土壤重金屬?gòu)?fù)合污染的生態(tài)效應(yīng)

土壤重金屬?gòu)?fù)合污染的生態(tài)效應(yīng)

1重金屬?gòu)?fù)合污染對(duì)作物生態(tài)效應(yīng)的影響土壤重金屬污染通常是由兩種或兩種以上因素同時(shí)作用產(chǎn)生的復(fù)合污染。例如，利用土壤、廢水和灌溉。近十幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者特別關(guān)注復(fù)合污染方面的研究,認(rèn)為元素間的聯(lián)合作用對(duì)作物的產(chǎn)量及元素在作物體內(nèi)的再分配有著至關(guān)重要的影響。同時(shí),多元素的聯(lián)合作用是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程。美國(guó)Wallace等將重金屬的聯(lián)合作用分為協(xié)同、競(jìng)爭(zhēng)、加和、屏蔽和獨(dú)立作用。多元素相互作用產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)受多種因素的影響,諸如作物的種類、元素的不同組合、元素濃度等。本文探討了土壤中Cd、Pb、Cu、Zn、As不同元素間復(fù)合污染對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響、復(fù)合污染物的交互作用及生態(tài)效應(yīng)。兩兩元素之間的復(fù)合污染與重金屬單元素污染對(duì)水稻生長(zhǎng)、發(fā)育、產(chǎn)量和籽實(shí)中污染物含量的影響是有所不同的,通過(guò)這種差異的研究,揭示復(fù)合污染及其生態(tài)效應(yīng)機(jī)理。對(duì)評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量及采取污染防治措施都具有重要的意義。2試驗(yàn)材料和方法2.1試驗(yàn)土壤供試土壤為中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)生態(tài)站土壤-草甸棕壤,其重金屬背景含量見(jiàn)表1。2.2vaol.3.3細(xì)胞分子供試作物為水稻(OryzasativaL.),其品種為616。插秧時(shí)每盆3穴,每穴5株。水稻在其生長(zhǎng)過(guò)程中始終保持在淹水環(huán)境條件下,直到收獲。2.3盆體污染處理試驗(yàn)采用室外網(wǎng)室盆栽試驗(yàn)的方法。試驗(yàn)用陶瓷盆缽進(jìn)行,每盆裝土2.5kg,兩兩元素與土壤充分混勻后裝入盆體。復(fù)合污染物平衡2周后,栽種水稻。試驗(yàn)設(shè)3種處理,處理Ⅰ為對(duì)照,處理Ⅱ?yàn)閱卧氐耐寥罎舛?處理Ⅲ為兩兩元素交互作用的土壤濃度。每一處理重復(fù)3次。施入的污染物分別為CdCl2、Pb(Ac)2、CuSO4、ZnSO4、Na2HAsO4,污染物的投加濃度見(jiàn)表2。2.4元素消化性能測(cè)試土壤及植物樣品Cd、Pb、Cu、Zn元素采用HNO3-HClO4濕法消化,180-80原子吸收分光光度計(jì)測(cè)試。As元素消解后,采用新銀鹽法比色測(cè)定。3結(jié)果與討論3.1復(fù)合元素對(duì)水稻穗長(zhǎng)和生成善高的影響單元素污染物與兩兩元素的復(fù)合污染物對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育影響有所不同(表3)。