（生态学专业论文）叶菜类蔬菜cd、pb污染规律及其改良效果研究.pdf

河南农业大学学位论文独创性声明、使用授权及知识产权归属承诺书 学位论 叶菜类蔬菜c d 、p b 污染规律学位 文题目 及其改良效果研究级别 硕士 学生 李红娟 学科 生态学 导师 姓名专业姓名 赵勇 学位论文 如需保密，解密时间年月日 是否保密 研究生签名：巷豇编 导师签名：匕：1 日期：“年6 月，oe t日期：抑年6 月，o 日 学位论文使用授权及知识产权归属承诺 本人完全了解河南农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷本 和电子版本，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。本人同意河南农业大学可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容。 本人完全了解河南农业大学知识产权保护办法的有关规定，在毕业离开 河南农业大学后，就在校期间从事的科研工作发表的所有论文，第一署名单位为 河南农业大学，试验材料、原始数据、申报的专利等知识产权均归河南农业大学 所有，否则，承担相应的法律责任。 注：保密学位论文在解密后适用于杏援捏耋i 掀燧各蝴翩獬。随勇f 黼册獬： ， ， 一 日期：3 * 6 年6 月一日日期：细6 年占月o 日日期：年月日 致谢 紧张的研究生学习即将结束，在这三年中，我得到了来自方方面面的关爱和帮 助，使我能够顺利完成学业，借此机会，向他们表示真诚的感谢。 本论文是在我的导师赵勇教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、写作到最 后润色都倾注了赵老师大量的心血。赵老师知识广博、治学严谨，谦虚朴实、为人 正直，不仅使我掌握了牢固的专业知识，而且在做人态度上，使我受益匪浅。三年 来，赵老师不但在学习上给予我巨大的帮助和启发，而且在日常生活中也给予我无 微不至的关心在此，特向恩师表示诚挚的感谢! 同时感谢蔬菜专业的孙治强教授在论文试验过程中给予的指导和帮助；感谢导 师组杨喜田博士、李有教授、吴明作副教授、樊巍研究员在这三年中的关照和帮助： 感谢实验室的张军老师和秦河锦老师在这三年中给予的诸多方便；感谢在三年中给 予我指导和帮助的林园学院其他领导、老师。 在论文的试验、写作过程中，得到了本专业师兄、师弟、师妹、同学等多人的 热心帮助，在此一并表示感谢。 最后感谢我的父母为我默默地付出这么多年，用博大的胸怀与深厚的爱包容了 我的一切，是他们多年来无微不至的关怀和支持成就了今天的我，在此，向我父母 表示最深的敬意! 李红娟 2 0 0 6 年5 月于郑州 摘要 本次试验目的是为无公害蔬菜生产和污染土壤改良以及无公害蔬菜基地的发展规划提供科学依 据。通过温室盆栽土培试验，首先研究了不同程度c d 、p b 胁迫下对生菜生长、叶绿素含量、光合生 理生态因子的影响；然后，为探求土壤重金属污染和蔬菜污染的相关性，选择常见的叶菜类蔬菜为 试验材料，研究了在不同浓度c d 、p b 污染下的土壤与蔬菜污染的相关性，并对绿色蔬菜生产要求 的土壤污染阙值进行了预测；最后，针对c d 、p b 污染土壤，以不同作用机理的土壤改良剂对污染土 壤进行改良试验，筛选出高效可行的土壤改良剂。 研究结果表明：( 1 ) c d 、p b 对蔬菜的毒害受到时问和浓度双重因子的控制；( 2 ) c d 浓度在1 2 5 m g k g 以内时，对生菜生长、叶绿素含量和生理生态因子起到一定的促进作用，浓度在2 2 5 m g k g 以上时， 各指标都受到抑制作用，其抑制程度取决于c d 的剂量；( 3 ) 生菜净光合速率与气孔导度，蒸腾速率、 胞间c 0 2 浓度以及叶绿素都有较好的相关性：( 4 ) p b 浓度在2 1 8 m g k g 以内时，对生菜生长、光合生 理生态因子有不同程度的促进作用，对叶绿素含量影响不明显，浓度为4 1 8 m g k g 时。生菜生长受到 抑制，生长后期叶片老化明显；( 5 ) 蔬菜中的c d ，p b 含量均与土壤中的含量相关性较好；( 6 ) 模拟 得出的土壤c d 、p b 安全阈限值为：油麦菜0 3 1 9 9 _ _ _ 0 0 3 4 9 m g k g 一，1 5 4 2 2 4 4 6 9m g k g 一：荆芥 0 3 3 3 5 0 0 1 9 0 4 m g k g 一，2 3 7 2 3 5 8 5 5 m g k g - 1 ：蕹菜0 1 9 5 2 0 1 0 7 2 m g k g 一，1 0 9 1 1 7 8 7 2 m g k g 一；生菜0 1 5 5 4 0 0 0 6 4 m g k g 一，1 1 9 2 2 1 5 1 2 m g k g 一；苋菜0 2 6 9 0 0 0 5 3 2 m g k g 一，1 5 8 6 2 4 2 5 4 m g k g 一；( 7 ) 对c d 富集能力由大到小排序为：生菜、蕹菜、苋菜、油麦菜、荆芥；对p b 富 集能力由大到小排序为：蕹菜、生菜、油麦菜、苋菜、荆芥；( 8 ) 复合改良剂对c d 污染情况下蔬菜 生物量的积极影响和对蔬菜可食用部分c d 含量的降低量明显大于单一改良剂；( 9 ) 单一改良荆和复 合改良剂对蔬菜中p b 含量的改良效果相差不大，并且改良剂施加量的变化对对蔬菜吸收p b 也没有较 大的影响。