施硅對(duì)污染土壤中鉻形態(tài)及其生物有效性的影響

1、施硅對(duì)污染土壤中鉻形態(tài)及其生物有效性的影響李淑儀1，林翠蘭2，許建光3，藍(lán)佩玲1，廖新榮1，王榮萍11. 廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣東 廣州 510650；2. 廣東省土壤肥料總站，廣東 廣州510500；3. 廣州市番禺區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，廣東 廣州511400摘要：關(guān)于硅對(duì)蔬菜重金屬生物有效性和對(duì)菜田土壤重金屬鉻形態(tài)影響的問題的研究目前仍嫌較少，該文采用盆栽試驗(yàn)結(jié)果討論了在鉻污染菜田土壤上施不同量硅對(duì)鉻形態(tài)和蔬菜生物有效性的影響作用。研究表明，在鉻污染條件下，施可溶性硅酸鹽，與對(duì)照相比，土壤的交換態(tài)鉻含量降低，而沉淀態(tài)鉻和殘?jiān)鼞B(tài)鉻含量提高，因而可降低鉻的蔬菜生物有效性，使小白菜（Brassi

2、ca chinensis）體內(nèi)的鉻含量明顯降低。同時(shí)還可使小白菜的生物量顯著提高。關(guān)鍵詞：硅；鉻；鉻形態(tài)；小白菜；生物有效性中圖分類號(hào)：X131.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-2175（2008）01-0227-05目前，土壤重金屬鉻污染日趨嚴(yán)重，鉻已經(jīng)成為土壤和水體重要的污染元素1。低濃度的鉻有利于植物的生長發(fā)育1，但植物體內(nèi)積累過量的鉻，又會(huì)產(chǎn)生毒害作用，直接或間接的對(duì)人類健康造成危害2-3。因此，避免污染土壤的重金屬流入水體和進(jìn)入食物鏈，保障人類和生物健康安全，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，已引起國際社會(huì)和環(huán)保人士的廣泛關(guān)注。重金屬污染而言，采用酸溶淋洗方法，在溶出重金屬同時(shí)也會(huì)溶出

3、大量營養(yǎng)物質(zhì)，不僅導(dǎo)致土壤貧瘠化且還會(huì)造成二次污染；植物修復(fù)有環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但修復(fù)效率低、時(shí)間長，對(duì)農(nóng)地而言還有與農(nóng)作物爭時(shí)爭地的矛盾；目前學(xué)術(shù)上成為研究熱點(diǎn)的螯合誘導(dǎo)植物修復(fù)技術(shù)，部分地彌補(bǔ)了單純植物修復(fù)效率低的缺點(diǎn)，但該方法會(huì)耗廢大量的螯合誘導(dǎo)藥劑，投入大，不符合國情，且原本大量不可溶態(tài)的重金屬，經(jīng)螯合誘導(dǎo)藥劑淋溶，會(huì)增加污染地下水的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。更值得關(guān)注的是，重金屬污染來源廣泛，有來自污水、垃圾的，也有來自大氣輸送沉降，甚至農(nóng)用化肥、農(nóng)藥及有機(jī)肥，都可以導(dǎo)致程度不同的重金屬污染。鑒于我國人多地少、人地矛盾突出，采用“綠色、環(huán)?！钡闹参镄迯?fù)來進(jìn)行大規(guī)模的重金屬污染耕地生態(tài)重建的可能性不大。廣東

