（植物营养学专业论文）氮素形态对超积累植物遏蓝菜生长和吸收镉、锌的影响.pdf

摘要 随着经济发展和人口增加，环境污染日趋严重，而人们环保意识的加强和对环境质量要求的 提高必然使越来越多的污染十壤需要治理。植物修复技术作为修复污染土壤的一种绿色、经济的 技术已越来越被世界各国所重视。重金属超积累植物以其吸收、富集重金属量大和生物累积因子 高的特性被认为是修复重金属污染壤的潜在植物材料。然而目前所发现的重金属镉、锌( c d 、 z n ) 超积累植物遏蓝菜( t h l a s p ic a e r u l e s c e n s ) 的缺点是生物量小，生长慢，适应性不强。提高 生物量和促进植物对镉、锌吸收转运是增强植物修复效率的重要措施。施用不同形态氮索( n h 4 + 一n 和n o ；- n ) 可引起根际p h 值变化，并对微量元素养分的活化、植物的吸收产生影响。为此，本 研究主要采用营养液培养、根际袋和根箱法等不同试验手段，研究了不同形态氨素对遏蓝菜两种 生态型p i n y o n 和g a n g e s 的生长、根际p h 值的变化、土壤镉、锌的话化以及植物对镉、锌吸收、 转运的影响，为提高污染土壤植物修复效率提供依据。 主要结论如下 1 营养液培养条件下，不同形态氮索对溶液p h 值变化影响显著，n h 4 + - n 降低了p h 值， n 0 3 _ n 提高了p h 值；m e s 能使溶液p h 值维持在6 0 + 0 2 范围内，是较好p h 值缓冲剂； n 0 3 - - n 能更好的促进遏蓝菜生长和镉、锌吸收，相反，n h - n 则有较强的抑制作用；对 比未加m e s 与加m e s 两试验可以看出，营养液p h 值变化对遏蓝菜生长、镉、锌吸收转 运影响较小。 2 土壤培养试验中，施用不同形态氮素情况下对土壤溶液p h 值变化、遏蓝菜对镉、锌吸收 效果与营养液有相似性，n h d + - n 显著抑制了镉、锌的吸收和向地上部的转运，n 0 3 - n 则 起促进作用。遏蓝菜两种生态型分剐种植1 2 0 和9 0 天后，不同形态氮素其根际、非根际 土壤n h t n 和n 0 3 - n 浓度变化影响较大，影响范围大约在距根际6l i l m 以内；硝化抑 制刘d c d 对土壤n h _ - n 的硝化具有较好的抑伟4 作用。 3 施用n h 。+ - n 时，降低了土壤p h 值、提高了土壤有效态铺、锌的浓度，但是遏蓝菜体内 的镉、锌浓度和向地上部转运量并没有增加，可见n h 4 + - n 不利于植物生长和对镉、锌的 吸收、转运：而n 0 3 - n 的施用效果则完全相反。 以上结果表明，不同形态氮素对遏蓝莱两种生态型生长，根际溶液p h 值变化、十壤重金 属活化，植物对重金属镉、锌吸收和转运影响较大an o ，- - n 促进了镉、锌的吸收和向地上部的 转运，而n h 。+ - n 的效果恰好相反，表现出明显的抑制作用。在遏蓝菜提取污染土壤镉、锌过 程中，土壤p h 值和镉、锌活化对促进遏蓝菜的吸收和转运方面作用不大。 关键词：超积累植物遏蓝菜；植物提取；氮素形态；根际；镉和锌 a b s t r a c t p h y t o r e m e d i a t i o n ap o t e n t i a lw a yf o rc l e a n i n gu pt h ec o n t a m i n a t e ds o i l s ，h a sb e e na d o p t e di n w o r l d w i d e h y p e r a c c u m u l a t o r sh a v eb e e n c o n s i d e r e d ap o t e n t i a lp l a n tm a t e r i a lf o rp h y t o e x t r a x t i o ni n h e a v ym e t a lc o n t a m i n a t e ds o i l h o w e v e r , t h ed i s a d v e r t a g e o fc d z n h y p e r a c c u m u l a t o rt h l a s p i c a e r u s l e s c e m ，s u c ha sl o wb i o m a s s ，l o wg r o w t hr a t e ，l i m i t si t sa p p l i c a t i o ni nal a r g es c a l eo fs o i l s t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt oi n c r e a s et h ep h y t o r e m e d i a t i o ne f f i c i e n c yb ya d v a n c i n gt h eb i o m a s so f h y p e r a c c u m u l a t o r sa n de n h a n c i n gt h ea c t i v a t i o no f t h