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镉污染土壤中使用复合改良剂对小白菜安全生产的意义

时间:2015-11-20 来源:未知 作者:傻傻地鱼 本文字数:6500字
摘要

  土壤是人类赖以生存的物质基础。随着现代经济的发展,土壤生态环境日益恶化,重金属污染问题越来越严重。各种途径带来的重金属进入土壤后被农作物吸收,降低农作物的产量和品质,并通过食物链进入人体,危害人体健康。蔬菜,尤其是叶菜,更容易积累重金属[1-5].Cd已经成为蔬菜重金属污染最为突出的元素之一[6-7],它能导致人体骨质疏松、变形和萎缩,并长期富集在肾和肝脏中,是一种典型的致癌物[8-10].有研究表明,即使在土壤Cd未超标的情况下,叶类蔬菜也可能出现Cd超标的现象[3].

  目前,多种技术被应用到土壤重金属污染治理中来,如物理化学法、生物法等,能有效降低重金属的污染风险。但是,这些技术通常耗费大、成本高,还会破坏土壤肥力和土壤结构[11].原位化学修复法是一种通过增加重金属的吸附、降低其在土壤中的溶解度和生物有效性,从而减少污染物从土壤进入农作物的方法。原位修复法成本低,对土壤的影响和破坏少[12-13],适合大范围操作,符合我国农业可持续发展的要求,引起人们的广泛关注和研究。

  前期试验结果表明,四川大学化学工程学院提供的复合改良剂可以显着降低重金属污染土壤中水溶态Cd和Pb的含量[14],但该改良剂对农作物体内重金属含量和营养指标的系统性研究尚鲜见报道。因此,该试验通过盆栽试验,以代表性叶类蔬菜小白菜(Brassica rapaL.Chinensis Group.)为研究对象,研究施用不同浓度复合改良剂对Cd污染土壤有机质、pH值、小白菜营养品质和Cd含量的影响,以期阐明复合改良剂缓解Cd毒害的机理,找到适宜的改良剂用量,为重金属污染土壤改良技术和小白菜安全生产提供参考依据。

  1材料与方法

  1.1试验材料

  供试土壤采自北京夏至农业科技有限公司日光温室。取0~20cm表层土壤,风干、弃去沙石和植物残体,过20目筛。土壤理化性质及Cd含量见表1.供试作物为小白菜,种子购于北京京研益农科技发展中心。试验所用复合改良剂由四川大学化学工程学院提供。该改良剂由正铵、磷矿粉、腐殖酸、有机质、微生物生长所需营养元素及参与重金属离子反应的多种活性金属离子配置而成。

  1.2试验方法

  1.2.1盆钵试验方法

  在供试土壤的基础上添加CdCl2·2.5H2O,设置2、4、25、50、100mg/kg 5个Cd供试浓度(2、4mg/kg为低浓度处理,25、50、100mg/kg为高浓度处理),加水充分搅拌混匀,平衡2周以上。待土壤平衡后,施入复合改良剂,施用量为0、600、900、1 200mg/kg,与Cd污染土壤充分搅拌混匀。每盆钵中装入3kg土壤,播种小白菜。每处理3次重复,常规栽培管理。

  1.2.2样品采集及预处理

  植株样品:在小白菜收获期,去除老叶后取可食用部分。土壤样品:在小白菜收获后,用土钻取0~20cm表层土壤,去除根系等杂物、风干、粉碎、过筛后用于土壤理化性质测定。

  1.3项目测定

  采用重铬酸钾法测定土壤有机质含量;采用pH SJ-3F型酸度计电位法测定土壤pH值[15].采用湿法消解-原子吸收石墨炉法测定小白菜中Cd含量。小白菜营养品质测定方法:采用2,6-二氯酚靛酚滴定法测定维生素C含量,蒽酮比色法测定可溶性糖含量,碱滴定法测定可滴定酸含量,重量法测定粗纤维含量和干物重,凯氏定氮法测定蛋白质含量[16].

  1.4数据分析
  
  采用Microsoft Excel进行数据的基本处理和绘图,SPSS 20.0统计分析软件进行差异显着性检验。

  2结果与分析

  2.1复合改良剂对Cd污染土壤小白菜有机质含量和pH值的影响。

  农作物只吸收土壤中的有效态重金属,而不是吸收重金属的全量[17].土壤有机质含量和pH值是影响重金属有效性的2个关键因素[15,18].从图1A可知,施用复合改良剂对不同浓度Cd处理污染土壤有机质含量具有明显提升作用。随着复合改良剂施用量的增加,5个不同浓度Cd污染土壤有机质含量均逐渐增加,且均在施用900mg/kg复合改良剂时达到最大值,继续增加1 200mg/kg改良剂施用量,其含量反而有所降低。与不施用复合改良剂相比,在2、4、25、50、100mg/kg Cd污染土壤中施用900mg/kg复合改良剂后,土壤有机质含量分别增加12.63%、12.36%、19.32%、72.24%和25.56%.

