鎘植物毒害臨界值的穩(wěn)定性在土壤學(xué)中的影響研究

摘 要：采集了中國(guó)南方酸性土壤區(qū)九種性質(zhì)不同的土壤，以鎘高敏感作物-蕹菜為植物受體，開(kāi)展了蕹菜幼苗的鎘毒性測(cè)試。結(jié)果表明，土壤有效鎘基（0.1mol·L-1 CaCl2）的蕹菜地上部鮮重EC10和EC20的變化區(qū)間分別為0.14-0.52mg·kg-1、0.18-2.46mg·kg-1，分別代表了不同類型土壤間3.71倍和13.67倍的變異。對(duì)土壤七種理化性質(zhì)指標(biāo)和土壤有效鎘基（0.1mol·L-1 CaCl2）的蕹菜地上部鮮重ECx值進(jìn)行單因素回歸分析和逐步回歸分析表明：土壤pH值是引起ECx值變異的最重要的參數(shù)。

關(guān)鍵詞：鎘：酸性土壤：預(yù)測(cè)模型

1 概述

鑒于以往研究[1，2]，通常認(rèn)為鎘在酸性土壤中的生物活性較強(qiáng)、毒害作用較大。因此本研究采集了中國(guó)南方酸性土壤區(qū)九種不同性質(zhì)的代表性土壤，以前期試驗(yàn)篩選的鎘高敏感作物-蕹菜作為植物受體，針對(duì)區(qū)域性土壤研究了鎘植物毒害臨界值的穩(wěn)定性及其關(guān)鍵的土壤學(xué)影響因素，并建立了標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)系模型，以期將其應(yīng)用于區(qū)域土壤環(huán)境基準(zhǔn)的校正和建立。

2 材料與方法

2.1 供試材料

供試植物：選定對(duì)鎘元素高敏感、且幼苗生物量較大、生長(zhǎng)性狀相對(duì)穩(wěn)定的蕹菜作為本次試驗(yàn)的生態(tài)受體。

供試土壤：采自中國(guó)南部福建省境內(nèi)的九種代表性土壤。農(nóng)業(yè)土壤采集耕作層，自然土壤清理表面的枯枝落葉后采集表土層（A層）。

供試試劑：CdCl2·2.5H2O（分析純）。

2.2 試驗(yàn)方法

將采集的土壤自然風(fēng)干，去除其中的石塊和植物根系等雜物，過(guò)2mm篩，充分混勻，然后將各土樣裝入直徑為12cm、高度為10cm的PVC栽培盆（裝置底部均勻布有5個(gè)直徑為0.5cm的通氣小孔），各裝置中土壤質(zhì)量為0.45kg。施入一次性底肥（肥料用量為N100mg·kg-1，P2O580mg·kg-1，K2O100mg·kg-1）。

分別設(shè)置對(duì)照和8個(gè)CdCl2·2.5H2O處理濃度：0.25、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0、32.0mgCd·kg-1。先將各鎘處理溶液噴入土壤混勻，放置2d后多次噴灑加水，加至田間持水量的60%并且不發(fā)生水滲出栽培盆為限度，加蓋農(nóng)用塑料薄膜，放置平衡期間定期加水維持含水量，穩(wěn)定30d。

參照ISO11269-2-2005將蕹菜種子催芽，露白后直接移入PVC栽培盆，表層覆蓋一層細(xì)土。出苗后3d間苗，每盆定植長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗4株，出苗后培養(yǎng)18d收獲。溫室培養(yǎng)，溫度設(shè)定為22±2℃，自然光照，所有栽培盆隔天隨機(jī)排列，每天定期加水維持60%田間持水量。

2.3 樣品檢測(cè)分析

2.3.1 土壤樣品分析測(cè)定

土壤鎘全量測(cè)定采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解法[3]。土壤有效鎘采用CaCl2法提取測(cè)定，為了更好地反映土壤鎘的有效性，本試驗(yàn)直接采用新鮮土樣測(cè)定土壤鎘有效量。稱取新鮮土樣約5.50g，加入0.1mol·L-1CaCl2浸提劑25.0mL，于（25±1）℃條件下以210r·min-1的速度振蕩60min，立即過(guò)濾定容。同時(shí)測(cè)新鮮土壤的含水率。待測(cè)液鎘濃度用石墨爐原子吸收分光光度法（GTA120/AA240Z，美國(guó)Varian）測(cè)定。

土壤常規(guī)理化性質(zhì)的測(cè)定：土壤pH值采用電位法（土水比1：2.5），陽(yáng)離子交換量（CEC）采用乙酸銨交換法，土壤顆粒組成采用比重計(jì)法，土壤有機(jī)質(zhì)采用硫酸-重鉻酸鉀容量法，游離鐵含量采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉提取法，交換鈣、鎂的測(cè)定采用乙酸銨原子吸收分光光度法（SHIMADZUAA-6300C）。

2.3.2 作物樣品的處理及測(cè)定

收獲時(shí)小心將植株整株取出，盡量去除附著在根系上的土壤，依次用0.2%HCl溶液、自來(lái)水和去離子水洗凈后，適當(dāng)濾干水分，分別記錄株高（shootheight）、根長(zhǎng)、地上部生物量和根生物量。