eh e a v ym e t a l si ns o i lt h r o u g hn i t r o g e na p p l i c a t i o n a n da c i d i f i c a t i o ni nt h er h i z o s p h e r e a m m o n i aa n dn i t r a t en i t r o g e nc a ni m p r o v ep l a n tn i t r o g e nn u t r i t i o n a n di n d u c e dc h a n g e si nr h i z o s p h e r ep h t h e r e f o r e ，o u re x p e r i m e n t so fh y d r o p o n i c ，r h i z o b a ga n d r h i z o b o xw e r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so f d i f f e r e n tn i t r o g e nf o r m so ng r o w t h c a d m i u ma n d z i n cu p t a k eo ft h l a s p ic a e r u l e s c e n sa n d0 np hc h a n g e sa n dm e t a lm o b i l i z a t o ni nt h er h i z o s p h e r e ，w h i c h w o u l dp r o v i d es o m eu s e f u li t n f o r m m i o f if o ri n c r e a s i n gc a d m i u ma n dz i n cu a p t k e b yt h l a s p i c a e r u l e s c e n si np h y t o e x t r a c t i o n t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 i ns o l u t i o nc u l t u r e ，d i f f e r e n tnf o r m si n f l u e n c e dt h ep hc h a n g e ss i g n i f i c a n t l ya n dm e sw a s g o o dp hb u f f e rf o rm a i n t a i n i n gs o l u t i o np ha t6 o + 0 2 s u p p l yo f n 0 3 - ni n c r e a s e dg r o w t h a n dc du p t a k eo ft h l a s p ic a e r u l e s e e n s ，i nc o n t r a s t ，n h 4 + - ns h o w e ds i g n i f i c a n ti n h i b i t i o n e f f e c t s c o m p a r e dt ot h ee x p e r i m e n tw i t hm e s ，s o l u t i o np hc h a n g e sh a sn os i g n i f i c a n t i n f l u e n c eo nt h l a s p ig r o w t h ，c da n dz nu p t a k e 2 i ns o l lc u l t u r e ，s i m i l a re f f e c to f d i f f e r e n tn i t r o g e nf o r m so ns o l lp hc h a n g e s c da n dz nu p t a k e w a sf o u n d a n dn h na p p l i c a t i o ni n h i b i t e dt h ec du p t a k ea n dt r a n s l o c a t i o ns i g n i f i c a n t l y a p p l i c a t i o n o fd i f f e r e n t n i t r o g e n f o r m sc h a n g e dt h er a t i oo fn 0 3 - na n dn h 4 + - ni n r h i z o s p h e r ea n dn o n - r h i z o s p h e r ea f t e r1 2 0a n d9 0d a y so ft h l a s p ie a e r u l e s e e n sg r o w t h t h e r a n g eo f r h i z o s p h e r ew a sa b o u t6m m ；t h ed i c y a n d i a m i d e ( d c d ) c o