（环境科学专业论文）不同改良剂对大田水稻产量和重金属吸收的影响.pdf

水稻的产量并降低水稻中重金属含量，因此实验二仍然采用了这种措施。结果显 示，各种处理都提高了水稻的产量，t 4 处理提高水稻的产量最多，由对照的0 ，6 2 k g m 2 提高到o 7 7k g m 2 ，但不同处理之间对提高水稻产量差异不显著。与对照 相比，各处理都能降低水稻根当中的金属含景，但是对于米当中积累的金属含量 各处理与对照之间没有什么差异。结果还显示，水稻品种汕优9 9 2 比汕优8 2 积 累重金属的能力低。 实验得出，石灰+ 过磷酸钙( 0 4 0k g m 2 ) 可以降低p b 和c d 的生物可利用 性并增加其在土壤中的化学稳定性，因此可以用于控制铅和镉污染的土壤。喷施 k h z p 0 4 溶液有利于提高水稻的产量和降低水稻中重金属的含量。本研究对于重 金属污染的耕地的农用有一定的指导作用。 关键词：土壤，重金属，水稻，铅锌矿 【i e f f e c t o fd i f f e r e n ta m e n d m e n t so nr i c ep r o d u c t i o na n dh e a v y m e t a l su p t a k eb yr i c eo nf i e l dc o n d i t i o n m a j o r e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e m a s t e rc a n d i d a t e ：d i n gl i n g y u n s u p e r v i s o r s ：p r o f l a nc h o n g y u p r o f s h uw e n s h e n g a b s t r a c t c o n t a m i n a t i o no fs o i l sw i t hh e a v ym e t a l sa n dm e t a l l o i d si saw i d e s p r e a dp r o b l e m o v e rt h ew o r l d c u r r e n tt e c h n o l o g i e su s e dt or e m e d i a t ep o l l u t e ds o i la r eg e n e r a l l yt o o e x p e n s i v e i na d d i t i o n ，t h e ym a yg e n e r a t ea d d i t i o n a lr i s k sf o rt h eo p e r a t i v e sa n d p r o d u c es e c o n d a r yw a s t e s i n n o v a t i v ei ns i t ut e c h n o l o g i e st h a tr e q u i r el o wi n p u t sa n d l o wc o s ta r eu r g e n t l yr e q u i r e dt om e e tt h en e e d sf o rs o i lr e m e d i a t i o na n dc o m m u n i t y a c c e p t a n c e r e c e n t l y , l o wi n p u t ，o ns i t ea p p r o a c h e ss u c ha si ns i t uf i x a t i o na n d p h y t o e x t r a c t i o no fh e a v ym e t a l sh a v ea t t r a c t e da t t e n t i o nf o rt h e i ra b i l i t yt om e e tt h e s e c r i t e r i a i nt h e p r e s e n te x p e r i m e n t s ，w ei n v e s t i g a t e d t h ee f f e c t so fl i m e ， s u p e r p h o s p h a t ea n do r g a n i cm a t e r i a lo f fr i c ep r o d u c t i o na n dh e a v ym e t a l su p t a k eb y r i c e ar i c ef i e l dd e m o n s t r a t i o ni n c l u d i n gt w oe x p e r i m e n t sw a sc o n d u c t e di nt h ev i c i n i t y o fp b z nm i n eo fl e c h a n gc i t y ，i nt h en o r t ho fg u a n g d o n gp r o v i n c e t w od i f f e r e n t c r o pv a r i e t i e sw e r es