土壤重金属CuNi的植物毒性及生态风险评价

黄锦孙

专业：环境科学研究方向：农田土壤重金属污染修复技术

土壤重金属Cu、Ni的植物毒性及生态风险评价1/45汇报内容研究背景研究内容研究结果结论与展望致谢2/45研究背景农业活动我国土壤Cu、Ni污染来源农产品人体农作物工业活动畜禽粪便和有机肥施用

杀菌剂施用化肥施用污水灌溉农田土壤工业废水、矿山废水等3/45研究背景国内土壤重金属毒理学和风险评价研究滞后；环境质量标准缺乏毒理学数据；过去方法不尽合理国内外土壤重金属研究文献统计（2000－2005）(马义兵，未发表）4/45研究背景国内土壤重金属环境质量标准是基于短期盆栽试验结果忽视了室内短期盆栽试验和长期田间试验的差别老化对田间Cu、Ni毒性阈值的影响（XYGuo,2010）5/45汇报内容研究背景研究内容研究结果结论与展望致谢6/45主要内容和方案

框图田间试验Cu、Ni毒害及累计规律盆栽实验测定生物量，Cu、Ni含量计算田间实验毒性阈值小麦、玉米、水稻、油菜的生物量比较研究土壤Cu和Ni植物毒害的室内和田间实验差别干湿交替影响盆栽毒性阈值干湿交替实验土样采集处理大麦根伸长测试土壤相关参数测定毒性变化研究内容-技术路线7/45研究内容-研究目标1.研究Cu、Ni对小麦、油菜、水稻的毒害作用及在秸秆和籽粒中的累积规律4.发现土壤外源Cu、Ni在田间和实验室中毒性阈值的差别及机理。比较及优化不同的生态风险评价方法研究目标3.了解干湿交替模式下土壤性质的变化、外源Cu、Ni的形态和植物毒性的变化2.研究田间外源Cu、Ni的老化对小麦、油菜、玉米、水稻的毒性变化规律8/45研究内容-田间试验土壤：潮土，水稻土，红壤作物：小麦，油菜，玉米，水稻土壤处理：添加CuCl2,NiCl2（2007年），8水平，各重复2次测定指标：测定秸秆和籽粒生物量，测定秸秆和籽粒Cu、Ni浓度，计算EC10，EC50和EC90

注：EC10、EC50和EC90分别指，与对照相比植物生长受到10%、50%和90%抑制时壤中外源Cu或Ni的添加剂量。9/45研究内容-田间试验祁阳德州嘉兴各32小区10/45研究内容-盆栽实验土壤：潮土，水稻土土，红壤植物：小麦，油菜，，玉米，水稻稻试验方法：轮作作物与当当地相同，栽栽培6周后测定地上上部生物量。。求出不同植植物EC10，EC50和EC90。与田间比较较，观察Cu、Ni毒性阈值的差差别，分析可可能机理。11/45研究内容-盆栽实验小麦、油菜盆盆栽培养情况况12/45研究内容-干湿交替实验验土样分别经过过0、1、3个干湿交替周周期处理，根根据ISO-11269(1),测量栽培5天后大麦的根根长,求出EC10，EC50，EC90所需测定的土土壤参数：1）土壤溶液的的pH，EC，DOC浓度2）连续续提取取的Cu、Ni的水溶态态、可可交换换态、、EDTA结合态态的浓度找出其其相关关性，，做出出多元元回归归方程程13/45研究内内容-干湿交交替实实验保持最最大持持水量量60%，稳定7天取1700g，40°°C烘干至至恒重重新鲜土土样2000g保持最大持水量60%，稳定7天40°C烘干至恒重40°C烘干至恒重（0）取300g，大麦麦根伸伸长，，测定定参数数干湿交交替处处理（1）取300g，大麦麦根伸伸长，，测定定参数数（3）取300g，大麦麦根伸伸长，，测定定参数数14/45研究内内容-干湿交交替实实验土壤干干湿交交替处处理时时间15/45研究内内容-干湿交交替实实验16/45研究内内容-干湿交交替实实验CKCu1Cu7Cu2Cu3Cu5Cu6Cu4山东德州大麦根伸长培养部分大大麦根根伸长长实验验17/45汇报内内容研究背背景研究内内容研究结结果结论与与展望望致谢18/45研究结结果-CuNi毒害与与累积积（小小麦））随着土土壤中中Cu､､Ni的添加加剂量的的增加加,小麦籽籽粒和和秸秆秆的生物量量逐渐渐减小小土壤Cu和Ni的添加加对田田间小小麦籽籽粒和和秸秆秆生物量量的影响响（祁祁阳））19/45研究结结果-CuNi毒害与与累积积（小小麦））田间试试验小小麦的的重金金属毒毒性阈阈值(mg.kg-1).