u l dk e e ph i g h e rc o n t e n to f n h 4 卞- ni nt h es o l l i n d i c a t i n gt h a td c di n h i b r e dt h enn i t r i f i c a t i o np r o c e s s ， 3 a p p l i c a t i o no fn h 4 + - nc o u l dd e c r e a s es o i lp ha n di n c r e a s e dt h eb i o a v i l a b i l i t yo fc da n dz n h o w e v e r ，t h eu p t a k eo fc da n dz nb yt h l a s p ie a e r u l e s e e n sd e c r e a s e di n d i c a t i n gt h ea d v e r s e e f f e c to nu p t a k ea n dt r a n s l o c a t i o ns y s t e mo fp l a n t w h e r e a st h ee f f e c to fn 0 3 二nw a sj u s t o p p o s i t et ot h a to f n h 4 + n i nb r i e f , d i f f e r e n tnf e r t i l i z e rf o r m sh a v ed i f f e r e n te f f e c t so i lt h l a s p ic a e r u l e s c e n sg r o w t h ，s o l u t i o n p hc h a n g e s ，m o b i l i z a t i o no f h e a v ym e t a l si ns o i l ，a n dt h eu p t a k eo f c da n dz nb yt h l a s p ie a e r u l e s c e n s n 0 3 - na p p l i c a t i o ni n c r e a s e dc du p t a k ea n dt r a n s l o c a t i o nf r o mr o o tt os h o o ta n dn h 4 + - nw a si n o p p o s i t e s o i lp ha n dc dm o b i l i z a t i o np l a y e dam i n o rr o l ei nf a c i l i t a t i n gc dp h y t o e x t r a c t i o nb yt h l a s p i c a e r u l e s e e n si nc dc o m t a m i n a t e ds o i l k e yw o r d s ：h y p e r a c c u m u l a t o rt h l a s p ic a e r u l e s e e n s ；p h y t o e x t r a c t i o n ；n i t r o g e nf o r m s ；r h i z o s p h e r e c d a n d z n i i 独创性声明 y 9 3 8 7 3 5 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特另j ) j h 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 啦溅：沙弼卑i 窍f ； 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在刁i 同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名； 啦阃：名辱5 窍f ；b 锎繇陬 帆 x 6 ( )年石月r f f l 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 由于污水灌溉、污泥农用、工厂“三废”排放和人类其它活动等因素的影响，导致土壤受剑 日益严重的重金属污染。目前，全国约有1 3 万h m 2 耕地受到镉的污染，涉及1 1 个省市的2 5 个 地区( 曹仁林和贾晓葵，2 0 0 1 ) 。部分地区的重金属污染已相当严重，如广州郊区老污灌区，j ： 壤中镉浓度竟高达2 2 8m gk g ，平均浓度为6 6 8m gk g - ( 赵中秋等，2 0 0 5 ) ；沈阳张士灌区有 25 3 3h m 2 土地遭受镉的污染，其中严重污染占1 3 ( 顾继光等2 0 0 3 ) 。据报道，目前我国污游 区有1 1 处生产的大米中镉浓度严重超标，如成都东郊污灌区生产的大米中镉浓度高达1 6 5m z k g 1 超过w h o f a o 所规定的浓度标准7 倍之多：沈阳张士灌区严重污染区稻田含镉5 7m g k g 1 米中含诵浓度达l 2 m gk 9 1 ，稻田土壤平均浓度为2 1 6 n a g k 岔1 ，大米中镉平均值为0 7 7 m g k g - 1 ( 李录久，2 0 0 4 ；张炜，2 0 0 5 ) 。