( 1 0 ) c d 污染土壤改良剂效果由大到小排序为：粉煤灰+ 过磷酸钙 过磷酸钙) 钙镁磷肥 粉煤灰+ 鸡粪 粉煤灰+ 草炭 硅肥 鸡粪 草炭 粉煤灰；( 1 1 ) p b 污染土壤改良剂效果由大到小排序 为：鸡粪 粉煤灰+ 过磷酸钙 钙镁磷肥 硅肥 粉煤灰+ 鸡粪 过磷酸钙 粉煤灰+ 草炭 草炭 粉煤灰。 关键词：土壤污染；p b ；c d ：叶菜类蔬菜；叶绿素、光合速率、生理生态因子；相关性；污染阈值： 改良剂 1 文献综述 1 1 土壤、蔬菜重金属污染现状 重金属是指比重等于或大于5 0 的金属，对重金属引起的土壤及蔬菜污染问题，近年来己有较多 报道“。2 】8 0 年代末期的调查结果表明，天津市菜园土壤的8 种重金属元素( c u ，z n 、p b 、c r ，n i 、c d ， h g ，a s ) 含量均高于本市农业土壤背景值一倍以上，尤以c d 和h g 最为严重，分别为背景值的5 倍和 6 0 倍0 1 9 0 年代初期对上海市蔬菜及菜区土壤的研究结果表明，上海市蔬菜受到重金属污染，尤以 c d 和p b 污染为甚，超标率分别为1 3 2 9 和1 2 0 1 。9 0 年代中期的调查结果表明，沈阳市蔬菜也受 到程度不同的重金属污染，超标率较大的元素是p b 和h g ，其次是z n 和c d ，蔬菜综合超标率为3 6 1 ， 污染面积为3 6 0 0 公顷。而沈阳市菜田土壤重金属含量与其土壤背景值相比，c d 、p b 、z n 平均值分别 为背景值的7 0 6 、3 9 6 和3 8 7 倍，表明了沈阳市菜田土壤已受到多种重金属的复合污染”1 9 9 5 年， 广州市约有9 5 的菜区土壤受重金属污染，其中c d 、p b 和a s 的含量分别为广东省土壤背景值的2 7 7 、 2 9 7 和1 4 0 倍”最近，对西安市郊区蔬菜的可食部分中重金属元素监测的结果表明，p b 是西安市 郊区蔬菜的主要污染元素，超标率为4 8 0 9 6 ，最高超标6 9 1 倍，c r 和c d 的污染仅表现在个别蔬菜中， 超标率分别为4 o 和2 0 ，最高超标分别为5 2 0 倍和1 3 2 倍“可以看出，我国各大城市菜园土壤 和蔬菜已普遍受到了一定程度的重金属污染“”由于蔬菜基地缺乏土壤污染和农产品污染控制技术 等原因，市场上所谓的“绿色食品”，绝大部分不合格“”，而多以c d 、p b 污染为主，这一状况令人 堪忧，因此一些学者将c d ，p b 污染列为我国土壤污染的最重要和典型的重金属污染物“1 1 2 土壤中c d 、p b 存在形式及主要来源 1 2 1 土壤c d 、陆的存在形式 重金属进入土壤后，通过溶解，沉淀，凝聚、络合，吸附等各种反应，形成不同的化学形态，并 表现出不同的活性。土壤中c d 主要以溶液态( 存在于土壤溶液中) 、吸附态( 被土壤粘粒吸附) 及络合态 ( 与c l - - ，n h 4 + 、腐殖酸等络合) 以及可能的矿物态( 如c d s ) 等形态存在”1 土壤中c d 的残留时间可 达几百年甚至更长。 土壤中大部分p b 以p b ( 0 i ) z 、p b 哟“p b ( s o 。) ：等难溶态形式存在，绝大多数的p b 盐均是难溶 或不溶于水的，在土壤溶液中的水溶性p b 含量很低p b 在o - 2 0 c v 土层中一般为：碳酸盐结合态 硫 化物残渣态 有机结合态 吸附态 交换态“” 1 2 2 土壤c d ，p b 的主要来源 1 2 2 1 土壤中例的主要来源 一般情况下，土壤中自然存在的c d 不至于对人类造成危害，造成危害的土壤c d 主要是人为因素 引入据报通“”在美国，l o 年内进入环境的c d 为7 6 1 3 t ，其中1 3 进入大气，5 5 进入水体，8 1 8 进土壤欧共体国家的情况基木相似，进入环境中的6 1 1 8 t c d 有9 4 进入土壤。我国c d 污染主要来源 2 如下： ( 1 ) 大气沉降 c d 的大气沉降量受众多因素的影响，工业废气是大气c d 污染的主要来源。