土壤重金属复合污染的生态效应

土壤重金属复合污染的生态效应

1重金属复合污染对作物生态效应的影响土壤重金属污染通常是由两种或两种以上因素同时作用产生的复合污染。例如，利用土壤、废水和灌溉。近十几年来,国内外学者特别关注复合污染方面的研究,认为元素间的联合作用对作物的产量及元素在作物体内的再分配有着至关重要的影响。同时,多元素的联合作用是一个相当复杂的过程。美国Wallace等将重金属的联合作用分为协同、竞争、加和、屏蔽和独立作用。多元素相互作用产生的生态效应受多种因素的影响,诸如作物的种类、元素的不同组合、元素浓度等。本文探讨了土壤中Cd、Pb、Cu、Zn、As不同元素间复合污染对水稻生长发育的影响、复合污染物的交互作用及生态效应。两两元素之间的复合污染与重金属单元素污染对水稻生长、发育、产量和籽实中污染物含量的影响是有所不同的,通过这种差异的研究,揭示复合污染及其生态效应机理。对评价环境质量及采取污染防治措施都具有重要的意义。2试验材料和方法2.1试验土壤供试土壤为中国科学院沈阳生态站土壤-草甸棕壤,其重金属背景含量见表1。2.2vaol.3.3细胞分子供试作物为水稻(OryzasativaL.),其品种为616。插秧时每盆3穴,每穴5株。水稻在其生长过程中始终保持在淹水环境条件下,直到收获。2.3盆体污染处理试验采用室外网室盆栽试验的方法。试验用陶瓷盆钵进行,每盆装土2.5kg,两两元素与土壤充分混匀后装入盆体。复合污染物平衡2周后,栽种水稻。试验设3种处理,处理Ⅰ为对照,处理Ⅱ为单元素的土壤浓度,处理Ⅲ为两两元素交互作用的土壤浓度。每一处理重复3次。施入的污染物分别为CdCl2、Pb(Ac)2、CuSO4、ZnSO4、Na2HAsO4,污染物的投加浓度见表2。2.4元素消化性能测试土壤及植物样品Cd、Pb、Cu、Zn元素采用HNO3-HClO4湿法消化,180-80原子吸收分光光度计测试。As元素消解后,采用新银盐法比色测定。3结果与讨论3.1复合元素对水稻穗长和生成善高的影响单元素污染物与两两元素的复合污染物对水稻生长发育影响有所不同(表3)。由表3水稻生长状况可看出,单元素处理水稻株高要低于空白株高3~5cm(除Cu外),复合元素处理水稻株高要低于单元素的株高,更低于空白,与空白相比降低了4~5cm,说明复合污染处理后,多元素复合协同作用抑制水稻株高的生长。不同元素对株高的影响不尽相同,单元素Cd、Pb对株高的影响大于Cu、Zn、As的影响;复合元素时,Cd-Pb组合对株高的影响大于其它组合形式。各处理之间水稻穗长和千粒重无明显变化。就产量而言,单元素产量低于空白产量,减产幅度在3%~13%(除Pb外),而复合元素处理的水稻产量低于单元素,更低于空白,与空白相比减产幅度在20%~23%,大于单元素的减产幅度。不同处理水稻产量总的趋势为空白>单元素>复合元素。3.2土壤投加zn浓度对水稻植株c、pb含量的影响随着元素投加及污染物投放的不同,重金属在作物体内的含量有所差异。不同元素在水稻的分配见表4~表7。当土壤投加Cu浓度0、100mg·kg-1时,水稻体内的Cd含量随着土壤Cu含量的增加而增加,根、茎叶、籽实分别增加了1.1、0.101、0.011mg·kg-1,表明加Cu有促进水稻植株(根、茎叶、籽实)吸收Cd的机能,表现为Cu-Cd之间协同作用。当土壤投加Cu浓度0、100mg·kg-1时,水稻植株Cu含量水平随Cd含量的增加而下降,根、茎叶Cu含量分别下降了18.71mg·kg-1、0.313mg·kg-1,在Cd存在的情况下,植物根、茎叶对Cu的吸收表现为拮抗作用。而籽实吸收量有所增加。当土壤投加Zn浓度0、200mg·kg-1时,水稻植株体内的Cd含量随Zn浓度的增加而增加,水稻植株根、茎叶、籽实Cd含量分别增加了1.66、0.233、0.04mg·kg-1,加Zn有促进植株吸收Cd,表明Zn-Cd之间有协同作用。