u c c e s s i v e l yg r o w ni nt h ew e t l a n dr i c ef i e l d t h er i c ev a r i e t y s h a n y o u8 2w a sp l a n t e di nt h ef i e l da s - t h ee x p e r i m e n ti t h e r ew e r ef o u rt r e a t m e n t s ：一 t 1 ，c o n t r o l ；t 2 ，l i m e ( o 2 5k g m 2 ) ；t 3 ，l i m e + s u p e r p h o s p h a t e ( o 4 0k g m 2 ) ；t 4 ，l i m e + s u p e r p h o s p h a t e + p i gm a n u r e ( o 9 0k g m 2 ) k h 2 p 0 4s o l u t i o n ( o 3 ) w a ss p r a y e d o nt h el e a v eo fr i c ea tt h eh e a d i n gs t a g e i nt e r mo fr e d u c i n gm e t a l s a c c u m u l a t i o ni n r i c e ，t h ee f f e c to ft r e a t m e n t sf o l l o w e dt h i so r d e r ：t 3 t 4 t l t 2 t 3t r e a t m e n th a dt h e b e s te f f e c to nd e c r e a s i n gt h ec o n c e n t r a t i o no ft h em e t a l si nr i c ep l a n t ，c o m p a r e dw i t h i l l t h ec o n t r o l ，p b ，z na n dc dc o n c e n t r a t i o n si nr i c ew i t ht 3t r e a t m e n tw e r ed e c r e a s e db y 6 1 8 ，1 4 1 a n d4 5 1 ，r e s p e c t i v e l y , a n dp ba n dz nc o n c e n t r a t i o n si nr i c es t e ma n d l e a fw e r ea l s or e d u c e db y8 1 a n d4 3 t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta l lt r e a t m e n t sh a d n oe f f e c t so nt h ey i e l d so ft h er i c e e x c e p tt h ey i e l d so fr i c ew a si n c r e a s e df r o mo 61 k m 2t o0 6 8k g m zb ys p r a y i n gt h ek h 2 p 0 4s o l u t i o no nt h es u r f a c eo ft h er i c ep l a n t l e a v e t h es p r a y i n go fk h 2 p 0 4c o u l da l s or e d u c et h eh e a v ym e t a l sa c c u m u l a t i o ni n r i c e t h er i c ev a r i e t ys h a n y o u9 9 2w a sp l a n t e di nt h es a m ef i e l da st h ee x p e r i m e n t1 1 a f t e rt h eh a r v e s to fr i c ep l a n ti ne x p e r i m e n ti ，a n dl i m e + s u p e r p h o s p h a t ew a sa d d e da t d i f f e r e n tl e v e l t h e r ew e r ea l s of o u rt r e a t m e n t si n c l u d i n g ：t 1 ，c o n t r o l ；t 2 ，l i m e + s u p e r p h o s p h a t e ( o 2 5k g m 2 ) ；t 3 ，l i m e + s u p e r p h o s p h a t e ( o 5 0k g m 2 ) ；t 4 ，l i m e + s u p e r p h o s p h a t e ( 1 0 0k g m z ) t h ek h 2 p 0 4 ( o 3 ) s o l u t i o nw a ss t i l ls p r a y e do nt h e r i c ep l a n ta tt