干旱区绿洲土壤Cd、Zn、Ni复合污染对芹菜生长及重金属积累

1、第25卷第2期干旱区资源与环境Vol25No2 2011年2月Journal of Arid Land Resources and Environment Feb2011文章编号:10037578(20110213806干旱区绿洲土壤Cd、Zn、Ni复合污染对芹菜生长及重金属积累的影响*王兆炜,南忠仁,赵转军,杨一鸣,王胜利(兰州大学西部环境教育部重点实验室,兰州大学资源环境学院兰州730000提要:以干旱区绿洲土为供试土壤,用芹菜(Apium graveolens做指示植物,通过模拟盆栽试验,研究了土壤Cd、Zn、Ni复合污染对芹菜生长及重金属吸收积累的影响。结果表明:(1低浓度的Cd、Zn

2、、Ni重金属复合处理在一定程度上可促进芹菜根、茎叶的生长,重金属复合作用增强时,即Cd、Zn、Ni浓度增大时,毒害作用逐渐增强,根、茎叶的生长受到明显的抑制。(2在干旱区绿洲土壤中,芹菜根部和茎叶部对Cd、Zn、Ni的吸收累积量随土壤Cd、Zn、Ni添加量的增大而相应增加。对照处理下,芹菜根部和茎叶部对Cd、Zn、Ni都有一定的吸收,而且芹菜根部和茎叶部对Zn、Ni的吸收要大于Cd。(3芹菜根部及茎叶部对Cd、Zn、Ni三种元素的富集系数大小顺序同为:CdZnNi。芹菜对Cd的吸收与迁移能力大于Zn、Ni,Cd更易从土壤系统进入植物系统。芹菜根部对Cd、Zn、Ni三种元素富集能力显著大于茎叶部

3、,三种元素集中在芹菜根部,难以向地上部分转移。关键词:绿洲土;Cd、Zn、Ni;生物量;生物富集;芹菜中图分类号:X53文献标识码:A蔬菜是日常生活中必不可少的食品,蔬菜对重金属的吸收富集规律是多年来土壤与环境学的研究热点之一1。对于芹菜等叶菜类蔬菜作物,土壤重金属污染不仅影响其生长繁殖,更为重要的是重金属在其可食部分即地上部分积累,通过食物链危害人体健康23。目前,我国相关食品标准明确规定,叶菜(芹菜中Cd的限量值为02mg·kg1,Zn的限量值为20mg·kg145。美国国家环境保护署(USEPA也推荐Cd、Zn、Ni等的人体最大允许摄入量(RfDo分别是0001mg&

4、#183;kg1·d1,030mg·kg1·d1和002mg·kg1·d16。我国西北干旱区绿洲耕作土壤是西北地区蔬菜和粮食的最重要来源。一些研究表明,近年来,由于在工农业生产中的不合理活动,如采矿、冶炼以及农药、化肥的不正确施用等,尤其是因干旱缺水导致的污水灌溉等活动已使我国西北干旱区绿洲土壤及作物出现了一定程度和面积的重金属污染712。干旱区绿洲土壤重金属污染,对绿洲农产品的安全、人民群众的健康乃至绿洲区域经济社会的持续健康发展都有重要影响。干旱区绿洲土壤一般pH高、土壤碳酸盐含量高、土壤有机质含量低。同时,干旱区绿洲有效降雨少、昼夜温差大

5、、水分蒸发大13。而土壤类型、土壤性质、金属元素种类以及气候条件等是影响重金属生物有效性与重金属在植物体中的吸收与积累的重要因素14。目前关于干旱区绿洲土壤重金属复合污染对蔬菜生长行为和重金属吸收积累特性的相关研究还较为薄弱,开展这类研究,对干旱区绿洲土壤重金属环境污染防治,保护农产品安全具有重要的理论意义与实际意义。以芹菜(Apium graveolens为材料,通过盆栽模拟实验研究了干旱区绿洲土Cd、Zn、Ni复合污染对芹菜生长发育及重金属吸收积累的影响,旨在探讨干旱区绿洲土壤重金属复合污染下芹菜生长和重金属积累*收稿日期:20091127。基金项目:国家自然科学基金项目(40671167

6、;国家环境保护公益性项目(200809098;973子课题项目(2008CB417212资助。作者简介:王兆炜(1978,男,博士研究生,研究方向为土壤污染过程与环境管理。Email:wangzwlzueducn通讯作者:南忠仁,男,教授,博士生导师。Email:nanzhongrenlzueducn与残留规律,为阐释干旱区绿洲土壤重金属复合污染生态与环境效应及加强土壤环境管理提供理论依据。1材料与方法11仪器与试剂仪器:原子吸收光谱仪(SOLAAR M6、电热板、台式离心机、超纯水仪、电子分析天平等。以及一般常规仪器。试剂:硝酸(HNO 3,优级纯、高氯酸(HClO 4,优级纯、氢氟酸(HF