如大气c d 的沉积率 一般仅为0 0 6 4 4 9 9 h a l a 一，但在一些冶炼厂附近可高达1 3 5 6g h a - a - 1 大气c d 通过降雨或 干沉降进入土壤，其中少部分可直接被植物叶片吸收，因此，在工业污染地区，土壤和植物叶片会累 积大量的c d “”a r t h u r 在2 0 0 0 年报道，英国农田土壤c d 污染来自大气沉降的占5 0 ，施污( 主要 是含c d 磷肥) 和厩肥分别占3 4 和1 1 “”冶炼、燃煤、石油燃烧、垃圾废物的焚烧等都能造成c d 对 人气的污染，如在冶炼锌矿的过程中，近4 5 的c d 进人大气中。 ( 2 ) 污灌，污施 污灌也是重金属进入土壤的一种主要形式污水中工业废水占6 0 8 0 9 ，矿区开发，镀锌厂以及 与染料、塑料的稳定剂，油漆的着色剂及轮胎生产有关的工厂是含c d 污水的主要来源“”据统计， 我国利用污水灌溉的农田面积约为1 3 9 8 6 万h 一，其中有3 0 的土壤己受到不同程度的重金属污染， 其中以c d 污染尤为严重“” 农田施用污泥等固体垃圾，在提供氮、磷等养分的同时，也可能会带来重金属污染的问题。据美 国的几项调查，污泥平均含c d 量1 0 1 6m g k g ，多年施用必然使土壤c d 含量增加。” ( 3 ) 磷肥及其它含c d 肥料的施用 磷肥中的c d 来自磷矿，其c d 含量因磷矿类型，加工流程不同而有很大差异据统计，澳人利亚 的磷肥c d 含量高达1 8 9 1m g k g ，加拿大为2 1 9 3m g k g 我国的磷矿含c d 大多较低，所 以磷肥的c d 含量较低，如广州市施用的磷肥c d 含量为2 3m g k g 。磷肥中c d 大部分以c d ( h 2 p o jz 和c d h p o 。的形态存在尽管到目前为止还没有发现因施磷肥而造成c d 严重污染的例子，但是，对此 也不应掉以轻心，因为，世界上有一部分磷矿确实含c d 很高，如不注意就有可能造成污染。 1 2 2 2 土壤p b 的主要来源 全国土壤背景值基本统计量的结果表明1 ，我国土壤铅含量最高可达到1 1 4 3 v g g 最低为 0 6 8 1 9 g ，平均可达到2 6 蝴g g 根据来源不同，环境中的铅可分为“原生”和“外源”两种。通过尘 埃沉降及各种污染途径进入土壤的铅称为外源铅。而土壤“外源”p b 的主要来源主要有以下几种： ( 1 ) 大气降尘 由于大量的p b 被加入汽油中作防爆剂，其直接后果首先是空气中p b 浓度升高，尤其是在工业区 和人口集居、交通繁忙的城市及近郊。公路两旁的土壤和植被含p b 量与交通量成正相关关系，与公路 的距离成负相关关系。汽车尾气中7 0 的p b 沉降于公路两侧的土壤中“l a g e r w e r f f 。1 等进行的一项 研究表明，公路两侧表层土壤l o c m 内p b 浓度的增高和汽车流量密切相关，p b 积累在公路两侧8 5 0 米距离内，而下风位置又比上风位置积累得多 ( 2 ) 污泥，城市垃圾和废水的土地利用 在城市固体垃圾中，p b 的含量在1 0 0 0 5 0 0 0 0 m g k g 之间。“p a t t e r s o n 曾报道，在英格兰窿默 塞特市场公园的土地上，每公顷施用8 吨的污泥长达3 0 年之久，其土壤中含有醋酸提取的p b 为 1 5 0 0 m g k g 。污泥的施用导致土壤3 0 4 0 c m 以上的土层内c d 、铜、p b 、锌等金属元素的总含量增加， 而在表土层5 c m 内的增加幅度最大 直接用城市工业废水进行农田灌溉也能将大量的p b 带入土壤中我国1 9 9 1 年的抽样调查结果表 明，6 6 7 的农田灌溉水含量超标。1 使用污水或污泥作肥料会使其中的p b 进入土壤，从而阻碍作物 生长，减少作物产量 ( 3 ) 采矿和金属加工业 自然界相当多的矿物含p b ，p b 矿床开采进入环境的p b 更是直接。近年来随着工业的发展，引起 p b 的废弃物更多地进入环境，使土壤和植被受到污染。我国湖南桃林p b 锌矿区稻田中含p b 量为1 6 0 1 士1 0 6m g k g 。安徽省铜陵有色公司冶炼厂重金属粉尘中含p b 4 4 6 ，污染方圆2 0 0 0 m 的土壤”1 ( 4 ) 其它 在某些果园，砷酸p b 曾被用作杀虫剂使用，从而导致p b 在土壤中的积累前苏联的一项报道说 明土壤中的p b 可来自含有多种微量元素的化肥，因为这些化肥中的含p b 量可达1 “ 总的说来，人类的生产活动增加了土壤的p b 来源，现在每年都有二百多万吨用来循环利用的 p b 以各种不均匀的方式进入水、大气和土壤中。造成了很多的p b 含量异常区 1 3c d 、p b 的危害 1 3 删、对植物的影响 壤中的c d 向植物体内转移过程与c d 的存在形式含量以及土壤和植物的特性、种类等有关。