锌污染也较严重，部分地区土壤锌浓度高达15 0 0m gk g 。1 ( 华珞和白玲玉，2 0 0 2 ) ，大大超出了植物正常生长所要求的土壤全量锌浓度( 2 0 0m gk g - 1 ) ， 会对植物造成生理毒害或会抑制土壤微生物活性。 与有机污染物不同，重金属在土壤中不但不能自行降解，反而会在土壤圈中不断累积，从而 造成潜在危害。由于人们日益增强的环保意识，以及对无公害、绿色食品需求量的不断上升，越 来越多的污染环境需要治理，越来越严厉的环境法将会限制在污染土壤上种植作物，因此如果不 对污染土壤采取切实有效的修复措旎的话，长期下去可耕地面积将会大大下降。 1 1 重金属 “重金属”是指原子密度大于5 0g c m 。的约4 s 种元素，现在，“重金属”一般泛指能够引 起环境污染的金属元素，如a l ，原子密度只有1 5g c m 4 ，却能导致阿尔茨海默氏病( a l z h e i m e r ，s d i s e a s e ) 。环境的重金属污染是指人类的生产活动特别是采矿、冶炼和化工生产使局部环境中 重金属的浓度明显高于原有背景值。导致生态环境质量的恶化。环境中重金属污染的最大危害是 其会通过食物链给人类健康带来危害，成为生态环境系统可持续性发展与粮食生产安全的一种威 胁( a l l o w a y , 1 9 9 0 ；j a c k s o na n da l l o y a y , 1 9 9 0 ；杨肖娥1 9 9 6 ) 。环境污染方面所指的重金属元素 主要是生物毒性显著的h g 、c d 、p b 、c r 以及类金属a s ( 五毒) ，还包括具有毒性的重金属z n 、 c u 、c o 、n i 、v 等污染物。镉( c d ) 和锌( z n ) 就是两种最常见的土壤污染物，二者具有相似 的化学性质( a y l e t t ，1 9 7 3 ) 。 1 1 1 镉 辛_ 子1 8 1 7t l z g ：l f r e d r i c hs t r o h m e y e r 在冶炼锌矿石时首次发现的，它是一种质软，蓝白色的金 属元素，可用于制造低摩擦阻力和耐疲劳的合金、焊料、牙科用的混合填料、镍镐蓄电池、恢反 应堆防护层和防锈电镀。由于镉与锌的化学性质非常相似，所以镉的矿物与锌以及其它多种金属 矿共生，主要以硫化镉c d s 、碳酸镉c d c 0 3 和氧化镉c d o 形式存在，其含量多在01 o 5 之间变 化( 廖自基，1 9 8 9 ；许嘉琳和杨居荣1 9 9 5 ) 。镉在生产上基本全是锌、铜、铅的副产物。 中国农业大学硕士学位论文第一章文献综述 镉不是动植物和人体必需的营养元素，相反，它是一种剧毒性的累积元素( l i s k ，1 9 7 2 ；包 克光，1 9 9 7 ) 。镉能与许多阴离子形成盐，硫酸镉是其中最普遍的一种，在土壤中有很强的移动 性，很容易通过作物的根系吸收输送到地上部，并在地上部尤其是在可食部分积累( p a g ee t a l ， 1 9 8 1 ) 。镉在生物体内主要是通过与含巯基氨基酸和蛋白质的结合引起氨基酸蛋白质的火活，对 催化酶的伤害引起酶催化代谢的紊乱，甚至导致植物体死亡( d o y l e ，1 9 7 7 ) 。植物体内过黾的镉 会抑制植物的生理过程，如：降低生长速率减少生物产量，干扰必需营养元素的吸收和运输， 抑制光合作用和蒸腾作用等( m e u w l ya n dr a u s e r , 1 9 9 2 ；y a n ge ta 1 1 9 9 5 ；杨明杰等，1 9 9 8 ； s c j i t z e m d i n e le t a l ，2 0 0 l ；h a l l ，2 0 0 2 ；m c g r a t ha n d z h a o ，2 0 0 3 ) 。 由于地质上和近几十年来的人为活动，国内外对地方性镉中毒事件时有报道。溶液和空气巾 的镉会对人体造成危害，镉中毒时危害严重，如许多年前发生在日本的“骨痛病”，至今还让人 有谈镉色变的感觉。人们强烈地感受到，土壤一植物系统的污染决不只限于像铜、锌那样引起的 作物生育障碍和有无收成的问题，更为重要的是表面上看起来收成良好，但食物却积累了有害物 质，引起人的慢性中毒，造成公害病。 根际环境作为土嚣植物系统的交界面，直接影响污染物在这一系统中的传递。据报道，随着 土壤p h 值的降低，士壤吸附的镉量下降，植物有效态镉浓度上升( t i l l e re ta t ，1 9 7 9 ；b a s t aa n d t a b a t a b a i ，1 9 9 2 ；b o l a n ，1 9 9 9 ) 。因为镉从作物根系向地上部转运的能力明显强于其它金属元素( 除 锌外) 以及它的高活性和强毒害性( 廖自基。1 9 8 9 ：陈际满和郑春荣，1 9 9 6 ) ，镉被认为是食物 链和环境中的一种十分危险的污染物。