4、土地價(jià)格昂貴，植物修復(fù)技術(shù)更難以推廣?？梢?，重金屬污染區(qū)農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)安全生產(chǎn)的施肥鈍化修復(fù)技術(shù)有其重要意義和迫切性，根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，對(duì)植物毒性強(qiáng)的活性重金屬含量占土壤重金屬總量的比例是很低的，大部分重金屬是以作物難以利用的有機(jī)結(jié)合態(tài)、碳酸鹽及硅酸鹽、磷酸鹽以及鐵、錳、鋁結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)形式存在。因此，只要開發(fā)適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，使土壤重金屬更多地轉(zhuǎn)化成生物無效態(tài)的形態(tài)，最大限度地阻斷重金屬向生物有機(jī)體轉(zhuǎn)移，即可達(dá)到原位鈍化的目標(biāo)。在目前土壤重金屬鉻污染日趨嚴(yán)重，土壤修復(fù)還不是很成熟的情況下，向土壤中添加改良材料降低土壤重金屬鉻活性，抑制作物對(duì)土壤重金屬鉻的吸收，從而達(dá)到控制土壤重金屬鉻通過食物鏈對(duì)人畜產(chǎn)

5、生毒害的目標(biāo)，不失為一個(gè)好方法。自從1804年De Saussure首次描述了植物體含有硅之后，大量的研究發(fā)現(xiàn)硅在抑制許多作物吸收重金屬方面有很重要作用4-6，目前，硅對(duì)提高鋁7-10 和錳11-12 毒害抗性的研究較多。但在硅抑制植物吸收重金屬生物機(jī)理方面還沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。本文主要通過小白菜（Brassica chinensis）盆栽試驗(yàn)，探討施硅對(duì)土壤重金屬的調(diào)控機(jī)制，為進(jìn)一步研究重金屬污染土壤的施肥鈍化修復(fù)提供資料，為開發(fā)典型重金屬污染施肥鈍化修復(fù)技術(shù)打下基礎(chǔ)，從而為農(nóng)地重金屬污染條件下的農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)技術(shù)提供理論依據(jù)。1 材料與方法1.1 供試材料供試土壤：采自廣州郊區(qū)增城，為

6、水稻蔬菜輪作土壤，屬無鉻污染的清潔土壤，風(fēng)干后過2 mm篩，其土壤總Cr 10.0 mgkg-1，pH 4.70，有機(jī)質(zhì)12.50 gkg-1，速效N、P、K分別為58.09、12.92、37.80 mgkg-1。供試肥料：用硅酸鈉（Na2SiO3）作硅肥，氮、磷、鉀肥分別用尿素、磷酸二氫鉀、硫酸鉀，全部均為分析純。供試外源性Cr源：優(yōu)級(jí)純的Na2Cr2O7。圖1 盆栽試驗(yàn)小白菜全株生物量Fig. 1 Total biomass in Brassica chinensis 盆栽作物：供試小白菜（Brassica chinensis）品種為矮腳奶白，是華南主要栽培品種之一，由廣州長合種子有限公司

7、提供。1.2 試驗(yàn)方法盆栽試驗(yàn)方案：試驗(yàn)共16個(gè)處理，為2因素4水平完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，重復(fù)4次（即4盆），每盆種6株菜，每盆裝土9 kg，氮、磷、鉀施用量分別為N 0.15 gkg-1土、P2O5 0.15 gkg-1土、K2O 0.2 gkg-1土。硅肥以硅酸鈉的形式加入，分Si0、Si1、Si2、Si3 4水平，施用量分別為0、50、100、150 mgkg-1土；重金屬鉻以重鉻酸鈉的形式加入，分Cr0、Cr1、Cr2、Cr34水平，加入濃度分別為0、50、100、200 mgkg-1。小白菜盆栽試驗(yàn)選用塑料盆（37.5 cm27.5 cm），所有物料與土壤充分混勻后裝進(jìn)盆中，平衡8天

8、后種上菜苗。 1.3 分析方法植株樣品的制備：小白菜收獲后分成根、莖、葉三部分，分別稱鮮重和烘干重；莖和葉先用自來水沖洗干凈，然后用去離子水沖洗3次，根系先用自來水沖洗，然后在去離子水中浸泡15分鐘，最后在70 烘箱中烘干并磨碎備用。 土壤樣品采集：在小白菜收獲后，每盆采樣，風(fēng)干制樣備用。 植株樣品的測定：植株鉻用H2SO4-H202消化，用ICP-AES測定。土壤鉻的形態(tài)分組：用連續(xù)提取法進(jìn)行測定，(1)交換態(tài)鉻：用1molL-1 NH4Ac溶液。(2)沉淀態(tài)鉻：用2 molL-1 HC1溶液。(3)有機(jī)結(jié)合態(tài)鉻：用10%H202-2 molL HC1溶液。(4)殘?jiān)鼞B(tài)鉻：用HF-HNO3