受 c d 毒害的植物不能正常生长，并且生物量呈下降趋势。据研究，随着培养玉米幼苗的c d 的浓度增加 和时问的延长，幼苗受抑制程度增大，1 0 0 m o l l 1 二价c d 浓度处理2 d ，幼苗生长量为对照的6 0 ， 处理为8 d 时，幼苗生长量只有对照的3 ，生长几乎停止，受到c d 毒害后，玉米生长迟缓，叶尖黄褐， 根尖膨胀发黑，继而腐烂，浓度越高，症状越早。1 采用其他植物研究。1 ，结果基本相似。 许多研究表明，植物对p b 的生理反映不是很明显，p b 含量在4 0 0 0 m g k g 的土壤中，作物对p b 吸收后也未有作物出现宏观病症o j 但在超高浓度的p b 环境下，p b 不仅使植物生长受阻、花期延迟， 固氮率下降，影响到作物的产量，而且还严重地影响作物的质量。可见土壤的p b 污染具有比较强的隐 蔽性，更容易对人体造成危害 1 3 2c d 、陟对人体的危害 人类作为消费者，环境中的c d 主要是通过植物进人体内的。长期食用含c d 植物会影响钙和磷的 代谢，引起肾、肺、肝等内脏器官的病理变化，诱发骨质疏松骨软化和肾结石等疾病，最终引发。骨 痛病”另外c d 具有较强的致畸、致癌和致突变作用，育龄妇女接触c d 及其化合物会导致生育能力下 降甚至不孕或不育 人体中的p b 有多种来源，一是直接吞咽污染土壤或呼吸含p b 尘埃；二是饮水污染；三是粮食 蔬菜对环境土壤水中p b 的吸收，通过食物链进入人体，这是人体中p b 的最重要来源。美国疾病控制 中心认为当人体血液中p b 大于1 5 p g l o o m l 时，就会引起中毒，即使每天摄入很低的p b 量，也会在人 4 体内储存积累而导致慢性中毒，另外p b 还是一种致癌物质。 可见，土壤被c d 、p b 污染后，对人体健康的影响非常严重，而且大多数是间接的，即通过土壤 一农作物人或土壤一植物动物人或土壤一水一人等食物链形式对人体产生影响。为了减少食物 中c d 、p b 对人体的潜在危害，研究土壤中c d ，p b 的含量对无公害蔬菜的影响及土壤污染后的治理方 案具有及其重要的意义 1 4 土壤和蔬菜c d 、p b 污染研究概况 1 4 1 翻，弛在土壤中的垂直分布性特点 一般认为，重金属常被土壤强烈吸附和固定，大多数在表面残留，累积，不易向下层迁移”夏 增禄等人嘲对北京地区重金属在土壤中的纵向分布和迁移的研究表明，在污染土壤中，重金属进入土 壤后，由于土壤对它们的固定，不易向下迁移，多集中分布在表层在早作农田中，重金属一般集中 分布在耕作层，向下迁移的深度大约在加2 0 4 0 一6 0 c m 。c d ，p b 做为重金属的一种，其主要分布在土 壤耕作层的现象，对蔬菜的生长及其卫生品质都带来了不利影响 1 4 2 蔬菜对重金属的吸收与富集特点 植物种类的差异直接决定了吸收重金属能力的差异。同一种植物种类对不同的重金属的吸收富集 能力不同，不同种类的植物对同一种重金属的吸收富集能力也不同。锄国内外的许多研究都证实了 这一点”。据对呼和浩特市蔬菜中重金属污染的研究表明，由于蔬菜品种不同，因而对各种元素 的累积量各有差异，如西红柿为c d c r p b z n c u a s h g ，白菜为c d ) p b y z n c r y a s y c u y h g ，马铃薯为 z n y c r y p b y c d c u a s y h g 各种元素在植物体内的蓄积量也有差异，p b 是白菜 马铃薯 豆角 西红柿、 青椒、胡萝 c d 是白菜 豆角 马铃薯 西红柿 胡萝h 青椒。由于各地的污染状况不同，且重金属 进入土壤后受土壤的p i 、有机质等因素的影响，不同地域其污染程度也有所不同，一般认为，重金属 在蔬菜中的含量依次为叶菜类 根茎类 瓜果类”，叶菜类蔬菜最容易收到c d 、p b 的污染 重金属在蔬菜的不同部位其含量也存在差异孔令韶“”认为植物中的重金属元素主要来自土壤， 被根吸收的这些元素，首先在植物的根中积累，然后有一部分被转运到植物的其它部位。因而植物体 不同部位对金属累积的状况就不一样，通常是植物的地下部分大大高于地上部分但据迟爱民等”1 的 研究认为，c u ，p b 、z n ，c d 、h g 的含量在三种蔬菜( 西红柿、青椒豆角) 中均是叶 根 茎。黄雅琴等 则将重金属在蔬菜株体内的累积分布类型分为：丸根、叶 茎，果；1 3 叶 果、根，茎；c 果 叶， 根，茎：d 根茎叶果。四种类型多寡捧序为：c b y a y d 这说明吸收到植抹体内的重金属在蔬菜 的分布部位的差异是很大的 1 4 3 土壤重金属污染对植物生理生态的影响研究 地球上9 5 以上的有机物质来自绿色植物的光合作用，植物光合作用不仅为地球提供有机物质， 还可释放大量0 2 净化空气，是整个地球可持续发展的重要保证。