報紙肥料作用下重金屬鎘在土壤-小白菜體系中的遷移

陳嵩岳,郭家園， 關 鋒， 胡 瑩， 冷 粟,王娟輝,張振斌,陳力可,劉 淼

(吉林大學 環(huán)境與資源學院,地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室,長春 130012)

鎘是一種極具生物毒性的環(huán)境污染元素,在自然界普遍存在[1]. 鎘在土壤中的累積不僅影響土壤的生態(tài)功能,還可通過土壤-植物系統(tǒng)危害作物生長,并可通過食物鏈途徑最終危害人類的健康[2]. 給土壤施肥會影響植物根系和地上部分的生理代謝過程或重金屬在植物體內的運轉而間接影響植物對重金屬元素的吸收[3].

由于鎘的潛在毒性僅次于汞， 因此若污染則更易發(fā)生較大危害[3],植物能吸收土壤中的可溶態(tài)鎘,當鎘進入植物體內并積累到一定程度時,植物將出現(xiàn)毒害癥狀. 鎘一般在土壤表層累積,一旦累積則不易消除,將成為持久性污染物. 鎘的存在形態(tài)受土壤質地和pH值等影響差異較大,水溶態(tài)鎘是植物吸收鎘的直接來源[4]. 目前， 如何有效清除污染土壤中的鎘已引起人們廣泛關注[5].

本文以小白菜為樣品,通過在土壤中添加不同質量比的金屬鎘,以盆栽實驗方式考察在報紙肥料作用下小白菜的生長及植株體內鎘的累積效應.

1 材料與方法

1.1 材 料

實驗土壤為質地均勻的東北黑土,取風干后的土壤過80目篩,稱取一定質量的土壤進行基本性質測定. 用K2CrO7氧化法測量有機質含量；用電位法測量土壤pH值,在V(水)∶m(土)=2.5條件下用上海精密科學儀器有限公司生產的PHS-3B型雷磁pH計測定；用原子吸收分光光度法測定HNO3-HClO4消解后的全鎘；用石墨爐測定[6]濃度為0.1 mol/L HCl浸提土壤中的有效鎘,土壤的理化性質列于表1.

表1 供試土壤的基本理化性質Table 1 Some physical and chemical properties of test soil

實驗植物為小白菜,由吉林省蔬菜花卉科學研究所提供. 肥料由廢舊報紙自制: 將質量分數(shù)為10%的HNO3溶液和質量分數(shù)為10%的H3PO4溶液按一定比例加入裝有40 g報紙碎屑的燒杯中,浸泡1 h后用KOH中和經酸處理的紙屑至pH=8,加熱使混合物由灰色變成棕褐色， 在干燥爐內107 ℃干燥處理后研磨,即為所需肥料.

1.2 盆栽實驗

分別設置鎘污染質量比為0，10，20，40 mg/kg,相當于土壤環(huán)境質量標準(三級標準)的0，10，20，40倍[7],將Cd(NO3)2·4H2O配成溶液后與土壤混合；肥料用量分別為0，1，3，5 g/kg. 采用盆栽實驗,每盆裝土1 kg,共16組,每組4盆平行樣. 平衡一周后播種,生長5周后收獲.

1.3 測定方法

1.3.1 生物量的測定 在種植的第5周收割小白菜,先用自來水將各組小白菜洗凈后,再用蒸餾水洗滌,擦干表面水分. 每盆取4株樣品,每組共取16株樣品,用電子天平稱每株樣品的鮮質量,用直尺測量植株的根長、 株高和葉寬,取平均值作為指標值.

1.3.2 小白菜中鎘的測定 稱取5.0 g鮮樣品,剪碎后置于50 mL錐形瓶中,加入5 mL濃HNO3和3 mL濃H2O2,在55～65 ℃恒溫水浴加熱至樣品完全溶解,取出冷卻后過濾,移入25 mL容量瓶中,定容. 每組取3個平行樣,同時做試劑空白[8]. 采用PerkinElmer A600型石墨爐原子吸收分光光度計測定鎘的質量比[9].

1.3.3 土壤中鎘的測定 實驗用花盆高12 cm,土壤在花盆中的垂直深度約為10 cm,分別在距離土壤表面3，6，9 cm處取土壤,待土壤風干后,過100目篩,稱取1 g土壤置于50 mL錐形瓶中,加水濕潤后加入12 mL濃HNO3和3 mL濃HClO4,置于電熱板上加熱至樣品完全溶解,此時土壤呈灰白色或淡黃色. 取出加適量蒸餾水,冷卻20 h后過濾,移入25 mL容量瓶中,定容,搖勻[8-11]. 采用PerkinElmer火焰原子吸收分光光度計測定鎘的質量比.