  从图1B可知,施用复合改良剂对不同浓度Cd处理污染土壤pH值具有一定的提升作用。但是,除了25mg/kg和50mg/kg 2个浓度Cd污染土壤的pH值在施用1 200mg/kg复合改良剂时明显高于不施用改良剂对照,其余均与对照无显着差异。

  2.2复合改良剂对Cd污染土壤小白菜Cd含量的影响
  
  如图2所示,小白菜可食部位Cd含量随土壤Cd浓度的增加而增加,这与前人的研究结果相符[1,19-22].随着复合改良剂施用量的增加,小白菜可食部位Cd含量逐渐降低。与不施用复合改良剂相比,当复合改良剂施用量为900mg/kg或1 200mg/kg时,5个不同浓度Cd污染土壤小白菜Cd含量均显着降低。但是,与施用900mg/kg复合改良剂相比,改良剂施用量增加到1 200mg/kg时5个不同浓度Cd污染土壤小白菜可食部位Cd含量无显着性差异。与不施用复合改良剂相比,在2、4、25、50、100mg/kg Cd污染土壤中施用900mg/kg复合改良剂后,小白菜可食部位Cd含量分别降低37.59%、42.08%、44.87%、32.04%和40.39%.

  2.3复合改良剂对Cd污染土壤小白菜营养品质的影响蔬菜受体内重金属的影响,其糖分、维生素和其它物质含量都相应的有所变化,从而影响蔬菜的品质[23].如图3A、B所示,随土壤中Cd浓度的增加,小白菜可食部位维生素C和可溶性糖含量呈逐渐下降之势,这与谢建治等[19]研究结果一致。其原因可能是重金属Cd能抑制小白菜合成维生素C和可溶性糖相关酶的活性,从而导致其含量降低[19,23]

  .随着复合改良剂施用量的增加,小白菜维生素C和可溶性糖含量逐渐增加,当复合改良剂施用量为900mg/kg时各处理小白菜维生素C和可溶性糖含量均显着高于不施用改良剂对照。与不施用复合改良剂相比,在2、4、25、50、100mg/kg 5个浓度Cd污染土壤中施用900mg/kg复合改良剂后,小白菜可食部位维生素C含量分别增加了10.73%、12.53%、25.00%、48.62%、37.28%,可溶性含量分别增加了15.33%、10.37%、39.08%、55.93%、59.52%(图3A、B)。可知施用复合改良剂对高浓度Cd处理土壤(25、50、100mg/kg)小白菜维生素C和可溶性糖含量的提升作用优于低浓度Cd处理土壤(2mg/kg和4mg/kg)。

  与施用900mg/kg复合改良剂相比,改良剂施用量增加到1 200mg/kg并不能进一步显着提升小白菜维生素C含量以及2、4、50mg/kg 3个浓度Cd处理土壤小白菜可溶性糖含量,但对25、100mg/kg 2个浓度Cd处理土壤小白菜可溶性糖含量具有明显的提升作用。这些结果说明,施用900mg/kg复合改良剂可有效缓解重金属Cd对维生素C和可溶性糖相关合成酶活性的抑制作用。

  施用复合改良剂在一定程度上可提高小白菜可滴定酸含量,但在不同浓度Cd污染土壤上表现有所不同(图3C)。随着改良剂施用量的增加,2、4、50、100mg/kg4个浓度Cd处理土壤小白菜可滴定酸含量逐渐增加,且均在施用1 200mg/kg改良剂时达到最大值。与不施用复合改良剂相比,施用1 200mg/kg改良剂后这4个浓度Cd处理土壤小白菜可滴定酸含量分别增加了28.57%、23.08%、14.30%、30.77%.与这4个浓度Cd处理土壤不同,在25mg/kg浓度Cd处理土壤中施用600mg/kg改良剂可使小白菜可滴定酸含量比不施用复合改良剂对照提高约10%,继续增加改良剂施用量小白菜可滴定酸含量反而有所降低。值得注意的是,25mg/kg浓度Cd处理土壤小白菜可滴定酸含量总是低于其余4个浓度Cd处理土壤,其原因尚待进一步研究。