随着社会进步，工业飞速发展，重金属 污染日益严重。重金属影响植物的多种生理过程1 ，许多实验均表明重金属胁迫抑制植物光合作用。 且降低效应与胁迫程度呈正相关1 5 c d 作为重金属之一。能显著抑制植物光合作用1 ，降低多种植物的光合速率4 r 1 k u m a r a 等发现， 豌豆幼苗光合速率随c d 浓度增加而逐渐降低，较之其它参数( 如叶面积，叶鲜质量和叶绿素含量) ，光 合作用下降最为显著1 。较高浓度c d 使水稻叶片光合速率降低，并且水稻不同生育时期光合作用受c d 影响效果不同1 c d 对多数植物光合速率影响基本相同，影响程度取决于c d 的剂量 p b 是植物非必需元素，但植物可通过根系或叶片等器官吸收外源铅。有人发现进入叶片的铅将破 坏叶肉中叶绿素结构，引起叶绿素含量下降，并且竞争性地取代某些酶活性中心的金属元素影响酶的 正常活性，从而引起植物光合作用、呼吸作用，氮素代谢，核酸代谢等一系列生理生化过程的紊乱” 铅还能通过拮抗作用导致植物体内元索失调，造成营养胁迫，间接地影响植物的生长发育 1 4 4 土壤与蔬菜之间翻，陆相关性的研究 对客土改良试验的土壤和蔬菜重金属含量作相关分析的结果表明，青菜中的c d ，z n 、c u 含量 与土壤c d 、z n 、c u 含量相关显著。不过，在大田条件下，由于蔬菜吸收土壤c d 受到多种因子的影响， 其相关程度要比盆栽试验弱得多他们用富集系数( 即蔬菜中某污染物含量占土壤中该污染物含量 的百分率) 来评价蔬菜对重金属c d 的吸收能力：第一类是低富集蔬菜( 富集系数 p i 有机质含量 重金属含量 1 6p b 、c d 污染土壤的治理对策 目前，大多数治理方法尚处于试验阶段，再加之考虑到治理费用等问题，现场能应用的成熟方法 很少。修复重金属污染土壤的途径主要有两大类： ( 1 ) 改变重金属在土壤中的存在形态，使其固定，降低其在环境中的迁移性和生物可利用性； ( 2 ) 从土壤中去除重金属。利用超累积植物吸收重金属，或用工程技术方法将重金属固定，使其不 再向周围环境迁移，或者将重金属变成可溶态、游离态，再经淋洗收集。 围绕这两种治理途径提出种种的治理方法可分为三大措施：工程技术措施、生物措施、化学措施。 1 6 1 工程措施 工程措施包括客土，换土，翻土，去表土等。此种方法效果好、稳定，适用于大多污染物和多种 条件。对上海市宝山区和川沙县两种重金属污染土壤进行客土深度改良试验”1 ，结果表明：经客土处 理，土壤表层重金属元素含量大大降低，同时可使青菜体内c d 等重金属残留量平均下降5 嘶一8 0 。 但是，该方法投资大，易导致土壤肥力的减弱。 1 6 2 生物措施 生物措施是利用特定的动、植物和微生物吸收或降解土壤中的重金属元素，以达到净化土壤的目 的。早期生物治理采用的主体生物类群多为微生物。最近，植物修复正成为生物治理措施中的一个亮 点植物对污染点的修复有三种方式：植物固定、植物挥发和植物吸收。超量积累植物已成为环境保 护工作者追寻、筛选的目标。我国对植物修复和超量积累植物的研究己有良好的开端“1 但是植物 修复的研究多集中在超量积累植物上，而野生超量积累植物有其自身不可克服的缺陷：生长速度缓慢， 植株矮小。单株干物质重量小这为生产上实际应用带来很大的困难。 6 3 化学措施 化学措施即在土壤中施加改良剂或抑止剂。无机改良剂措施是常用的改良增产手段。利用该方法 7 来治理重金属污染土壤，效果及费用都适中，对轻中度污染区，不失为适宜的方法故对化学措施作一 详细阐述。 1 6 3 1 施碱性物质 蔚碱性物质施用包括石灰、粉煤灰、钢渣，高炉渣等碱性物质或钙镁磷肥、硅肥等碱性肥料以提 高土壤p h ，促进重金属生成硅酸盐、碳酸盐、氢氧化物沉淀可降低其有效性此外，其中的c a 、m g 对 c d 等有拮抗作用。亩施石灰1 0 0 - - 1 2 5 k g 时，水稻籽实含c d 量下降了5 0 ，亩产平均增加3 5 - - - 5 0 k g ” 故石灰被认为是抑制c d 污染的酸性土壤上植物吸收c d 的有效措施。在酸性c d 污染水田施用钙镁磷肥 的田间试验表明：c d 污染水田一次性投加高量钙镁磷肥后，可使土壤p i 显著升高，交换态c d 分配系 数明显下降，碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态分配系数明显升高，导致土壤中有效态c d 含量大幅度 下降，从而大大减少水稻植株的吸c d 量，而且后效持久施用适量钙镁磷肥被认为是c d 土改良的行 之有效的方法之一”1 研究表明酸性土壤施石灰后，水溶态c d 随石灰用量的增加而急剧减少p h 7 5 时。9 4 以上的水溶态c d 进入土壤中，c d 主要以残留态和粘土矿物与氧化物结合态形式存在；p h 5 5 时，交换态c d 和有机态c d 随石灰用量的增加而减少，矿物态和残留态则随石灰用量的增加而增加， 降低c d 对植物的有效性。 