土壤重金屬CuNi的植物毒性及生態(tài)風險評價

黃錦孫

專業(yè)：環(huán)境科學研究方向：農田土壤重金屬污染修復技術

土壤重金屬Cu、Ni的植物毒性及生態(tài)風險評價1/45匯報內容研究背景研究內容研究結果結論與展望致謝2/45研究背景農業(yè)活動我國土壤Cu、Ni污染來源農產品人體農作物工業(yè)活動畜禽糞便和有機肥施用

殺菌劑施用化肥施用污水灌溉農田土壤工業(yè)廢水、礦山廢水等3/45研究背景國內土壤重金屬毒理學和風險評價研究滯后；環(huán)境質量標準缺乏毒理學數據；過去方法不盡合理國內外土壤重金屬研究文獻統(tǒng)計（2000－2005）(馬義兵，未發(fā)表）4/45研究背景國內土壤重金屬環(huán)境質量標準是基于短期盆栽試驗結果忽視了室內短期盆栽試驗和長期田間試驗的差別老化對田間Cu、Ni毒性閾值的影響（XYGuo,2010）5/45匯報內容研究背景研究內容研究結果結論與展望致謝6/45主要內容和方案

框圖田間試驗Cu、Ni毒害及累計規(guī)律盆栽實驗測定生物量，Cu、Ni含量計算田間實驗毒性閾值小麥、玉米、水稻、油菜的生物量比較研究土壤Cu和Ni植物毒害的室內和田間實驗差別干濕交替影響盆栽毒性閾值干濕交替實驗土樣采集處理大麥根伸長測試土壤相關參數測定毒性變化研究內容-技術路線7/45研究內容-研究目標1.研究Cu、Ni對小麥、油菜、水稻的毒害作用及在秸稈和籽粒中的累積規(guī)律4.發(fā)現(xiàn)土壤外源Cu、Ni在田間和實驗室中毒性閾值的差別及機理。比較及優(yōu)化不同的生態(tài)風險評價方法研究目標3.了解干濕交替模式下土壤性質的變化、外源Cu、Ni的形態(tài)和植物毒性的變化2.研究田間外源Cu、Ni的老化對小麥、油菜、玉米、水稻的毒性變化規(guī)律8/45研究內容-田間試驗土壤：潮土，水稻土，紅壤作物：小麥，油菜，玉米，水稻土壤處理：添加CuCl2,NiCl2（2007年），8水平，各重復2次測定指標：測定秸稈和籽粒生物量，測定秸稈和籽粒Cu、Ni濃度，計算EC10，EC50和EC90

注：EC10、EC50和EC90分別指，與對照相比植物生長受到10%、50%和90%抑制時壤中外源Cu或Ni的添加劑量。9/45研究內容-田間試驗祁陽德州嘉興各32小區(qū)10/45研究內容-盆栽實驗土壤：潮土，水稻土土，紅壤植物：小麥，油菜，，玉米，水稻稻試驗方法：輪作作物與當當地相同，栽栽培6周后測定地上上部生物量。。求出不同植植物EC10，EC50和EC90。與田間比較較，觀察Cu、Ni毒性閾值的差差別，分析可可能機理。11/45研究內容-盆栽實驗小麥、油菜盆盆栽培養(yǎng)情況況12/45研究內容-干濕交替實驗驗土樣分別經過過0、1、3個干濕交替周周期處理，根根據ISO-11269(1),測量栽培5天后大麥的根根長,求出EC10，EC50，EC90所需測定的土土壤參數：1）土壤溶液的的pH，EC，DOC濃度2）連續(xù)續(xù)提取取的Cu、Ni的水溶態(tài)態(tài)、可可交換換態(tài)、、EDTA結合態(tài)態(tài)的濃度找出其其相關關性，，做出出多元元回歸歸方程程13/45研究內內容-干濕交交替實實驗保持最最大持持水量量60%，穩(wěn)定7天取1700g，40°°C烘干至至恒重重新鮮土土樣2000g保持最大持水量60%，穩(wěn)定7天40°C烘干至恒重40°C烘干至恒重（0）取300g，大麥麥根伸伸長，，測定定參數數干濕交交替處處理（1）取300g，大麥麥根伸伸長，，測定定參數數（3）取300g，大麥麥根伸伸長，，測定定參數數14/45研究內內容-干濕交交替實實驗土壤干干濕交交替處處理時時間15/45研究內內容-干濕交交替實實驗16/45研究內內容-干濕交交替實實驗CKCu1Cu7Cu