当土壤投加Zn浓度为0、200mg·kg-1时,水稻植株体内Zn含量随Cd含量的增加而减少,根、茎叶Zn含量减少了3.76、1.13mg·kg-1,Cd-Zn之间表现为拮抗作用。这与周启星1994报道的结果相一致。Cd-Zn相互作用时,可导致植株各器官组织累积更多的有毒元素Cd,使Zn的累积量基本处于减少的状态。当土壤投加Pb浓度为0、300mg·kg-1时,水稻植株体内Cd含量水平随着土壤中Pb含量的增加而增加,根、茎叶、籽实Cd含量水平增加了1.27、0.127、0.044mg·kg-1,Pb元素的存在促进水稻对Cd的吸收,Pb-Cd之间交互作用表现为协同作用。当土壤投加Pb浓度为0、300mg·kg-1时,水稻植株体内Pb含量水平随土壤Cd含量的增加根、茎叶Pb含量分别降低120.89、3.6mg·kg-1,Cd的存在抑制了水稻根系、茎叶对Pb的吸收,促进了籽实的吸收。当土壤投加As浓度为0、30mg·kg-1时,水稻植株体内Cd含量水平随着土壤As含量的增加而增加,根、茎叶、籽实Cd含量水平分别增加了1.129、0.372、0.036mg·kg-1,说明As元素的存在促进了水稻对Cd的吸收,As-Cd之间交互作用表现为协同作用。当土壤投加As浓度为0、30mg·kg-1时,水稻植株体内As含量水平随土壤Cd含量的增加水稻根系As含量增加,而茎叶、籽实含量降低,说明Cd的存在促进根系As的吸收,而抑制了茎叶、籽实As的吸收。由此可见,Cd-Pb、Cd-Cu、Cd-Zn、Cd-As复合污染对水稻植株体内重金属积累的影响,不仅取决于元素的浓度,而且与作物部位及元素的组合有关,并不是单纯的加和或拮抗效应。3.3土壤-植物系统重金属迁移能力就元素本身的特性来看,Cd、Pb、As为植物非必需元素,Cu、Zn为植物生长发育过程中的必需元素。因此,作物不同部位对重金属的吸收也表现出差异。从水稻吸收重金属污染物的表现来看,水稻根部吸收较多,而向地上部迁移的量较少。进入土壤中的复合污染物由根吸收向作物体内运移,并在作物体内进行再分配,其结果见表8。由表8结果显示,污染物投加土壤以后,水稻通过根系吸收重金属并进行再分配,Cd分别与Pb、Cu、Zn复合后根系分配量比单元素的分配量低,而茎叶、籽实分配量增加,说明复合污染后重金属易向地上部迁移。Cd-As复合和Cd与Pb、Cu、Zn分别复合的分配结果恰好相反。与空白比较,单元素、复合元素根系分配量增加,而茎叶、籽实的分配量相对减少。说明水稻吸收土壤中的重金属,大部分积累在根部,而向地上部的迁移量较少。水稻体内元素的迁移在此用水稻籽实吸收系数来表示。所谓水稻籽实吸收系数是指水稻籽实中某一元素的浓度与土壤中元素浓度之比,可表明土壤-植物系统中元素迁移的难易程度。单元素与复合元素吸收系数比较而言,复合元素的迁移能力大于单元素的迁移能力,复合污染后促进了水稻作物对重金属元素的吸收。5种元素迁移能力比较结果表明,Zn、Cd迁移能力最强,Cu、As次之,而Pb的迁移能力最弱。土壤吸持5种重金属的大小顺序为Pb>As>Cu>Zn>Cd。这与以往草甸棕壤5种元素吸持特性研究结果相一致。4pb、cu、zn、as含量对水稻体内cd含量的影响4.1复合污染处理水稻株高要低于单元素处理的株高,更低于空白,两两元素复合协同作用可抑制水稻株高的生长。水稻产量大小依此为空白>单元素>复合元素。4.2两两元素交互作用结果表明,Cd-Zn、Cd-Cu、Cd-Pb、Cd-As同时存在时,Cd浓度一定时,随着Pb、Cu、Zn、As浓度的增加,水稻体内Cd吸收量相应增加。Pb、Cu、Zn、As的存在对水稻吸收Cd表现为协同作用。当Pb、Cu、Zn、As浓度一定时,随着Cd含量的增加,水稻体根、茎叶Pb、Cu、Zn吸收量下降,而籽实吸收值增加。对As元素而言,水稻体根吸收量增加,