鉛對稻田土壤理化性質(zhì)的影響

鉛對稻田土壤理化性質(zhì)的影響

鉛是污染物中毒性高的重金屬元素。它對植物和動物有顯著的毒性作用，并對植物的形態(tài)、生長和光合作用產(chǎn)生不利影響。鉛與生物分子發(fā)生作用損害動物的生殖、神經(jīng)、免疫、心血管等系統(tǒng),影響生長發(fā)育。同樣,鉛也會對人類健康產(chǎn)生較大危害,鉛進入人體后主要積蓄在骨骼、動脈、肝、腎、胰和肺中,也可進入腦部;鉛能置換骨骼中的鈣而儲存在骨中,可對人的中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)、血液系統(tǒng)、腎臟、心血管系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)等多個器官和系統(tǒng)造成損傷,能造成認知能力和行為功能改變、遺傳物質(zhì)損傷、誘導(dǎo)細胞凋亡等,而且具有一定致突變和致癌性。我國尿鉛正常值上限為0.08mg/L,即使每天攝入很低量的鉛,也會在人體內(nèi)儲存積累而導(dǎo)致慢性中毒,甚至致癌。鉛對兒童的危害更大,是一種強烈的親神經(jīng)毒物,會影響兒童的智力、行為、能力和正常生長發(fā)育等。鉛還可增加先天性缺陷嬰兒的發(fā)生機率。現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展、工業(yè)“三廢”的排放、礦藏的大量開采,使有毒重金屬鉛通過各種途徑進入生態(tài)環(huán)境中。據(jù)報道,我國鉛污染面積已超過2000萬hm2,且部分地區(qū)相當(dāng)嚴重。珠江三角洲農(nóng)田鉛含量比自然土壤平均高出20%以上,局部地區(qū)高2倍以上;江蘇省糧食(大米、小麥、面粉)中鉛檢出率達88%,鉛含量超標(國家衛(wèi)生標準)率為21.4%,局部地區(qū)超標率達66%;蔬菜的污染情況更為嚴重;湖南省稻田受鉛污染面積達總面積的21.95%。2002年,農(nóng)業(yè)部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心(杭州)對生產(chǎn)基地和市場稻谷與大米樣品進行檢測,并對照部頒《無公害食品—大米》標準(NY5115-2002),結(jié)果表明,稻谷樣品達標比例僅為57.4%,大米樣品達標率為79.3%,超標污染物主要是鉛、鎘、砷。隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高,人們越來越重視環(huán)境保護和食品安全,有毒重金屬含量超標的稻米將面臨銷售和出口等難題。因此,研究水稻鉛污染及無公害稻米的生產(chǎn)具有重要意義。1土壤鉛的主要形態(tài)評價重金屬的生物毒性時不僅要看其量,還需看其“質(zhì)”。鉛作為一種極易被固定的重金屬,在土壤中有不同的存在形態(tài)。不同形態(tài)的鉛遷移能力及活性明顯不同,對生物的危害也不同。目前,關(guān)于自然界固體物中重金屬的化學(xué)形態(tài)被廣泛接受的是Tessier等提出的5種存在形態(tài),即可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵(錳)氧化物結(jié)合態(tài)、有機質(zhì)及硫化物結(jié)合態(tài)和殘渣晶格結(jié)合態(tài),前三種形態(tài)穩(wěn)定性差,后兩種形態(tài)較穩(wěn)定,而鉛污染物的危害主要來自前3種不穩(wěn)定的形態(tài)。