水稻對土壤中鉛的吸附與吸附

水稻對土壤中鉛的吸附與吸附

作為三種重金屬（pb、cd、hg）環(huán)境激素的物質(zhì)之一，它對人體和生物（主要動物）的正常激素功能產(chǎn)生了影響，并具有類似于雌激素的作用，包括人類。它可能會導(dǎo)致各種生物的功能障礙和生殖腫瘤活性降低，導(dǎo)致各種生理異常，這引起了環(huán)境科學(xué)家和醫(yī)學(xué)科學(xué)家的高度關(guān)注。人體中鉛有多種來源:(1)直接吞咽污染土壤或呼吸含鉛塵埃;(2)飲水污染;(3)糧食、蔬菜等對環(huán)境土壤、水中鉛的吸收,通過食物鏈進(jìn)入人體,這是人體中鉛的重要來源。研究表明,重金屬元素進(jìn)入土壤后,會產(chǎn)生明顯的生物效應(yīng),但我們發(fā)現(xiàn),即使在高鉛含量(>4000mg/kg)的土壤中,作物對鉛發(fā)生強(qiáng)烈吸收后也沒有導(dǎo)致植株出現(xiàn)宏觀病癥,因此,鉛在食物鏈中的轉(zhuǎn)移具有較強(qiáng)的隱蔽性。通過湖北陽新水稻盆栽試驗,研究作物對土壤中鉛的吸收效應(yīng),探討環(huán)境土壤重金屬元素對作物和人類健康的影響。1土壤重金屬化合物濃度的單因素試驗。根據(jù)對于不同的土壤研究表明,作物對鉛的吸收與土壤的含鉛量有明顯的正相關(guān)性,而影響鉛吸收的主要因子包括土壤有機(jī)質(zhì)含量、陽離子交換能量、pH、土壤中三氧化二物含量等。為了試驗結(jié)果的可對比性,試驗時需消除上述因素的影響;為此,將作物在相同的原始土壤中進(jìn)行盆栽試驗,以保證上述因素在同一時間上的相對一致性,所不同的是加入到土壤中重金屬化合物的類型和數(shù)量有所區(qū)別。在湖北省陽新縣城附近閑置田間采取水稻土壤(黃棕壤,A層),將土樣風(fēng)干、壓碎,剔除根系,用粗篩過篩(孔徑大小為1mm×1mm)。分別按1g/kg的比例添加尿素和鉀肥(KCl),混合均勻。然后每次定量稱取6kg土壤移入8kg容量的陶瓷盆中,再分別添加PbCl2和Pb(NO3)2,其添加的鉛含量依次為0、500、1000、…、3500、4000mg/kg,充分?jǐn)嚢韬?擱置10天,重新攪拌后淹水,3天后插秧,每盆4穴,每穴2顆。每個處理重復(fù)3次。將陶瓷盆放置于塑料槽水浴中,以保證試驗過程中溫度的相對一致性。試驗始終保持在淹水條件下,直到水稻完全成熟。然后分別采集水稻根系、稻草和稻谷;部分稻谷經(jīng)碾作加工,收集稻米。將以上樣品在清水中洗凈、烘干(75℃左右),粉碎后分別分析其鉛含量。各生物樣品和原始土壤中Pb含量分析采用ICP-AES法,分析時采用內(nèi)插標(biāo)樣進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。2水稻根系鉛含量為及其最大污染傳播和回收率,其主要表現(xiàn)為在整個盆栽試驗過程中,在所添加的鉛濃度區(qū)間內(nèi),基本沒有觀察到鉛對水稻的毒害病癥(如植株枯萎、葉色不一致變化、抽穗期和成熟期推遲、籽實畸形等等),不同鉛濃度下各盆栽水稻產(chǎn)量也基本一致,說明鉛對水稻的生長發(fā)育沒有明顯的宏觀影響,也為水稻對土壤中鉛吸收對比奠定了基礎(chǔ)。水稻對土壤中鉛的吸收情況見表1、圖1。土壤中不論加入何種鉛化合物,隨著鉛含量的增加,水稻根系、稻草、稻谷和稻米中鉛含量都明顯升高。水稻吸收的鉛主要集中在其根系中,其鉛含量是稻草中的10~70倍、稻谷中的60~500倍、稻米中的1000~4500倍,這一特征揭示,水稻根系可以作為一種屏障或過濾器,來阻止鉛進(jìn)一步向其秸桿和籽實中遷移,從而減少其毒害效應(yīng)。其次,從水稻根系、稻草到籽實(稻谷、稻米),其鉛含量是依次大幅度降低的,這說明除根系外,稻草也是阻礙鉛進(jìn)入籽實的二次重要屏障。另外,稻米中的鉛含量很低,與之相比,稻谷中的鉛含量相對較高,是稻米的8~10倍(表1)。由于稻米是稻谷碾去表面谷殼(即糠)后獲得的,因此可以斷言,稻谷中的鉛約90%以上聚集在谷殼中。再者,因根系、稻草和谷殼主要由植物纖維等組成,而稻米的主要成分是淀粉,根據(jù)上述鉛含量變化特征,可以認(rèn)為:在水稻的生長過程中,植物纖維對土壤中重金屬元素鉛具有很強(qiáng)的吸收過濾效應(yīng),而淀粉對鉛的吸收功能極為微弱。不過,不同鉛化合物對水稻鉛吸收的影響存在一定差異,例如,無論用何種鉛化合物處理,水稻根系中鉛含量均持續(xù)增加,但增加的幅度不一致,當(dāng)土壤中鉛添加量<3000mg/kg時,用Pb(NO3)2處理的水稻根系鉛含量要比用PbCl2處理的偏高,但當(dāng)鉛添加量≥3000mg/kg時,這種差比關(guān)系恰好相反(表1)。