2Cu3Cu5Cu6Cu4山東德州大麥根伸長培養(yǎng)部分大大麥根根伸長長實驗驗17/45匯報內內容研究背背景研究內內容研究結結果結論與與展望望致謝18/45研究結結果-CuNi毒害與與累積積（小小麥））隨著土土壤中中Cu??Ni的添加加劑量的的增加加,小麥籽籽粒和和秸稈稈的生物量量逐漸漸減小小土壤Cu和Ni的添加加對田田間小小麥籽籽粒和和秸稈稈生物量量的影響響（祁祁陽））19/45研究結結果-CuNi毒害與與累積積（小小麥））田間試試驗小小麥的的重金金屬毒毒性閾閾值(mg.kg-1).（祁陽）（括號內的數值值為在95%置信區(qū)間內閾閾值的范圍.）土壤添加高于于106mg.kg-1的Cu或高于51.3mg.kg-1的Ni使小麥植株死死亡Cu、Ni的添加劑量分分別為19.5和27.4mg.kg-1時，小麥發(fā)生生中毒癥狀重金屬籽粒秸稈EC10EC50EC90EC10EC50EC90Cu55.7(33.3~93.3)77.1(59.3~100)106(84.5~135)19.5(10.1~37.8)57.4(43.9~75.0)168(102~278)Ni41.0(9.35~180)45.9(24.1~87.3)51.3(42.1~62.5)27.4(16.9~44.4)41.7(34.8~50.1)63.6(48.2~84.0)20/45研究結果-CuNi毒害與累積（（小麥）小麥地上部分分中Cu的累積（mg·kg-1）（德州）土壤Cu濃度籽粒Cu含量秸稈Cu含量05.234.55507.585.571007.225.762006.796.254006.017.1880010.519.26160010.3512.95320010.3518.92Cu在小麥秸稈中中的積累隨土壤添加量量的增加而增增加；而在籽粒中，Cu的累積量在達達到一個值以以后趨于穩(wěn)定定21/45研究結果-CuNi毒害與累積（（小麥）1591Ni在小麥籽粒和和秸稈中的累累積量隨著土土壤中Ni的添加量增加加，濃度不斷斷上升土壤Ni濃度籽粒Ni含量秸稈Ni含量00.163.08501.263.461001.763.782003.603.324004.344.298008.576.11160012.148.58320025.3326.19小麥地上部分分中Ni的累積（mg·kg-1）（德州）22/45研究結果-CuNi毒害與累積（（油菜）重金屬籽粒秸稈EC10EC50EC90EC10EC50EC90Cu79(36~172)241(171~340)735(367~1473)153(42~560)380(192~753)946(396~2255)Ni41(27~61)63(52~76)97(58~164)34(15~78)81(33~196)194(24~1575)田間試驗的重重金屬毒性效效應(mg.kg-1).（嘉興）（括號內的數值值為在95%置信區(qū)間內閾閾值的范圍.）油菜籽粒對Cu和Ni的毒性均比秸秸稈敏感。相同濃度的Ni對油菜的毒害害作用顯著大大于Cu；＜23/45研究結果-CuNi毒害與累積（（油菜）油菜地上部分分中Cu、Ni的累積（mg·kg-1）（嘉興）當土壤Cu、Ni濃度高于某一一值（約100mg·kg-1）時，對Cu、Ni在油菜體內的的累積含量趨趨于穩(wěn)定；在油菜體內，，Cu秸稈>Cu籽粒，而Ni籽粒>Ni秸稈。24/45研究結果-CuNi毒害與累積（（水稻）重金屬籽粒秸稈EC10EC50EC90EC10EC50EC90Cu286(221~372)435(400~474)661(476~918)142(99~203)327(278~375)736(564~959)Ni324(198~528)433(360~521)578(252~1327)221(145~337)382(333~438)661(480~910)田間試驗水稻稻的重金屬毒毒性閾值(mg.kg-1).