蕹菜對鈾的富集特征及其形態(tài)分析

王帥??黃德娟??黃德超??張如金??周環(huán)??

摘要：以盆栽江西原種大葉蕹菜作為供試作物，鈾礦區(qū)污染土壤作為供試土壤，采用改良的亞鈦還原釩酸銨滴定法及改進(jìn)的BCR提取方法，研究重金屬元素鈾在污染土壤和蕹菜的富集作用和賦存形態(tài)。結(jié)果表明，蕹菜對鈾的富集系數(shù)在0.5左右，是一種低積累農(nóng)作物，其中，蕹菜對土壤中鈾的富集主要是根部；當(dāng)土壤鈾濃度為27.900 mg/kg時，其土壤中鈾的主要賦存形態(tài)是殘?jiān)鼞B(tài)，而其他4個處理組土壤鈾的主要賦存形態(tài)是弱酸提取態(tài)和可還原態(tài)。

關(guān)鍵詞：蕹菜；鈾；富集；化學(xué)形態(tài)；土壤

中圖分類號： X171.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0266-03

20世紀(jì)50年代以來，隨著核電事業(yè)在我國得到高度重視，鈾礦冶工業(yè)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，已經(jīng)探明的大小鈾礦床有200多個，其中85%主要分布在湘、贛、粵等地區(qū)[1]。鈾礦在開采過程中，會長時間占用、破壞、甚至污染土壤，導(dǎo)致我國許多鈾礦區(qū)附近的土壤被伴生的重金屬污染，嚴(yán)重影響附近居民的生存和人體健康。土壤重金屬污染已成為突出的全球性問題[2]。

BCR提取法[3]適合于污染土壤樣品的分析測定，現(xiàn)已成為國內(nèi)外研究土壤、沉積物重金屬污染形態(tài)最為廣泛的方法。BCR提取法經(jīng)過多次的試驗(yàn)比對和改進(jìn)，目前步驟相對較少，形態(tài)之間串相不嚴(yán)重，普遍得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可和應(yīng)用[4]。本試驗(yàn)采用改進(jìn)的BCR提取法[5-6]及東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院的發(fā)明專利“改進(jìn)的亞鈦還原釩酸銨滴定法”[7-8]微量測定土壤中鈾的賦存形態(tài)，以探討蕹菜對鈾的富集作用及其在土壤中的賦存形態(tài)，為研究該區(qū)域土壤重金屬污染治理與生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，并對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民的健康提供理論指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1供試材料與預(yù)處理

選取江西原種大葉蕹菜（Ipomoea aquaticspinach）種子作為供試材料，將種子用蒸餾水浸泡3 h；采用藥液浸種消毒法，用1% CuSO4溶液浸泡種子消毒10 min；用自來水沖洗數(shù)次，蒸餾水沖洗3次；用濾紙將水吸干，溫水浸泡，置于生化培養(yǎng)箱進(jìn)行光照培養(yǎng)，待長出嫩尖，挑選長勢均勻的種子進(jìn)行播種[9]。供試土壤為黃棕壤，pH值為6.37，有機(jī)質(zhì)含量為51%，陽離子交換量（CEC）為11.36 cmol/kg，有效氮、有效磷、有效鉀含量分別為48.64、28.31、44.69 mg/kg。