（祁阳）（括号内的数值值为在95%置信区间内阈阈值的范围.）土壤添加高于于106mg.kg-1的Cu或高于51.3mg.kg-1的Ni使小麦植株死死亡Cu、Ni的添加剂量分分别为19.5和27.4mg.kg-1时，小麦发生生中毒症状重金属籽粒秸秆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研究结果-CuNi毒害与累积（（小麦）小麦地上部分分中Cu的累积（mg·kg-1）（德州）土壤Cu浓度籽粒Cu含量秸秆Cu含量05.234.55507.585.571007.225.762006.796.254006.017.1880010.519.26160010.3512.95320010.3518.92Cu在小麦秸秆中中的积累随土壤添加量量的增加而增增加；而在籽粒中，Cu的累积量在达达到一个值以以后趋于稳定定21/45研究结果-CuNi毒害与累积（（小麦）1591Ni在小麦籽粒和和秸秆中的累累积量随着土土壤中Ni的添加量增加加，浓度不断断上升土壤Ni浓度籽粒Ni含量秸秆Ni含量00.163.08501.263.461001.763.782003.603.324004.344.298008.576.11160012.148.58320025.3326.19小麦地上部分分中Ni的累积（mg·kg-1）（德州）22/45研究结果-CuNi毒害与累积（（油菜）重金属籽粒秸秆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)田间试验的重重金属毒性效效应(mg.kg-1).（嘉兴）（括号内的数值值为在95%置信区间内阈阈值的范围.）油菜籽粒对Cu和Ni的毒性均比秸秸秆敏感。相同浓度的Ni对油菜的毒害害作用显著大大于Cu；＜23/45研究结果-CuNi毒害与累积（（油菜）油菜地上部分分中Cu、Ni的累积（mg·kg-1）（嘉兴）当土壤Cu、Ni浓度高于某一一值（约100mg·kg-1）时，对Cu、Ni在油菜体内的的累积含量趋趋于稳定；在油菜体内，，Cu秸秆>Cu籽粒，而Ni籽粒>Ni秸秆。24/45研究结果-CuNi毒害与累积（（水稻）重金属籽粒秸秆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)田间试验水稻稻的重金属毒毒性阈值(mg.kg-1).（嘉兴）（括号内的数值值为在95%置信区间内阈阈值的范围.）水稻秸秆和籽籽粒对Cu和Ni毒性的敏感程程度相近（低低浓度时秸秆秆比籽粒敏感感）；Cu、Ni对油菜的毒害害作用相近。。25/45研究究结结果果-CuNi毒害害与与累累积积（（水水稻稻））水稻稻地地上上部部分分中中Cu、Ni的累累积积（mg··kg-1）（嘉兴兴））水稻稻对对Cu的累累积积先先增增加加后后降降低低（（在400-800mg•kg-1出现现峰峰值值））；；秸秆秆Cu的平平均均含含量量为为籽籽粒粒的的2.23倍，，可可见见Cu更容容易易在在水水稻稻秸秸秆秆中中累累积积。。