铅锌对玉米生长的生态毒性效应

铅锌对玉米生长的生态毒性效应

玉米是中国的第二个主要品种，年产量约为2500万吨，每年约1.2万吨。有关资料表明,东北黑土面积共约1000万hm2,典型的黑土区面积只有600万hm2,其中耕地面积占75%,约为450万hm2。东北三省玉米播种面积在500万hm2左右,约占全国播种面积的25%,玉米总产占全国30%以上。近10年来,随着生产的不断扩大,玉米在我国粮食安全中的作用日益突出。农药化肥的大量施用,固体废物的堆放和倾倒,废水的渗透等现象日益普遍,对黑土土壤环境造成了不同程度的生态破坏;另外,人们对黑土土壤环境污染的研究不够重视,未充分了解黑土区的污染现状。但坚持改善粮食品质仍主要从改善水肥入手,继而大量农药和化肥不断地施入土壤,导致土壤环境的污染日益加重。这些重金属会对玉米生长带来一定的影响,被人或动物食用而富集,从而引发食品安全问题。本文重点探讨重金属铅和锌对玉米的生长影响及在玉米各器官中的富集情况,为防止铅和锌的污染提供科学依据。1均气温本实验研究区位于黑龙江省哈尔滨市呼兰区,属于北温带大陆性季风气候。年平均气温3.7℃～8.4℃,年降雨量450～700mm,相对湿度63%～73%。5～9月日照时数6.0～8.4h/d。土壤类型以黑土为主,pH6.5,为中性偏酸性土。2学习方法2.1实验设计与测定指标供试药品为Pb(NO3)2和ZnSO4。供试品种为先玉335。采用塑料桶(Φ=10cm,H=20cm)来进行土壤盆栽试验。本实验分两个实验,每个实验设置6个处理,分别为:Pb处理,浓度分别为0mg/Kg、125mg/Kg、250mg/Kg、500mg/Kg、750mg/Kg、1000mg/Kg;Zn处理浓度为0mg/Kg、5mg/Kg、10mg/Kg、20mg/Kg、40mg/Kg、80mg/Kg。以浓度0mg/Kg作对照,每个处理重复3次,每次重复3盆,共33盆。按各自的处理水平,每盆装土2.0kg,以溶液的形式与土壤均匀混合,放置一个月。2.1.1铅和锌对玉米萌发的影响。每盆直播10粒籽粒饱满的玉米种子。开始每天向土壤中加少量的水,使土壤含水量为田间持水量的60%。发芽实验是根据国家标准农作物种子检验规程的方法进行的,每24h进行发芽调查(第7日计算种子最终发芽率)共调查7d,试验期间,所有盆栽放在温度为(25±1)℃的温室中,光照12h,黑暗12h,每天记录发芽数,发芽率(%)=供试种子的发芽数/供试种子数×100;发芽势(%)=前4天供试种子的发芽数/供试种子数×100。7d后测茎长,根长。2.1.2铅和锌对玉米生长的影响。待种子出苗生长一周后,每四天浇水一次,在第60天收获。在成长20天、30天、40天、50天时,测量各个处理的叶绿素,共4次。收获植物时,用不锈钢剪刀将植物根和地上部分剪出,分别测定地下和地上部分的长度。植物样品用去离子水洗净,风干后置于70℃下烘干,分别测定地下和地上部的干重,然后将样品磨碎,装袋密封。2.1.3微波消解—电感藕合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法,测定玉米中微量元素含量。2.1.4M3-双硫腙法,测定土壤重金属元素含量。2.1.5重金属形态分级提纯方法。2.2数据分析和处理本研究数据采用excel进行统计,单因素方差分析采用DPS软件进行分析。3结果与分析3.1不同剂量的铅和锌处理对玉米生长的影响3.1.1玉米多糖对其他处理的影响本试验发现250mg/kg铅处理对玉米的发芽势有促进作用,其他处理发芽势都要低于对照。除1000mg/kg处理发芽率较对照较低外,其他处理与对照差距不明显,与前人研究结果相符,一定浓度范围内的铅促进玉米的发芽,高浓度的铅抑制种子发芽。5mg/kg、10mg/kg、20mg/kg锌处理均提高了种子的发芽势,所有锌处理均提高了玉米的发芽率。40mg/kg、80mg/kg处理的发芽势较对照要低。本实验在提高发芽率方面显示一致性,在发芽势方面有所不同,原因可能是处理的方式不同造成的(表1)。3.1.2玉米叶绿素的变化从图1A看出,不同铅处理玉米生长期叶绿素变化趋势基本一致,随着植株的生长,叶片叶绿素前期增加后期逐渐下降。所有铅处理中,除125mg/kg处理玉米叶绿素含量与对照接近,其余各个处理都比对照要低,说明铅影响玉米叶面叶绿素的合成,用量越大抑制性越大。