h eh e a d i n gs t a g eb e c a u s ei t se f f e c to ni m p r o v i n gt h er i c ey i e l d sa n d d e c r e a s i n gt h em e t a l sc o n c e n t r a t i o ni nr i c e c o m p a r e dw i t ht 1 ，a l lt h et r e a t m e n t s i m p r o v e dt h ey i e l d so ft h er i c e t 4t r e a t m e n th a dt h eb e s te f f e c to ni n c r e a s i n gt h e y i e l d so fr i c e ( o 7 7k g m z ) ，c o m p a r e dw i t ht h ec o n t r o l s0 6 2k g m 2 a l lt h et r e a t m e n t s d e c r e a s e dt h ec o n t e n to fm e t a l si nt h er o o to fr i c ec o m p a r e dw i t ht h ec o n t r 0 1 b u t t h e r ew a sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nh e a v ym e t a l s c o n c e n t r a t i o n si nr i c ea m o n gt h e f o u rt r e a t m e n t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er i c ev a r i e t ys h a n y o u9 9 2h a dt h el e s s a b i l i t yi na c c u m u l a t i n gt h eh e a v ym e t a l st h a nt h ev a r i e t ys h a n y o u8 2 t h eo v e r a l lr e s u l t ss u g g e s tt h a tl i m e + s u p e r p h o s p h a t e ( 0 4k g m z ) c a nl o w e rt h e b i o a v a i l a b i l i t ya n di n c r e a s et h eg e o c h e m i c a ls t a b i l i t yo fs o i lp ba n dc d ，i tt h e r e f o r e h a st h ep o t e n t i a lf o ri ns i t ur e m e d i a t i o nf o rp b a n dc d c o n t a m i n a t e ds o i l s p r a y i n g k i - 1 2 p 0 4s o l u t i o ni sb e n e f i c i a li ni m p r o v i n gc r o py i e l d ，r e d u c i n gt h ec o n t e n to fm e t a l s i nt h er i c ep l a n t t h ep r e s e n tr e s e a r c hc a ng i v eu ss o m eu s e f u lg u i d a n c ef o rt h e p r a c t i c a lp r o d u c t i o ni nh e a v ym e t a l sc o n t a m i n a t e df i e l d k e yw o r d ：s o i l ，h e a v ym e t a l ，r i c ep l a n t ，p b z nm i n e v 本研究受 国家“8 6 3 ”项目( n o 2 0 0 1 a a 6 4 5 0 1 0 3 ) 霍英东青年基金优选资助项目( n o 9 4 0 2 2 ) a c k n o w l e d g e m e n t s 资助 t h ep r e s e n tr e s e a r c hi sf i n a n c e db yt h en a n t i o n a l “8 6 3 ” g r a n t ( n o 2 0 0 1 a a 6 4 5 01 0 3 ) a n dh u oy i n g d o n gf u n da n d a w a r df o ry o u n gf a c u l t ym e m b e r se x c e l l e n ts u p p o r t e dp r o j e c t s ( n o 9 4 0 0 2 ) 中山大学硕士学位论文不同改良剂对大田水稻j 恤量和重金属吸收的影响 1 前言 1 1 重金属污染的来源及我国土壤重金属污染现状 重金属一般是指密度达4 以上的金属，如铅、锌、铜、镉、汞、砷等。