鉛對(duì)小麥生長(zhǎng)及土壤中鉛的影響

鉛對(duì)小麥生長(zhǎng)及土壤中鉛的影響

目前，土壤污染修復(fù)的研究是國(guó)際土壤污染生態(tài)學(xué)和環(huán)境工程的科學(xué)家和前面和研究的重要課題。污染土壤修復(fù)技術(shù)迅速發(fā)展。國(guó)內(nèi)外關(guān)于污染土壤修復(fù)方法的文獻(xiàn)正在上升，但土壤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)的制定遠(yuǎn)低于修復(fù)方法的研究，這意味著土壤修復(fù)的程度是清晰的。特別是在我國(guó),隨著人民生活水平和環(huán)境意識(shí)的提高,對(duì)污染土壤修復(fù)的逐步重視,污染土壤修復(fù)效果的檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)已成為檢驗(yàn)污染土壤修復(fù)工程實(shí)際效果的瓶頸。近年來(lái)美國(guó),加拿大,澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家先后建立了適合本國(guó)國(guó)情的污染土壤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外的土壤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)一般按照再用目的不同分為:農(nóng)業(yè)用地,花卉種植及休閑用地,住宅用地,工業(yè)用地等。由于自然地質(zhì)狀況,土地使用歷史,經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等原因,各國(guó)的土壤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)閾值存在很大差距,完全套用國(guó)外的土壤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)不現(xiàn)實(shí),也是不可行的。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),據(jù)初步調(diào)查,全國(guó)受重金屬污染的耕地多達(dá)2×107hm2,2002年對(duì)3×105hm2基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)抽樣監(jiān)測(cè)表明,土壤重金屬超標(biāo)率高達(dá)l2.1%。土壤污染已經(jīng)成為限制我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品國(guó)際貿(mào)易和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大障礙之一。通過(guò)對(duì)修復(fù)基準(zhǔn)的確定,可以更好的指導(dǎo)重金屬污染農(nóng)田修復(fù)方法的選用和修復(fù)工程的實(shí)施,更好的評(píng)價(jià)修復(fù)工程實(shí)際效果,進(jìn)一步縮小我國(guó)在污染土壤治理方面與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。1材料和方法1.1試驗(yàn)土壤1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.2.1陶瓷盆缽回復(fù)突變1.根據(jù)前期研究工作的結(jié)果,在小麥種子發(fā)芽和根伸長(zhǎng)抑制率濃度IC小于50%抑制率范圍內(nèi),設(shè)置了6個(gè)不同的Pb處理濃度:0,100,300,500,1000,1500mg·kg-1。陶瓷盆缽高20cm,直徑15cm,土樣過(guò)2mm篩后拌入污染物,重金屬元素與土壤充分混勻后裝入盆缽,每盆2.5kg土,平衡2周后再次混勻以保證其均勻性。小麥種子消毒催芽后,每盆播15粒,出苗后保苗10株,每日以蒸餾水澆灌,小麥生長(zhǎng)過(guò)程中,土壤始終保持約60%田間持水量,采用物理方法除蟲,小麥于成熟期取樣。1.2.2根、莖、葉的制備植株取樣后,樣品的根、莖、葉、穗分開,用自來(lái)水充分沖洗,去除黏附于植物樣品上的泥土和污物,再用去離子水沖洗。麥穗經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干后,手工搓掉外皮得到籽粒部分,用粉碎機(jī)粉碎。將根、莖、葉的鮮樣于105℃烘箱殺青10min,再于65℃烘至恒重后稱其干重。新鮮土樣保存于0-4℃冰箱中,用于測(cè)定土樣pH值。1.3水均為超純水亞水浸土壤基本理化性質(zhì)按土壤農(nóng)化常規(guī)分析法測(cè)定。分析過(guò)程所用試劑均為優(yōu)級(jí)純,所用的水均為超純水(亞沸水)。