王孝堂”1 研究认为水溶态重金属含量随土壤p h 的升高而下降的依变关系可用几种不同机理来解 释( 1 ) 随着体系p h 的升高，土壤中的牯土矿物、水合氧化物和有机质表面的负电荷增加，对重金属 离子的吸附力加强；( 2 ) 土壤有机质金属络合物的稳定性随p h 的升高而增大，使溶液中重金属离子 的浓度降低；( 3 ) 重金属离子在氧化物表面的专性吸附随p h 的升高而增强；( 4 ) 随p h 的升高土壤溶液 中多价阳离子和氢氧离子的离子积增大，生成沉淀的机会增大，而这些沉淀又增大了土壤对重金属离 子的吸附力。( 5 ) 随p h 升高，土壤中f e ，a 1 ，m g 等离子浓度减小，使土壤有利于吸附重金属离子。对 美国衣阿华州两典型土壤弱发育湿润软土和弱发育潮湿软土的p h ，c e c ，有机碳( 0 c ) 、粘粒含量 对c d 、c u 、n i 、p b 、z n 吸附的影响的研究表明：影响顺序为p h o c c e c ，即p h 是影响重金属吸附的 最重要因素，这从另一方面表明土壤p l i 与重金属有效性的关系密切。 1 6 3 2 施磷肥 我国磷肥平均含c d o 6 1 r a g k g ，远远低于国际上5 - - - 5 0 m g k g 的常见范围。根据我国磷肥通常用 量和作物吸c d 特点，长期施用国产磷肥，不至产生c d 污染问题” 杨志敏等1 研究不同p 水平和介质p h 对玉米和小麦c d 积累的影响。结果表明在介质p h 6 0 的条 件下，培养液中p 浓度为0 6 w o l l 时，植株体内c d 的含量最低p 的供应过多或过少均使玉米和小 麦体内c d 含量上升，生物量有所下降在介质p h 5 0 时，玉米和小麦体内的含c d 量均高于p x 6 0 的 植株，且随供p 量的提高呈上升趋势。这也从一个侧面说明钙镁磷肥对c d 污染土壤的改良效应有一部 分归因子能使体系的p h 升高当然，离子拮抗作用也是不容忽视的。此外，从植物细胞和亚细胞水平 看。提高供p 水平能抑制细胞对c d 的积累。使大部分c d 截留在细胞壁内，细胞壁容纳了8 5 左右的p ， 表明p 在提高小麦酎c d 性方面具有重要作用”1 b s p a n w a r e t a l 1 研究了外源c d 和p - - ( n h 4 ) 2 h p 0 4 对豇豆和绿豆吸收c d 的影响。表明：随着p 施用量的增多，植株c d 的浓度相应减少。这主要源于植 8 株干物质积累和c d 在土壤中溶解性的降低。不同的磷肥品种对土壤重金属的存在形态影响不同”， 以钙镁磷肥的抑制效果最好。 l ，6 3 3 其它抑制剂、吸附剂 几乎所有的重金属离子都能被膨润土、沸石等铝硅酸盐，钢渣、高炉渣等铁锰质渣、粘土矿物等 吸附固定，从而降低其生物有效性。沸石用量为土重的1 时可使盆栽莴苣叶片中c d 浓度降低达8 6 。 在p b 污染的土壤上使用合成沸石也可使莴苣叶p b 下降6 9 ，燕麦谷粒p b 下降5 0 。但b a i d i n a , n l 的温室实验表明：施沸石于z n 、c d ，p b 严重污染的土壤，沸石低用量( 5 和l o g k g 土) 土壤金属的含 量不变，高用量( 3 5 和5 0 9 k g 土) 降低土壤中的z n ，p b ，而c d 略微被沸石吸附沸石的施用未导致甜 菜的重金属含量的变化，但施肥与沸石联用，却显著增加甜菜z n ，c d 的含量番茄的可食部重金属含量 只有c d 接近允许标准，但施肥后却超标1 卜2 倍所以用沸石钝化重金属并不有效且植物吸收重金 属并未减少使用海泡石和高岭土改良c d 、p b 污染的土壤也有一定的效果，其改良机制主要是对c d ， p b 的吸附作用，同时兼有离子问的拮抗作用”1 目前，无机改良剂对重金属污染土壤的治理已取得了初步的成果其改良效果依污染土壤的理化 性质、改良剂的种类、栽培作物种类、同一种改良剂的来源和其元素含量的不同而有差异。对于不同 的土壤和重金属污染类型，应通过深入细致的分析研究，选择最有效的治理途径。 9 2 引言 土壤是环境要素的重要组成部分，承担着环境中大约9 0 的，来自各方面的污染物，而我国土壤 植物系统污染研究的主要污染物是重金属，因为重金属具有污染物的多源性、隐蔽性、一定程度上 的长距离传输性和污染后果的严重性调查表明，我国各大城市菜园土壤和蔬菜已普遍受到了定程 度的重金属的污染，尤其是c d 、p b 污染现状令人担忧，因此一些学者将c d 、p b 污染列为我国土壤污 染的最重要和典型的重金属污染物 蔬菜是人们日常生活中必不可少的食物，也是十分重要的经济作物。