土壤 重金属污染来源广泛，包括冶炼、采矿、金属加工、化工、废电池处理、电子、 制革和燃料等工业排放的三废及汽车尾气排放、农药和化肥的施用等( 陈承利和 廖敏，2 0 0 4 ；杜永等，2 0 0 4 ) 。目前我国部分地区的农业环境恶化，农田重金属 污染严重，特别是工业发达地区周围以及矿山附近的农田已经受到严重污染，特 别是南方地区，如广东省的农田重金属污染问题已经非常突出( 王志刚，2 0 0 2 ) 。 据不完全统计，我国的耕地受污染面积2 6 6 7 万h i n 2 ，其中，工业“三废”污染 1 0 0 0 万h 2 农药残留施肥污染1 0 0 0 万h m ? 。受到铅、砷、镉、汞、铬等重金属 污染的耕地近2 0 0 0 万h m 2 ，约占总耕地面积的1 5 ，其中镉污染耕地1 3 3 万h m 2 ， 涉及1 1 个省2 5 个地区；被汞污染3 2 万h ! ，涉及1 5 个省2 1 个地区( 常学秀 和施晓东，2 0 0 1 ) 。农田的重金属污染导致了农产品的污染、土壤生产力下降、 农业生态环境破坏等问题日益严重，粮食和蔬菜等农产品受重金属污染的数量急 剧增加，造成严重的经济损失( w a t a n a b ee ta 1 ，2 0 0 0 s h i m b oe ta 1 ，2 0 0l ) 。广东 省，特别是珠江三角洲地区，是全国经济发展最快的地区之一，由于工业“三废” 排入农业环境，农田的污灌，以及机动车辆的急剧增加，其农产品重金属污染问 题尤为突出( 余守武和刘宜柏，2 0 0 4 ) 。1 9 9 9 年对广东省部分基本农田保护区水 稻和蔬菜进行的监测表明，大部分农产品受到污染，部分地区的污染十分严重。 如韶关市曲江县某监测点大米中的镉( c d ) 含量最高值达1 8 6m g k g ：广i 1 花 都大米中的铅( p b ) 最高值达2 9 9m g k g ；茂名市茂南区监测点蔬菜中的p b 最 高值达2 8 7m g k g 。2 0 0 0 年对广州市主要农贸市场蔬菜的抽样调查显示，p b 含 量超标率为3 0 ，最高值达0 7 1m g k g ；c d 含量超标率为2 0 ，最高值达0 2 3 m g k g ( 夏运生等，2 0 0 4 ) 。根据目前调查和研究的结果显示，随着工农业的迅速 发展，耕地的重金属污染日益严重( 宋菲等，1 9 9 6 ；高太忠和李景印，1 9 9 9 ) 。 防治土壤污染，积极保护和有效地利用土地资源，已经成为人们关注的热点问题。 1 _ 2 铅、镉、锌污染的主要来源和危害 1 2 1 铅污染的主要来源以及对水稻和人体的危害 中山大学硕士学位论文不同改良剂对大田水稻产量和重金属吸收的影响 土壤中的铅污染主要由人类生活和生产活动造成，其中大气沉降、淤泥农用、 生活垃圾和城市废水是农业土壤铅污染的主要来源：另外铅矿的开发、含铅金属 的冶炼、有机肥料的投入以及含铅化肥和农药的施用等都直接或间接的加重了土 壤的铅污染( 李博文等，2 0 0 4 ；李丽光等，2 0 0 4 ) 。 在田间状态下，在一定程度的铅污染时，水稻的植株从外表上看与不受污染 的植株没有太大的差异，所以铅的污染不容易引起人们的重视，但是稻米中的铅 已经严重超标，因此铅的污染具有很大的隐蔽性。铅是水稻的非必需元素，但是 水稻对于铅却具有一定的富集作用。随着铅离子浓度的增高，水稻茎叶和根系中 铅的含量也增高，低浓度的铅处理能够促进植物止常的生理代谢活动，但是随着 铅离子浓度的增加，促进作用逐渐变成了抑制作用，高浓度严重阻碍作物正常的 生理活动，表现症状为叶片黄化失绿、茎叶枯萎( 刘秀梅等，2 0 0 2 ) 。顾淑华等 研究发现，当土壤中的铅含量在1 0 0 0m g k g 以上时，水稻将受到明显危害，植 株矮化，分蘖数减少，生育期推迟，根系短少，叶片白叶尖开始退绿变褐，而后 褐色蔓及叶缘，最后整个叶面出现褐色斑块，以致部分叶片枯焦，并随着中毒加 深，茎杆和叶鞘也出现褐色斑块，叶片细窄，水稻分蘖期推迟，分蘖数减少，严 重时导致枯死。夏增禄等对土壤中的铅的污染程度与水稻受到的危害程度进行了 描述，即当土壤中铅含量小于5 0 0m g k g 时，水稻能正常生长，基本不影响产量 和质量：铅含量为7 6 0m g k g 时，糙米铅含量达到卫生标准的临界量；铅含量为 1 0 5 0m g k g 时，对水稻开始产生毒害作用，可使水稻减产达1 0 ；1 0 5 0m g k g 以上中毒严重，生物量急剧下降；到4 0 0 0m g k g 时，几乎为颗粒无收。铅使水 稻生长受阻的主要原因是根系遭受毒害而丧失正常功能，减少细胞的有丝分裂速 度，抑制根系的生长，妨碍根系对养料的吸收( 廖自基，1 9 9 2 ) ；其次，铅能影 响水稻的光合作用和呼吸作用( 杨树华等，1 9 8 6 ：彭鸣等，1 9 9 1 ) ，延缓生长， 推迟成熟而导致减产。 铅进入人体后，除部分通过粪便、汗液排泄外，其余在数小时后溶入血液中， 阻碍血液的合成，导致人体贫血，出现头痛、眩晕、乏力、困倦、便秘和肢体酸 痛等；有的口中有金属味，动脉硬化、消化道溃疡和眼底出血等症状也与铅污染 有关。