秸秆秆11.8mg••kg-1籽粒粒5.3mg••kg-1籽粒粒Ni的含含量量变变化化符符合合Mitscherlich方程程（（r2=0.994,n=7,p<0.001）；；秸秆秆Ni的含含量量随随着着土土壤壤外外源源Ni的增增加加而而线线型型增增加加（（r2=0.908,n=7,p<0.001）26/45研究究结结果果-CuNi毒害与累积（（水稻）小结1、随着土壤中Cu､Ni的添加剂量的的增加,作物籽粒和秸秸秆的生物量量逐渐减小。2、德州土壤中中使小麦出现现中毒症状（（10%减产）的土壤壤Cu浓度为323mg.kg-1，Ni的毒性在德州州土壤中已经经失活；祁阳阳土壤中使小小麦出现中毒毒症状（10%减产）的土壤壤Cu浓度为19.5和27.4mg.kg-1，油菜为79和34mg.kg-1，水稻为142和221mg.kg-1.3、随土壤Cu、Ni浓度的增加，，小麦对Cu，水稻对Ni的累积在籽粒粒中先增加后稳定定，在秸秆中为为线性增加;Cu、Ni在油菜籽粒和秸秸秆中的累积规律律都为先增加后趋于于稳定；Cu在水稻籽粒和和秸秆中的累累积量先增加后减小小；Ni在小麦籽粒和和秸秆中都呈呈线性增加。27/45研究结果-老化作用2008-2010年重金属对小小麦毒性的变变化（以祁祁阳为例）评价指标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研究结果-老化作用2007-2009年重金属对水水稻毒性的变变化（嘉兴兴）评价指标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研究结果-老化作用小结德州和祁阳土土壤中外源Cu的毒性先增强，再降降低，外源Ni在德州土壤中中生物毒性迅速失活，而在祁阳土土壤中毒性增加；在嘉兴土壤中中外源Cu、Ni对油菜的毒性性先增强后趋于于稳定，而对水稻的的毒性不断降低低。外源Cu、Ni进入土壤后，，其毒性变化化的规律并非非随着时间的的增加而呈简简单的减小，，与土壤性质、受受试植物类型有关。30/45研究结果-干湿交替实验验土壤溶液pH值的变化与干干湿交替周期期数无明显关关系;土壤溶液电导导率随周期数数先增加后降降低;土壤溶液DOC浓度随干湿交交替周期数先先降低后增加加;31/45研究结果-干湿交替实验验采集地点添加量周期数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研究结果-干湿交替实验验CKCu1Cu7Cu2Cu3Cu5Cu6Cu4山东德州大麦根伸长实实验数据经过3个周期的干湿湿交替处理，，大麦根伸长长毒性测试的的EC50不断增大，说明Cu发生老化，毒毒性降低。周期数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研究结果-干湿交替实验验小结3个实验点位的的土壤经过干干湿交替处理理之后，土壤壤孔隙水pH、电导率（EC）和土壤孔隙隙水可溶性有有机质浓度（（DOC）并无明显规规律。3个周期的干湿湿交替处理对对Cu、Ni的形态分布无无明显影响，，经过干湿交交替处理，土土壤外源CuNi的生物毒性变变化无明显规规律。34/45研究结果-田间和盆盆栽比较较田间和温温室盆栽栽实验用log-logistic方程进行行拟合，，得出的的Cu的剂量－－效应曲曲线比较较。35/45研究结果果-田间盆栽栽比较结果果：：1）以盆栽栽试验验EC10作为指指标对对田间Cu污染进进行生生态风风险评评价时时，对对Cu毒害风风险的的评价价不会会出现现显著著差别别。2、以相相同方方法得得出的的EC50作为评评价指指标时时，则则会显显著低估土壤中Cu对田间小麦、、油菜、玉米米和水稻生长长的毒害。