氮肥、磷肥、鉀肥的配制[10]：稱取過3 mm篩的風(fēng)干土樣，每盆加入2.5 kg供試土壤，以溶液形式加入尿素3 g/盆、KCl 1 g/盆、KH2PO4 1 g/盆，混合均勻；將土樣進(jìn)行機(jī)械攪拌，加250 mL蒸餾水濕潤，土壤室溫陳化2周，待用。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用單因子5水平均勻設(shè)計(jì)，重金屬鈾污染濃度設(shè)計(jì)為：CK0（對照組），土壤幾乎無污染，鈾濃度為2.76 mg/kg，接近全國土壤背景值2.79 mg/kg[11]，遠(yuǎn)低于江西省土壤背景值4.40 mg/kg[12]；CK1，土壤鈾濃度為11.475 mg/kg；L1，土壤鈾濃度為16.665 mg/kg；L2，土壤鈾濃度為22.245 mg/kg；L3，土壤鈾濃度為27.900 mg/kg。將鈾溶液按試驗(yàn)設(shè)計(jì)濃度添加到土壤中，陳化2周，保持土壤含水率達(dá)到田間持水率的60%；每盆播蕹菜種15粒，待幼苗生長到2～3周開始間苗，每盆定長勢均勻的優(yōu)勢植株8株，每一處理重復(fù)3次；蕹菜栽種 40 d 成熟，整株收獲；將植株分為根部和地上部，分別用自來水和蒸餾水洗凈，晾干，并稱鮮質(zhì)量；將蕹菜105 ℃殺青 30 min，80 ℃烘干48 h，稱干質(zhì)量，計(jì)算含水率；用研缽研碎，過[CM（25] 0.25 mm 篩，經(jīng)進(jìn)一步碳化、灰化處理，得粉末狀植物樣[CM）]〖LM〗品，裝袋密封保存，待測。將盆栽土壤風(fēng)干，剔除植物殘體和碎石，過100、200目篩；灰化處理，裝袋密封保存，待測，用于鈾形態(tài)分析[5]。采用改進(jìn)的BCR提取法[5-6]及改進(jìn)的亞鈦還原釩酸銨滴定法[7-8]測定鈾含量。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

富集系數(shù)[13-14]計(jì)算公式為：

[JZ（]λ=Cvi/Csi。[JZ）]

式中：λ表示某種蔬菜的富集系數(shù)；Cvi表示蔬菜中重金屬i的含量，Csi表示土壤中重金屬i的含量，單位均為mg/kg。轉(zhuǎn)移系數(shù)[14]計(jì)算公式為：

[JZ（]TF=C1/C2。[JZ）]

式中：TF表示轉(zhuǎn)移系數(shù)；C1表示地上部分吸收的重金屬含量，C2表示根部吸收的重金屬含量，單位均為mg/kg。利用SPSS 17.0軟件進(jìn)行蕹菜鈾含量、生物有效態(tài)含量與土壤鈾含量的相關(guān)性分析，采用Origin 9.0作土壤鈾化學(xué)形態(tài)分布圖，采用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2結(jié)果與分析

2.1污染土壤與蕹菜鈾富集與轉(zhuǎn)移特征

由表1、圖1可見，對照組CK0的整株蕹菜對土壤鈾的富集系數(shù)相對最高，高于其他4個處理；5個試驗(yàn)處理的蕹菜地上部對土壤鈾的富集能力基本一致，而根部對鈾的富集能力有明顯差異，這說明蕹菜對土壤鈾的富集主要在根部；蕹菜整個植株對鈾的富集系數(shù)在0.5左右，蕹菜對鈾是一種低積累作物。由圖2可見，CK1處理的蕹菜轉(zhuǎn)移系數(shù)相對最大；隨著土壤鈾濃度的增加，蕹菜對鈾的轉(zhuǎn)移系數(shù)逐漸下降。結(jié)合蕹菜的生理特征與生物量情況，低濃度鈾能夠促進(jìn)蕹菜的生長，高濃度鈾抑制蕹菜的生長；當(dāng)土壤鈾濃度超出國家土壤背景值6～10倍時，蕹菜對鈾的轉(zhuǎn)移能力顯著降低。