（嘉興）（括號內的數值值為在95%置信區(qū)間內閾閾值的范圍.）水稻秸稈和籽籽粒對Cu和Ni毒性的敏感程程度相近（低低濃度時秸稈稈比籽粒敏感感）；Cu、Ni對油菜的毒害害作用相近。。25/45研究究結結果果-CuNi毒害害與與累累積積（（水水稻稻））水稻稻地地上上部部分分中中Cu、Ni的累累積積（mg··kg-1）（嘉興興））水稻稻對對Cu的累累積積先先增增加加后后降降低低（（在400-800mg?kg-1出現(xiàn)現(xiàn)峰峰值值））；；秸稈稈Cu的平平均均含含量量為為籽籽粒粒的的2.23倍，，可可見見Cu更容容易易在在水水稻稻秸秸稈稈中中累累積積。。秸稈稈11.8mg??kg-1籽粒粒5.3mg??kg-1籽粒粒Ni的含含量量變變化化符符合合Mitscherlich方程程（（r2=0.994,n=7,p<0.001）；；秸稈稈Ni的含含量量隨隨著著土土壤壤外外源源Ni的增增加加而而線線型型增增加加（（r2=0.908,n=7,p<0.001）26/45研究究結結果果-CuNi毒害與累積（（水稻）小結1、隨著土壤中Cu?Ni的添加劑量的的增加,作物籽粒和秸秸稈的生物量量逐漸減小。2、德州土壤中中使小麥出現(xiàn)現(xiàn)中毒癥狀（（10%減產）的土壤壤Cu濃度為323mg.kg-1，Ni的毒性在德州州土壤中已經經失活；祁陽陽土壤中使小小麥出現(xiàn)中毒毒癥狀（10%減產）的土壤壤Cu濃度為19.5和27.4mg.kg-1，油菜為79和34mg.kg-1，水稻為142和221mg.kg-1.3、隨土壤Cu、Ni濃度的增加，，小麥對Cu，水稻對Ni的累積在籽粒粒中先增加后穩(wěn)定定，在秸稈中為為線性增加;Cu、Ni在油菜籽粒和秸秸稈中的累積規(guī)律律都為先增加后趨于于穩(wěn)定；Cu在水稻籽粒和和秸稈中的累累積量先增加后減小??；Ni在小麥籽粒和和秸稈中都呈呈線性增加。27/45研究結果-老化作用2008-2010年重金屬對小小麥毒性的變變化（以祁祁陽為例）評價指標2008年2009年2010年EC10EC50EC10EC50EC10EC50Cu128(69~237)173(132~226)40(21~75)81(61~107)66(15~302)153(198~239)Ni46(27~76)55(44~70)14(9~21)23(17~31)35(26~46)40(38~43)毒性增加毒性降低28/45研究結果-老化作用2007-2009年重金屬對水水稻毒性的變變化（嘉興興）評價指標2007年2008年2009年EC10EC50EC10EC50EC10EC50Cu40(18~87)77(50~119)301(182~500)689(512~929)526(404~684)922(765~1111)Ni230(155~342)377(311~457)695(557~866)1070(611~1872)>891(--~--)--(--~--)毒性降低毒性降低29/45研究結果-老化作用小結德州和祁陽土土壤中外源Cu的毒性先增強，再降降低，外源Ni在德州土壤中中生物毒性迅速失活，而在祁陽土土壤中毒性增加；在嘉興土壤中中外源Cu、Ni對油菜的毒性性先增強后趨于于穩(wěn)定，而對水稻的的毒性不斷降低低。外源Cu、Ni進入土壤后，，其毒性變化化的規(guī)律并非非隨著時間的的增加而呈簡簡單的減小，，與土壤性質、受受試植物類型有關。