玉米对土壤中铅的吸收效应

玉米对土壤中铅的吸收效应

1人体中铅的吸收重金属污染是环境污染中的一个重要问题之一。铅作为对人类有毒的重金属元素,在人体中有90%～95%以难溶性的磷酸铅形式沉淀于骨骼。美国疾病控制中心认为,当人体血铅大于15μg/100mL时,可引起中毒,导致人体贫血、肝炎、肾炎、高血压、神经错乱等病症,必须接受治疗。若人体中每天吸收的铅量大于10g,即可引起死亡。人体中铅有多种来源:(1)直接吞咽污染土壤或呼吸含铅尘埃;(2)饮水污染;(3)粮食、蔬菜等对环境土壤、水中铅的吸收,通过食物链进入人体,这是人体中铅的重要来源。许多研究表明,重金属元素进入土壤后,会产生明显的生物效应,可导致植物特别是其根部中毒、植株枯萎死亡、产量降低等;而且,植物的不同部分对铅吸收的有效性不一样。例如,郑春荣等和Jones等研究指出,植株地上部分铅的浓度往往高于根中铅的浓度。但我们发现,即使在高铅含量(>4000mg/kg)的土壤中,作物对铅发生强烈吸收后也没有导致植株出现宏观病症,植物对铅的吸收表现出极强的隐蔽性。为减少食物中铅对人体的潜在危害,本文通过山东五莲玉米盆栽试验,研究作物对土壤中铅的吸收效应,探讨环境土壤重金属元素对作物和人类健康的影响。2样品的制备和测定研究表明,作物对铅的吸收与土壤的含铅量有明显的正相关性,而影响铅吸收的主要因素有土壤有机质含量、阳离子交换能量、pH值、土壤中三氧化二物含量等。为使试验结果具有可对比性,试验时需消除上述因素的影响;为此,我们将相同作物在相同的原始土壤中进行盆栽试验,以保证上述因素在同一时间上的相对一致性,所不同的是加入到土壤中重金属化合物的类型和量有所区别。土壤取自山东五莲县城附近梯田土壤(黄棕色,A层);将土样风干、压碎,剔除根系、碎石,用粗筛过筛(孔径尺寸大小为1mm×1mm)。分别按1g/kg的比例添加尿素和钾肥(KCl),混合均匀。然后每次定量称取6kg土壤移入8kg容量的陶瓷盆中,再分别添加PbCl2和Pb(NO3)2,其添加的铅含量依次为0、500、1000、…、3500、4000mg/kg,充分搅拌后,搁置10d,重新搅拌后每盆点播已发芽的玉米2株(Zeamays,鲁玉一号);玉米生长期间,每隔8d每盆加入400g蒸馏水(直接浇灌在植株篼下及附近),直到玉米完全成熟。采集根系、秸杆和籽实样品,并将样品洗净、烘干,粉碎至200目以下。原始土壤中Pb含量和各生物样品中Pb含量测定采用ICP-AES法,分析时采用内插标样进行质量监控。Pb的平均偏差为6.78%;重复样品的测定精度均优于95%。3玉米中铅的吸收特性在整个盆栽试验过程中,在所添加的铅浓度区间内,基本没有观察到铅对玉米的毒害病症(如植株枯萎、叶色不一致变化、抽穗期和成熟期推迟、籽实畸形等),不同铅浓度下各盆栽作物产量也基本一致,说明铅对玉米的生长发育没有明显的宏观影响,为作物对土壤中铅吸收对比奠定了基础。玉米对土壤中铅的吸收情况见表1和图1。山东省五莲县玉米的盆栽试验表明,玉米对铅的吸收具有以下特点。(1)当土壤中加入铅化合物时(PbCl2或Pb(NO3)2),玉米根系、秸杆和籽实中铅含量均随土壤中铅添加量的增加而增加,且相关性很好(表2),当置信度>95%时,相关系数r>0.94。(2)玉米对土壤中铅的吸收具有很强的分异特性(图2),对铅吸收最强的是根系,根系中铅含量大约是秸杆的4～60倍、是籽实的100～1000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杆和籽实中迁移,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20倍,说明除根系外,秸杆也是阻碍铅进入籽实的二次重要屏障。由于根系和秸杆主要由植物纤维组成,而籽实的主要成分是淀粉,玉米根系-秸杆-籽实中铅含量依次大幅度降低(图2),揭示作物对铅的吸收主要残留在纤维中,而淀粉中Pb的积存很弱。(3)不同铅化合物对玉米吸收铅的影响存在一些差异。例如,用Pb(NO3)2处理的玉米,其秸杆和籽实中铅含量较PbCl2处理的偏高(表1)。但用Pb(NO3)2处理的玉米根系铅含量比PbCl2处理的偏低,特别是土壤中铅添加量高时更是如此,最大可相差1.5倍以上。