不同浓度尿素对小麦根际和非根际土壤镉、铅形态及小麦生长的影响

不同浓度尿素对小麦根际和非根际土壤镉、铅形态及小麦生长的影响

随着采矿业和其他行业的快速发展，以及农业废水、农药和肥料的不合理使用，中国的生态污染日益严重。镉（cd）、铅（pb）等重金属污染越来越突出（李波等人，2000；赵继忠等人，2005；陈苏等人，2007）。污染土壤中重金属不断受到环境因素和农业措施等的影响,其在土壤中的植物有效性受到抑制或促进。植物对土壤中重金属Cd、Pb的吸收和累积受诸多因素影响,如土壤水分、质地、pH值、有机质、共存元素(Chip&Lena,2002;李瑛等,2004;Salah&Barrington,2006)等,这方面的研究报道已有不少,但植物根系所在环境的营养水平对植物吸收、积累土壤中重金属影响方面的报道则较少。本文通过室外盆栽试验,研究氮肥(CO(NH2)2)施用水平对Cd、Pb单一污染及其复合污染土壤中Cd、Pb形态分布及植物有效性的影响。施肥是农业生产中的常规措施(Rauletal.,2001),营养元素也是土壤-植物系统中不可缺少的因素之一,因此,从营养元素角度出发,通过选择适宜的营养元素形态或是适合的施用方法来直接或间接影响重金属在土壤-植物系统中运输和在食物链中传递,对于土壤质量改良和农业生产持续发展具有重要的现实意义。1材料和方法1.1采样深度、品种、药品供试土壤:草甸棕壤,采自中国科学院沈阳生态站,此地块未使用任何农业化学品已10年,属清洁土壤,采样深度为0～20cm(表层土壤),其基本理化性质见表1。供试植物:小麦(TriticumaestivumL.),品种为辽春10号,由辽宁省农科院提供。供试药品:镉为CdCl2·2.5H2O(分析纯);铅为Pb(NO3)2(分析纯);氮肥为CO(NH2)2(分析纯)。1.2试验方法和过程采用上述清洁土壤自制3种类型污染土壤,即Cd、Pb单一处理以及Cd和Pb复合处理,在各处理中重金属投加量分别是:Cd+Pb=25+0、0+1000、25+1000mg·kg-1,记作T1、T2、T3。营养元素选用尿素CO(NH2)2,其施用水平为:0、100、200、400、800mgN·kg-1,记作N0、N1、N2、N3、N4,共计15个处理,每个处理3次重复。试验采用陶瓷盆钵高20cm,直径15cm,土样过2mm筛后先将磷肥(Ca(H2PO4)2,分析纯)、钾肥(K2SO4,分析纯)作为基肥拌入,浓度为(P2O5)0.1g·kg-1,(K2O)0.1g·kg-1;接着拌入重金属污染物和氮肥,土样混匀后装入盆钵,每盆装土2.5kg,放置2周后再次混匀,以保证其均匀性。从中取出200g土样放入根袋内(300目尼龙袋),再将根袋埋入装有相同土样的盆中。小麦种子经过消毒催芽后,每盆播15粒,出苗后每盆保苗10株,每日以蒸馏水浇灌,小麦生长过程中,土壤始终保持约60%田间持水量,并采用物理方法除虫,以避免农药、杀虫剂等物质带来的干扰,在小麦成熟期收获取样。1.3土样ph值的测定分别采集根袋和袋外的土样作为小麦根际土壤与非根际土壤,样品风干后用于Cd、Pb的形态分析,另取新鲜土样保存于冰箱中用于土样pH值的测定。收获后的植株先用自来水充分冲洗,以去除粘附于植物样品上的泥土和污物,然后再用去离子水冲洗,将样品放入烘箱中烘干至恒重后称其干重。1.4小麦叶片cd、pb的含量及测定土壤基本理化性质按土壤农化常规分析法测定(鲁如坤,2000)。