分析中加入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)植物樣品(GSV.3)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GBW07404)進(jìn)行質(zhì)量控制,重金屬的回收率均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)的允許范圍內(nèi)。1.3.1在植物樣品中分析鉛總量植株分為根、莖葉、籽殼和籽實(shí)4部分,樣品粉碎后,用硝酸-高氯酸消化,原子吸收分光光度儀測(cè)定鉛的濃度。1.3.2土壤全氮測(cè)定采用硝酸-高氯酸消化,原子吸收分光光度儀測(cè)定鉛的濃度。1.3.3心管-nh4no3-1稱取5g風(fēng)干土(20目)于50mL離心管,加入25mLNH4NO3浸提劑,在往返式振蕩機(jī)上(220次/分)振蕩2h,過(guò)濾,用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定濾液鉛含量。2結(jié)果與討論2.1對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響當(dāng)土壤中的外源污染物質(zhì)達(dá)到一定濃度時(shí),土壤中農(nóng)作物的外觀往往表現(xiàn)出某種中毒癥狀。在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的濃度范圍內(nèi)小麥的株高和穗長(zhǎng)并沒有表現(xiàn)差異性(見表2)。但是小麥單株的粒數(shù)和產(chǎn)量則隨著土壤中Pb濃度的升高表現(xiàn)出差異。當(dāng)土壤中鉛濃度為100mg?kg-1時(shí)小麥生長(zhǎng)受到了促進(jìn),其株高、穗長(zhǎng)、粒數(shù)均高于對(duì)照。但促進(jìn)并不明顯,小麥的株高、穗長(zhǎng)、粒數(shù)和產(chǎn)量與對(duì)照相比沒有明顯的差異(P>0.05)。這種低濃度鉛促進(jìn)植物生長(zhǎng)的現(xiàn)象已被許多試驗(yàn)所證實(shí),而不同作物種類其刺激作用的濃度范圍是不同的,有人推測(cè)鉛本身就是一種促進(jìn)生長(zhǎng)的因子;但也有人認(rèn)為這并不是鉛的作用,而是其它因素的影響造成的。一方面,植物在低鉛脅迫下應(yīng)激產(chǎn)生保護(hù)作用,通過(guò)加速生理生化活動(dòng),產(chǎn)生大量的代謝產(chǎn)物,同金屬締合來(lái)解毒;另一方面,激活的代謝系統(tǒng)也加速了對(duì)重金屬的吸收,反過(guò)來(lái)又抑制了植物的代謝活動(dòng)。在低鉛脅迫下,植物的適應(yīng)性反映大于金屬的毒害作用,表現(xiàn)出“積極”的結(jié)果;當(dāng)土壤中鉛濃度為300mg?kg-1時(shí)小麥生長(zhǎng)正常,小麥的株高、穗長(zhǎng)和產(chǎn)量與對(duì)照相比沒有顯著性差異。但是小麥單株的粒數(shù)顯著小于對(duì)照(P<0.05)。當(dāng)土壤中鉛濃度大于500mg·kg-1時(shí)小麥生長(zhǎng)正常,株高與穗長(zhǎng)小于對(duì)照,但株高和穗長(zhǎng)與對(duì)照相比沒有顯著差異。但粒數(shù)與產(chǎn)量顯著小于對(duì)照(P<0.05),小麥開始減產(chǎn)。這時(shí)在高濃度鉛的脅迫下,金屬的毒害作用大于植物的適應(yīng)性反映,從而表現(xiàn)“消極”的抑制作用。2.2小麥不同部位土壤中pb含量的變化Pb不是植物生長(zhǎng)所必需的元素,普通植物正常含鉛量為0.02～3mg?kg-1。同一種作物的不同器官,由于外部形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)不一,吸收重金屬元素的生理生化機(jī)制各異,其重金屬元素的積累量差異較大。鉛進(jìn)入小麥體后在不同部位進(jìn)行再分配,由表3可知,鉛被小麥吸收后,大部分停留在根部,少量向地上部遷移。鉛在植株不同部位的含量順序?yàn)?根>莖葉>籽殼>籽實(shí)。表3計(jì)算出Pb在小麥根、莖葉、籽殼、籽實(shí)中的吸收系數(shù),也就是小麥植株不同部位Pb濃度與土壤中Pb濃度之比。吸收系數(shù)可表征土壤-植物體系中鉛的遷移程度。通過(guò)小麥不同部位吸收系數(shù)的比較發(fā)現(xiàn),吸收系數(shù):根>莖葉>籽殼>籽實(shí),鉛從土壤遷移到根、莖葉比較容易,而繼續(xù)向上遷移至籽實(shí)則非常困難。Qureshi的研究證明,當(dāng)鉛進(jìn)入根部后,鉛有可能形成磷酸鹽或碳酸鹽沉積在細(xì)胞內(nèi)無(wú)法到達(dá)中柱隨蒸騰流向上運(yùn)輸。另一方面,鉛從根部向中柱遷移的過(guò)程還會(huì)受到內(nèi)皮層凱氏帶的阻攔。Wierzibicka研究證明,凱氏帶是鉛遷移的最大障礙。彭鳴的研究表明,鉛在木質(zhì)部薄壁組織有較高的積累,導(dǎo)管中較少。通常與中柱內(nèi)的陽(yáng)離子交換位點(diǎn)結(jié)合,從而被固定在莖部中柱內(nèi)。