在重金属的食品污染中，w h o 确定镉为优先研究的食品 污染物，联合国环境规划署提出1 2 种具有全球性意义的危险化学物质，镉被列为首位，这就是 为什么在土壤与作物系统中以及环境安全问题上这种元素被广泛研究的原因。 1 1 2 锌 锌( z n ) ，一种蓝白色带光泽的金属元素，可用于制造各种合金，包括黄铜、青铜、各种焊 料和镍银，以及给铁和其它金属镀锌。此外，还可用于电保险丝、阳极和仪表，以及屋面材料、 檐槽和各种家庭用具。除铁、铝、铜外，锌的年产量居世界第四位，现代生活无法缺少锌而存在。 世界四分之三的锌是以金属形式被消耗掉的，主要在电镀中以保护离子和铁的氧化。另外四分之 一的锌是以有机结合态被消耗掉的，如橡胶、化学、油漆和农业化学中等。此外，锌还是人体和 动植物生长发育中一种必不可少的微量元素。在人体诸多微量元素中，除铁外锌位屠第二的位置， 可见锌对人体的莺要性。 锌主要以二价离子的形式被吸收的，其中它可以重金属酶的组分形式或以酶的功能、结构或 调控因f 等方式在高等植物吸收中发挥作用。土壤中的锌主要以活性态存在，据报道，向日葵幼 苗根中的重属累积离低顺序是：c u 、c d 、z n 和p b ，而地上部的累积高低顺序是：z n 、c u 、p b 和c d ( p l e s n i c a re t a l ，1 9 9 7 ) ，这说明了植物体内锌的移动性强。随着土壤p h 值的降低，土壤锌 活性显著上升，因此，如果土壤全量锌浓度充足的话，当土壤p h 值低于5 5 时，植物基本| 二不 会发生缺锌的现象。 与镉污染形成的危害相比，土壤中的锌、镍和铜污染对人体的危害并不大，主要是会对作物 造成生理毒害( c h a n e y 8 td l ，1 9 9 9 ) 。盆栽试验表明，当向沙土中添加10 0 0 和15 0 0 m gk g 。锌 时，会降低春小麦的生物量和抻制小麦的产量( d u d k a e t a l ，1 9 9 4 ) 1 2 超积累植物 超积累植物是指植物体内吸收、累积的重金属浓度是普通植物1 0 0 倍以上的一类特殊性植物。 囡此，种植物只有累积超过1 0 h g ，1 0 0 c d ，1 0 0 0 c o 、c r 、c u 和p b ，1 00 0 0 n i 和z nn a g k g 1 才能称为超积累植物( l a s a t ，2 0 0 0 ) 。迄今为止，至少有4 2 5 种植物被认定为超积累植物，其中以 镍超积累植物居多，锌超积累植物大约有1 8 种，镉超积累植物很少( r e e v e sa n d b a k e r , 1 9 9 9 ) 。 遏蓝菜( t h l a s p io a e r u l e s c e n s ) 是一种众所周知的镉、镍、锌超积累植物。1 8 6 5 年科学家们 在一个锌污染土壤上发现了这种植物，当时称之为t h l a s p i c a l a m i n a r e ( a s s u n 9 i oe l 以，2 0 0 3 ) 。普 通植物体内的镉浓度一般低于3m g k 舀1 千重，而在一些富镉土壤上，植物含镉量稍高，可能会达 到或超过2 0m g k 9 4 干重，含锅量高于1 0 0m g t k 9 1 干重的植物很少。生长在p b z n 矿废弃物上的 遏蓝菜地上部镉浓度可超过1 0 0m g k 茁1 千重，甚至超过10 0 0m g 培干重以上( l o m b i ，2 0 0 0 ) 。 普通植物体内锌浓度达到1 0 0m gk g 。1 时就会出现中毒症状( 刘铮，1 9 9 1 ：m a r s c h n e r , 1 9 9 5 ) ，但 遏蓝菜体内锌浓度超过2 00 0 0m gk f l 时也不会出现中毒症状( b r o w ne ta l ，1 9 9 5 a ；b a k e re la 1 1 9 9 4 a ) 。除了拟南芥a r a b i d o p s i s h a l l e r i ( k u p p e r “以，2 0 0 0 ) 和东南景天( y a n ge t a l ，2 0 0 4 外， 遏蓝菜是一种重要的镉超积累植物( b a k e re ta l ，2 0 0 0 ) 。 遏蓝菜生态型很丰富，不同生态型对镉的吸收、累积能力差异较大。t h l a s p ic a e r u l e s c e n s ( w h i t e s i k e 生态型，来自英国) 和a r a b i d o p s i sh a l l e r i 体内的镉浓度均低于5 0m g k g ，从十壤 中吸取的镉量每季植物分别为1 5 0 和3 4g h m 。这一数值虽小于试验点旌用污泥而带入土壤的镉 量，但比因施用磷肥和大气沉降的输入量( 3 9 h m 。) 高几十倍( 陈怀满，2 0 0 2 ) 。因此对于长期 试用磷肥引起的镉积累的土壤，有可能利用植物来减轻土壤镉污染。2 0 0 0 年l o m b i 等人发现了 一个来自法国南部的t h l a s p ic a e r u l e s c e n s ( g a n g e s 生态型) ，其植株地上部含镉量随土壤含镉量 增加而直线增加。在含镉量为1 2 5m g k g 土壤中，其地上部含镉量为5 1 6m g k 岔1 ，是土壤含镉 量的4 3 倍。