植物样品中Cd、Pb总量分析:将小麦植株分为根、茎叶和籽实3部分,样品粉碎后,采用硝酸-高氯酸消化,原子吸收分光光度仪(火焰法)测定待测液中Cd、Pb浓度。土壤样品中镉、铅形态分析:采用Tessler等(1979)方法对土壤中Cd、Pb进行形态分级。1.5图形的绘制利用MicrosoftExcel2003进行图形的绘制;所用数据采用DPS7.05进行单因素统计,采用Duncan多重比较即新复极差法进行显著性检验,显著水平为α=0.05。2结果与分析2.1t和t3处理中镉的形态分布土壤中重金属Cd、Pb的形态可分为以下5种:A-交换态、B-碳酸盐态、C-铁锰氧化物结合态、D-有机质硫化物态、E-残渣态。表2列出了N肥在不同施用水平下小麦根际与非根际土壤中镉的形态分布。在镉单一与镉、铅复合污染(T1和T3)处理中,镉的主要存在形态均以A为主,B和C居中,其次为E,而D的含量最少,即A>B,C>E>D;同时,N肥的不同施用水平并未影响上述镉不同形态的分布顺序。镉的各种形态在非根际与根际土中存在着一定的差异。在T1和T3处理中,非根际土与根际土相比较,A的含量略有下降,而B、C和D的含量有所上升,这主要是由于小麦根际的吸收作用所引起的。在T1、T3处理中,随N肥施用水平的增加,根际与非根际土壤中A的含量逐渐增大,B的含量则逐渐降低;小麦收获后,根际和非根际土壤pH值的测定结果(表3)表明,N肥的施用引起根际和非根际土壤的pH值下降,这表明施用N肥造成土壤中pH的变化,引起土壤中镉的形态分布产生一系列变化。2.2不同n肥用量对铅形态变化的影响在铅单一与镉、铅复合污染处理中(表4),铅主要是以B、C为主,D和E居中,而A的含量最少,即C,B>E,D>A;同时,N肥的不同施用水平并未影响各形态Pb的分布。铅的各种形态在非根际与根际土中存在着一定的差异。在T2和T3处理中,非根际土与根际土相比较,A、E的含量下降,而C的含量有所上升,这主要是由于小麦根际活化作用与吸收作用所引起的。在T2、T3处理中,随N肥用量的增加,根际与非根际土壤中A含量明显提高,C含量有所下降,而对其他形态的影响较小;小麦收获后,根际和非根际土壤pH值的测定结果(表3)表明,N肥的施用引起根际和非根际土壤的pH值明显下降,这表明施用N肥造成土壤的酸化,引起土壤中铅的形态分布产生一系列变化,进而影响了铅的植物有效性。2.3化肥不同用量对小麦中cd的影响外源重金属进入土壤后,作物可通过根系代谢作用吸收土壤中的重金属,进入根细胞内的重金属,一部分会滞留在根中,还有一部分可随原生质的流动运移至临近的细胞,并通过细胞之间的运输,输送到导管中,随作物蒸腾作用向地上部移动,并积累在作物茎叶、籽实中(王新等,2001)。在氮肥不同用量下小麦对Cd的吸收情况如表5所示。T1、T3处理中小麦不同部位对Cd的吸收顺序均为根>茎叶>实,此结果与吴燕玉等(1998)、莫争等(2002)报道的结果一致,即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,如籽实、茎叶中的蓄积量则较少。