2.3.3 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)一以耐性指數(shù)表示鎘毒害下的各生物性狀指標(biāo)，使各個(gè)指標(biāo)之間具有可比性，計(jì)算方法如下：耐性指數(shù)=處理/對(duì)照×100%[4]。

以重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)的抑制效應(yīng)濃度（Effective Concentration，ECx）來(lái)定量化地評(píng)價(jià)其受毒害狀況。如EC10、EC20分別是指植物生長(zhǎng)受到10%和20%抑制時(shí)環(huán)境中重金屬的濃度。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析采用DPS軟件和Maple17.0軟件。依據(jù)模擬曲線的置信區(qū)間及相關(guān)性對(duì)不同種類植物進(jìn)行鎘毒害的劑量-效應(yīng)較優(yōu)模型擬合。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同類型土壤中鎘的有效量差異

鎘處理濃度區(qū)間（0.25-32.0mg·kg-1）九種土壤鎘有效量（0.1mol·L-1CaCl2）的變化如圖1所示。由圖1可知，各土壤變化的趨勢(shì)一致，但變化幅度卻存在較大差異。這種差異在較低濃度鎘處理（0.5-2.0mg·kg-1）時(shí)即表現(xiàn)明顯，如0.5mg·kg-1下九種土壤有效鎘的變化區(qū)間是0.11-0.38mg·kg-1，差異率達(dá)3.45倍：添加鎘達(dá)2.0mg·kg-1時(shí)有效鎘的變化區(qū)間是0.29-0.98mg·kg-1，差異率達(dá)3.38倍，但差異幅度已達(dá)0.69mg·kg-1。隨著添加鎘濃度的增加，這種差異幅度也隨著擴(kuò)大，當(dāng)鎘添加量達(dá)32.0mg·kg-1時(shí)，九種土壤鎘的有效量在3.66-10.19mg·kg-1之間變化，最大差異量為6.53mg·kg-1。同時(shí)不同類型土壤的有效鎘含量占土壤全鎘量的比例也變化很大，如在鎘添加量達(dá)32.0mg·kg-1時(shí)1號(hào)水稻土有效鎘濃度為10.19mg·kg-1，占土壤全量鎘的31.75%，而3號(hào)水稻土有效鎘為3.66mg·kg-1，僅占土壤全量鎘的7.00%，其鎘有效度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1號(hào)土。有研究認(rèn)為土壤對(duì)鎘的吸附和解吸受pH、Eh、有機(jī)質(zhì)含量、CEC、粘粒組成甚至溫度等多種因素的影響[5]，進(jìn)而影響植物對(duì)鎘的吸收效應(yīng)。

圖1 外源添加Cd下九種土壤中Cd有效量的變化

3.2 不同類型土壤中蕹菜鎘毒害響應(yīng)差異

受鎘毒害的影響，九種土壤中蕹菜的生長(zhǎng)隨著鎘添加量的增加均呈現(xiàn)出明顯的受抑制現(xiàn)象，相同鎘處理下，不同土壤類型之間蕹菜鎘的毒害程度存在較顯著的差別，最直觀的表現(xiàn)是在生長(zhǎng)高度和生物量（如圖2和圖3所示）。如4號(hào)紅壤的蕹菜在整個(gè)鎘處理濃度區(qū)間（0.25-32.0mg·kg-1）株高下降尤其明顯，添加鎘32.0mg·kg-1下降分別達(dá)73.66%，而5號(hào)潮土僅為22.91%，下降幅度相差3.2倍。

3.3 影響鎘植物毒害臨界值的主要土壤學(xué)因素

在相同的土壤鎘添加量的情況下，不同土壤中有效鎘的植物毒害臨界值ECx差異很大，其原因可能是鎘的植物有效利用度為土壤性質(zhì)所制約。有報(bào)道認(rèn)為土壤不同的理化性質(zhì)決定了組分之間鎘的分配，即重金屬的形態(tài)，從而最終形成了鎘對(duì)植物有效性的基礎(chǔ)[6]。因此研究與鎘植物毒害效應(yīng)有良好相關(guān)性的土壤學(xué)因素并建立標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)系，將可以用來(lái)預(yù)測(cè)或修正不同土壤的鎘植物毒害臨界值。

將九種土壤有效鎘（0.1mol·L-1CaCl2）的蕹菜地上部鮮重ECx（x=10、20）分別與土壤的CEC、粘粒（<0.002mm）、游離氧化鐵、pH值、有機(jī)質(zhì)含量、交換Ca和交換Mg七種理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行單因素回歸分析（如圖4和圖5所示），結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤pH值和交換Ca與EC10值呈極顯著（P<0.01）或顯著（P<0.05）的正相關(guān)，土壤pH值和交換Ca對(duì)EC10的貢獻(xiàn)率分別為80.6%和64.9%。因此這些研究結(jié)論也進(jìn)一步解釋了pH值是土壤中鎘的植物有效性的最關(guān)鍵的影響因子。

參考文獻(xiàn)

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