2 結果與分析

2.1 不同鎘污染質量比與不同質量比肥料處理對小白菜生物量的影響

表2為不同鎘污染質量比與不同質量比肥料處理下的小白菜根長、 株高、 葉寬和鮮質量指標. 由表2可見：w(肥料)=0和w(Cd)=10 mg/kg的根長指標比w(肥料)=w(Cd)=0提高了10.1%,即鎘促進了小白菜根的生長；當w(Cd)=20，40 mg/kg時,根長指標分別降低了20.5%和34.0%,即過量的鎘抑制了小白菜根的生長；當w(肥料)=1 g/kg，w(Cd)=0時,小白菜根長指標比w(肥料)=w(Cd)=0時提高了5.4%. 通過上述分析可見， 當金屬鎘存在時,施加肥料抑制了小白菜根的生長,隨著鎘污染質量比的增加,抑制趨勢明顯增強；當w(Cd)=40 mg/kg時,根長與空白相比降低了43.4%；隨著肥料質量比的增加,鎘對小白菜根生長的抑制作用變化較小. 文獻[12]研究表明， 金屬鎘大部分集中在植物根部,施加肥料可促進小白菜生長和小白菜對金屬鎘的吸收,導致鎘在小白菜根部積累,抑制其根部生長， 該抑制作用遠大于肥料對其生長的促進作用， 即鎘污染對小白菜根的生長具有抑制作用,施加肥料可使該抑制作用更顯著.

表2 不同鎘污染質量比與不同質量比肥料處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

株高指標分析表明：當w(Cd)=10，20 mg/kg時， 是否加入肥料對小白菜株高的影響均較小;當w(Cd)=40 mg/kg時,在不添加肥料的情況下,金屬鎘對小白菜株高的生長影響較小,在施加肥料的情況下,鎘污染對小白菜株高的生長具有抑制作用. 葉寬指標分析表明：鎘污染對小白菜葉的生長具有抑制作用;無論是否存在鎘污染,施加肥料對小白菜葉的生長均具有促進作用. 小白菜的鮮質量指標表明: 施加肥料對增加小白菜的鮮質量有促進作用,當w(Cd)=40 mg/kg時,小白菜的鮮質量指標與無鎘污染相比略有下降. 李德明等[13]研究表明,鎘在小白菜上的分布量依次為：根系>葉片>葉柄， 與表2中鎘污染抑制小白菜根生長最大的結論相符.

2.2 不同鎘污染質量比與不同質量比肥料處理對小白菜根系耐性指數(shù)的影響

根系耐性指數(shù)(RTI)是各組根系長度與對照根系長度的比值,能較好地反映植物對重金屬的耐性. 圖1為不同鎘污染質量比與不同質量比肥料處理下小白菜的RTI.

圖1 不同鎘污染質量比與不同質量比 肥料處理下小白菜的RTI Fig.1 Influence of different cadmium pollution concentrations on RTI of cabbage at different fertilizer concentrations

由圖1可見: 施加肥料且無鎘污染的3組小白菜的RTI均大于1.0,在加入鎘污染的各組中,僅w(Cd)=10 mg/kg,且不加肥料組的RTI大于1.0,其余均小于1.0,即小白菜根部生長均受阻；在鎘污染的各組中,不施加肥料的各組RTI普遍高于加入肥料組的RTI;當w(Cd)=40 mg/kg，w(肥料)=5 g/kg 時， RTI最低. 因此,高質量比的鎘污染使鎘離子在根部大量積累,降低了鎘離子向地上部位運輸?shù)男?從而影響了根部生長.

2.3 鎘在小白菜地上和地下部分的質量比及分布

圖2為不同鎘污染水平和不同質量比肥料下小白菜地上與地下部分鎘的質量比. 由圖2可見: 無肥料組中小白菜地上部分的鎘的質量比均高于加入肥料組中小白菜地上部分鎘的質量比,且隨著土壤中鎘污染水平的增大,小白菜地上部分鎘的質量比增高；加入肥料后,地上部分鎘的質量比明顯降低,當鎘污染較大時,加入的肥料質量比越大,地上部分鎘的質量比越低；無肥料組中小白菜地下部分鎘的質量比隨土壤鎘污染的增大而增加， 加入肥料的各組小白菜地下部分鎘的質量比均增加， 當土壤鎘污染較大時,加入的肥料質量比越大,小白菜地下部分鎘的質量比越高；施加肥料后小白菜地下部分鎘的質量比明顯高于地上部分,且肥料的質量比越高,差距越顯著；各組小白菜地上部分鎘的質量比平均值為0.007 1 mg/kg,地下部分鎘的質量比平均值為0.015 8 mg/kg,表明鎘污染抑制了小白菜根的生長， 而對株高和葉寬影響較小. 當w(Cd)=40 mg/kg,w(肥料)=5 g/kg時,小白菜根對鎘的吸收高于其他各組,吸收量比w(Cd)=40 mg/kg,w(肥料)=0時相比增加了215.5%.