T1和T3处理中,根、茎叶和实中Cd的浓度均随着N肥用量的增长而显著或极显著(P<0.05或P<0.01)提高,其中N4处理由于用量过多而导致这2组处理的小麦无籽实产生,上述关系可以通过以下回归方程表达:T1处理:YCd(根)=4.65×10-2X+39.20(R2=1.000,n=15,P<0.01)YCd(茎叶)=1.91×10-2X+15.42(R2=0.926,n=15,P<0.05)YCd(实)=7.50×10-3X+3.86(R2=0.995,n=12,P<0.01)T2处理:YCd(根)=4.52×10-2X+51.50(R2=0.974,n=15,P<0.01)YCd(茎叶)=1.01×10-2X+23.25(R2=0.947,n=15,P<0.01)YCd(实)=4.00×10-3X+6.78(R2=0.991,n=12,P<0.01)氮肥施用促进小麦对镉的吸收与氮肥对土壤中镉形态分布的影响是密不可分的,普遍认为重金属的交换态是最易被植物吸收的部分,其次是碳酸盐结合态,而残渣态是最不容易被植物利用的部分。氮肥的施用引起土壤pH的降低,提高土壤中交换态镉的含量,而对于镉而言,交换态占总量的比例高达40%～70%,这是氮肥提高镉植物有效性的主要原因。通过比较相同N水平下Cd的浓度可以发现,T3处理的小麦不同部位Cd的浓度均高于T1处理,这表明镉、铅复合污染与镉单一污染相比促进了小麦对Cd的吸收。由T1和T3处理土壤中Cd的形态分布可知,Cd-Pb共存使小麦根际、非根际A含量均比Cd单一处理时高,由于交换态是植物最易吸收的部分,这样Pb的存在很可能提高Cd的植物有效性,其原因可由土壤吸附动力学解释(陈怀满和郑春荣,1994;林琦,2000),动力学试验表明,Cd-Pb混合流出液中的Cd很快就达到了平衡,甚至在一定时间区段内超过了起始浓度,这是由于后来吸附的Pb替代了原已吸附的Cd,而溶液中仅含Cd时达到平衡的时间较长,所以在土壤中Cd-Pb同时存在时,Pb使Cd活性增加。2.4化肥对土壤中pb的影响从表6可以看出,T2、T3处理中,小麦不同部位对Pb的吸收顺序均为:根>茎叶>实,Pb从土壤迁移到根、茎叶是比较容易的,而继续向上迁移至籽实则非常困难。杨崇洁(1990)的研究证明,Pb主要以化学吸附占优势,生成稳定的络合物,使其不易迁移,这也是为什么Pb大部分集中在根部而很少向地上迁移的原因。根、茎叶和实中Pb的浓度均随着N肥用量的增长而显著或极显著(P<0.05或P<0.01)增高,其中N4处理由于用量过多而导致这2组处理的小麦无籽实产生,这种关系可以通过以下回归方程表达:T2处理:YPb(根)=1.23×10-1X+350.32(R2=0.934,n=15,P<0.05)YPb(茎叶)=3.30×10-2X+28.40(R2=0.972,n=15,P<0.01)YPb(实)=7.00×10-3X+4.54(R2=0.950,n=12,P<0.05)T3处理:YPb(根)=9.32×10-2X+333.19(R2=0.915,n=15,P<0.05)YPb(茎叶)=6.00×10-3X+18.66(R2=0.968,n=15,P<0.01)YPb(实)=1.70×10-3X+2.79(R2=0.990,n=12,P<0.05)氮肥提高Pb的植物有效性可以从氮肥对土壤中铅形态分布的影响方面加以解释,氮肥明显提高Pb的交换态含量,对于铅而言,尽管交换态含量是5种形态中含量最少的部分,且其占总量的比例仅为2.6%～6.8%,但作为最易被植物吸收的部分,交换态起到了非常重要的作用。通过比较T2和T3在相同N肥水平下Pb的浓度发现,T3处理的小麦不同部位Pb的浓度均低于T1处理,表明Cd-Pb复合污染时,Cd元素抑制了小麦根、茎叶和籽实等部位对Pb的吸收,原因是Cd、Pb共存时,Pb可夺取Cd在土壤中的吸附点位,而且土壤对Pb具有很强的吸持能力,使得Pb更易于固定在土壤中,难于迁移,不易被小麦所吸收(Peters&Shem,1992;余国营和吴燕玉,1997;王新等,2001)。