9、-H2SO4消解處理。土液比均為110，2.5 g過100目的土壤樣品，每種形態(tài)鉻提取均用上步殘?jiān)春蠹尤胩崛∫?，振? h，平衡2 h，離心分離，清液測定各形態(tài)鉻13。2 結(jié)果與分析2.1 Cr污染土壤上施Si對(duì)小白菜生物量的影響圖2 盆栽試驗(yàn)小白菜各部位生長量Fig. 2 The biomass in different apparatus of Brassica chinensis圖1和圖2的盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，施入Cr為50 mgkg-1時(shí)，小白菜的生物量高于對(duì)照，而Cr達(dá)到100 mgkg-1時(shí)，小白菜的生物量下降；說明當(dāng)?shù)唾|(zhì)量分?jǐn)?shù)的重金屬Cr進(jìn)入土壤時(shí)，對(duì)蔬菜的生長有一定的促進(jìn)作用

10、，而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cr對(duì)小白菜生長有毒害作用。而在本試驗(yàn)范圍的各施Si水平均可提高無污染土壤上小白菜的生物量。在Cr施入為50 mgkg-1時(shí)，施Si在50 mgkg-1時(shí)小白菜產(chǎn)量最高，但施Si達(dá)到100 mgkg-1時(shí)產(chǎn)量雖高于對(duì)照，但已低于施50 mg/kg時(shí)的產(chǎn)量，當(dāng)施Si達(dá)到150 mg/kg時(shí)小白菜產(chǎn)量已低于對(duì)照；即在輕度Cr污染土壤上，施適量Si可有效提高小白菜產(chǎn)量，但隨著施Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，小白菜產(chǎn)量會(huì)下降。當(dāng)Cr施入量達(dá)到100和200 mgkg-1時(shí)，施Si已不能提高小白菜的產(chǎn)量。2.2 Cr污染土壤上施Si對(duì)小白菜Cr含量的影響圖3顯示，重金屬Cr在小白菜體內(nèi)的含量是根葉

11、莖，但生物量是葉和莖遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于根（圖2），可見葉菜體內(nèi)的重金屬Cr的分布主要是在地上部（食用部位）的葉和莖。植物吸收的Cr在體內(nèi)的分布，通常是根莖葉，本研究表明，小白菜根系中的Cr含量遠(yuǎn)大于莖葉，葉片中的Cr含量大于莖部(圖3)，說明，Cr在小白菜體內(nèi)缺少一定的運(yùn)輸途徑，經(jīng)過運(yùn)輸?shù)腃r大部分積累在葉片。據(jù)盆栽試驗(yàn)過程觀察，高含量的Cr會(huì)對(duì)小白菜產(chǎn)生一定的毒害，導(dǎo)致葉片有失綠現(xiàn)象，這說明葉綠素合成受到抑制，一是因?yàn)镃r在植物體內(nèi)沒有一定的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑，而是通過和Fe競爭轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白才能到達(dá)植株上部14，這樣葉片中的Fe含量會(huì)減少，造成葉綠素減少；二是因?yàn)镃r會(huì)替換吸附在細(xì)胞壁表面的Fe(II)。三是因?yàn)镃