由表3水稻生長(zhǎng)狀況可看出,單元素處理水稻株高要低于空白株高3~5cm(除Cu外),復(fù)合元素處理水稻株高要低于單元素的株高,更低于空白,與空白相比降低了4~5cm,說(shuō)明復(fù)合污染處理后,多元素復(fù)合協(xié)同作用抑制水稻株高的生長(zhǎng)。不同元素對(duì)株高的影響不盡相同,單元素Cd、Pb對(duì)株高的影響大于Cu、Zn、As的影響;復(fù)合元素時(shí),Cd-Pb組合對(duì)株高的影響大于其它組合形式。各處理之間水稻穗長(zhǎng)和千粒重?zé)o明顯變化。就產(chǎn)量而言,單元素產(chǎn)量低于空白產(chǎn)量,減產(chǎn)幅度在3%~13%(除Pb外),而復(fù)合元素處理的水稻產(chǎn)量低于單元素,更低于空白,與空白相比減產(chǎn)幅度在20%~23%,大于單元素的減產(chǎn)幅度。不同處理水稻產(chǎn)量總的趨勢(shì)為空白>單元素>復(fù)合元素。3.2土壤投加zn濃度對(duì)水稻植株c、pb含量的影響隨著元素投加及污染物投放的不同,重金屬在作物體內(nèi)的含量有所差異。不同元素在水稻的分配見(jiàn)表4~表7。當(dāng)土壤投加Cu濃度0、100mg·kg-1時(shí),水稻體內(nèi)的Cd含量隨著土壤Cu含量的增加而增加,根、莖葉、籽實(shí)分別增加了1.1、0.101、0.011mg·kg-1,表明加Cu有促進(jìn)水稻植株(根、莖葉、籽實(shí))吸收Cd的機(jī)能,表現(xiàn)為Cu-Cd之間協(xié)同作用。當(dāng)土壤投加Cu濃度0、100mg·kg-1時(shí),水稻植株Cu含量水平隨Cd含量的增加而下降,根、莖葉Cu含量分別下降了18.71mg·kg-1、0.313mg·kg-1,在Cd存在的情況下,植物根、莖葉對(duì)Cu的吸收表現(xiàn)為拮抗作用。而籽實(shí)吸收量有所增加。當(dāng)土壤投加Zn濃度0、200mg·kg-1時(shí),水稻植株體內(nèi)的Cd含量隨Zn濃度的增加而增加,水稻植株根、莖葉、籽實(shí)Cd含量分別增加了1.66、0.233、0.04mg·kg-1,加Zn有促進(jìn)植株吸收Cd,表明Zn-Cd之間有協(xié)同作用。當(dāng)土壤投加Zn濃度為0、200mg·kg-1時(shí),水稻植株體內(nèi)Zn含量隨Cd含量的增加而減少,根、莖葉Zn含量減少了3.76、1.13mg·kg-1,Cd-Zn之間表現(xiàn)為拮抗作用。這與周啟星1994報(bào)道的結(jié)果相一致。Cd-Zn相互作用時(shí),可導(dǎo)致植株各器官組織累積更多的有毒元素Cd,使Zn的累積量基本處于減少的狀態(tài)。當(dāng)土壤投加Pb濃度為0、300mg·kg-1時(shí),水稻植株體內(nèi)Cd含量水平隨著土壤中Pb含量的增加而增加,根、莖葉、籽實(shí)Cd含量水平增加了1.27、0.127、0.044mg·kg-1,Pb元素的存在促進(jìn)水稻對(duì)Cd的吸收,Pb-Cd之間交互作用表現(xiàn)為協(xié)同作用。當(dāng)土壤投加Pb濃度為0、300mg·kg-1時(shí),水稻植株體內(nèi)Pb含量水平隨土壤Cd含量的增加根、莖葉Pb含量分別降低120.89、3.6mg·kg-1,Cd的存在抑制了水稻根系、莖葉對(duì)Pb的吸收,促進(jìn)了籽實(shí)的吸收。當(dāng)土壤投加As濃度為0、30mg·kg-1時(shí),水稻植株體內(nèi)Cd含量水平隨著土壤As含量的增加而增加,根、莖葉、籽實(shí)Cd含量水平分別增加了1.129、0.372、0.036mg·kg-1,說(shuō)明As元素的存在促進(jìn)了水稻對(duì)Cd的吸收,As-Cd之間交互作用表現(xiàn)為協(xié)同作用。