2.4 鎘在小白菜中的轉移系數(shù)

轉移系數(shù)(TF)是植物地上部分重金屬質量比與其根部重金屬質量比的比值[10]. 圖3為不同鎘污染水平和不同質量比肥料下小白菜的TF.

圖2 小白菜地上與地下部分鎘的質量比比較Fig.2 Mass ratioes of cadmium in ground and underground parts of cabbage

圖3 鎘在小白菜中的TFFig.3 Cadmium transfer factor coefficient in cabbage

由圖3可見：不施加肥料組的TF值隨鎘污染質量比的增大而增高,當w(Cd)=40 mg/kg時,TF>1,即在不施加肥料的情況下,小白菜地下部分鎘的質量比隨鎘污染質量比的增大而增大， 同時,小白菜根部積累的鎘通過植物的蒸騰作用向植物的莖葉等地上部分轉移[14],當w(Cd)=40 mg/kg時,地上部分鎘的質量比高于地下部分；加入肥料促進了植物根部對鎘的吸收,大量鎘被富集在根部,且根部對鎘的吸收隨鎘質量比的增大而增強；加入肥料后,TF值隨鎘質量比的增大而降低,其最高值為0.41,表明根部向莖葉部分轉移鎘的能力遠低于根部吸收鎘的能力；當w(Cd)=20，40 mg/kg時,小白菜的平均轉移系數(shù)為0.35,表明小白菜吸收的鎘大部分集中在根部,即根系是小白菜積累鎘的重要器官.

2.5 不同土壤層次中鎘的質量比

圖4為盆栽中不同層次土壤中鎘的質量比. 由圖4可見：與種植前土壤對比,種植后土壤中鎘的質量比均略有下降,這是由于給小白菜澆水使部分金屬鎘以離子形式隨水溶液由花盆底部的透風空隙滲出， 以及小白菜根系在吸收和代謝時將土壤中的鎘通過根部轉移到其體內,并將部分鎘向地上部分運輸所致；當w(肥料)=1，3 g/kg時,鎘的質量比在土壤下層顯著降低,這是因為根部(根長約5 cm)吸收距土壤表面約5 cm處的鎘,在深處的鎘由于土壤中的質量比差向上遷移,導致下層中鎘的質量比降低；各污染質量比下,土壤中各層含鎘質量比的規(guī)律基本相同,即中層>上層和下層,這是因為根部主要在中層對鎘進行吸收所致；當w(肥料)=5 g/kg時,小白菜根部吸收范圍主要在土壤表層下約3 cm處(根長約為2.5 cm),由于各層鎘質量比的差異,導致輕度鎘污染的土壤上層鎘的質量比降低,下層和中層的鎘向上遷移,鎘的質量比整體呈現(xiàn)“中層>上層>下層”的趨勢；中度污染土壤中鎘的質量比為：中層>下層>上層,這是由于當鎘的質量比較高時， 使鎘在下層向上層遷移效果較差所致；重度污染土壤中鎘的質量比呈“上層>中層>下層”的趨勢， 這是由于鎘質量比的差異使大量鎘向上遷移,最終累積到根部所致.

圖4 各層土壤中鎘的質量比Fig.4 Mass ratioes of cadmium in different horizon

綜上， 本文可得如下結論：

1) 鎘污染對小白菜根生長的抑制作用較大,施加肥料可增強該抑制作用；

2) 無論是否加入金屬鎘,施加肥料對小白菜株高均有促進作用；當w(肥料)=3 g/kg時,該促進作用最大；在施加肥料的情況下， 高質量比的鎘對小白菜的株高具有抑制作用， 但對小白菜葉寬和鮮質量的影響較??；

3) 加入肥料可提高根部對鎘的吸收速率,高質量比的肥料阻止鎘進一步向地上部位運輸,從而在根部積累,影響根部生長；由于根部向莖葉部分轉移鎘的能力遠低于根部吸收鎘的能力,因此小白菜吸收的鎘大部分集中在根部,即根系是小白菜積累鎘的重要器官.

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