从图1B看出,不同锌处理玉米生长期叶绿素变化趋势基本一致且趋势明显,随着植株的生长叶片叶绿素前期增加后期逐渐下降。锌浓度为5mg/kg、10mg/kg、20mg/kg、40mg/kg的处理玉米叶绿素比对照高,只有80mg/kg处理叶绿素比对照低,各处理叶绿素含量高低顺序为:20mg/kg>10mg/kg>5mg/kg>40mg/kg>ck>80mg/kg。说明浓度低于40mg/kg的锌处理均可提高玉米叶绿素含量,高浓度锌处理影响叶绿素的合成。3.1.3不同用量锌对玉米生长发育的影响从表2分析得知,在第7天时,不同铅用量的处理玉米芽长、根长、根条数均比对照要低。随着铅用量的加大,对玉米芽、根的抑制作用逐渐加大,在铅浓度为750mg/kg时芽只长到5.4cm,为对照的1/3,根只延长了1cm。在铅浓度为1000mg/kg时芽的生长受到严重抑制,只为对照的1/4,根不能生长,没发现一条根系。说明铅的浓度在125mg/kg时即对玉米的芽、根生长产生抑制,用量越大抑制性越强。不同锌用量的处理玉米芽长、根长均比对照要高,只有当锌用量在80mg/kg时,根条数比对照低,其他处理玉米根条数高于对照。随着锌用量的加大,表现的促进作用先增大后减弱。用量在20mg/kg时芽、根长度最大,根条数最多。各处理下芽、根长度大小顺序为:20mg/kg>10mg/kg>5mg/kg>40mg/kg>80mg/kg>ck。各处理下根数多少顺序为:20mg/kg>10mg/kg>5mg/kg>40mg/kg=ck>80mg/kg。从表3分析得知,在第60天时,不同铅用量的处理玉米株高、鲜重、干重均比对照要低。随着铅用量的加大,对玉米株高、干鲜重的影响逐渐加大。在铅用量为125mg/kg,250mg/kg,500mg/kg,750mg/kg,1000mg/kg的各个处理中,株高分别为对照的89.1%,81.9%,77.1%,73.3%,66.8%;鲜重分别为对照的75.2%,66.7%,64.1%,67.5%,53%;干重分别为对照的77.6%,71.1%,66.7%,61.9%,52.5%。在所有的锌处理中,除在80mg/kg处理时低于对照,其他用量的锌处理玉米株高、鲜重、干重均高于对照。随着锌用量的加大,对玉米株高、干鲜重的影响趋势明显,在5mg/kg处理时表现促进作用,在20mg/kg处理时促进作用达到最大,在40mg/kg处理时玉米株高、干鲜重与对照差距极小,80mg/kg处理时已表现出抑制作用。3.2玉米根系、秸秆含量与形态组成中铅、锌的含量变化玉米对土壤中铅的吸收具有很强的分异特性,对铅吸收最强的是根系,秸秆吸收量比根系略低,根系吸收铅含量分别是叶片的10～20倍和籽实的50～400倍。这一特征揭示,玉米根系可以作为一种屏障或过滤器,来阻止铅进一步向其秸秆和籽实中迁移,从而减少其毒害效应。其次,玉米秸杆中铅含量大约是籽实的40～350倍,说明除根系外,秸秆也是阻碍铅进入籽实的二次重要屏障,由于根系、秸秆和叶片主要由植物纤维组成,而籽实的主要成分是淀粉,玉米根系、秸秆、叶、籽实中铅含量依次大幅度降低揭示作物对铅的吸收主要残留在纤维中,而淀粉中Pb的积存很少。随着土壤铅用量的加大,铅在不同器官中富集量也随之增大(图2)。玉米各个器官中对锌的富集差异很大。叶片中锌的含量最多,秸秆中锌的含量最少,各个器官中锌富集量高低顺序为:叶>籽实>根系>秸秆。不同处理下锌浓度为40mg/kg时,玉米各器官中锌富集量最大,其他处理与对照无明显差别,各器官中锌的富集量相差不大。3.3不同剂量的铅和锌处理对土壤中铅、锌的形状和含量的影响3.3.1形态和铅含量在各个处理中,随着外源铅用量的加大,土壤不同形态铅含量也随之增大。在原始土壤中,铅形态的分布以残渣态铅含量最高,占总铅量的28.2%;其次是碳酸盐结合态,占总铅量的22.4%;然后是铁锰结合态和有机态铅,各占总铅量的21.7%和21.2%,交换态含量最低,占总铅量的5.5%。在125mg/kg、250mg/kg、500mg/kg处理中,各形态的铅含量占总铅量比例高低顺序与对照一致,但形态含量均比对照要高。在750mg/kg、1000mg/kg处理中,各形态的铅含量占总铅量比例高低顺序与对照不一致,高低顺序为:残渣态>碳酸盐结合态>有机态>铁锰结合态>交换态,且交换态铅含量占总铅量的比例超过10%,与有机态和铁锰结合态含量接近。