  如图3D所示,2个低浓度Cd处理土壤(2、4mg/kg)小白菜干物质显着高于其余3个高浓度Cd处理土壤(25、50、100mg/kg),施用一定量复合改良剂可显着提高Cd污染土壤小白菜干物质。在2mg/kg Cd污染土壤条件下,施用900mg/kg复合改良剂后小白菜干物质达最大值,比不施用改良剂对照增加22.81%,继续增加改良剂施用量小白菜干物质反而有所降低。与2mg/kg Cd污染土壤处理不同,4、25、50、100mg/kg 4个浓度Cd处理土壤的小白菜干物质在施用1 200mg/kg复合改良剂时达到最大值,与不施用改良剂对照相比分别提高了10.67%、17.66%、43.50%、30.16%.但是,在4、50mg/kg2个浓度Cd污染土壤条件下,施用900mg/kg或1 200mg/kg复合改良剂的小白菜干物质差异不显着。

  图4A所示的是复合改良剂对Cd污染土壤小白菜粗纤维含量的影响。谢建治等[24]试验表明,小白菜粗纤维含量与土壤中添加Cd质量分数之间的相关系数为0.982 8,呈极显着正相关。该试验结果表明,随土壤中添加Cd浓度的增加,小白菜可食部位粗纤维含量逐渐增加,这与谢建治等[24]的研究结果一致。其原因可能是土壤受到Cd污染使小白菜茎叶木质化和纤维化所致。

  小白菜粗纤维含量过高,将导致其口感硬且粗糙,品质变差。施用复合改良剂可以降低Cd污染土壤小白菜可食部位粗纤维含量,提升其口感和品质。随着复合改良剂施用量的增加,2、4、25、50、100mg/kg 5个Cd污染土壤小白菜粗纤维含量均逐渐降低,且均在施用1 200mg/kg复合改良剂时达到最低值,与不施用改良剂对照相比分别降低了11.53%、27.78%、28.10%、21.17%、21.98%.

  在2、4、25、50、100mg/kg 5个Cd污染土壤处理中,除了2mg/kg Cd污染土壤处理降幅未达差异显着水平,施用复合改良剂能显着降低其余4个浓度Cd污染土壤小白菜粗纤维含量。其原因可能是在2mg/kg浓度Cd污染土壤中,小白菜茎叶木质化和纤维化程度低于其余4个Cd污染土壤处理。

  如图4B所示,随土壤中添加Cd浓度的增加,小白菜可食部位蛋白质含量在低、高浓度Cd处理土壤中变化趋势截然不同。在2个低浓度Cd处理土壤(2、4mg/kg)中,小白菜蛋白质含量随土壤中添加Cd浓度的增加而降低,其原因可能是重金属Cd能抑制小白菜合成蛋白质相关酶的活性。在3个高浓度Cd处理土壤(25、50、100mg/kg)中,小白菜蛋白质含量随土壤中添加Cd浓度的增加而增加。其原因可能是小白菜体内积累Cd的量越来越大,一部分蛋白质被Cd沉淀失活保存在小白菜体内,这些失活的蛋白质在测定过程中又被释放出来,从而提高其含量值。随着复合改良剂施用量的增加,2、4、25、50、100mg/kg 5个浓度Cd处理土壤小白菜蛋白质含量逐渐降低,在施用900mg/kg复合改良剂时降到最低值,与不施用改良剂对照相比分别降低了13.27%、12.50%、19.66%、22.30%、29.63%.继续增加改良剂施用量到1 200mg/kg,5个浓度Cd处理土壤小白菜蛋白质含量又有所回升,但是与施用900mg/kg改良剂差异不显着。

  3讨论与结论

  蔬菜是人们日常生活中必不可少的食物,重金属在蔬菜体内积累,直接或间接进入人体后易对人体造成伤害。随着人类生活水平的不断提高,人们对蔬菜的安全性和营养品质的要求也越来越高。因此,降低蔬菜中重金属的积累,提高蔬菜营养品质势在必行。重金属Cd从土壤向蔬菜体内转移的迁移率较大[1],容易富集在蔬菜体内,即使在土壤Cd含量没有达到限量标准的情况下,叶类蔬菜仍有可能出现Cd含量超标[3].因此,对于叶类蔬菜生产基地,尤其应该严防土壤Cd污染,并加强对Cd污染土壤的改良治理工作。

  鉴于农作物只吸收土壤中的有效态重金属而非重金属全量[17],而重金属有效性主要受土壤有机质含量和pH值的影响[12,18],因此目前的重金属原位化学修复法主要是围绕调节重金属污染土壤的有机质含量和pH值而展开的。张亚丽等[25-26]的研究表明,施用有机肥可明显降低土壤中有效性Cd的含量,猪粪效果优于秸秆类,降幅约为40%.李雪芳等[22]研究了土壤有机质含量与蔬菜中Cd、Hg和As富集量的关系,发现随着有机质含量的增加,Cd、Hg和As的富集系数均降低,其中Cd的富集系数极显着降低。土壤中施入有机肥料后,增加的土壤有机质可络合Cd2+,降低了Cd2+的有效性,增大了Cd2+从土壤迁移到作物体内的难度[22,26].因此,提高重金属污染土壤的有机质含量可降低重金属的有效性,从而减少农作物对其的吸收。该试验结果表明,施用900mg/kg复合改良剂可使Cd污染土壤有机质含量提高12.36%~72.24%.