而1 7 d a s p i c a e r u l e s c e n s ( w h i t e s i k e 生态型) 和t h l a s p i c a e r u l e s c e n s ( p r a y o n 生态型， 来自比利时) 地上部浓度只有2 7m g k g l l 和5m g k g _ 1 。而兰个种群植株地上部含锌量没有差异。 锌与镉之闻存在较强的拮抗作用，两者在溶液中的浓度比率对镉或锌的吸收及向地j 部的运 输有很大影响。随着溶液中z n c d 比率扩大，锌的吸收和运输急剧增加。一般溶液中5 0 ：1 的z n c d 比率正是通常锌矿污染区或冶炼厂附近污染土壤中的z n c d 比率( b r o w ne t 以1 9 9 5 ) 。这也是在 自然条件下，野生遏蓝菜通常具有极高的锌浓度( 最高4 9 2 0 0m g 虹。) ，而镉浓度较低的原因 ( b a k e re t a l ，1 9 9 4 ；b r o w ne t a l ，1 9 9 4 ，1 9 9 5 ) 。有趣的是超积累植物本身比非超积累植物需要更多 的重金属，如遏蓝菜的生长就比普通植物需要更多的锌( h a j a r , 1 9 8 7 ) ，即只有在高锌量情况f 遏 监菜才能更好生长。据报道，来自不同地区的遏蓝菜在积累镉方面有很大差异，尽管积累锌的能 力基本相同，并且增加生长基质中的锌水平对镉吸收影响较小，表明这一遏蓝菜种群超量积累镉、 锌的途径不同( l o m b i ，2 0 0 0 2 0 0 1 ：u e n oe ta l 2 0 0 4 ) 。 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 3 植物修复 。= 卜壤重金属污染治理按治理方式不同可分为工程措施、生物措施、农业措施、改良剂措施四 类( 陈怀满，2 0 0 2 ) 。各类方法有各自的特点及适用范围：工程措施包括客土、换土、屯化学、 热处理、清洗、隔离法等，治理效果显著，但投资较高，适用于小面积的重度污染：生物措 施是利用某些特定的动、植物和微生物能够较快地吸走或降解土壤中的污染物质而达到净化十壤 的目的；改良剂措施治理效果及费用都适中，要针对不同的污染物及土壤条件选择不同的改 良剂。适于中度污染；农业措施是治理与利用相结合，边利用边治理因此投资较少，适丁 轻度污染的土壤。这些方法在污染土壤的改良和治理方面虽然具有一定的理论意义，但在实际应 用上往往都存在某些局限。如加入土壤改良剂的沉淀法虽然在一定时期内可以降低土壤溶液中重 金属离子的溶解度，但同时却会导致某些土壤营养元素的沉淀，且当土壤条件和植物根际环境等 发生改变时这些暂时被固定起来的重金属还可能会被慢慢的活化，从而有可能造成重金属在土壤 中的迁移以及被植物吸收而对环境和人类健康带来危害：淋洗法会同时造成营养元素的淋火：客 土法虽效果较好，但费用昂贵，难以大面积工程推广。 近年来发展起来的生物修复技术以其安全、廉价的特点正成为研究和开发的热点。生物修复 是利用生物对环境中的污染物进行降解，花费较少，技术及设备要求不高，因而愈来愈受人俐的 关注。但是重金属不同于有机物，它不能被生物所降解，只有通过生物的吸收得以从环境中去除。 用微生物进行大面积原位修复时，一方面其生物量小，吸收的金属量较少，另一方面则会冈其生 物体很小而难于进行后处理。而植物具有生物量大且易于后处理的优势，因此利用植物对重金属 污染位点进行修复是解决环境中重金属污染问题的一个很有前景的选择。 植物修复即将超积累植物种植于污染土壤上，利用植物根系吸收土壤中的重金属，从而降低 士壤重金属浓度。以实现治理目标( m o f f a t ，1 9 9 5 ) 。用植物来修复受重金属污染土壤的这个观点 很具有吸引力，因为它受阳光驱动、可以进行原位修复、且费用低廉和人群暴露率低( s a l te t a l ， 1 9 9 8 ) 。美国植物修复市场用在植物修复上的资金从2 0 0 0 年的2 千万美元上升到2 0 0 5 年的1 5 亿美 元，美国、加拿大的植物修复公司已经开始盈利。美国的生物修复研究不仅领先于中国，而且被 企业界看好，而中国对污染土壤、水体的生物修复技术研究主要集中于国内一些大学、研究所、 个人，中国企业介入的较少。因此，面对国内良好的生物修复市场前景，中国的企业应从中寻找 与发现商机，而各级政府应注意营造有利于环境保护商业化运作的政策环境。 目前，利用植物来修复镉、锌污染土壤的主要策略是植物提取( p h y t o e x t r a e t i o n ) ；植物提取 即利用重金属超积累植物能够忍耐、高吸收、高富集特性，吸收土壤中的重金属或者放射性元素， 并在地上部大量富集，用常规的农业生产技术收获植株，从而达到清除污染的目的( b r o o k s 引以 1 9 7 9 ；z h a oe la l ，2 0 0 3 ) 。植物修复具有美学价值的同时它还可与其它农艺措施或与其它修复7 j 法 相结合。用植物提取方法来修复重金属污染土壤，成功与否取决于植株地上部积累的重金属总量 的多少( 沈振国和陈怀满，2 0 0 0 ；m c g r a t ha n dz h a o ，2 0 0 3 ) ，这决定于两个方面：植物体内重金 属浓度的高低和植物生物量的大小。