土壤中鉛的濃度和形態(tài)轉(zhuǎn)化受諸多因素影響,包括溫度、酸堿度、有機質(zhì)含量、陽離子交換量、氧化-還原電位、粘粒含量等土壤理化性質(zhì)和植物的生長發(fā)育。植物的生長發(fā)育對鉛濃度和形態(tài)的影響主要是根系吸收和根系分泌物對根際微環(huán)境的改變兩方面。根系分泌物主要有粘膠、外酶、有機酸、糖、酚及各種氨基酸,對提高根際微生態(tài)的養(yǎng)分有效性、改善超富集植物對重金屬污染的修復(fù)等具有重要作用,是近20年來科學(xué)家們關(guān)注的焦點。不同基因型的植物,其根系分泌物組分明顯不同,因此,造成不同植物對鉛的吸收富集能力也不相同。2水稻品種的重金屬含量在相同條件下,不同水稻品種因其外部形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同,吸收重金屬的生理生化機制各異,故其重金屬元素的累積量差異較大。譚周镃通過對8個早稻品種和10個晚稻品種累積重金屬的試驗,發(fā)現(xiàn)不同品種對重金屬的吸收存在顯著差異。蔣彬等研究表明水稻籽實吸收重金屬存在基因型的差異,將來自全國不同地區(qū)的239份樣品種植在同一地區(qū),發(fā)現(xiàn)各品種對鉛、砷、鎘的積累量存在極顯著的基因型差異,并篩選出一系列低鉛、低鎘和低砷的品種。王凱榮等研究表明雜交晚稻比常規(guī)晚稻對Pb和Cd的富集能力強;吳啟堂等也得到類似結(jié)果,認為高產(chǎn)品種重金屬含量高,低產(chǎn)品種重金屬含量低。這對選育高產(chǎn)品種提出很大的挑戰(zhàn)。相同水稻品種不同器官中重金屬元素的累積量也存在較大差異。研究表明,重金屬在水稻代謝旺盛的器官中累積量較大,而在營養(yǎng)貯藏器官中累積量小,其含量順序是:根>莖葉>糙米。由此可見,秸稈還田雖然可以培肥改土,節(jié)水保墑,提高產(chǎn)量,但也給土壤重金屬的污染治理帶來困難。目前對水稻中重金屬分布的研究還不夠深入,根、莖、葉及籽實中重金屬含量差異的生理生化機制還有待進一步研究。研究表明,水稻籽實中重金屬主要來源于土壤、灌溉水、大氣和農(nóng)業(yè)機械等,其中起主要作用的是土壤和灌溉水。在一定范圍內(nèi),水稻籽實中重金屬含量與土壤中重金屬含量呈正相關(guān),當(dāng)土壤中重金屬濃度過高時,會影響水稻根系的正常生理功能,細胞受損害,導(dǎo)致重金屬向地上部的轉(zhuǎn)移受阻。不同的土壤類型,其有機質(zhì)、孔隙度、pH值、酶活性等理化性質(zhì)不同,將直接影響重金屬在土壤中的遷移與固定,進而影響水稻對重金屬的吸收與富集。在眾多因素中,土壤中有效態(tài)重金屬含量和土壤氧化還原狀況是主要因素。陳懷滿等對人工污染土壤、尾礦砂、污泥等類型的重金屬遷移規(guī)律以及水稻在這些土壤中的重金屬富集進行試驗分析,發(fā)現(xiàn)富集順序為人工污染土壤>尾礦砂>污泥>尾礦砂+污泥,說明不同來源的重金屬進入土壤后對植物生長的影響有差異,以人工污染土壤對水稻的影響最大。通過向土壤中添加調(diào)控物質(zhì)來改變重金屬的化學(xué)穩(wěn)定性,可抑制水稻對重金屬的吸收。李玉紅等在土壤中添加EDTA、檸檬酸、草酸作為調(diào)控物質(zhì),發(fā)現(xiàn)檸檬酸使水稻籽實中Pb含量下降了53%~66%,而用草酸調(diào)控則下降了64%~72%。