其次,用Pb(NO3)2處理的水稻,其稻草、稻谷和稻米的鉛含量比用PbCl2處理的要明顯偏高,特別是當(dāng)土壤中鉛添加量>3000mg/kg時,這一特征更為顯著。再者,當(dāng)土壤中加入PbCl2,且鉛添加量>3000mg/kg時,水稻根系中鉛含量繼續(xù)增長,而稻草、稻谷和稻米中的鉛含量只有極微弱的升高,或者說幾乎沒有發(fā)生改變;用Pb(NO3)2處理的水稻沒有這一特征。由此揭示,在PbCl2處理的土壤中,除根系外,水稻其他生長部位對鉛的吸收可以逐漸達(dá)到飽和。3土壤-植物體系重金屬鉛污染的生態(tài)改良措施目前,整個南部地區(qū)糧食以稻米為主,但從研究可以看出,水稻對土壤中的鉛具有強(qiáng)烈的吸收性,并可殘留在作物的各個部位;而且,它們對Pb的吸收表現(xiàn)出極大的隱蔽性,即使吸收了大量的重金屬鉛,植株仍然保持正常的生長發(fā)育,這為我們及時發(fā)現(xiàn)、防治土壤-植物體系中鉛污染增加了難度。我國的土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為Pb≤300mg/kg(GB15618-1995),但實際上土壤的背景值就可從0.7mg/kg變化至1143mg/kg,而受固體廢棄物污染的土壤,其鉛含量可高達(dá)26000mg/kg。鉛在食品中的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)是≤1mg/kg(GB2707-2763-3)。從表1可以看出,在以PbCl2、Pb(NO3)2為污染物的土壤中,當(dāng)鉛含量分別大于2500mg/kg、1500mg/kg時,就可引起稻米中鉛含量超標(biāo);因此,我國土壤-植物體系中重金屬鉛污染調(diào)查和防治仍然面臨著較大困境。傳統(tǒng)的物化治理技術(shù),如土壤搬遷填埋、化學(xué)固定、物理封閉及淋洗液沖洗等方法因種種條件限制,很難普遍推廣。通過上述盆栽試驗指出,由于在土壤-植物體系中鉛污染的隱蔽性,因此應(yīng)加強(qiáng)對鉛憑借食物鏈進(jìn)入人體并危害人類健康的調(diào)查;繼而在污染區(qū)尋求土壤環(huán)境修復(fù)技術(shù),來減少土壤-植物體系中鉛對人體的危害。研究表明,作物植株殘體(根系、秸桿)還田可以培肥改土,節(jié)水保墑,提高產(chǎn)量,但也給土壤鉛污染的治理帶來了困難。在鉛污染土壤區(qū),由于植株殘體(特別是根系)中殘留有大量的鉛,因此不宜實施殘體還田;相反,應(yīng)利用植物殘體特別是根系對鉛的強(qiáng)烈吸收性來達(dá)到生物降解的目的,即在鉛污染的土壤區(qū)域內(nèi),通過自然作物栽培,將吸收了大量鉛的作物殘體(特別是根系)從土壤中清除處理,反復(fù)多輪,即可逐漸達(dá)到改良環(huán)境土壤的目的。表2列出了盆栽試驗(土壤用PbCl2處理)水稻根系的植物有效性F(為根系吸收的鉛總量占土壤中鉛總量的百分率)和模擬計算獲得的清除水稻根系后的土壤鉛含量CPb(soil)。顯然,隨著土壤中鉛含量的增加,土壤中重金屬鉛的植物(根系)有效性也增加。例如,當(dāng)土壤鉛含量為4036.1mg/kg時,水稻根系對土壤中鉛的吸收率達(dá)4.77%;經(jīng)一次栽培并剔除根系后,土壤中鉛含量可從4036.1mg/kg降低至3843.5mg/kg。①加入的鉛化合物為PbCl2;②土壤原始鉛含量;根系吸收鉛總量=根系鉛含量×根系干重-空白對照處理作物根系鉛總量。另外,盆栽試驗表明土壤中NO3-含量的增加有利于作物對鉛的吸收,這主要與Pb(NO3)2易溶于水使鉛形成活性鉛有關(guān);若在該類土壤中加入石灰或碳酸鹽,使土壤處于堿性條件下,可導(dǎo)致鉛生成難以被作物吸收的沉淀物(在堿性條件下,氫氧化鉛的溶度積為4.2×10-15;碳酸鉛的溶度積為1.5×10-13),從而降低作物對鉛的吸收效應(yīng),減少鉛在糧食中的殘留量,達(dá)到間接修復(fù)環(huán)境的目的。4加大污染土壤的土壤環(huán)境修復(fù)力度土壤中重金屬元素鉛作為一種危害嚴(yán)重的環(huán)境激素物質(zhì),可直接被作物吸收,并殘留在作物的各個部位,其含量隨著土壤中鉛含量的增加而提高,并可通過食物鏈進(jìn)入人體,危害人類健康。但作物對土壤中鉛的吸收具有強(qiáng)烈的分異特征,其中根系