可用于植物提取的理想植物，其地上部必须有一种或几种艰 金属的浓度比普通植物高百倍甚至千倍以上，丽且植株生长快、干物质积累晟大。假定菜一植物 4 中国农业大学颤上学位论文 第一章文献综述 的年生长量为a 蚝h m 4 ，植物体内重金属浓度为bm g k 百1 ，则每年可以通过收获植物从土壤 中吸取重金属l o bk g h m 。对于p b 、c u 和c o 超积累植物来说，其重金属浓度大于f0 0 0m g k 昏，每年从土壤中吸取重金属ag h m ，要从土壤中吸取1k g h m 4 的重金属，植物就需要生 产出10 0 0k g l 蚰2 生物量。而当重金属为1 00 0 0m g k f l ( 如z n 超积累植物及一些n i 超积累植 物) 时，植物可从土壤中吸取重金属1 0 ae h m 。如果这超积累植物年生长量达到2 50 0 0k g h m 则每年可使土壤( 表层2 0c m ) 重金属浓度减少1 2 5m g k g 1 ( 陈怀满和郑春荣，1 9 9 6 ) 。 在b r o w n 等人( 1 9 9 5b ) 的田间试验中，按t h l a s p ic a e r u l e s c e n s 地上部锌浓度为40 0 0m g k 百1 和年生物量为1 00 0 0k g h m 。计算，则把污染土壤的含锌量从4 0 0m g k 酉1 降低到背景值( 4 0m g k f l ) ，需要种植t h l a s p i e a e r u l e s c e n s l 8 次；而把土壤含锌量降低到3 0 0 n a g k g ，仅需种植8 次。 污染土壤的重金属浓度一般比较高，而超积累植物普遍存在的问题是生物量小、生长馒、适 应性不强( 般情况下遏蓝菜每6 个月每公顷生物量只能达到2 3 吨) ( w o j c i ke ta 1 ，2 0 0 5 ) ，因此 想通过在短时间内种植一季或数季植物来测定土壤重金属全量的变化，仍有很大困难，国内至今 还没有成功的长期田间试验结果报道。普通植物主要是吸收土壤中活性态重金属，土壤中的重金 属活性和植物的生物量会受到多种因素的影响，如施用化学螯合剂( e d t a 、n t a 、d t p a 、e g t a 、 e d d a h 和有机酸可以提高土壤中重金属的活性( h u a n g e ta l ，1 9 9 8 ；k a y e re ta l ，2 0 0 0 ；c u ie ta l ， 2 0 0 4 ) 。有报道认为，种植在污染土壤中的生物量大、生长快的非超积累植物，通过施用一定量 的化学螯合剂可以提高植物对重金属的吸收( b l a y l o c k ，2 0 0 0 ) 但m c g r a t h 等人( 2 0 0 6 ) 最近的报 道说，在种植遏蓝菜的污染土壤中施用重金属剂( e d t a ，n t a 等) 和有机酸( c i t r i ca c i d 等) 并 不能促进遏蓝菜对土壤中镉、锌的吸收和向地上部的转运；植物的生物量同样受到许多因素的影 响，如灌溉、施肥、杂草和农药施用等，一般随着培养时间的延长生物量增加。同时他们还认为， 田间条件下不同的播种方式( 直播和移栽) 也会显著影响植物的生物量和植物对土壤中重金属的 吸收和转运。很显然，如果能综合考虑这些影响植物提取的诸多因素，发展出一套适台这种植物 生长的农艺栽培措施，并达到最优化，那么利用超积累植物来修复污染土壤的潜力将会大大提高。 1 4 氮素施用对根际土壤中镉、锌化学行为的影响 施肥是农业生产中必不可少的一项增产措施，即使在污染土壤上亦是如此。肥料进入土壤后 可对土壤产生一系列影响，植物生长也受到促进，这些都可能影响到植物对重金属元素的吸收( 熊 礼明，1 9 9 3 ) 。尤其是不同形态氮的施入，可以影响植物根际土壤p h 值，从而影响到重金属的 有效性。因此，研究不同彤态氮素对土壤理化性质和重金属形态分布具有较重要的意义。 施用氮素可以通过如下几种途径影响到植物对土壤中的重金属的吸收：促进植物生长： 带入竞争离子；影响土壤p h ；影响根际土壤重金属的行为；影响植物对重金属离 子的吸收和运转。下面简要介绍一下这凡个方面的情况。 1 4 1 促进植物生长 在许多生态系统中，氪( n ) 素是植物生长的主要营养元素之一，同时，也是植物生长的一 中国农业大学硕上学位论文 第一章文献综述 个主要限制营养元素。它作为植物生长所必须的大量元素之一，其生理特性被广为研究。十壤中 氩素的存在方式为无机态氮和有机态氮。高等植物可以吸收和同化的氮，包括n o ；- n 和n h 4 + - n ， 以及各种可溶性的有机形态的氮，比如尿素和氨基酸( m a r s c h n e r ，1 9 9 5 ) 。在p h 大于4 的通气 土壤中，n q 一是主要的氨形态，同时n h 4 + 浓度很低。但是，在淹水的土壤中，n 0 3 和n h 4 + 的比 例与前者相反，主要是由于硝化细菌活性的降低和n 0 3 的反硝化作用。 植物对n o i 和n h 4 的吸收、利用与植物的品种和环境条件有着极其密切的关系。