  影响重金属有效性的另一个关键因子是土壤pH值。土壤pH值提高可促使土壤中Cd、Pb等重金属离子形成氢氧化物或碳酸盐结合态沉淀,降低重金属迁移性和生物有效性,减少植物对重金属的吸收[12,27].与之相反,土壤pH值降低可导致氢氧化物或碳酸盐结合态重金属的溶解、释放,也可增加吸附态重金属的释放,从而增加了植物对重金属的吸收[28].可见,提高土壤pH值有助于降低植物中Cd、Pb等重金属含量[2,10,29-30].但该试验土壤为碱性(表1),进一步显着提升土壤pH值将不利于小白菜生长。该试验结果表明,施用900mg/kg复合改良剂并不能显着提高Cd污染土壤pH值。这些结果说明,该试验所采用的复合改良剂主要是通过提高土壤有机质含量来降低土壤Cd有效性的。另外,复合改良剂中所含的磷矿粉(氟磷酸钙)释放出磷酸根与Cd2+离子生成更稳定的磷酸盐重金属沉淀,也有助于降低土壤中Cd2+的生物有效性。

  蔬菜可食部位Cd含量与土壤中有效态Cd含量呈显着正相关,即土壤中有效态Cd含量越低,蔬菜可食部位Cd含量越低[22].在该试验中,施用900mg/kg复合改良剂可使小白菜可食部位Cd含量降低32.04%~44.87%,降低幅度显着。增加改良剂施用量到1 200mg/kg时,小白菜可食部位Cd含量与施用900mg/kg复合改良剂相比并无显着差异。

  重金属抑制蔬菜植物细胞的分裂和伸长,刺激和抑制一些酶的活性,影响蛋白质合成,降低光合作用和呼吸作用,伤害细胞膜系统,从而影响蔬菜的生长发育和品质[23].因此,蔬菜受到重金属污染,不仅会表现出外在的受害特征如生长缓慢、失绿、矮小、减产等,而且还可以进一步影响到营养品质指标如维生素C、粗纤维、可溶性糖、蛋白质、硝酸盐等含量的高低。谢建治等[31]的研究表明,污灌区叶菜类(芹菜、白菜和大葱)、根菜类(芥菜和萝卜)和果菜类(辣椒)的营养品质指标(粗纤维、粗蛋白质和还原糖)含量明显低于清灌区的各项指标。谢建治等[19,24]进一步采用盆栽的试验方法,研究了Cd对小白菜各营养指标的影响。结果表明,随土壤中添加Cd量的增加,小白菜叶绿素、还原糖和维生素C含量逐渐下降;粗纤维含量随土壤中Cd添加量的增加逐渐增加;而粗蛋白含量随土壤中Cd添加量的增加呈先降后升的趋势[19,24].吕金印等[21]发现,随着Cd2+处理浓度的增加,青菜、塌地乌、小白菜、菠菜和芥菜5种叶菜硝酸盐和纤维素含量升高,维生素C和可溶性糖含量降低。李廷亮等[32]也得出相似结论,即在Cd处理条件下,5种叶菜维生素C和还原糖较对照处理都有一定程度的降低,硝酸盐含量有一定程度的增加。这些研究结果表明,因重金属污染而导致蔬菜营养品质的降低是不可轻视的。

  在重金属污染改良治理中,改良剂对植物体内营养品质的影响也是非常重要的研究内容。

  该试验发现,随着土壤中添加Cd浓度的增加,小白菜可食部位维生素C和可溶性糖含量呈逐渐下降之势,粗纤维含量逐渐增加,而蛋白含量先降低后增加,这些结果与前人的研究结果一致[19,21,24,31-32].施用复合改良剂对Cd污染土壤小白菜营养品质具有一定的提升作用,尤其是对提高小白菜维生素C和可溶性糖含量,同时降低其体内粗纤维含量效果显着。施用900mg/kg复合改良剂可使小白菜可食部位维生素C含量提高10.73%~48.62%,可溶性糖含量提高10.37%~59.52%;施用1 200mg/kg复合改良剂可使小白菜可食部位粗纤维含量降低11.53%~28.10%,降低幅度略大于施用900mg/kg复合改良剂。

  综上所述,复合改良剂可通过提高Cd污染土壤有机质含量降低Cd2+有效性,从而显着降低小白菜可食部位对其的积累,并可显着增加小白菜体内维生素C和可溶性糖含量,降低其粗纤维含量,提升Cd污染土壤小白菜的营养品质。因此,复合改良剂能够用于重金属污染土壤的原位修复,推荐其适宜用量为900mg/kg.

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