有研究表明,鉛在植物根部均以分子量較小的肽類復(fù)合物及游離態(tài)占絕大比例,推測(cè)這些形態(tài)是鉛自根部向地上部分運(yùn)輸?shù)闹饕问?。所?植物吸收的大部分鉛均積累在根部,只有少部分轉(zhuǎn)移到地上部分,這可能是植物對(duì)鉛的一種保護(hù)機(jī)制。由表3可知小麥根、莖葉、籽殼、籽實(shí)中的Pb含量均隨土壤中Pb含量的增加而增加。小麥根和莖葉中Pb的含量與土壤中Pb含量極顯著相關(guān)(P<0.01),小麥籽殼和籽實(shí)中Pb含量與土壤中Pb含量顯著相關(guān)(P<0.05)。小麥根、莖葉、籽殼和籽實(shí)的吸收系數(shù)與土壤中Pb的濃度不具有顯著的相關(guān)性,無(wú)論是根、莖葉、籽殼還是籽實(shí)的吸收系數(shù)都是在土壤Pb濃度達(dá)到100mg?kg-1時(shí)達(dá)到最大值,在較高濃度時(shí)吸收系數(shù)反而小于100mg?kg-1時(shí)。這進(jìn)一步證明在低鉛脅迫下,植物的適應(yīng)性反映大于金屬的毒害作用,表現(xiàn)出促進(jìn)植物新陳代謝加快吸收的“積極”作用。2.3土壤-植物系統(tǒng)當(dāng)前,普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為,土壤中重金屬的全量不能夠指示其生物有效性,當(dāng)然也不是一個(gè)很好的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。近年來(lái)許多學(xué)者運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)得出的各種形態(tài)的定義來(lái)評(píng)價(jià)重金屬的生物有效性,這其中包括單一提取和順序提取。在這些方法中應(yīng)用最廣的是Tessier提出的方法,Tessier的方法的土壤中重金屬的類型分為5種。然而這種方法在提取的過(guò)程中缺少選擇性,而且在提取的過(guò)程中可能造成形態(tài)的再分配。近年來(lái)有許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)運(yùn)用NH4NO3作為浸提劑,可以很好的指示土壤中重金屬Pb的植物有效性。從表4中我們可以看出不同指標(biāo)對(duì)于土壤中鉛污染的敏感程度和相關(guān)性是不同的。穗長(zhǎng)和粒數(shù)對(duì)土壤鉛污染比較敏感,但粒數(shù)與土壤鉛回歸方程的擬合性較差。所以選用小麥的產(chǎn)量作為評(píng)價(jià)土壤鉛污染的指標(biāo)較好。在盆栽實(shí)驗(yàn)中當(dāng)小麥產(chǎn)量的抑制率達(dá)到10%的時(shí)候土壤中的全鉛濃度為292mg?kg-1,有效鉛濃度為7mg?kg-1。對(duì)于土壤-植物系統(tǒng),確定重金屬的毒理臨界水平一般根據(jù)兩個(gè)方面。一是上面提到的對(duì)植物生長(zhǎng)不產(chǎn)生毒害前提條件下土壤中所允許的最大含量,二是按照人體健康的標(biāo)準(zhǔn)在不危害人體健康的食品衛(wèi)生最大允許量的標(biāo)準(zhǔn)下土壤所能允許的最大負(fù)荷量。根據(jù)我國(guó)食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB2762-2005)中規(guī)定,重金屬鉛在谷物可食部位的積累不能超過(guò)0.2mg?kg-1。通過(guò)小麥籽實(shí)鉛含量與土壤中鉛含量的回歸方程,以籽實(shí)鉛含量不超過(guò)食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)為最大允許量,可以計(jì)算出土壤鉛的臨界水平。當(dāng)然這僅僅是針對(duì)東北地區(qū)草甸棕壤進(jìn)行的研究。農(nóng)作物對(duì)重金屬的吸收與土壤的理化性質(zhì)之間有著密切的關(guān)系,當(dāng)土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)含量、N的含量、P的含量等發(fā)生變化時(shí),小麥對(duì)重金屬的吸收都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。3土壤中鉛的檢測(cè)(1)在低濃度鉛處理下,小麥的生物量均有所增加,隨著處理濃度的提高,生物量逐漸降低。隨著鉛處理濃度的提高,小麥各器官中的鉛含量逐漸升高,其中以根部含量最高,其次為莖葉、籽殼,籽實(shí)中鉛的含量最低。(2)籽實(shí)中鉛含量與土壤中鉛的全量和有效態(tài)含量的相關(guān)性遠(yuǎn)低于根、莖葉、籽殼中鉛含量與土壤中鉛的全量和有效態(tài)含量的相關(guān)性。(3)以小麥籽實(shí)生物量降低10%為依據(jù),確定棕壤中鉛的土壤修復(fù)基準(zhǔn)為總量292mg?kg-1,有效鉛含量為7mg?kg-1;以小麥可食