另外,由T2和T3处理土壤中Pb的形态分布可知,Cd-Pb共存使小麦根际、非根际的A的含量均比Pb单一处理时有所下降,Cd的含量有所上升,根据何峰等(何峰等,1992)的结果,可以推断Cd的存在将抑制植物对Pb的吸收;这是由于Cd、Pb同为二价阳离子,对植物有机组分的亲和力相似,相互间可能产生拮抗作用;同时Cd的迁移能力较Pb强,Pb更易与土壤组分发生反应形成稳定化合物,从而导致Pb因迁移能力弱而在竞争吸收中占劣势。2.5n肥用量对小麦幼苗生长和生物量的影响在T1、T2、T33组处理中,N4用量时小麦均发生烧苗现象,植株矮小枯黄,在成熟期均无籽实产生。T1处理中,小麦地上部、根部和总干重随着N肥用量的增加而逐渐增加,均在N3处达到最大值,分别为9.74、0.36和10.10g·pot-1。T2处理中,小麦地上部、根部和总干重随N肥用量增长先增加,在N1处达到最大值(分别为10.38、0.49和10.87g·pot-1);随后逐渐下降。T3处理与T2处理变化趋势相同,随N肥用量的增长小麦地上部、根部和总干重先增加,在N1处取得最大值(分别为7.29、0.33和7.62g·pot-1),而后逐渐下降(表7)。从小麦生长情况看(不考虑N4用量),T1处理中N肥的施用提高植物的生物量,表明N肥对小麦Cd单一污染所造成的毒害症状具有一定的缓解作用,增强了小麦的抗逆性,促进小麦的生长;而在T2处理中仅N1、N2用量提高了植物的生物量,T3处理中仅N1用量提高了植物的生物量。通过T1、T2、T33组处理的比较可知:相同N肥施用水平下,T2处理小麦的干重(包括小麦地上部干重、根干重和总干重)最高,其次为T1处理,而T3处理的干重最小,说明Cd和Pb的复合污染对小麦的毒害远远大于Cd、Pb单一污染时的情况。3肥料对冬小麦籽实和废水中cd、pb有效性的影响土壤中重金属的存在形态比较复杂,而土壤中肥料氮、磷、钾的施入,可改变土壤的性质如pH和表面电荷或者与重金属离子直接作用,从而导致重金属形态的变化,最终影响其植物有效性(徐明岗等,2006)。一般情况下,重金属交换态A都随着土壤pH和粘粒含量的降低而增加,这部分重金属形态被认为是非专性吸附和以离子可交换的形式存在的,吸附的重金属离子较容易被其他阳离子交换下来,也就是这部分重金属离子是通过静电引力吸附于土壤表面交换位上及带负电的有机和无机土壤颗粒界面上的金属,它最先进入溶液,也最容易被植物吸收;碳酸盐结合态B是通过无机和有机作用与碳酸盐产生沉淀,这种形态易受pH的影响,通常是与土壤pH存在正相关关系(Tanetal.,1997)。Wangstrand等(2006)的田间试验表明,2种不同品种的冬小麦籽实中的Cd浓度随N肥(硝酸钙)用量的增加而提高,小麦籽实中镉与氮呈显著正相关,认为主要是由于Ca2+与Cd2+的离子交换作用提高了土壤中Cd离子的浓度。楼玉兰(2004)的研究亦表明,施用硫酸铵后,青紫泥和小粉土经10周的培养,土样的pH分别下降了1.37和1.23,同时明显增加了根际土壤中重金属的有效性,促进玉米对重金属的吸收。另有研究表明,施用硫酸铵、硝酸铵和尿素能增加微酸性土壤中水溶交换态的Zn和Cd的含量,试验归结为这3种肥料均降低了土壤的pH(Willaert&Verloo,1992)。赵晶等(2010)研究了硫酸铵、硝酸铵、氯化铵和尿素4种不同氮肥对小麦生长和吸收Cd的影响,结果发现,所有氮肥处理都比无肥处理增加了小麦对Cd的吸收,