30/45研究結果-干濕交替實驗驗土壤溶液pH值的變化與干干濕交替周期期數無明顯關關系;土壤溶液電導導率隨周期數數先增加后降降低;土壤溶液DOC濃度隨干濕交交替周期數先先降低后增加加;31/45研究結果-干濕交替實驗驗采集地點添加量周期數WS/mg·kg-1EXC/mg·kg-1EDTA/mg·kg-1土壤Cu全量/mg·kg-1德州000.00±0.000.13±0.036.85±0.2321.36±6.9110.00±0.000.15±0.083.75±0.2030.00±0.000.00±0.005.23±2.205000.00±0.000.19±0.0016.82±0.4459.41±6.0010.00±0.000.29±0.0218.87±0.9830.00±0.000.00±0.0019.05±0.2510000.00±0.000.27±0.0434.25±0.07114.11±13.0510.00±0.000.461±0.0240.26±0.6830.00±0.000.06±0.0236.55±2.4220000.00±0.000.36±0.01109.40±11.56191.85±43.9010.02±0.030.60±0.00119.09±13.4030.00±0.000.17±0.02107.88±8.2940000.11±0.020.53±0.08247.81±7.13646.34±489.9010.14±0.060.93±0.04237.74±12.8530.15±0.010.45±0.10219.70±14.4680000.23±0.030.65±0.06301.34±19.84794.51±159.2510.56±0.101.30±0.00356.17±5.8630.38±0.000.89±0.13372.46±4.35160000.63±0.171.05±0.231118.90±4.462046.06±192.9610.60±0.041.82±0.041017.33±10.7230.57±0.081.43±0.081095.13±16.47320002.45±0.231.85±0.451451.49±14.203690.28±95.8212.42±0.392.05±0.281472.37±7.4931.95±0.151.99±0.271465.06±47.11占土壤全Cu量17.86%-53.33%32/45研究結果-干濕交替實驗驗CKCu1Cu7Cu2Cu3Cu5Cu6Cu4山東德州大麥根伸長實實驗數據經過3個周期的干濕濕交替處理，，大麥根伸長長毒性測試的的EC50不斷增大，說明Cu發(fā)生老化，毒毒性降低。周期數EC10EC50EC900386（127~1180)1520(945~2443)5985(2223~16113)192(43~197)706(502~993)5436(2790~10592)3131(43~401)1090(683~1739)9057(3617~22682)33/45研究結果-干濕交替實驗驗小結3個實驗點位的的土壤經過干干濕交替處理理之后，土壤壤孔隙水pH、電導率（EC）和土壤孔隙隙水可溶性有有機質濃度（（DOC）并無明顯規(guī)規(guī)律。3個周期的干濕濕交替處理對對Cu、Ni的形態(tài)分布無無明顯影響，，經過干濕交交替處理，土土壤外源CuNi的生物毒性變變化無明顯規(guī)規(guī)律。34/45研究結果-田間和盆盆栽比較較田間和溫溫室盆栽栽實驗用log-logistic方程進行行擬合，，得出的的Cu的劑量－－效應曲曲線比較較。35/45研究結果果-田間盆栽栽比較結果果：：1）以盆栽栽試驗驗EC10作為指指標對對田間Cu污染進進行生生態(tài)風風險評評價時時，對對Cu毒害風風險的的評價價不會會出現(xiàn)現(xiàn)顯著著差別別。2、以相相同方方法得得出的的EC50作為評評價指指標時時，則則會顯顯著低估土壤中Cu對田間小麥、、油菜、玉米米和水稻生長長的毒害。