水稻、黑 麦草、小麦，甜菜对n h 4 + 豹吸收要多于n o ，；而玉米、马铃薯、烟草则对n 0 3 的吸收要多1 一 n i l 4 + 。从植物吸收、转化n h 。+ 与n 0 3 一耗能来看，直接吸收、利用n h 。+ ，可以减少能量消耗， 冈为每还原一个n 0 3 ，大约要消耗1 5 个a t p 分子。因此，理论上供n h 4 + 的植株要比供n 0 3 的 植株获得更高的生物产量，然而实际上供n o ；的大多数植株常具有更大的生物量和产量( r e e d a n dh a g e m a n ，1 9 8 0 ) a 在适耕性良好的土壤上，n 0 3 是矿质氮的主要形态，大多数早地植物表现出喜硝的特性。但 是在酸性较强的土壤上，硝化作用常常受到强烈的抑制，使得土壤中n h 4 + 多于n 0 3 而成为主要的 氮源，在这种生态系统下，由于植物适应了环境。表现出喜铵的特性，这己被许多试验结果所证 实( o s b o r o n ea n dw h i t t i n g t ，1 9 8 1 ) 。关于_ n o i 和n h 4 + 对植物生长的影响，近年来国内外一直有争 论。已有的很多试验结果表明，n h 4 + 可提高冠，根比，n 0 3 。则使冠，根比下降。h a g e m a n ( 1 9 8 0 ) 指出n 0 3 。n 是增产的更为安全的化肥。研究表明这两种氮素形态对植物生长的有效程度取决于植 物种类、二者的浓度及其比例( e r r e b h ia n dw i l c o x ，1 9 9 0 ) 、土壤p h 值( r o s e ne ta 1 ，1 9 9 0 ) 以及 生长介质的缓冲能力( 陈元镇，2 0 0 2 ) 等。 重金属超积累植物在植物修复中应用的关键是提高它们的生物量。对锌超积累植物遏蓝菜来 说，旆n 则促进植株生长，提高遏蓝菜生物量，由不施肥的2 - 3 吨，公顷上升至4 - 5 吨，公顷( b e a n e t t ， 1 9 9 8 ；s c h w a r t ze ta 1 ，2 0 0 3 ) 。在一定的施n 水平下，旌p 对遏蓝菜植株干物质产量没有显著影响， 叶面施p 并不能促进檀株生长和提高地上都的锌浓度。旌肥降低遏蓝菜的含锌量，但植株生物量 显著增加，使植株地上部的锌积累总量仍因n 肥的施用而大幅度增加。这一点似乎比植物体内金 属浓度变化更有意义。因此，研究污染土壤中施用氮素对遏蓝菜重金属吸收的影响对提高植物修 复能力具有较重要的意义。 1 4 2 带入竞争离子 微量元素肥料中，锌与镉的性质最相近，溶液培养中添加锌能降低镉的吸收，s i k o r a 和w o l f ( 1 9 8 6 ) 报道往土壤中添加锌降低玉米根中镉的浓度而对地上部无影响；但也有人发现添加锌不 影响遏蓝菜对镉的吸收甚至增加镉的吸收( l o m b i ，2 0 0 0 ，2 0 0 1 ；u e n o e t a l ，2 0 0 4 ) 。邱少敏署| i 薛家 骅( 1 9 9 0 ) 研究报道，竞争性z n 2 + 、c a ：+ 、m 9 2 + 离子与c d ”离子竞争土壤中的有效吸持位并占 据部分高能吸持位，从而使土壤中镉的吸持位减少，结合松驰，特别是电子结构与c d 2 + 离，相似 的z n “的存在，不仅大大降低了土壤的镉吸持量，而且使土壤对镉的吸持力火人减弱，从而使解 吸量大大增加。影响锅有效性的个重要因素是含氯肥料带入的c i _ 离子。c f 与c d 形成络合物 的稳定常数比p b 高，远高于n i 、c u 、z n 等重金属离子。由于c l 。与c d 形成络台物使可溶态镉 6 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 增加，植物吸镉量随之增加( 曾清如，1 9 9 7 ) 。 1 4 3 影响土壤p h 土壤p h 值是土壤酸度的强度指标，土壤酸度对土壤中的物质转化、土壤矿化、生物及理化 性质有重要的影响，同时也是影响重金属在土壤中的活度和植物吸收的最重要的影响因素，它可 以改变金属离子的水解平锸，从而改变其可溶性( 王宏康，1 9 9 3 ) 。氮素的施入可以直接改变土 壤p h 值，通常是铵态氮降低p h 值，硝态氮提高p h 值。宋丽华( 1 9 9 8 ) 报道连续5 年定位施用 氯化铵结果表明耕作层p h 值下降0 9 6 1 2 个单位，说明氯化铵对士壤有一定的酸化作用，爿主 要表现在表土上( w i l l i a m s ，1 9 7 6 ) 。x i a n ( 1 9 8 9 ) 报道，当土壤p h 值从7 , 0 降至4 5 ，交换态的 镉、锌浓度增加，碳酸盐结合态的镉、锌浓度减少，同时铁锰氧化物结合态的镉、锌浓度降低。 陈怀满等人( 1 9 9 6 ) 研究表明，青黑土、黄掾壤、红壤、砖红壤在定p h 范围内，p h 升高可使 镉、锌的吸附量加大；低口h 时其吸附量显著降低。h + 和重金属离子可以通过与有机、无机离子 相竞争来改变络合平衡。氪索的施入能改变土壤p h 值的原因是氮素在形态转化过程中，为了维 持根际阴阳离子平衡，会向外界环境释放一定