重金属在土壤-水稻系统中迁移、积累及生态效应

重金属在土壤-水稻系统中迁移、积累及生态效应

自1960年以来，cd、pb污染及其造成的中毒已成为世界环境和人类发展的一个重要问题。而Cd、Pb复合污染产生的影响更是不容忽视。复合污染的概念是近年提出的,许多学者称之为交(相)互作用。任继凯使用了“复合污染”一词,Macnical给出了“联合毒性效应”和“复合毒性效应”的概念,何勇田、周启星对复合污染研究进行了系统分类并给出了准确的定义。在自然环境中,重金属污染常常是2种或2种以上元素同时作用形成的复合污染,如污泥土地利用、污水灌溉等往往是多元素同时进入土壤-植物系统。元素间的联合作用对作物的产量及元素在作物体内的再分配有着至关重要的影响。本文研究了土壤中Cd、Pb单元素作用、Cd-Pb两元素及Cd-Pb-Cu-Zn-As5元素交互作用对水稻生长发育的影响、复合污染物交互作用特性及生态效应等。由水稻生长发育、产量和籽实中污染物含量上的差异,揭示复合污染及其生态效应机理,为评价环境质量及采取污染防治措施提供科学依据。1材料和方法1.1试验土壤供试土壤为沈阳生态站草甸棕壤,其基本理化性质见表1。1.2试验品种供试作物为水稻(OryzasativaL.),其品种为616。插秧时每盆3穴,每穴5株。水稻生长过程中始终保持淹水。1.3稻土重金属元素处理单元处理采用室外网室盆栽试验的方法。试验用陶瓷盆钵高20cm,直径9cm,每盆装土2.5kg,重金属元素与土壤充分混匀后装入盆钵。复合污染物平衡2周后,栽种水稻。试验设3种处理,每一处理重复3次。施入的污染物分别为CdCl2、Pb(Ac)2、CuSO4、ZnSO4、Na2HAsO4,污染物的投加浓度及试验处理见表2。1.4分析土壤及植物样品中Cd、Pb元素采用HNO3-HClO4湿法消化,180-80原子吸收分光光度计测试。2结果与讨论2.1复合处理对穗长、千分率的影响以株高、穗长、千粒重、相对产量为指标阐明重金属对水稻生长发育的影响,统计结果见表3。表3结果表明,重金属复合污染处理与对照相比水稻株高下降约5～7cm。不同处理之间穗长、千粒重变化表明,单元素、2元素和多元素复合处理穗长和千粒重与对照相比无明显变化。单元素Pb、2元素和多元素处理减产幅度已超过20%。Cd、Pb污染可阻止根毛的生长,伤害作物的根系,抑制水稻的生长发育,使植物叶片中的叶绿素含量降低,影响正常的光合作用,减少光合产物向种子的输入,导致作物产量的降低。由株高、穗长及作物相对产量等指标的变化,反映2元素特别是多元素重金属复合污染已影响了水稻的正常生长发育,说明多元素联合协同作用可抑制水稻株高的增长及产量的增加。2.2cd对作物的迁移能力分析外源重金属污染物进入土壤后,作物可通过根系代谢吸收土壤中的重金属,进入根细胞内的重金属,一部分滞留在根中,还有一部分可随原生质的流动运移给临近的细胞,并通过细胞间的运输,横穿过根的中柱鞘输送到导管中,随作物蒸腾作用向地上部移动,并积累在作物茎叶、籽实中。外源重金属进入水稻体后在不同部位进行再分配,其不同部位重金属含量及重金属在不同部位的分配比例见表4。由表4可看出,重金属在作物体内的分布规律为根>>茎叶>籽实。重金属进入水稻体后,在体内不同部位进行再分配。不同处理水稻根系Cd、Pb吸收量分别占水稻总吸收量的81%～85%、92%～94%,Cd、Pb籽实吸收量占总吸收量的1.4%～4.9%、0.2%～0.3%。因此重金属进入水稻体后,大部分积累在根部,很少向地上部迁移,尤其是Pb元素。重金属不同处理Cd元素籽实分配比例依次为5元素>2元素>单元素。由此可见,2元素、多元素共存可促进Cd向地上部的迁移,使Cd对作物的污染危害程度加重。5元素复合污染处理中Cd籽实含量为0.298mg/kg,已超过了我国食品卫生标准(0.2mg/kg,GB15201-94)稻米Cd的限量值。为了更准确地反映元素在水稻体的迁移规律,用籽实含量与土壤重金属含量的比值也就是迁移系数描述其迁移的特点,见图1、图2。图1与图2比较可见,Cd比Pb的迁移能力更强。外源Cd进入土壤后,Cd与土壤中的OH-和Cl-形成络离子则易于移动,而Pb在土壤中可形成溶解度小的PbCO3、Pb3(PO4)2及PbSO4,因此它在土壤中很少移动。正如杨崇洁的研究所证明,Cd进入土壤主要以物理化学吸附为主,而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。2.3cd元素对水稻的影响在草甸棕壤中,Cd-Pb2元素及Cd-Pb-Cu-Zn-As5元素的交互作用对水稻吸收重金属Cd、Pb有明显的影响。水稻体不同部位重金属含量的分布状况(表4)表明:在草甸棕壤Cd浓度为1.5mg/kg的处理条件下,投加Pb300mg/kg时水稻籽实Cd含量约为未加Pb的2倍,Pb元素的存在促进了水稻对Cd的吸收。Cd、Pb同时存在时,Pb可夺取Cd在土壤中的吸附点,使Cd的活性增加,提高了土壤中Cd的有效性,使其更易被水稻所吸收。Cd、Pb、Cu、Zn、As5元素交互作用对水稻吸Cd所产生的影响更为复杂,在草甸棕壤Cd浓度为1.5mg/kg的处理中,投加Pb300、Cu100、Zn200、As30mg/kg时,水稻籽实Cd含量为未投加Pb、Cu、Zn、As处理的5倍,其它4种元素的共存使Cd的活性增强,促进了水稻对Cd的吸收和积累,表现了其它4种重金属元素对Cd元素吸收有协同作用。因此,在污水及污泥农用时应格外注意Cd的动态,避免其在植物体内超标积累。在草甸棕壤Pb浓度为300mg/kg的处理条件下,投加Cd1.5mg/kg时,水稻根及茎叶Pb含量比未加Cd的根、茎叶含量分别下降了19.54%和17.69%,而籽实含量变化不大。Cd-Pb交互作用时,Cd元素的存在抑制了水稻根及茎叶对Pb的吸收。Cd、Pb同时存在时,Pb可夺取Cd在土壤中的吸附位,而且土壤对Pb具有很强的吸持能力,使Pb更易于固定在土壤中,难于迁移,不易被水稻所吸收。由于Cd-Pb-Cu-Zn-As5元素交互作用,在草甸棕壤Pb浓度为300mg/kg、投加Cd1.5、Cu100、Zn200、As30mg/k