根据log-logistic方程进行拟合合计算得出的的Cu的毒性阈值比比较作物地点EC10EC50田间实验室田间实验室小麦德州201(150~270)122(30~495)771(678~877)1559(997~24379)祁阳40(21~75)297(149~593)81(61~107)689(544~871)油菜嘉兴33(10~114)23(2~234)132(76~230)1102(406~2991)玉米祁阳94(51~173)23(3~204)132(108~161)220(98~494)水稻嘉兴40(21~75)51(15~167)81(61~107)286(162~506)36/45研究结果-田间盆栽比较较田间和温室盆盆栽实验用log-logistic方程进行拟合合，得出的Ni的剂量－效应应曲线比较。。37/45作物地点EC10EC50田间实验室田间实验室小麦德州--(--~--)--(--~--)--(--~--)--(--~--)祁阳14(9~21)161(57~452)23(17~31)597(283~1260)油菜嘉兴24(12~40)79(69~91)49(31~77)87(81~93)玉米祁阳18(12~27)13(3~52)32(27~38)104(61~178)水稻嘉兴--(--~--)408(121~1376)--(--~--)794(360~1749)研究结果-田间盆栽比较较根据log-logistic方程进行拟合合计算得出的的Ni的毒性阈值比比较结果：以实验室盆栽方式评价土壤壤外源Ni污染时，会显显著低估土壤中Ni对祁阳田间小麦、玉米以以及嘉兴油菜菜的毒害，而而会高估Ni对嘉兴水稻的毒毒害。38/45小结以实验室盆栽栽试验EC10作为指标对田田间Cu污染进行生态态风险评价时时，对Cu毒害风险的评评价不会出现显著著差别；以相同方法法得出的EC50作为评价指标标时，则会显著低估土壤中Cu对田间小麦、、油菜、玉米米和水稻生长长的毒害。以实验室盆栽栽方式评价土土壤外源Ni污染时，会显著低估土壤中Ni对祁阳田间小小麦、玉米以以及嘉兴油菜菜的毒害，而而会高估Ni对嘉兴水稻的的毒害。研究结果-田间盆栽比较较39/45研究结果-全文结论40/45（1）随着土壤中Cu､Ni的添加剂量的的增加,作物籽粒和秸秸秆的生物量量逐渐减小；；小麦对Cu，水稻对Ni的累积在籽粒粒中先增加后后稳定，在秸秸秆中为线性性增加，小麦麦对Cu和水稻对Ni的吸收机制相相类似，均有有阻止重金属在在生殖部位中中过量积累的的机制;Cu、Ni在油菜籽粒和和秸秆中的累累积增加后稳稳定于相应值值，说明油菜菜有阻止重金金属Cu、Ni在植株中过量累积的机机制；Cu在水稻籽粒和和秸秆中的累累积量先增加加后减小，过过量的Cu可能干扰了水稻对对营养元素的的吸收，高浓度的Cu、Ni将影响水稻植植株的正常发发育；（2）德州、祁阳和和嘉兴土壤中中外源Cu、Ni对小麦、油菜菜、玉米和水水稻的毒性，，随着老化时时间的增加呈呈现出不同变变化规律。外源源Cu、Ni进入入土土壤壤后后，，其其毒毒性性变变化化的的规规律律并并非非随随着着时时间间的的增增加加而而呈呈简简单单的的减减小小，，与与土土壤壤性性质质、、受受试试植植物物类类型型有有关关。。(3)3个实实验验位位点点的的土土壤壤经经过过干干湿湿交交替替处处理理之之后后，，土土壤壤孔孔隙隙水水pH、电电导导率率（（EC）和和可可溶溶性性有有机机质质浓浓度度（（DOC）的的变变化化并并无无明明显显规规律律。。3个周周期期的的干干湿湿交交替替处处理理对对Cu、Ni的形态态分分布布及及生生物物毒毒性性无明明显显影影响响。。(4)以实实验验室室盆盆栽栽试试验验EC50作为为评评价价指指标标时时，，则则会会显著著低低估估土壤壤中中Cu对田田间间小麦麦、、油油菜菜、、玉玉米米和和水水稻稻的毒毒害害和和Ni对祁祁阳阳田田间间小麦麦、、玉玉米米以以及及嘉嘉兴兴油