小孩铅中毒则出现发育迟缓、食欲不振、行走不便和便秘、失眠：若是小 学生，还伴有多动、听觉障碍、注意不集中、智力低下等现象。这是因为铅进入 中山大学硕士学位论文不同改良剂对大田水稻产量和重金属吸收的影响 人体后通过血液侵入大脑神经组织，使营养物质和氧气供应不足，造成脑组织损 伤所致，严重者可能导致终身残废。特别是儿童处于生长发育阶段，对铅比成年 人更敏感，进入体内的铅对神经系统有很强的亲和力，故对铅的吸收量比成年人 高好几倍，受害尤为严重。铅在孕妇体内积累则会通过胎盘屏障，影响胎儿发育， 造成畸形等。 1 2 2 镉污染的主要来源以及对水稻和人体的危害 镉的污染主要来源于铅锌矿和炼镉厂排放的废气、废水和废渣，大雨过后可 从矿渣堆积厂中流出大量的镉。镉有时候以粉尘状存在于空气中，降落到地上， 随雨水冲走造成污染。在铅、锌矿污染地区，常常也伴随着镉的污染。镉广泛应 用于化学工业，如塑料、染料、试剂、电镀或电机工业中，因此镉也会从这些行 业产品的生产和消费过程中流失到环境当中，对环境产生污染。另外，农田施用 磷肥、石灰及污泥等固体垃圾，在增加土壤营养元素的同时，镉的含量也会增高 ( 何述尧等，1 9 9 1 ；郭笃发，1 9 9 4 ) 。 在较低浓度时，镉对水稻的危害在外部形态上没有明显症状，但是当镉的浓 度高到一定含量时，水稻就是出现受害症状，表现为叶片失绿，出现褐色斑点与 条纹。严重受害的水稻，根系少而短，根毛发育不良( 廖自基，1 9 9 2 ) 。镉对水 稻的污染主要会导致水稻的株高降低，植株矮化，无效分蘖增多，穗实粒数减少， 秕谷率增加( 夏增禄，1 9 8 8 ：胡培松，2 0 0 4 ) ，导致这些状况的发生主要是因为 镉的污染影响了水稻的光合作用，降低了苗中的可溶性糖和淀粉的含量，阻碍了 蛋白质的合成和加速了蛋白质的分解( 王焕校，1 9 9 0 ：周建华和王永锐，1 9 9 9 ) 。 镉使糙米中粗蛋白、粗淀粉、直链淀粉、赖氨酸等含量减少，从而降低其营养价 值( 郑文娟和邓波儿，1 9 9 3 ) 。 镉对肾、肺、肝、睾丸、脑、骨骼以及血液系统均可产生毒性，被美国毒物 管理委员会( a t s d r ) 列为第六位苊及人体健康的有毒物质。镉在人体内的半衰 期长达1 0 3 0 年，并且是最容易在体内积累的毒物。慢性染镉造成的肾损伤会 危及整个肾脏，肾小管和肾小球都会出现不良症状；急性染镉会导致的肾损伤主 要表现为广泛的近曲小管坏死( m c l a u g h l i ne la 1 ，1 9 9 9 ) 。急性或长期吸入氯 化镉会引起肺部炎症、支气管炎、肺气肿、肺纤维化乃至肺癌。近年来的研究发 现，镉化合物与人类的肺癌密切相关。自1 9 8 7 年镉被国际抗癌联盟( i a r c ) 定 中山大学硕士学位论文不同改良剂对大田水稻产量和重金属吸收的影响 为i i 。级致癌物，镉还会引起肺、前列腺和睾丸的肿瘤，另外，镉还可引起骨质 疏松、软骨症和骨折等病症( 刘毅，2 0 0 3 ) 。 1 2 3 锌污染的主要来源以及对水稻和人体的危害 锌是植物必需的营养元素，也是人体所必需的生命元素，不少地区发现食物 链中缺锌，严重地影响了当地居民尤其是少年儿童的身体健康：同时，作为重金 属元素，锌又是世界公认的有害物质之一。随着经济的迅猛发展，工业“三废” 的大量排放，造成农田生态环境的污染( 其中包括锌的污染) ，致使作物减产， 并在食物链中富集，进入人体，导致一些疾病的发生。锌的土壤污染主要来源于 铅锌矿区以及有色金属冶炼厂产生的含锌废水的直接排放，污灌是形成农田锌污 染的重要原因( 刘福来，1 9 9 8 ) 。 一般认为植物含锌量大于4 0 0m g k g 时，就会出现锌的毒害。解剖学研究 表明，锌营养过剩时细胞结构破坏，叶肉细胞严重收缩，叶绿体明显减少。从形 态上来看，锌过量时植株矮小，叶片黄化 刘福来，1 9 9 8 ) 。可见，锌污染可以 抑制水稻生长，减少其产量，导致其在水稻籽粒中的大量积累，对人体造成危害 等。 锌是人体不可缺少的重要元素之一。正常成人体内含有24 2 5 克，大约是 含铁量的一半，比铜约多l o 倍。全身的锌有6 0 存在于肌肉中，3 0 存在与骨骼， 但骨骼中的锌不容易被动员到血液中来。人体中含锌浓度最高的器官是眼睛，毛 发，骨骼和性腺。足月新生儿体内含锌6 0 毫克，其中i 3 贮存于骨骼中，i 4 贮存于肝脏。缺锌会使表皮角化不全，容易脱屑，发生皮炎和毛发脱落。免疫系 统需要多种含锌的酶，故缺锌可显著降低人类的细胞免疫功能，缺锌都会对脑发 育带来严重影响如脑发育不全，智能发育迟缓，条件反射难以形成，以及注意力 涣散，理解力降低，记忆力减退等。缺锌还会引起眼睛的暗适应能力降低，甚至 造成夜盲。但是过量的锌也会对人体不利，包括对人的生长发育以及人的各个器 官的功能都会产生很大的影响。 1 3 土壤重金属污染的治理和修复的方法 1 3 1 农田污灌的历史和土壤重金属污染的特点 利用污水灌溉历史悠久，最初只是把污水作为灌溉水源利用，到1 6 世纪以后， 4 中山大学硕士学位论文不同改良剂对大田水稻产量和重金属吸收的影响 德、英、美等国相继在污灌的基础上研究发展成了利用土地处理污水，运行时间 较长的污灌系统首推澳大利亚的威里比牧场，从1 8 9 3 年开始利用污水灌溉至今已 有1 0 0 多年。