cd、cu、zn复合污染下小麦富集特征的研究

cd、cu、zn复合污染下小麦富集特征的研究

土壤不仅是人类生存和发展的重要自然资源，也是农业发展的重要基础。随着科学技术的进步和工业的发展，进入土壤中的污染物无论是含量还是种类都在持续不断地增加。土壤污染是农产品不安全的源头，土壤生态安全与农业可持续发展是现代土壤学的根本任务。重金属污染土壤面广量多，大中城市郊区蔬菜的重金属污染尤其严重。2000年有关部门对10个省会城郊农产品质量调查发现，有7个城市重金属超标率达监测总量的30%以上，北京市生产的蔬菜中30%的重金属含量超标。我国的基本农田保护区中重金属超标量大于10%。土壤被重金属污染后，轻则使土壤肥力下降，作物减产，重则使农田颗粒无收，其毒害性质与土壤性质有一定的关系。随着土壤中有毒物质不断增加，首先会对植物体的生长发育产生影响，同时，重金属会在土壤-植物体系中迁移，最终通过食物链来危害人体健康。因而，研究土壤中重金属在植物中不同部位的迁移转化规律对研究土壤中重金属污染的毒害程度以及食品的安全性有着重要意义。本文选用小麦作为受试作物，研究Cd、Cu和Zn3种重金属在小麦中不同部位的富集特征以及不同生长时期重金属分布的变化规律。1试验材料和方法1.1田间理化性质供试作物：苏徐2号小麦。供试场地：中国矿业大学外某麦田一角，其理化性质见表1，长宽分别为6m和2m，分6个试验区进行种植，各试验区用双层塑料薄膜相互分隔。并以旁边农田内正常种植的小麦作为参照。1.2l-1znac2,8gl-1cdno3在实验室配制50g·L-1CuSO4,100g·L-1Zn(Ac)2,8g·L-1Cd(NO3)2各1L备用。重金属的投加采用逐层喷洒、翻土混合的方式加入，各个试验区加入量参照表2。1.3样品的采集和预处理在小麦的整个生长过程中的不同时期进行了4次样品的采集，采样用梅花形布点法，采集了每块试验区4角和中央5个点的样混合成一个混合样。样品登记编号，用水洗净根部土壤，在通风并且干燥的地方风干。将小麦的根、茎、叶、颍壳和麦粒分别碾碎，干灰化后用原子吸收分光光度计（TAS-990型）测试各部位中重金属的含量。2小麦重金属富集特征测定小麦于2004年10月20日种植，分别于幼苗期、生长期、抽穗期和成熟期采集小麦样品，样品经预处理后对小麦的不同部位中Cu、Zn、Cd的含量进行测定，分别分析重金属在小麦生长过程中不同部位的富集特征，每个样品重复测试3次。2.1正常生长时期小麦根系中cd含量的变化对6个试验区中不同生长时期小麦根系中重金属含量进行监测，结果见表3。各试验区小麦根中Cu的含量基本上随生长时间的增加而增加，但在抽穗期有所回落，低浓度试验区回落得较大。试验区1中抽穗期含量为生长期的64.2%，试验区2中为66.8%，而试验区3、4和高浓度区6中抽穗期含量增加到71.6%、97.6%和90.3%。可见，从总体上说，在生长发育旺盛的时期，小麦对重金属的吸收也较多，而这种影响在低浓度区较大而高浓度污染区相对较少。同一生长时期不同重金属污染水平试验区小麦根部Cu的含量与重金属投加量也不完全成正比，中等浓度时重金属含量有所降低，而高浓度区含量又回升到较高含量。而Cd的含量随生长时间的增加反而有所降低，在抽穗期达到最低值，成熟期较抽穗期有所回升。低浓度区（试验区1）小麦根部重金属含量在成熟期最大，为2.15mg·kg-1，随着重金属含量的增加，根系中Cd的含量在幼苗期最大，可见Cd对小麦的危害在幼苗期较大。对于同一生长时期不同污染水平重金属试验区小麦根中Cd的含量也不完全呈正比例关系，其中是等浓度区（试验区3）幼苗根中Cd的含量在幼苗期最低，为1.59mg·kg-1，高浓度区（试验区5）中含量最高，为10.77mg·kg-1，当重金属浓度进一步提高后，根系中重金属的含量反有所降低。小麦根系中Zn的含量基本上都是随小麦的生长而降低，且随着土壤中重金属含量的增加，小麦根系中Zn的含量也有所增加，这是由于与Cu和Cd不同，Zn是植物生长的必需元素，尤其是在小麦生长的初期，对Zn的需求量较大。2.2小麦茎叶和叶片中重金属含量的变化在不同生长时期监测小麦茎和叶中重金属的含量，由于小麦生长前期茎叶没有完全分离，因而幼苗期和生长期测定的是茎叶混合样，抽穗期和成熟期小麦的茎和叶是分别测定的，结果见表4。