12、r(III)會(huì)替換吸附在土壤顆粒表面的Fe(II)，導(dǎo)致土壤溶液中Fe(II)減少。圖3的分析結(jié)果還顯示，施Cr可顯著提高小白菜各部位的Cr含量，尤其是地上部的Cr含量（如圖4所示），但適量施Si可有效地降低小白菜地上部（莖和葉）的Cr含量。Cr施入量為50、100和200 mgkg-1范圍時(shí)，施Si 50 mgkg-1，可在使小白菜提高產(chǎn)量（圖1和圖2顯示其達(dá)到所有處理的最高產(chǎn)量）的同時(shí)，顯著降低小白菜各器官的Cr含量；其中Cr施入量為50 mgkg-1時(shí)，Si施用量在50 mgkg-1、100 mgkg-1、150 mgkg-1的范圍內(nèi)，提高Si施用量可使小白菜各器官的Cr含量持續(xù)下降。當(dāng)

13、Cr施入量為100 mgkg-1和200 mgkg-1時(shí)，提高Si施用量也可使各器官的Cr含量有下降趨勢。圖4 小白菜地上部Cr平均含量Fig. 4 Cr average concentration in top of Brassica chinensis2.3 Cr污染土壤上施Si對(duì)小白菜Cr積累量的影響根據(jù)圖5的結(jié)果，小白菜吸收積累Cr的量最大在葉部，其次在根部，相對(duì)最少在莖部，因而地上部大于根部。圖5 小白菜各部位對(duì)Cr的積累量Fig. 5 Chromium content in different apparatus of Brassica chinensis圖5顯示，在Cr的各加入量

14、水平中，施Si可有效地降低小白菜各部位的Cr積累量；在圖6中可更清楚地看到施Si顯著降低小白菜Cr積累量的效果，且在本試驗(yàn)的50、100、150 mgkg-1的范圍內(nèi)，Cr的各加入量水平均有隨施Si量的提高而降低小白菜Cr積累量的趨勢。2.4 Si對(duì)Cr脅迫下小白菜葉片葉綠素的影響圖3 小白菜各部位Cr濃度Fig. 3 Cr concentration in different apparatus of Brassica chinensis圖6 全株小白菜對(duì)Cr的積累量Fig. 6 Chromium total content in Brassica chinensis圖7 Si對(duì)Cr脅迫下小

15、白菜葉綠素的影響Fig. 7 Silicon effect on chlorophyll of Brassica chinensis stress of different level chromium 從圖7可知，在未Cr污染時(shí)，隨著Si放用量的增加，小白菜葉綠素含量逐漸減少。在Cr1、Cr2處理下，小白菜葉綠素含量在Si施用量為0.5 gkg-1最大。隨著Si施用量的增加，葉綠素含量開始減少。在Cr3處理下，當(dāng)Si施用量為0.5 gkg-1時(shí)，葉綠素含量最高。由此可見，土壤中未受Cr污染時(shí)，Si的加入抑制了小白菜葉綠素的合成，隨著Cr污染濃度的增加，小白菜受Cr毒害增加，葉綠素含量減少，當(dāng)

16、向土壤中施入Si后，葉綠素含量先增加然后減少，從而導(dǎo)致缺綠。在Si施用量為0、1.5 gkg-1時(shí)，隨著Cr施入量的增加，小白菜葉綠素含量減小。在Si施用量為0、1.0 gkg-1時(shí)，隨著Cr施入量的增加，小白菜葉綠素含量先增加后減小。上述說明在Cr脅迫條件下，適量地施Si可減少Cr對(duì)小白菜的毒害，是通過提高小白菜葉綠素含量從而提高產(chǎn)量的。這解釋了為什么在Cr施入量的3個(gè)水平中，均是施Si為50 mgkg-1水平時(shí)小白菜產(chǎn)量最高的原因。2.5 Si對(duì)Cr脅迫下小白菜盆栽土壤pH的影響從表1中可知，在不同Cr施入量的處理下，隨著施Si量的增加，土壤的pH值逐漸增加，說明Si的加入提高了土壤pH，