早期的污灌目的是取得农业收益，很少考虑污水中污染物对土壤、 作物及地下水可能带来的危害和不利影响。我国污灌历史较长，污灌的发展从上 世纪5 0 年开始经历了由自发灌溉、迅速发展、稳定增加三个时期，在污灌面积迅 速扩大的同时，污灌对土壤一一植物系统造成的重金属污染问题开始出现( 张乃 明，1 9 9 9 ) 。 上壤污染的来源广泛，其特点有( 任旭喜，1 9 9 9 ) ： ( 1 ) 普遍性特点随着工业的发展，土壤的重金属污染已经不是哪一个 国家一个地区的事了，它可以说正在威胁着每一个国家，成为一个 世界性问题，我国己有很多城市的郊区遭到了不同程度的重金属污 染。 ( 2 ) 表聚性特点土壤中重金属污染物大部分残留在土壤的耕作层o 2 0 厘米，很少向土壤的下层移动。 ( 3 ) 隐蔽性特点土壤污染一般不易发现，因为它没有什么明显颜色的 呈现或者特别气味的产生，通过人的感官很难发现，只有积累到一 定程度才通过植物进入食物链，从而影响到人的健康。 ( 4 ) 不可逆性特点土壤中重金属的长期积累引起土壤结构和功能的严 重变化，重金属一般也很难去除，无法降解，所以土壤一旦污染将 很难恢复。 l3 2 土壤重金属污染的治理和修复技术 工程措施它是指利用物理( 机械) 、物理化学原理治理严重污染的土壤并 且工程量比较大的一类方法。它包括客土、换土、去表土、深耕翻土法( 李永涛 和吴启星，1 9 9 7 ：陈志良和仇荣亮，2 0 0 2 ：邱延省等，2 0 0 3 ) 、电动修复、土壤 淋洗、热解吸法和玻璃化技术( 陈承利和廖敏，2 0 0 4 ) 。电动修复原理是在污染 土壤中插入电极对，并通过低直流电形成电场梯度，土壤中的污染物质( 包括重 金属离子和有机污染物) 在电场作用下向电极室运输，主要通过电迁移、电渗流 或电泳的方式被带到电极两端，系统收集起来进行集中处理，从而达到修复污染 土壤的目的，并可回收重金属( 龙新宪和杨肖娥，2 0 0 2 ；佟洪金等，2 0 0 3 ；周东 中山大学硕士学位论文不同改良剂对大田水稻产量和重金属吸收的影响 美和邓昌芬，2 0 0 3 ) ；土壤淋洗是用淋洗液( 清水或含有能提高重金属可溶性试 剂的溶液) 来淋洗污染土壤，把土壤固相中的重金属转移到土壤液相；热解吸法 是对污染土壤加热升温( 常用的加热方法有蒸气、红外辐射、微波和射频) ，使 土壤中的挥发性污染物( 重金属主要是汞、硒) 挥发并收集起来进行回收再集中 处理；玻璃化技术是把重金属重污染区土壤置于高温高压条件下，使其形成玻璃 态物质，重金属固定于其中，达到消除重金属毒性的目的( s a l te ta 1 ，1 9 9 5 ) 。 改良措施施用改良剂、抑制剂等能有效地降低重金属的水溶性、扩散性和 生物有效性，从而降低它们进入植物体、微生物体和水体的能力，减轻它们对生 态环境的危害( 熊礼明和鲁如坤，1 9 9 2 ：李永涛和吴启堂，1 9 9 7 ) 。它包括固化 方法、添加还原性有机物和拮抗作用( 华珞和陈世宝，1 9 9 8 ) 。固化作用就是加 入土壤固化剂来改变土壤的理化性质，并通过重金属的吸附或沉淀作用来降低其 生物有效性( 廖敏等，1 9 9 8 ) 。还原性有机物分解生成有机酸，通过其活性基团 与重金属络合或螫合，从而影响重金属的有效性( 王新等，1 9 9 4 ：熊礼明，1 9 9 4 ； 佟洪金等，2 0 0 3 ) 。拮抗作用是指土壤环境中重金属之间具有拮抗作用，因此可 向某一种金属元素轻度污染土壤中施入少量的对人体没有危害或有益的与该金 属有拮抗的另一种重金属元素，减少植物对该重金属的吸收以及土壤中重金属的 有效态。 农业措施农业措施是因地制宜地调整一些耕作管理制度以及在污染土壤 上种植不进入食物链的植物等，从而改变土壤中重金属活性，降低其生物有效性， 减少重金属从土壤向作物的转移，达到减轻其危害的目的( 牟仁祥等，2 0 0 4 ；李 德成等，2 0 0 4 ) 。农业措施主要包括控制土壤水分、改变耕作制度、调整作物种 类、合理施用有机肥等( 孙吉林等，2 0 0 2 ) 。 生物修复生物修复是指利用生物措施治理环境污染的技术( 夏立江等， 1 9 9 8 ) 。土壤中重金属生物修复主要技术有：( 1 ) 通过生物作用改变重金属在 土壤中的化学形态，使重金属固定或解毒，降低其在土壤环境中的移动性和生物 可利用性：( 2 ) 通过生物吸收、代谢达到对重金属的削减、净化与固定作用( 温 志良等，1 9 9 9 ) 。植物修复则是指利用能忍耐或超积累某种或某些重金属的特性 来修复重金属污染土壤的技术总称。植物修复的过程既包括对污染物的吸收和清 除，也包括对污染物的原位固定或分解转化，即植物萃取技术、植物固定技术、 6 中山大学硕士学位论文 不同改良剂对大田水稻产量和重金属吸收的影响 根系过滤技术、植物挥发技术、根际降解技术( 韦朝阳和陈同斌，2 0 0 2 ) 。微生 物修复是利用土壤中的某些微生物对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原作用， 从而降低土壤中重金属毒性的技术( 王宏树等，1 9 8 7 ) 。