由于蔬菜基地缺乏土壤污染 和农产品污染控制技术等原因，市场上所谓的“绿色食品”，绝大部分不合格生物对污染物的富集作 用是影响食品安全的关键问题，而多数植物具有富集重金属的特点，且能以对污染物富集数十倍甚至 数百倍的能力聚集到植物体内。不仅会影响植物的品质和产量，而且还会随着食物链直接、间接地进 入人体，从而危害人体健康。 许多实验均表明重金属胁迫抑制植物光合作用，且降低效应与胁迫程度呈正相关，国内外对作物 光合作用的研究报道较多，但对蔬菜在c d 、p b 污染条件下叶片叶绿素含量变化，光合速率，蒸腾速 率等因子变化的影响研究尚少见报道。 目前的大多数研究主要集中在田问土壤和蔬菜的重金属污染分布和污染程度调查方面，也有少数 为水培条件下进行的试验研究，而有关控制条件下土壤重金属污染与蔬菜中重金属含量的相关研究还 很不深入，尤其是针对叶菜类蔬菜与土壤重金属污染阈限值方面的研究则更少。由于蔬菜吸收土壤c d ， p b 受到多种环境因子的影响，而生态条件( 气候、土壤、水分、作物) 的不同，致使在判定二者相关 性上存在着较大的困难，因此以往的研究多数只能在一定程度上作一趋势的分析，在分析土壤和蔬菜 污染的相关性方面还存在不精确等问题。 针对重金属污染土壤，大多数治理方法尚处于试验阶段，再加之考虑到治理费用等问题，现场能 应用的成熟方法很少。目前，无机改良剂对重金属污染土壤的治理已经得到较好效果，筛选出了很多 不同作用机理的改良剂，但是实际应用中，改良方案中改良剂的施加量控制方面还欠缺科学数据，并 且改良剂的改良效果依污染土壤的理化性质、改良剂的种类、栽培作物种类、同一种改良剂的来源和 其元素含量的不同而有差异。因此，对于不同的土壤和重金属污染类型，应进行更加深入细致的分析 研究，来选择最有效的改良剂配比方案和施加量 1 0 3 材料与方法 3 1 土壤c d 、p b 污染对生菜生长和光合生理生态因子影响研究 3 1 1 试验材料 实验在河南农业大学无公害蔬菜试验基地温室大棚内进行土壤采自试验地，为沙壤土采集耕 层的土壤( o 2 0 c m ) ，风干后过5 m 筛后用于盆栽试验。土壤理化性状为：p h ( h 扣) 7 1 l ，有机质 2 5 7 2 9 k g _ ，全氮1 3 0 m g k g ，全磷0 3 8 r a g k g - i , 全钾1 2 6 0 m g 氐g - ，阳离子交换量c e c9 1 3 c m 0 1 k 9 1 并含痕量的c a t 0 3 c d 本底值为0 2 5 r a g k g ，p b 本底值为1 8 m g k g 。 选取郑州市常见的叶菜类蔬菜生菜l e t t u c e 为试验材料，种子来自郑州市经三路种子市场 3 2 试验设计 将士壤设定为5 个处理，c d ，p b 设计浓度见表3 - 1 - 1 处理l 为空白试验( 土壤中c d 本底值为 0 2 5r a g k g ，p b 本底值为1 8 r a g k g 1 ) ，每个处理平行6 次。盆栽试验采用营养钵( 上缘直径1 5 o c m ， 底面直径1 3 o c m ，高1 4 o c m ) ，每钵l k g ，分别以溶液形式加入分析纯c d ( n 0 3 ) z 4 h 2 0 和p b ( n 0 3 ) ，制 成c d 、p b 单一污染土壤。将处理过的土壤混合均匀后装钵，加水至其含水量为田间持水量的6 0 ，保 持2 天后，播入蔬菜种子出芽生长一周后间苗，每钵留2 棵，蔬菜生长期间保持土壤湿度为田间持 水量的6 0 ，管理方式一致蔬菜出芽生长两周后，开始进行收获测量，每周收获一钵( 整株) ，共收 获6 次，生菜生长期为4 9 天 通过试验监测生菜生长过程中的株高，鲜重、叶面积、叶绿素含量和光合生理生态因子，总结出 c d ，p b 污染对生菜生长，叶绿素含量和净光合速率，蒸腾速率等的影响规律，为c d 、p b 对蔬菜伤害 机理的研究提供科学依据，也为提高生菜质量、培育高产蔬菜提供理论依据 囊3 - 卜1 土壤中叫、陆浓度设计单位；哪k | 3 2 土壤重金属污染与蔬菜安全闭值研究方法 3 2 1 试验材料 实验在河南农业大学无公害蔬菜试验基地温室大棚内进行土壤采自试验地，为沙壤土，c d 本底 值为0 2 5 m g k g - ，p b 本底值为1 8 m g k g 一 选取郑州市常见的五种叶菜类蔬菜( 油麦菜l a e t u c a s a t i u a l i t ，荆芥s c h i z o n e p e t a t e n u i f o l i a b r i q 、 蕹菜l p o m o e aa q u e l i c a , 、生菜l e t t u c e ，苋菜a m a r a n t h u sh y p o c h o n d r i a c u s ) 为试验材料，5 种蔬菜生长 期都在4 0 - 4 5 天左右，种子来自郑州市经三路种子市场。 