7、 ,优级纯、盐酸(HCl ,优级纯、Cd 、Zn 、Ni 标准储备液等。12供试土壤与蔬菜供试土壤为采自甘肃河西某市城郊的耕作绿洲土壤,土壤类型为灌淤土。土壤采样深度为0 20cm ,土壤采回后,风干,过2mm 的尼龙筛备用。土壤基本理化性质(表1。供试蔬菜为芹菜(celery ,Apium graveolens ,生长期为66d 。种子购自张掖市种子公司。表1供试土壤的基本理化性质Tab1Basic physical and chemical properties of the experimental soil土壤类型pH 值有机质碳酸盐CEC Cd Zn Ni (Soil :H 2O =

8、1:25(g ·kg 1(g ·kg 1(cmol ·kg 1(mg ·kg 1(mg ·kg 1(mg ·kg 1灌淤土816154564810156297538613试验方案与布置采用室外网室盆栽试验方法。用塑料花盆盛装自然风干后过2mm 尼龙筛的土壤,每盆称取30kg 干土。试验设八个Cd 、Zn 、Ni 重金属组合处理水平,每处理设3个重复。按重金属各处理浓度设计(表2将不同剂量组合的重金属均匀加入装盆的土壤之中,其中CK 为对照组,18为Cd 、Zn 、Ni 的不同添加浓度处理组,Cd 、Zn 、Ni 均以可溶性硝酸盐水溶液

9、的形式加入土壤。所用试剂均为分析纯试剂。调节土壤含水量为最大田间持水量的60%。按照农作制度播入芹菜种子,生长一周后间苗,每盆保留4株,66天后分别取回土壤和芹菜样品。土壤样品经风干、磨细后过100目筛,四分法取其中50g 待用。表2盆栽试验中土壤重金属污染物投加浓度(单位:mg ·kg1,DW Tab2The concentrations of the heavy metals fortified into the soil tested (mg ·kg 1,DW 处理CK 12345678重金属添加量(mg ·kg 1601101702503505007501

10、10014样品分析141芹菜生长情况指标的测定芹菜收获后测量其根长和株高,新鲜芹菜经清洗并去水后将其分为茎叶部分和根部,并称量各部分的鲜重。然后将鲜样在105烘箱内杀青2小时后,再在70下烘干至恒重15,然后称量,粉碎过60目筛待用。142土壤理化性质项目的测定土壤理化性质的测试与分析采用土壤农化常规分析法15。143植物重金属含量测定植物样品采用HNO 3HCLO 4混合酸法进行消解1516。在植物样品消解过程中用平行样和GSB 标准植物样进行分析质量控制。同时做空白实验。144土壤重金属含量测定土样消解采用"土壤环境监测技术规范"中的HNO 3HF HClO 4三酸法消

11、解17。消解完毕后用05%的稀HNO 3溶液冲洗坩埚内壁及坩埚盖,温热溶解残渣,冷却后定容至50ml ,待测。在分析过程中采用平行样和GSS 标准土样进行质量控制。同时做空白实验。145样品的测定方法用原子吸收分光光度计(Thermo Fishier ,SOLAAR M6测定各消解完备待测液中Cd 、Zn 、Ni 的总量。146数据处理采用Microsoft Excel 2000和SPSS 120统计分析软件进行统计分析、差异显著性检验等。·931·第2期王兆炜等干旱区绿洲土壤Cd 、Zn 、Ni 复合污染对芹菜生长及重金属积累的影响2结果与讨论21干旱区绿洲土壤Cd 、Z

12、n 、Ni 复合污染对芹菜生长的影响以绿洲土壤Cd 、Zn 、Ni 复合污染下芹菜根重、株高及地上茎叶部与地下根部重量为指标来考察重金属复合污染对芹菜生长发育的影响,具体统计结果(表3。由表3可以看出,随着重金属添加浓度的增加,芹菜根长、株高及根部与茎叶部重量均为先增加后减小。从表中看出,从第1到第3个处理剂量水平,芹菜根长、株高及根部与茎叶部重量均大于对照处理。第1至第3处理水平下,与对照相比,芹菜地上茎叶部重量分别增加3686%、6140%和4441%。说明,一定范围内低浓度的Cd 、Zn 、Ni 复合污染促进蔬菜的生长。黄凯丰等的研究也表明,茭白在Cd 、Pb 胁迫处理后较长时间内,无论