3結(jié)論

結(jié)果表明，空白處理CK0的蕹菜對鈾的富集系數(shù)相對最高，高于其他4個處理；隨土壤中鈾添加濃度的逐漸增大，蕹菜對鈾的富集系數(shù)呈緩慢增長趨勢；蕹菜對土壤中鈾的富集主要在根部，而整株對鈾的富集系數(shù)在0.5左右，說明蕹菜對鈾是一種低積累作物；在一定適生條件下，蕹菜對土壤中鈾的富集量隨土壤中鈾含量的提高而明顯增加；除空白處理CK0外，土壤中弱酸提取態(tài)和可還原態(tài)鈾含量保持在70%以上，是鈾在土壤中的主要賦存形態(tài)；弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)三者之和表示土壤中生物有效態(tài)的含量，是不穩(wěn)定的化學(xué)形態(tài)，對植物生長和富集有著密不可分的作用。

為客觀全面地研究礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀、治理修復(fù)情況，為礦區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐與居民健康提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法等[15-17]被用于評價礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的綜合污染水平，這對加快相關(guān)研究進(jìn)程、指導(dǎo)礦區(qū)居民的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的理論意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張展適，李滿根，楊亞新，等. 贛、粵、湘地區(qū)部分硬巖型鈾礦山輻射環(huán)境污染及治理現(xiàn)狀[J]. 鈾礦冶，2007，26（4）：191-196.

[2]張磊，宋鳳斌. 土壤吸附重金屬的影響因素研究現(xiàn)狀及展望[J]. 土壤通報，2005，36（4）：628-631.

[3]丁淮劍，張超，季宏兵，等. 土壤和沉積物中重金屬的提取方法研究述評[J]. 環(huán)境工程，2014，32（增刊1）：840-843.

[4]王亞平，黃毅，王蘇明，等. 土壤和沉積物中元素的化學(xué)形態(tài)及其順序提取方法[J]. 地質(zhì)通報，2005，24（8）：728-734.

[5]Rauret G，López-Sánchez J F，Sahuquillo A，et al. Improvement of the BCR three step sequential extraction procedure prior to the certification of new sediment and soil reference materials[J]. Journal of Environmental Monitoring，1999，1（1）：57-61.

[6]Davidson C M，Duncan A L，Littlejohn D，et al. A critical evaluation of the three-stage BCR sequential extraction procedure to assess the potential mobility and toxicity of heavy metals in industrially-contaminated land[J]. Analytica Chimica Acta，1998，363（1）：45-55.

[7]周敏. 釷在鈾水冶過程中的遷移行為研究[D]. 撫州：東華理工大學(xué)，2013.

[8]朱業(yè)安. 鈾礦土壤重金屬污染與超富集植物累計(jì)特征研究[D]. 撫州：東華理工大學(xué)，2013.

[9]邱喜陽，馬淞江，史紅文，等. 重金屬在土壤中的形態(tài)分布及其在空心菜中的富集研究[J]. 湖南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，23（2）：125-128.[ZK）]

[10]吳啟堂，陳盧，王廣壽，等. 化肥種類對不同品種菜心吸收累積Cd的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，1996，7（1）：103-106.

[11]魏復(fù)盛，楊國治，蔣德珍，等. 中國土壤元素背景值基本統(tǒng)計(jì)量及其特征[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測，1991，7（1）：1-6.

[12]何紀(jì)力，徐光炎. 江西省土壤環(huán)境背景值研究[M]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2006.

[13]陳晨. 安徽省典型區(qū)域重金屬污染現(xiàn)狀與評價[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[14]崔玉靜，張旭紅，王麗明. 廣西某污染區(qū)金屬元素在土壤-植物系統(tǒng)中的遷移規(guī)律[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2008，27（10）：1822-1825.

[15]黃德娟，朱業(yè)安，劉慶成，等. 某鈾礦山環(huán)境土壤重金屬污染評價[J]. 金屬礦山，2013，439（1）：146-150.

[16]Hakanson L. An ecological risk index for aquatic pollution control：a sedimentological approach[J]. Water Research，1980，14（8）：975-1001.

[17]姜瑢，呂貽忠，申思雨. 華北地區(qū)有機(jī)種植和常規(guī)種植模式下土壤重金屬含量及污染評價[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2015，23（7）：877-885.