3對水稻幼苗的鉛脅迫對內(nèi)在生物量的影響宋勤飛等研究發(fā)現(xiàn)鉛濃度高于90mg/L時對番茄種子發(fā)芽有一定的抑制作用,且胚根和胚軸的長度與鉛添加量呈顯著負相關(guān)。王樹會等發(fā)現(xiàn)鉛對煙草種子發(fā)芽及活力有抑制作用,且隨著鉛濃度的增大,抑制作用也增強。也有研究表明大豆種子的發(fā)芽率隨Pb處理濃度的升高逐漸降低,且濃度越高,發(fā)芽率越低。鉛脅迫對植物生物量有較大的抑制作用。Mishra等對一種水草金魚藻進行鉛處理時發(fā)現(xiàn),其生物量隨鉛處理濃度的增加和持續(xù)時間的延長而減少,并在7d后觀察到形態(tài)衰老的現(xiàn)象。Chen等將水稻幼苗在含有鉛的溶液中生長18d后,發(fā)現(xiàn)其生物量隨鉛濃度的增加而降低。Qureshi等研究表明,用100~500μmol/L醋酸鉛溶液處理的黃花蒿生物量隨鉛濃度增加而降低。Ruley等研究表明,500mg/LPb(NO3)2溶液處理的大瓶子草生長量與對照相比明顯降低。Sinha等也發(fā)現(xiàn),隨著鉛濃度增加,甘藍的干重急劇減少,與對照相比,降低了23%~53%。根部為植物受鉛脅迫最嚴重的部位。Singh等發(fā)現(xiàn),綠豆幼苗在鉛濃度為1.0mg/L時,其根長縮短了10%。龐欣等研究發(fā)現(xiàn),鉛脅迫對小麥根系生長有較強的抑制作用,且對根的抑制作用遠遠強于地上部分。Piechalak等用鉛對豆類植物處理4d后,植物的地上部分與對照相比并無明顯差異,而根與對照相比卻有較大變化,根的顏色逐漸由乳白色變?yōu)榘底厣?根長及毛狀根數(shù)明顯減少。林琦等用4mg/LPb處理小麥時,發(fā)現(xiàn)根系生長受到抑制,當(dāng)Pb處理濃度達10mg/L時,根系生長受到嚴重抑制,且根尖膨大,呈黃色。4鉛脅迫對水稻生理生化功能的影響植物對重金屬的反應(yīng)具有雙重效應(yīng)。Patra等研究表明,鉛在低質(zhì)量濃度下對植物的生長具有促進作用,即低濃度鉛對植物有積極的“刺激作用”,表現(xiàn)為激活效應(yīng);而高濃度鉛對植物的生長起抑制作用,表現(xiàn)為毒害效應(yīng)。因此,植物在重金屬的作用下,一方面植物應(yīng)激產(chǎn)生保護作用,通過加速生理生化活動,產(chǎn)生大量的代謝產(chǎn)物同重金屬絡(luò)合以解毒,這是植物的適應(yīng)性反應(yīng);另一方面,激活的代謝系統(tǒng)也加速了重金屬的進入,反過來又抑制了植物的代謝活動,對植物產(chǎn)生毒害作用。起主導(dǎo)作用的過程是由重金屬處理劑量、植物的不同代謝活動等綜合因素所決定。鉛脅迫對水稻生理生化功能有較大影響。首先,鉛污染極大地破壞了水稻賴以生存的土壤和根際環(huán)境。有鉛污染存在時不僅稻田土壤的氨化作用、硝化作用及其過氧化氫酶、腺酶活性等都顯著地被抑制,土壤生化活性降低,阻礙土壤氮循環(huán),導(dǎo)致有害的亞硝態(tài)氮積累,同時,土壤微生物也受到不同程度的影響,真菌、放線菌、細菌對鉛的敏感性依次減弱。其次,植物在重金屬逆境條件下,細胞質(zhì)膜均會受到不同程度的傷害,質(zhì)膜透性增大,胞內(nèi)部分電解質(zhì)外滲,因此,在鉛污染環(huán)境中,進入植物體內(nèi)的鉛通過質(zhì)膜進入細胞,影響細胞內(nèi)一系列生理生化過程,使新陳代謝紊亂。