13、是分蘖前期和中期的生理生化指标,还是分蘖后期的形态指标,均表现为低浓度Cd 、Pb 胁迫促进生长18。文中研究,低浓度的重金属Cd 、Zn 、Ni 复合污染对芹菜生长的促进作用可能与重金属的加入促进了芹菜对干旱区绿洲灌淤土中其他微量元素的吸收有关。当外源土壤重金属浓度超过植物的生长极限值时,植物的各种生理生化、生长环境和营养状况受到不同程度的伤害,植物的生长发育就开始受到不同程度的抑制18。从第4个剂量水平(Cd 、Zn 、Ni 添加量分别为18mg ·kg 1、300mg ·kg 1和250mg ·kg1开始,芹菜根长、株高及根部与茎叶部重量均小于对照处理,而且

14、随着重金属加入量的增加有不断减小趋势。当达到第7和第8处理剂量水平时,芹菜地上茎叶部重量只有对照处理的237%和109%。说明,高浓表3Cd 、Zn 、Ni 复合污染对芹菜生长的影响Tab3Influences of Cd ,Zn ,Ni on celery growth处理根长(cm 株高(cm 根部鲜重(g ·盆1茎叶部鲜重(g ·盆1相对产量(%CK 91181423242315310983521000011113215353462018150302913686213218190115251701772093161403910518721426169158519514

15、44148824971715005254303449435842184320630132822212569672024617009005047019430736102812005003026012237835072711003004012012109注:相对产量(%=不同处理下芹菜地上部分重/对照处理下芹菜地上部分重100%。度的Cd 、Zn 、Ni 复合污染影响并抑制芹菜的生长,且复合污染浓度越高,抑制作用越强烈。22芹菜对重金属Cd 、Zn 、Ni 的吸收外源重金属进入土壤后,通过土壤植物系统进入植物体内。相关研究表明,不同蔬菜品种,或同一蔬菜的不同部位对重金属有不同的吸收积累特征1920

16、。蔬菜类作物对重金属的吸收与积累关系到农产品的安全。图1所示为干旱区绿洲土壤外源重金属复合污染下芹菜不同部位吸收积累Cd 、Zn 、Ni 情况。由图1可以看出,对于Cd 元素,在对照土样中,芹菜根部和茎叶部Cd 的含量分别为045mg ·kg 1、007mg ·kg 1。其中,芹菜可食部分中Cd 的含量低于我国现行相关食品国家标准中叶菜(芹菜中Cd 的限量值(02mg ·kg14。随着重金属添加浓度的增大,芹菜根部对Cd 的吸收积累都在逐渐增大。差异显著性检验表明,根部Cd 的含量,在第5、6、7、8处理剂量水平下与对照达到了极显著差异。芹菜茎叶部Cd 的含量虽有

17、增大趋势,但规律性不明显。从第3处理水平开始,芹菜茎叶部Cd 的含量与对照处理达极显著差异。在第8处理剂量水平下,芹菜根部和茎叶部Cd 的含量分别达到8181mg ·kg 1、873mg ·kg 1,大大超过国家相关食品标准4。对于Zn 元素,在对照处理下,芹菜根部和茎叶部Zn 的含量分别为5372mg ·kg 1、1432mg ·kg 1,其中芹菜可食茎叶部中Zn 的含量低于我国现行相关食品国家标准中叶菜(芹菜中Zn 的限量标准(20mg·kg 15。随着重金属添加浓度的增大,芹菜根部和茎叶部对Zn 的累积都呈有规律的增大趋势。差异显著性检验

18、表明,芹菜根部Zn 的含量在从第4处理剂量水平开始与对照处理达到极显著差异。而茎叶部Zn 的含量,在从第3处理剂量水平即与对照处理达极显著差异。在第8处理剂量水平下,芹菜根部和茎叶部Zn 的含量分别为218181mg ·kg 1、38183mg ·kg 1。同样远高于国家相关食品标准。对照土样中芹菜根部Zn 的含量较高,这可能与试验中采用的干旱区绿洲灌淤土Zn 的本底含量较高(6297mg ·kg 1有关。对于Ni 元素,在对照土样中,芹菜根部和茎叶部Ni 的含量分别为599mg ·kg 1、395mg ·kg 1。同样随着Cd 、Zn 、Ni

19、 复合重金属添加浓度的增大,芹菜根部和茎叶部对Ni 的累积都在逐渐增大。根部Ni 的含量,从第3处理剂量水平起对照处理达极显著差异。而芹菜茎叶Ni 的含量,在第4处理水平·041·干旱区资源与环境第25卷 图1不同处理下芹菜不同部位重金属含量(mg ·kg 1Fig1Concentrations of Cd ,Zn and Ni in different parts of celery (mg ·kg 1起与对照处理达极显著差异。我国目前虽还没有蔬菜食品中Ni 的相关国家标准限值,但根据相关数据可以分析6,干旱区绿洲污染土壤中芹菜对Ni 等重金属的吸收与