随着外源铅投入量的加大,改变了铅在土壤中形态分配的比例,使非残渣态含量增加,对环境造成潜在的污染危害程度增强,特别是交换态的含量,随着外源铅投入量的递增,其增大幅度较大。3.3.2形态检测的锌含量在各个处理中,随着外源锌用量的加大,土壤不同形态锌含量随之增大。在原始土壤中,锌形态的分布以矿物态锌含量最高,占总锌量的70.5%;其次是氧化锰结合态,占总铅量的9.7%;然后是无定型氧化铁结合态、碳酸盐结合态、晶体氧化铁结合态,各占总锌量的8.0%、6.6%和4.5%,有机态和交换态含量较低,不足总锌量的0.1%。在所有处理中,各形态的锌含量占总锌量比例高低顺序与对照一致,但除5mg/kg、10mg/kg、20mg/kg处理下交换态、碳酸盐结合态含量比对照要低,其他处理各形态含量均比对照要高。但是随着外源锌投入量的加大,改变了锌在土壤中形态分配的比例,矿物态、碳酸盐结合态锌比例逐渐下降,晶体氧化铁结合态、无定型氧化铁结合态、氧化锰结合态比例逐步增大,但无论是原状土还是外源污染土其交换态锌和有机结合态锌含量所占比例很低,不足0.1%。4结论和讨论4.1玉米叶绿素合成与铅对玉米生长发育的影响试验发现250mg/kg铅处理对玉米的发芽势有促进作用,其他处理发芽势都要低于对照。除1000mg/kg处理发芽率较对照较低外,其他处理与对照差距不明显,苗明升研究认为200mg/kg铅溶液在萌发初期促进萌发,但是铅最终会阻抑种子的萌发,并且浓度越高,阻抑越明显。可能的原因是重金属与种子中的蛋白质—特别是与萌发有关的酶发生了反应,产生刺激物质或毒性而影响了萌发。所有铅处理中,除125mg/kg处理玉米叶绿素含量与对照接近,其余各个处理都比对照要低。说明铅影响了玉米叶面叶绿素的合成,用量越大抑制性越大。铅的浓度在125mg/kg时即对玉米的芽、根生长产生抑制,用量越大抑制性越强。铅对根伸长及根系的发育有明显地阻碍作用,且浓度越高阻碍作用越明显。不同铅处理玉米株高、鲜重、干重均比对照要低。随着铅用量的加大,对玉米株高的影响逐渐加大。在所有铅处理中,收获时株高都比对照要低,铅抑制了玉米的生长。铅对植株的生长有阻抑作用,且浓度越高阻抑越强。铅浓度越大的干鲜重越低,其干鲜重与铅浓度呈负相关性,说明玉米的总体生长受到抑制作用。试验发现5mg/kg、10mg/kg、20mg/kg锌处理均提高了种子的发芽势,40mg/kg、80mg/kg处理的发芽势较对照要低,说明低浓度的锌处理对种子萌发前期有很大的促进作用,高浓度的锌作用正好相反。所有锌处理均提高了玉米的发芽率,说明锌只对种子萌发前期有影响,对最终发芽影响不大。浓度低于40mg/kg的锌处理均可提高玉米叶绿素含量,高浓度锌处理影响叶绿素的合成。田在军研究认为随着锌浓度增加光合速率提高,但锌浓度过高反而对光合速率有抑制作用,这可能是高浓度锌处理影响叶绿素合成的原因。不同锌用量的处理玉米芽长、根长均比对照要高,只有当锌用量在80mg/kg时,根条数比对照低,其他处理玉米根条数高于对照。这是由于在低用量条件下表现促进作用,高用量则会抑制玉米的发芽、发根。对玉米株高、干鲜重的影响也显示出低用量条件下表现促进作用,高用量则会产生抑制作用。4.2玉米及其他器官中锌的富集作物对土壤中铅的吸收具有强烈的分异特征,对铅吸收最强的是根系,秸秆铅吸收量比根系略低,根系吸收铅含量分别是叶片的10～20倍和籽实的50～400倍,这表明作物根系为秸杆、籽实对铅的吸收提供了良好的屏障。玉米各器官中对锌的富集差异很大。叶片中锌的含量最多,秸秆中锌的含量最少,各个器官中锌富集量高低顺序为:叶>籽实>根系>秸秆。各处理中,锌浓度为40mg/kg处理,玉米各器官中锌富集量最大,其他处理与对照无明显差别,各器官中锌的富集量相差不大。苏春田研究得出,各个器官中锌富集量高低顺序为:叶>种子>根>茎,与本试验一致。沈蕴石研究得出高产田植株各器官锌的累计净吸收量顺序为:籽粒>茎秆>叶片,这是因为在抽雄至乳熟期,籽粒通过其它器官的转移获得锌。陈玉真研究得出随着土壤锌浓度的加大,水稻各部位锌含量也是存在差异的,根含量最大,其次是茎叶,谷壳、糙米量最小。在土壤遭受锌污染严重条件下,糙米较水稻其他部位受其毒害效应更少,同时糙米对锌的积累有一定的阈值,当积累到一