3 2 2 试验设计 选择对重金属富集能力较强的叶菜类蔬菜，对蔬菜污染晟重的c d 、p b 为污染因子来进行研究用 温室盆栽土培试验的方法，设定了8 个不周处理，每个处理平行4 钵，土壤中c d ，p b 设计浓度见表 3 - 2 1 和3 2 2 。分别以溶液形式加入分析纯c d ( n 0 3 ) 2 4 1 1 2 0 和p b ( n 0 3 ) ，制成c d 、p b 单一污染土壤。 将处理过的土壤混合均匀后装营养钵，每钵装土l k g ，加水至其含水量为田间持水量的6 0 ，保持2 天后，播入蔬菜种子出芽生长一周后问苗，每钵留4 棵，蔬菜生长期间保持土壤湿度为田间持水量 的6 0 ，管理方式一致。蔬菜生长期为4 5 d ，收获整株用做测量。 囊3 2 1 土壤中浓度设计单位：哪虹 通过试验研究蔬菜在不同浓度c d 、p b 处理土壤中的生长情况，可食用部分中的c a ，p b 含量及其 含量与土壤中c a 、p b 含量之间的关系，不同蔬菜富集能力间的差异，并运用试验测得数据建立数学模 型，模拟出各类蔬菜与土壤c d 、p b 污染的相关性趋势线，得出无公害蔬菜生产要求的土壤c a 、p b 污 染阈值 襄3 2 吨土壤中盹浓度设计单位；叫k g 1 2 3 3 改良剂对重金属污染土壤改良效果研究 3 3 1 试验材料 实验在河南农业大学无公害蔬菜试验基地温室大棚内进行。土壤采自试验地，为沙壤土，c d 本底 值为0 2 5 r a g k g 一，p b 本底值为1 8 r a g k g 蔬菜选取叶菜类蔬菜生菜l e t t u c e 为对象，供试改良剂为粉煤灰，草炭、鸡粪、硅肥、过磷酸钙， 钙镁磷肥。粉煤灰来自热电厂，鸡粪、草炭购白花卉市场，硅肥、过磷酸钙、钙镁磷肥购自种子，肥 料市场 3 3 2 试验设计 以c d 、p b 富集能力较强的生菜为研究对象，采用盆栽试验的方法，针对c d 、p b 污染土壤，采 用化学措施，以不同作用机理的土壤改良剂对污染土壤进行改良试验。共采用9 种改良剂，其中6 种 单一改良剂，即粉煤灰，草炭、鸡粪、硅肥、钙镁磷肥、过磷酸钙，3 种复合改良剂，即粉煤灰+ 过 磷酸钙，粉煤灰+ 草炭，粉煤灰+ 鸡粪。 改良剂设定3 个处理，即低量、中量、高量，并且设对照处理( 不添加任何改良剂) ，每个处理重 复3 次，改良剂用量见表3 - 3 1 。以溶液形式在土壤中加入分析纯c d ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 ，p b ( n 0 3 ) 2 ，制成 c d p b 单一污染土壤，然后均匀混入改良剂，将处理过的土壤装入营养钵，每钵i k g ( 以烘干土计) 。 加水至其含水量为田问持水量的6 0 0 , 6 ，保持2 天后，播入生菜种子管理方式一致，生长一周后问苗， 每钵留4 苗，蔬菜生长期间保持土壤湿度为田间持水量的6 0 ，生长4 5 天后统一收获整株用做测量。 通过试验观察生菜生长情况，测量土壤中有效态c d 、p b 含量和p h 变化，测量生菜可食用部分中 c d 、p b 含量的变化，研究不同改良剂对蔬菜可食用部分c d ，p b 含量的改良效果，分析原因，筛选出 高效可行的改良剂和改良剂施用量，制订改良方案，为c d 、p b 污染土壤改良提供科学依据。 表3 - 3 一l 壤改良舸浓度设计单位：g k z 3 4 测定方法 3 4 1 蔬菜生长指标测定方法 蔬菜生长过程记录蔬菜长势( 叶片色泽、株高、鲜重，叶面积等) ，蔬菜长至可食用时收获整株， 称量鲜重，然后将新鲜蔬菜用自来水冲洗3 遍，再用去离子水冲洗两遍，将菜叶逐叶分开晾干，在6 0 的烘箱中烘至衡重( 大约需要两天) ，记录干重。将烘干蔬菜取可食用部分( 叶子) 迸行粉碎，过 6 0 目尼龙筛，然后装入纸袋中储于干燥器内以备测定其c d 、p b 含量 ( 1 ) 抹高，鲜重；采用现场直接测量； ( 2 ) 千重：在6 0 的烘箱中烘至衡重( 大约需要两天) ，烘干后称量； ( 3 ) 土壤p h 值：采用电位法测定，液土比为2 5 ：1 ( 4 ) 叶面积：采用美国c i d ，l n c 公司的c i - 2 0 3 叶面仪测量叶片面积 3 4 2 蔬菜叶绿素含量测定 取新鲜叶片，洗净、擦干、剪碎，准确称取0 5 9 放入三角瓶中，加入2 5 m l 9 5 无水乙醇溶液，密 封后室温下暗处放置4 8 h ，直至叶绿素溶出，叶片材料完全变白测定叶绿素含量前需摇动使其均匀， 采用上海产分光光度计( u n i c - - 7 2 0 0 ) ，在6 6 5 n m 、6 4 9 n m 波长下测定光密度( a ) ，每样品