20、积累对区域农产品安全是一种严重威胁。23重金属Cd 、Zn 、Ni 在芹菜体内的迁移累积特性生物富集系数(BCF 是植物体内不同组织中重金属浓度与其根部土壤重金属浓度的比值,转运系数(TF 是植物体地上部分中重金属含量与植物根部重金属含量的比值。生物富集系数和转运系数是表征植物吸收土壤重金属污染的重要参量7。为了更准确地反应重金属元素在芹菜体内的迁移规律,采用生物富集系数和转运系数来描述重金属从土壤向蔬菜中的迁移累积特性。绿洲土壤在外源重金属复合污染下,Cd 、Zn 、Ni 在芹菜茎叶部与根部的生物富集系数及芹菜体内的转运系数(表4。如表4所示,在重金属复合处理不同的剂量水平下,芹菜根部对重金

21、属的生物富集系数分别为:Cd 105 1642、Zn 071 230、Ni 013 068。芹菜根部对三种元素的吸收能力顺序为:Cd Zn Ni 。芹菜茎叶部对重金属的生物富集系数分别为:Cd 017 389、Zn 019 047、Ni 006 011。芹菜茎叶部对三种元素的吸收能力顺序同为:Cd Zn Ni 。可见,在干旱区绿洲土壤中,Cd 比Zn 、Ni 的迁移能力跟强,Cd 更易从土壤系统进入植物系统。相关研究也表明,Cd 相比其他元素更易被植物,尤其是蔬菜从土壤中吸收2122。周启星等研究结果表明,外源Cd 进入土壤后,Cd 与土壤中OH 和Cl 形成络合离子后易于·141&

22、#183;第2期王兆炜等干旱区绿洲土壤Cd 、Zn 、Ni 复合污染对芹菜生长及重金属积累的影响移动23,其生物有效性增加。同时,由表4可以看出,芹菜根部即地下部分对Cd 、Zn 、Ni 三种元素的生物富集系数都显著大于茎叶部,三种元素在芹菜体内中转运系数都较低,说明,Cd 、Zn 、Ni 三种元素都集中在芹菜根部,难以向地上部分转移。结合Cd 、Zn 、Ni 污染对芹菜生长的影响,根部也是受重金属影响最严重的器官。表4重金属Cd 、Zn 、Ni 在芹菜体内的迁移累积特性Tab4Bioconcentration factor and translocation factor of Cd ,Zn

23、 ,Ni in the different parts of celery处理CdZn Ni 根部富集系数茎叶富集系数转运系数根部富集系数茎叶富集系数转运系数根部富集系数茎叶富集系数转运系数CK 1050170160730190270130090661485265055071047067032009029265323303610704704406800901338863110351300430330620080134144838902717104102404801102251642268016136030022040009024613921550111990270140310090277150

24、014501023003101305500701381086116011180032018048006013注:生物富集系数=植物体重金属含量/土壤重金属浓度;转运系数=地上部分含量/地下部分含量。3结论(1对于干旱区绿洲土壤,一定范围内低浓度的Cd 、Zn 、Ni 复合污染促进芹菜的生长,高浓度的Cd 、Zn 、Ni 复合污染影响并抑制芹菜的生长,且复合污染浓度越高,抑制作用越强烈。(2在干旱区绿洲土壤中,芹菜根部和茎叶部对Cd 、Zn 、Ni 的吸收累积量随土壤Cd 、Zn 、Ni 添加量的增大而相应增加。对照处理下,芹菜根部和茎叶部对Cd 、Zn 、Ni 都有一定的吸收,而且受土壤本底背

25、景Zn 、Ni 含量高影响,芹菜根部和茎叶部对Zn 、Ni 的吸收要大于Cd 。(3在干旱区绿洲土壤中,芹菜茎叶部及根部对Cd 、Zn 、Ni 三种元素的生物富集系数大小顺序同为:Cd Zn Ni 。Cd 比Zn 、Ni 的吸收与迁移能力更强,Cd 更易从土壤系统进入植物系统。同时,芹菜根部即地下部对Cd 、Zn 、Ni 三种元素的生物富集系数都显著大于茎叶部,Cd 、Zn 、Ni 三种元素都集中在芹菜根部,难以向地上部分转移。参考文献1张永志,赵首萍,徐明飞,等不同蒸腾作用对番茄幼苗吸收Pb 、Cd 的影响J 生态环境学报,2009,18(2:5155182林大松,徐应明,孙国红,等土壤重金

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