根據log-logistic方程進行擬合合計算得出的的Cu的毒性閾值比比較作物地點EC10EC50田間實驗室田間實驗室小麥德州201(150~270)122(30~495)771(678~877)1559(997~24379)祁陽40(21~75)297(149~593)81(61~107)689(544~871)油菜嘉興33(10~114)23(2~234)132(76~230)1102(406~2991)玉米祁陽94(51~173)23(3~204)132(108~161)220(98~494)水稻嘉興40(21~75)51(15~167)81(61~107)286(162~506)36/45研究結果-田間盆栽比較較田間和溫室盆盆栽實驗用log-logistic方程進行擬合合，得出的Ni的劑量－效應應曲線比較。。37/45作物地點EC10EC50田間實驗室田間實驗室小麥德州--(--~--)--(--~--)--(--~--)--(--~--)祁陽14(9~21)161(57~452)23(17~31)597(283~1260)油菜嘉興24(12~40)79(69~91)49(31~77)87(81~93)玉米祁陽18(12~27)13(3~52)32(27~38)104(61~178)水稻嘉興--(--~--)408(121~1376)--(--~--)794(360~1749)研究結果-田間盆栽比較較根據log-logistic方程進行擬合合計算得出的的Ni的毒性閾值比比較結果：以實驗室盆栽方式評價土壤壤外源Ni污染時，會顯顯著低估土壤中Ni對祁陽田間小麥、玉米以以及嘉興油菜菜的毒害，而而會高估Ni對嘉興水稻的毒毒害。38/45小結以實驗室盆栽栽試驗EC10作為指標對田田間Cu污染進行生態(tài)態(tài)風險評價時時，對Cu毒害風險的評評價不會出現(xiàn)顯著著差別；以相同方法法得出的EC50作為評價指標標時，則會顯著低估土壤中Cu對田間小麥、、油菜、玉米米和水稻生長長的毒害。以實驗室盆栽栽方式評價土土壤外源Ni污染時，會顯著低估土壤中Ni對祁陽田間小小麥、玉米以以及嘉興油菜菜的毒害，而而會高估Ni對嘉興水稻的的毒害。研究結果-田間盆栽比較較39/45研究結果-全文結論40/45（1）隨著土壤中Cu?Ni的添加劑量的的增加,作物籽粒和秸秸稈的生物量量逐漸減小；；小麥對Cu，水稻對Ni的累積在籽粒粒中先增加后后穩(wěn)定，在秸秸稈中為線性性增加，小麥麥對Cu和水稻對Ni的吸收機制相相類似，均有有阻止重金屬在在生殖部位中中過量積累的的機制;Cu、Ni在油菜籽粒和和秸稈中的累累積增加后穩(wěn)穩(wěn)定于相應值值，說明油菜菜有阻止重金金屬Cu、Ni在植株中過量累積的機機制；Cu在水稻籽粒和和秸稈中的累累積量先增加加后減小，過過量的Cu可能干擾了水稻對對營養(yǎng)元素的的吸收，高濃度的Cu、Ni將影響水稻植植株的正常發(fā)發(fā)育；（2）德州、祁陽和和嘉興土壤中中外源Cu、Ni對小麥、油菜菜、玉米和水水稻的毒性，，隨著老化時時間的增加呈呈現(xiàn)出不同變變化規(guī)律。外源源Cu、Ni進入入土土壤壤后后，，其其毒毒性性變變化化的的規(guī)規(guī)律律并并非非隨隨著著時時間間的的增增加加而而呈呈簡簡單單的的減減小小，，與與土土壤壤性性質質、、受受試試植植物物類類型型有有關關。。(3)3個實實驗驗位位點點的的土土壤壤經經過過干干濕濕交交替替處處理理之之后后，，土土壤壤孔孔隙隙水水pH、電電導導率率（（EC）和和可可溶溶性性有有機機質質濃濃度度（（DOC）的的變變化化并并無無明明顯顯規(guī)規(guī)律律。。3個周周期期的的干干濕濕交交替替處處理理對對Cu、Ni的形態(tài)態(tài)分分布布及及生生物物毒毒性性無明明顯顯影影響響。。(4)以實實驗驗室室盆盆栽栽試試驗驗EC50作為為評評價價指指標標時時，，則則會會顯著著低低估估土壤壤中中Cu對田田間間小麥麥、、油油菜菜、、玉玉米米和和水水稻稻的毒毒害害和和Ni對祁祁陽陽田田間間小麥麥、、玉玉米米以以及及嘉嘉興興油