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 国内研究现状 李瑞美等人通过田间试验，采用钙镁磷肥、泥碳、猪粪、钙镁磷肥+ 猪粪、 钙镁磷肥+ 泥碳等处理对一重金属污染农田进行改良，试验表明，大部分处理能 提高土壤的p h 值，并且除了泥碳以外的处理都能显著提高水稻的产量，大部分 处理能抑制水稻对镉和铅的吸收，说明通过调节土壤p h 值，改变土壤的活性能 够对污染的土壤进行改良( 李瑞美等，2 0 0 2 ) 。不同有机酸对水稻吸收铅的研究 表明，柠檬酸和草酸能降低水稻对铅的吸收，水稻子粒中的铅含量能显著降低( 李 玉红等，2 0 0 2 ) 。陈世宝等人研究了不同含磷化合物对中国芥菜铅吸收特性的影 响，研究利用了羟基磷灰石、磷矿粉、磷酸氢钙等物质，结果表明，在5 0 0 0m g k g 的磷的水平对降低植物茎叶和根中铅的含量有明显作用，其中羟基磷灰石对降低 土壤中铅的植物有效性的效果最明显，它在5 0 0 0m g k g 的水平对植物茎叶和根 组织中的铅含量分别降低5 2 2 和7 3 1 ，结果表明羟基磷灰石对降低土壤中铅 的生物有效性、增加污染土壤中铅的化学稳定性具有明显的效果( 陈世宝和朱永 官，2 0 0 4 ：z h ue ta 1 ，2 0 0 4 ) 。针对铅的污染，有人利用石灰、腐殖酸、硫化 钠降低铅的植物可利用性，结果表明，不同石灰用量均能明显抑制铅向植物迁移， 并发现石灰施用量为1 0 0g k g 的时候，对铅的抑制效果最明显，腐殖酸和硫化 钠都对铅有抑制作用，这三种添加剂均能使植物根部的铅分配系数下降，而茎、 叶当中的铅分配系数上升( 陈宏等，2 0 0 4 ) 。石灰、钙镁磷肥、高岭土、海泡石 改良剂用于对铅镉污染稻田的研究，这四种改良剂分成低、中和高三种水平施入 水稻田内进行比较研究，结果发现除中高量石灰处理外，其他各处理均能改善水 稻的生长发育，促进干物质产量，提高产量；所有处理均可在一定程度上降低土 壤和糙米中有效铅镉含量( 屠乃美等，2 0 0 0 ) 。王新等人采用田问实验的方法， 研究了在复合污染土壤上用石灰+ 钙镁磷肥处理对重金属迁移、积累影响及重金 属的作物效应，结果表明，这种处理可减少重金属向作物籽粒的迁移和积累，特 别是对铅、镉和砷三种元素，改良后，水稻对镉的吸收降低3 1 5 5 5 ，对铅吸 中山大学硕士学位论文不同改良剂对大田水稻产量和重金属吸收的影响 收降低2 3 4 5 7 8 ( 王新和吴燕玉，1 9 9 5 ) 。李瑞美等人也研究了石灰和有机 物料配施对作物吸收镉和铅的控制效果，其实主要用了石灰，泥炭，猪粪，以及 他们的组合，发现大部分处理能提高土壤的p h 值和有机质含量，石灰、石灰+ 泥炭、和石灰+ 猪粪对提高作物产量有显著效果，大部分处理降低了水稻和花生 对铅和镉的吸收，是糙米中铅降低到食品卫生范围以内( 李瑞美等，2 0 0 3 ) 。张 亚丽等人利用有机肥料对镉污染的土壤进行了改良，结果表明，有机物料的施用 明显降低了土壤中有效镉的含量，其中猪粪效果最好( 张亚丽等，2 0 0 1 ) 。泥炭、 钢渣和炉灰也被用于控制水稻吸收镉，结果显示钢渣对镉的控制效果最好，主要 可能因为它含有大量的硅( c h e ne ta 1 ，2 0 0 0 ) 。还据报道，硒和锌的化合物也 能抑制重金属铅和镉向植物体内迁移( h ee ta 1 ，2 0 0 4 ) ，杨兵等人也发现生活 垃圾也有助于植物在尾矿中生长( y a n ge ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 1 4 2 国外研究现状 早在1 9 9 9 年，就有人研究用羟基磷灰石作为改良剂去修复重金属污染的土 壤，三种不同的羟基磷灰石重量百分比浓度被应用到污染的土壤，它们分别为 0 5 、1 和5 ，结果显示，p b 、z n 、c u 和c d 的可交换态都有所下降，0 5 和 1 两种浓度的施用下恢复了作物生长能力，但是5 的施用量又抑制了植物的生 长；此改良剂能降低植物的叶子当中的重金属含量，但是影响了植物对m n 元素 的吸收，两种低剂量的施用降低了植物对重金属的吸收，但是高浓度的剂量增加 了z n 、c u 和n i 的吸收，并且与对照比较，羟基磷灰石的施用增加了a s 的吸收， 这和土壤当中的p o 。2 一浓度有关，总的来说羟基磷灰石可以降低植物对重金属的 吸收，但是也会使一些金属更容易被植物吸收( b o i s s o ne ta 1 ，1 9 9 9 ) 。还有 人在酸性红壤的田间应用草木灰、有机肥和化学肥料添加到土壤当中，研究这三 种添加剂对水稻和芥菜的生长影响和重金属吸收的影响，结果发现它们都能提高 作物的产量，草木灰的使用能降低水稻的籽粒和茎叶当中的c d 和n i 的含量，应 用草木灰能提高土壤当中的有效磷，因此结合施用这三种试剂能提高植物的产 量，改变土壤的p h 值、有机质和植物可利用的n 、p 和k 含量( r a u t a r a ye ta 1 ， 2 0 0 3 ) 。用磷来控制土壤当中的铅污染已经做了很多研究，在一个废弃的电池回 收的地方，铅污染非常严重，有人利用h 3 p o 。、h 。p o 。+ c a ( 心p o 。) 。