可能是 DOM在 pH值較高的土壤中,DOM-重金屬絡(luò)合物更穩(wěn)定,且DOM更不易被土壤吸附.也可能是土壤DOM比固相有機(jī)質(zhì)具有更多的活性點位,是土壤生態(tài)系統(tǒng)中一種重要的活性組分,能夠充當(dāng)污染物的“配位體”和“遷移載體”,使有機(jī)和無機(jī)污染物的水溶性和遷移性提高,含有大量的功能基團(tuán),可以與土壤中的重金屬通過絡(luò)合和螯合作用,形成有機(jī)-金屬配合,提高重金屬的可溶性;同時,DOM可以通過與土壤、水體和沉積物中金屬離子、氧化物、礦物和有機(jī)物之間離子交換、吸附、氧化還原等反應(yīng),改變重金屬活性,遷移規(guī)律、生物毒性及空間分布.

[1] Baham J,Sposito G,Chemistry of Water-Soluble,Metal-Complexing Ligands Extracted from an Anaerobically-Digested Sewage Sludge[J].Journal of Environmental Quality,1983,12(1) ∶96—100

[2] 周立祥,中國城市污泥土地利用策略及其污泥重金屬環(huán)境化學(xué)行為的機(jī)理研究 [R].北京:中國科學(xué)院地理研究所博士后報告,1998,64

2009年8月11日收稿.

＊國家自然科學(xué)基金 (40673063),西南大學(xué)生態(tài)學(xué)重點學(xué)科“211工程”建設(shè)經(jīng)費.

＊＊通訊作者:dywang@swu.edu.cn