藍群等研究發(fā)現(xiàn),隨著Pb2+、Cd2+濃度的增加,水稻葉片中葉綠素含量先增加后降低,抗氧化保護酶類(SOD、CAT、POD)的活性出現(xiàn)“低促高抑”現(xiàn)象,膜脂過氧化物(MDA)含量先降低后增加。林偉等研究鉛脅迫下的黃瓜幼苗時發(fā)現(xiàn),其葉綠素和脯氨酸含量發(fā)生改變;葛才林等研究Cu、Cd、Hg脅迫下的水稻幼苗葉片時,發(fā)現(xiàn)其過氧化氫酶(CAT)活性和同功酶表達受抑制。另外,重金屬還會使水稻DNA損傷,妨礙組蛋白和DNA交聯(lián),并通過頡頏作用導(dǎo)致植物體內(nèi)元素失調(diào),造成營養(yǎng)脅迫,間接影響植物的生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)。5胞壁果膠甲基化盡管鉛對水稻產(chǎn)生眾多的毒害作用,但水稻仍能在較高濃度的鉛環(huán)境中生長,表明在長期進化過程中,水稻相應(yīng)地形成了多種抵抗鉛毒害的防御機制。水稻對重金屬鉛的抗(耐)性主要通過兩條途徑:一是根系排斥對鉛的吸收,鉛是有毒元素,由于植物細胞壁具有很強的絡(luò)合陽離子的能力,因此當(dāng)表皮細胞的細胞壁與鉛結(jié)合時,阻止了鉛進入細胞內(nèi)的作用位點。細胞壁果膠甲基化程度高會導(dǎo)致其陽離子交換量降低,結(jié)合在果膠質(zhì)中的鉛含量較少,從而減輕鉛毒害。Molone等在電子顯微鏡下觀察到細胞壁具有沉淀重金屬的作用。楊居榮等用Cd2+和Pb2+處理黃瓜與菠菜,發(fā)現(xiàn)Pb2+離子大量沉積在細胞壁上,而Cd2+則以可溶性成分所占比例最大。質(zhì)膜也是植物對鉛吸收的天然屏障,鉛的跨膜運輸受質(zhì)膜表面的電荷性質(zhì)控制,負電荷強的質(zhì)膜會把Pb2+離子結(jié)合在膜上,從而減少Pb2+的毒害,因此鉛與膜的結(jié)合很可能與植物的耐鉛特性有關(guān)。二是根際環(huán)境影響鉛的吸收,在重金屬進入體內(nèi)之前,將其有效性和毒性降低是植物的主要抗性機制之一。根系是土壤污染物進入植物的門戶,它分泌的有機酸、氨基酸、糖和生長物質(zhì)等進入根際環(huán)境,通過改變根際環(huán)境的pH、Eh等物理及化學(xué)性質(zhì)而影響根系對鉛的吸收。根系分泌的粘膠狀物質(zhì)與Pb2+、Cd2+和Cu2+等離子通過螯合、絡(luò)合及沉淀等作用將重金屬滯留在根外;根系分泌物通過改變根際微生物的組成、活性和分泌作用而改變根際環(huán)境中鉛的含量和活度等,在微生物的作用下通過氧化、還原等作用而失去毒性,從而減輕有毒金屬鉛對植物根系造成的危害。6稻米重金屬污染的主要表現(xiàn)我國是世界上稻米生產(chǎn)與消費大國,全國有2/3以上人口以稻米為主食。在過去相當(dāng)長的時間內(nèi),由于溫飽問題未能解決,我國的稻米生產(chǎn)偏重于產(chǎn)量而忽視了品質(zhì)。近年來,隨著人們生活水平的提高,我國稻米衛(wèi)生品質(zhì)問題日益引起人們的重視。特別是中國加入WTO后,推進“無公害食品行動計劃”,進行無公害稻米生產(chǎn),樹立安全優(yōu)質(zhì)的品牌形象已成為稻米生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。然而,目前關(guān)于水稻重金屬污染方面的研究雖然很多,但主要停留在一些農(nóng)藝性狀、生理生化指標以及重金屬在水稻根、莖、葉及籽實中吸收、遷移、富集規(guī)律的比較研究,而在如何降低土壤重金屬有效性、減少現(xiàn)有栽培品種