(4)不论用Pb(NO3)2还是用PbCl2处理,玉米根系中铅含量均稳定增长,但秸杆和籽实对铅的吸收存在差异。处理时,采用Pb(NO3)2,它们中的铅含量继续升高;而采用PbCl2处理时,当土壤中添加的铅含量达到3000mg/kg,秸杆和籽实中铅含量增加缓慢,且当铅添加量为3500～4000mg/kg时,秸杆和籽实中铅含量几乎不变。由此揭示,当在土壤中添加高含量的PbCl2时,除根系外,作物的秸杆、籽实对铅的吸收很可能存在一个饱和上限。由于在观察的土壤铅浓度区间内(即为土壤的原始铅含量+添加的铅含量;玉米土壤铅区间=25.8～4025.8mg/kg)没有发现Pb(NO3)2处理的吸收饱和效应,而自然界各类土壤(A层)铅背景含量在0.7～1143mg/kg范围内,因此可以认为在自然耕作中,基本上不会由于土壤中Pb(NO3)2浓度的过高而使作物秸杆、籽实中铅含量达到饱和。4土壤-植物体系中铅的变化目前,玉米是中国北部地区口粮的重要来源之一。但从上述研究可以看出,玉米对土壤中的铅具有强烈的吸收性,并可残留在作物的各个部位(包括籽实);而且,它们对Pb的吸收表现出极大的隐蔽性,即使吸收了大量的重金属铅,植株仍然保持正常的生长发育,这为及时发现、防治土壤-植物体系中铅污染增加了难度。土壤中重金属铅污染主要来自污灌(电镀工业水,塑料、电池、电子等工业排放废水)、固体废弃物(污泥、垃圾)以及含铅重金属矿产(如铅锌硫化物矿床等)的开采和冶炼等,这些作用可以在城市和矿山周边产生局部土壤铅污染;而高铅岩石的大面积风化剥蚀可形成区域性土壤污染。尽管我国的土壤质量标准为Pb≤300mg/kg(GB15618-1995),但实际上土壤的背景值就可从0.7mg/kg变化至1143mg/kg,而受固体废弃物污染的土壤,其铅含量可高达26000mg/kg。铅在食品中的卫生标准是≤1mg/kg(GB2707-2763-3)。从表1可以看出,在以PbCl2为污染物的土壤中,当铅含量大于1500mg/kg时,可引起玉米中铅含量超标;而在以Pb(NO3)2为污染物的土壤中,只要铅含量大于1000mg/kg,就可引起玉米中铅含量超标。因此,我国土壤-植物体系中重金属铅污染调查和防治仍然面临着较大困境。科学家一直在努力,减少人类通过食物途径吸收的铅量。运用各类化学方法、吸附法和离子交换法降低灌溉污水和土壤中的活性铅浓度,目前已经得到广泛应用。通过上述盆栽试验指出,由于在土壤-植物体系中铅污染的隐蔽性,因此应加强对铅凭借食物链进入人体并危害人类健康的调查;继而在污染区寻求土壤环境修复技术,来减少土壤-植物体系中铅对人体的危害。由于植株残体(特别是根系)中残留有大量的铅,因此可利用植物残体特别是根系对铅的强烈吸收性来达到生物降解的目的,即在铅污染的土壤区域内,通过自然作物栽培,将吸收了大量铅的作物残体(特别是根系)从土壤中清除处理,反复多次,即可逐渐达到改良环境土壤的目的。表3列出了盆栽试验(土壤用PbCl2处理)玉米根系的植物有效性F(为根系吸收的铅总量占土壤中铅总量的百分率)和模拟计算获得的清除作物根系后的土壤铅含量CPb(soil)。显然,随着土壤中铅含量的增加,土壤中重金属铅的植物(根系)有效性也增加。当土壤铅含量为4025.8mg/kg时,玉米根系对土壤中铅的吸收率达2.78%;经一次栽培并剔除根系后,土壤中铅含量可从4025.8mg/kg降低至3913.9mg/kg,降低幅度达112mg/kg。另外,盆栽试验表明,土壤中NO-含量的增加有利于作物(特别是籽实)对铅的吸收,这主要与Pb(NO3)2易溶于水使铅形成活性铅有关;若在该类土壤中加入石灰或碳酸盐,使土壤处于碱性条件下,可导致铅生成难以被作物吸收的沉淀物(在碱性条件下,氢氧化铅的溶度积为4.2×10-15;碳酸铅的溶度积为1.5×10-13),从而降低作物对铅的吸收效应,减少铅在粮食中的残留量,达到间接修复环境的目的。5对人体的危害通过玉米的盆栽试验,表明:(1)土壤中重金属元素铅不会对玉米产生明显的宏观毒害病症(如植株枯萎、叶色不一致变化、抽穗期和成熟期推迟、籽实畸形等);(2)土壤中重金属元素铅可直接被作物吸收,残留在作物的各个部位,其含量随着土壤中铅含量的增加而提高,并可通过食物链进入人体,危害人类健康,因此土壤中铅对人类具有危害潜在性和隐