小麦茎叶中Cd的含量总体而言随小麦的生长而降低，在成熟期有所回升，但总体而言在幼苗期含量最高，不同生长时期Cd含量的变化率在生长早期变化较大，生长期茎叶中Cd的含量几乎为幼苗期的一半，而后变化率较小，这是由于茎叶生长量较大，远远超过了对营养物质的吸收量。小麦茎和叶片中Cd的含量相差不大，但基本上是叶片中大于茎的含量。小麦茎叶Cd的含量基本上随土壤中重金属的含量升高而增加，但在中等浓度时增加率有所降低。小麦茎叶中Cu的含量随小麦生长而升高，抽穗期大部分Cu由茎中迁移到叶片中，到了成熟期茎叶中的含量有较大程度的降低，且茎叶中分配基本相同。随着土壤相中重金属含量的增加，小麦茎叶中重金属的含量也遵循低浓度（试验区1、2）时高，中等浓度时（试验区3、4、5）较低，而土壤浓度高到一定程度时，Cu的浓度又有所提高的规律。茎叶中Zn的含量与生长时间成反比，从小麦幼苗期到生长期，Zn的含量变化较小，而抽穗期和成熟期降低的幅度较大。Zn在小麦茎和叶片中的分配基本相同，且叶片中的含量略大于茎中的含量。小麦茎叶对Zn吸收的抑制区出现在试验区5，这也是由于Zn作为植物生长的必需元素，因而植物对其抑制作用也相对较小。3中低浓度试验区小麦籽实中cd、zn的含量将不同试验区成熟期小麦不同部位中重金属的含量进行汇总，并将籽实中的重金属含量与我国无公害食品标准进行比较，结果见表5。从图1可见，成熟期的小麦植株中Cd主要富集在根部，少量向地上部分迁移。重金属在小麦植株不同部位的含量为根>叶片>茎>颖壳>果实，说明重金属在植物体内的分布规律是在新陈代谢旺盛的器官蓄积量较大，而营养储存器官如果实、籽粒中蓄积量较少。较之无公害食品标准，小麦中重金属最大允许浓度为Cd为0.2mg·kg-1(GB15201—94），小麦籽实中Cd的含量均达到或超过无公害食品标准。在中低浓度试验区小麦籽实中的Cd随土壤中重金属含量的增加而增加，而高浓度区小麦籽实中含量又有所回落，这是由于土壤中低浓度的重金属会刺激小麦吸收，而较高浓度时则会抗颉重金属的吸收。Cu在成熟期小麦中的分布规律为根>籽实>茎>叶片>颖壳，大部分Cu富集在小麦根中，向地面部分迁移的Cu量较少，地面部分籽实中富集量相对较大，其他几部分分布差别较小。当土壤中重金属含量较低时，根系中Cu的富集量较高，而随着土壤重金属含量的增加，根系中的Cu的含量有所下降，而土壤重金属含量进一步升高（试验区4后）后，根系中Cu的含量又升高，而在籽实中Cu的含量随土壤中重金属含量的增加呈抛物线形状，中等重金属浓度小麦试验区中Cu的含量最高，而重金属浓度更高或更低时，Cu的含量都较低，见图2。与无公害食品标准Cu为10mg·kg-1(GB14935—94）相比，各试验区小麦籽实中Cu的含量均未超标。Zn作为小麦生长所必需的营养元素，小麦对其吸收量也较大，Zn在成熟期小麦中的分布规律为根>籽实>颖壳>叶片>茎，且向地面部分迁移的Zn的量较多，个别试验区（4、5）小麦籽实中Zn的含量（33.25、42.75）较根系中的含量（32.15、37.70）高。小麦根系中Zn的含量在低浓度重金属区逐渐提高，试验区4中含量有所下降，而后又进一步升高；籽实中Zn的含量先随土壤重金属含量升高而增加，到试验区5达到最高值，试验区6中又有所回落，见图3。与无公害食品标准Zn为50mg·kg-1(GB13106—91）相比，各试验区小麦籽实中Zn的含量也都在标准之内。4小麦幼苗期和发育时期(1）各试验区小麦根中Cu的含量基本上随生长时间的增加而增加；而Cd的含量随生长时间的增加反而有所降低，在抽穗期达到最低值，成熟期较抽穗期有所回升；小麦根系中Zn的含量基本上都是随小麦的生长而降低。(2）小麦茎叶中Cd的含量随小麦的生长而降低，在成熟期有所回升，但总体而言在幼苗期含量最高；Cu的含量随小麦生长而升高，抽穗期大部分Cu由茎中迁移到叶片中，到了成熟期其茎叶中的含量有较大程度的降低，且茎叶中分配基本相同；Zn的含量与生长时间成反比，从小麦幼苗期到生长期，Zn的含量变化较小，而抽穗期和成熟期降低的幅度较大。(3)Cd在成熟期小麦植株不同部位的含量为根>叶片>茎>颖壳>果实，Cu的分布规律为根>籽实>茎>叶