17、因而施Si能降低土壤中Cr的活性，從而抑制小白菜對(duì)Cr的吸收。表1 Si對(duì)Cr脅迫小白菜盆栽土pH的影響Table 1 Silicon effect on the soil pH of Brassica chinensis stressed by chromiumCr/(mgkg-1)Si/(mgkg-1)0501001500501002004.920.06c5.040.09d5.710.07b6.100.06bc5.500.12b5.480.06c5.830.24b6.560.20a6.200.05a5.910.04b5.640.09b5.870.13c6.420.14a6.410.15a6

18、.550.04a6.490.15ba2.6 Cr污染土壤上施Si對(duì)土壤中不同形態(tài)Cr的影響表2 土壤中的不同形態(tài)CrTable 2 Different forms of Cr in soilCr處理Si處理交換態(tài)/(mgkg-1)沉淀態(tài)/(mgkg-1)有機(jī)結(jié)合態(tài)/(mgkg-1)殘?jiān)鼞B(tài)/(mgkg-1)Cr0Si0未檢出2.300.08a1.550.02a29.121.00bSi1未檢出2.140.11a2.050.33a31.200.82baSi2未檢出2.110.10a1.630.03a31.071.11baSi3未檢出1.610.22b2.010.35a32.771.07aCr1Si0

19、0.0630.01a7.170.97b6.271.02a40.800.75aSi10.0560.02a9.050.59ba6.750.44a37.791.53aSi20.0480.01a9.110.28a8.902.46a39.583.05aSi30.0480.02a10.050.04a6.870.19a36.501.62aCr2Si00.560.05 a22.101.03b14.332.41a32.082.26baSi10.4510.03a b25.821.35a11.900.45a29.320.67bSi20.3280.04ab22.540.49b11.270.80a33.580.45aS

20、i30.2730.06b 24.540.57ba14.230.44a28.750.21bCr3Si00.9890.03b36.991.58b21.361.17a43.133.13aSi10.6940.23ba37.08b0.4419.620.75a43.411.80aSi20.7960.09a39.290.13ba20.012.34a44.503.54aSi30.2530.05a40.961.03a19.260.41a44.551.81a施可溶性硅酸鹽降低小白菜吸收Cr（圖5和圖6）的原因，可以從施可溶性硅酸鹽后土壤中Cr的形態(tài)組分的變化中得到解釋。由表2可知，在Cr加入量從50 mgkg-1

21、、100 mgkg-1至200 mgkg-1時(shí)，施可溶性硅酸鹽后，在各級(jí)Cr加入水平中，與不施Si對(duì)照相比，雖然對(duì)有機(jī)結(jié)合態(tài)鉻影響不大，但土壤的交換態(tài)Cr含量降低，而土壤中沉淀態(tài)Cr和殘?jiān)鼞B(tài)Cr比例增加了，說明有效態(tài)Cr由于可溶性硅酸鹽的加入而形成沉淀，從而降低了Cr的生物有效性。3 結(jié)論施Si可使小白菜的生物量顯著提高。重金屬Cr在小白菜體內(nèi)的含量是根葉莖，但生物量是葉和莖遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于根，因而葉菜的重金屬Cr的累積分布主要是在地上部（食用部位）的葉和莖。在Cr污染條件下，適量地施Si，能抑制小白菜對(duì)Cr的吸收累積。Cr污染條件下，適量地施Si是通過提高小白菜葉綠素含量而提高產(chǎn)量的。Si的加入能提

22、高土壤的pH，降低土壤的交換態(tài)Cr含量，增加沉淀態(tài)Cr和殘?jiān)鼞B(tài)Cr含量，降低Cr的活性，從而抑制小白菜對(duì)Cr的吸收，降低Cr的小白菜生物有效性，使小白菜的Cr積累量明顯降低。參考文獻(xiàn)：1 USHIMARU T, KANEMATSU S, SHIBASAKA M, et al. Effect of hypoxia on the antioxidative enzymes in aerobically grown rice(Oryza sativa)seedlingsJ. Physiologia Plantarum, 1999, 107, 181-187.2 BARCELO J, POSCHENR

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