當(dāng)土壤投加As濃度為0、30mg·kg-1時(shí),水稻植株體內(nèi)As含量水平隨土壤Cd含量的增加水稻根系A(chǔ)s含量增加,而莖葉、籽實(shí)含量降低,說(shuō)明Cd的存在促進(jìn)根系A(chǔ)s的吸收,而抑制了莖葉、籽實(shí)As的吸收。由此可見(jiàn),Cd-Pb、Cd-Cu、Cd-Zn、Cd-As復(fù)合污染對(duì)水稻植株體內(nèi)重金屬積累的影響,不僅取決于元素的濃度,而且與作物部位及元素的組合有關(guān),并不是單純的加和或拮抗效應(yīng)。3.3土壤-植物系統(tǒng)重金屬遷移能力就元素本身的特性來(lái)看,Cd、Pb、As為植物非必需元素,Cu、Zn為植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的必需元素。因此,作物不同部位對(duì)重金屬的吸收也表現(xiàn)出差異。從水稻吸收重金屬污染物的表現(xiàn)來(lái)看,水稻根部吸收較多,而向地上部遷移的量較少。進(jìn)入土壤中的復(fù)合污染物由根吸收向作物體內(nèi)運(yùn)移,并在作物體內(nèi)進(jìn)行再分配,其結(jié)果見(jiàn)表8。由表8結(jié)果顯示,污染物投加土壤以后,水稻通過(guò)根系吸收重金屬并進(jìn)行再分配,Cd分別與Pb、Cu、Zn復(fù)合后根系分配量比單元素的分配量低,而莖葉、籽實(shí)分配量增加,說(shuō)明復(fù)合污染后重金屬易向地上部遷移。Cd-As復(fù)合和Cd與Pb、Cu、Zn分別復(fù)合的分配結(jié)果恰好相反。與空白比較,單元素、復(fù)合元素根系分配量增加,而莖葉、籽實(shí)的分配量相對(duì)減少。說(shuō)明水稻吸收土壤中的重金屬,大部分積累在根部,而向地上部的遷移量較少。水稻體內(nèi)元素的遷移在此用水稻籽實(shí)吸收系數(shù)來(lái)表示。所謂水稻籽實(shí)吸收系數(shù)是指水稻籽實(shí)中某一元素的濃度與土壤中元素濃度之比,可表明土壤-植物系統(tǒng)中元素遷移的難易程度。單元素與復(fù)合元素吸收系數(shù)比較而言,復(fù)合元素的遷移能力大于單元素的遷移能力,復(fù)合污染后促進(jìn)了水稻作物對(duì)重金屬元素的吸收。5種元素遷移能力比較結(jié)果表明,Zn、Cd遷移能力最強(qiáng),Cu、As次之,而Pb的遷移能力最弱。土壤吸持5種重金屬的大小順序?yàn)镻b>As>Cu>Zn>Cd。這與以往草甸棕壤5種元素吸持特性研究結(jié)果相一致。4pb、cu、zn、as含量對(duì)水稻體內(nèi)cd含量的影響4.1復(fù)合污染處理水稻株高要低于單元素處理的株高,更低于空白,兩兩元素復(fù)合協(xié)同作用可抑制水稻株高的生長(zhǎng)。水稻產(chǎn)量大小依此為空白>單元素>復(fù)合元素。4.2兩兩元素交互作用結(jié)果表明,Cd-Zn、Cd-Cu、Cd-Pb、Cd-As同時(shí)存在時(shí),Cd濃度一定時(shí),隨著Pb、Cu、Zn、As濃度的增加,水稻體內(nèi)Cd吸收量相應(yīng)增加。Pb、Cu、Zn、As的存在對(duì)水稻吸收Cd表現(xiàn)為協(xié)同作用。當(dāng)Pb、Cu、Zn、As濃度一定時(shí),隨著Cd含量的增加,水稻體根、莖葉Pb、Cu、Zn吸收量下降,而籽實(shí)吸收值增加。對(duì)As元素而言,水稻體根吸收量增加,