、h ，p 0 ；+ 磷灰 石这三种试剂控制土壤当中的铅，并且提出乩p o ；可以很好的控制土壤中铅的活 中山大学硕士学位论文不同改良剂对大田水稻产量和重金属吸收的影响 性，但是容易造成土壤的二次污染( m e l a m e de ta 1 ，2 0 0 3 ) 。另外，铁矾土( 红 泥) 能有效结合土壤当中的重金属，使土壤溶液当中的金属含量降低，使交换态 的金属变成了铁锰氧化物结合形态，并且提高了土壤的p h 值，这对于土壤中金 属形成氢氧化物沉淀提供了条件( l o m b ie ta 1 ，2 0 0 2 ) 。应用含磷化合物和含 锰化合物也能抑制土壤中的有效态铅，防止植物的吸收( h e t t i a r a c h c h ie ta 1 ， 2 0 0 0 ) 。总之，国外研究也是主要利用含磷的化合物来控制土壤中的铅。 1 5 选题背景与意义 由于韶关铅锌矿的开采和冶炼对周围的生态环境已经造成了严重的污染，对 此中山大学的生命科学学院和香港浸会大学在过去的十年做了大量的研究工作 ( 束文圣等，2 0 0 3 b ：杨清伟等，2 0 0 3 ；y a n ge ta 1 ，2 0 0 3 ) 。杨清伟等对乐昌 市的生态环境调查发现，该地方的农产品( 粮食、蔬菜和家禽等) 都有不同程度 的重金属污染( 杨清伟博士论文，2 0 0 4 ) ，因此为了人的身体健康，在植物修复 和土壤重金属污染治理工作还不理想的情况下，采取一下简单的农业措施和一些 常用的改良剂来缓解重金属污染对农产品的危害显得非常重要。 前面已经列举了很多土壤重金属污染的治理方法，但是每一个方法都有它的 局限性和缺点，比如机械物理方法只适用于污染面积小且非常严重的土壤，化学 方法也具有同样的问题，并且化学方法还面临着可能会因施加的化学物质造成土 壤的另一种新的污染以及对地下水的污染等问题，而利用生物的方法治理土壤重 金属污染仍然处于理论研究阶段，并且植物的生长受到很多外在的气候，土壤条 件等多方面的因素限制，目前发现的超富集植物也都是生物量小，生长条件受气 候影响大，种类少，可富集的金属种类也少等问题，微生物的修复也只是处于研 究阶段，一时难以应用到实际的土壤重金属污染治理的工作当中去，因此，对一 些简单有效的，对土壤环境影响小的改良措施的研究工作还必须继续下去，这对 目前的污染治理工作起到很好的补充作用，为农产品打入国际市场提供及时的帮 助。 试验所用的改良剂为石灰、过磷酸钙和猪粪，喷施的溶液是磷酸二氢钾溶液， 这些改良剂价格便宜，容易购买，且已经有很多试验说明这些试剂对控制土壤中 的重金属有一定的作用，但是就这几种试剂的组合还没有人做个类似的研究，特 别是用在水稻的叶面喷施磷溶液来抑制重金属向水稻的籽粒中迁移的研究，没有 中山大学硕士学位论文不同改良剂对大田水稻产量和重金属吸收的影响 关于这方面研究的报导，实验有一定的创新意义。 本实验采取田间试验，试验用的水稻品种是当地农民常年种植的品种，农田 的管理措旖和周围的大田相同的管理，农药和化肥等农业生产资料也是使用当地 方人们一贯使用的物料。因为田间试验更能直接反应实际农业生产的问题，它与 实验室的模拟试验有所不同，模拟试验的很多条件都是人为控制的，如土壤当中 的重金属是人为加入的，它和自然界当中长期沉积形成的结合形态有很大的差 别，并且施加的重金属和土壤之间很难混合的均匀，重金属的化学形态和自然污 染的土壤中的金属形态也不同，另外，主要的差别还存在于大田的水稻生长情况 和实验设计的小试验箱里面的生长状况完全不同，野外大田里面水稻的生长环境 主要受到气候，天气等自然因素影响，但是实验室的模拟试验很多是在温室里面 培养的，受自然环境因素影响小，所以它的实验结果不一定可以被应用到实际生 产当中去，或者即使是可以在实际生产应用也需要很多的改进。而本实验设计的 一开始就是以实际生产为基础，考虑很多实际生产当中的问题，如生产的投资大 小，生产原料的获取是否容易，耕作方法的简便与否以及是否与正常管理相一致 等诸多问题，本实验结果真实可靠，实际应用操作方法简单易行，生产投资增加 幅度小，有利于农业生产，对水稻的产量和质量都有一定的提高。 1 6 研究内容和技术路线 本研究主要有二部分组成：第一部分主要为了从石灰、石灰+ 过磷酸钙、石 灰+ 过磷酸钙+ 猪粪三种成分的改良剂中选出一种最好的改良剂，并且分析在对 水稻孕穗期进行其叶面喷施含磷溶液( 磷酸二氢钾) 是否能够降低重金属在水稻 籽粒中的含量，另外看这几种措施能否提高水稻的单位面积产量，是否改善了水 稻的生长条件，并且控制土壤中的重金属向水稻体内的迁移。第二部分的内容主 要是根据第一个实验结果，将选出的最佳改良剂的农业施用量进行定量，找出最 合理的改良剂施用量。 具体研究内容如下： 实验一：在乐昌市铅锌矿附近选择一块受重金属污染的农田，通过对按照实 验设计土壤施加上述改良剂，在水稻成熟收割后计算不同处理下的单位面积产 量，采集植物和土壤样品进行分析测定，主要测定水稻的根、茎叶、稻壳和稻米 当中的铅、锌、镉的含量，与水稻生长地点相对应的土壤当中的这四种金属的总 l 0 中山大学硕士学位论文不同改良剂对大田水稻产量和重金属吸收的影响 量和d t p a 提取的有效态含量，土壤的p h 值和有机质含量等，根据实验所得数据 找到重金属在水稻体内的分布规律和不同重金属的迁移能力，并分析造成这些差 异的原因，最终通过比较不同处理的数据结果找到适合这种类型土壤的最佳的改 良剂。 实验二：利