共存元素影響下干旱區(qū)綠洲土壤—蔬菜系統(tǒng)中Cd污染化學(xué)行為的盆栽實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、在農(nóng)業(yè)土壤的污染物中，重金屬污染物所引發(fā)的農(nóng)產(chǎn)品安全問題已經(jīng)受到了全球各界的高度關(guān)注。長(zhǎng)期的污水灌溉、化肥使用以及工業(yè)廢渣的堆放是造成重金屬元素在農(nóng)用土壤表層積累的最主要原因。河西走廊是我國(guó)干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)最發(fā)達(dá)的區(qū)域，在該地區(qū)，以有色金屬冶煉和化工業(yè)為主的第二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)起到了極大的推動(dòng)作用，但對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響也非常突出。在原本匱乏的水資源利用條件下，污水灌溉現(xiàn)象在當(dāng)?shù)仄毡榇嬖?，加之農(nóng)藥和化肥的大量使用，造成重金屬污染物殘存在動(dòng)

2、植物以及人類的生存環(huán)境中，對(duì)人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
　　 在河西走廊地區(qū)，重金屬在土壤-蔬菜系統(tǒng)中的化學(xué)污染行為研究工作開展起步較晚，系統(tǒng)的試驗(yàn)研究以及元素復(fù)合污染研究幾乎是一片空白。本文通過野外盆栽試驗(yàn)，選擇干旱區(qū)綠洲土壤，以油菜、芹菜、胡蘿卜三種蔬菜為供試材料，以Cd、Pb、Zn、Ni四種重金屬為基線，探討與Cd共存的Pb、Zn、Ni在分別與之作用時(shí)的土壤、蔬菜污染化學(xué)行為表現(xiàn)，掌握特殊生境對(duì)四種重金屬單獨(dú)作用和共存作用下的

3、影響，明確蔬菜對(duì)Cd及其共存元素的吸收和累積特征，并通過合理的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析構(gòu)建土壤重金屬總量和重金屬形態(tài)、蔬菜吸收之間的關(guān)系模型，為建立干旱區(qū)土壤重金屬在土壤-蔬菜系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、改善干旱區(qū)綠洲土壤環(huán)境質(zhì)量、控制蔬菜重金屬污染、建設(shè)綠色蔬菜生產(chǎn)基地、保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供理論支撐。論文主要研究結(jié)果如下：
　　 (1)在未添加外源污染的干旱區(qū)綠洲土壤中種植油菜、芹菜、胡蘿卜三種蔬菜后，土壤中Cd主要以鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)存在

4、，可交換態(tài)含量和比例非常??；而在添加可溶性Cd后，三種蔬菜土壤中Cd的可交換態(tài)對(duì)外界濃度脅迫響應(yīng)最大，殘?jiān)鼞B(tài)對(duì)脅迫響應(yīng)最小，說明試驗(yàn)濃度下蔬菜從生長(zhǎng)到成熟的短期過程對(duì)可溶性Cd的固定作用不大，更多的量以相對(duì)活性的狀態(tài)參與了土壤-蔬菜系統(tǒng)中的各種遷移。五種形態(tài)中碳酸鹽結(jié)合態(tài)是Cd在各種脅迫水平下的主要存在形態(tài)。
　　 (2)在添加了Pb、Zn、Ni的Cd污染土壤中，Cd元素的形態(tài)分配規(guī)律和單獨(dú)作用時(shí)一致。它們對(duì)Cd的作用是：Pb會(huì)

5、提高Cd在油菜、胡蘿卜土壤中的活性，抑制Cd在芹菜土壤中的活性；Zn會(huì)抑制Cd在油菜和胡蘿卜土壤中的活性，提高Cd在芹菜土壤中的活性，Ni會(huì)降低油菜和芹菜土壤中Cd的活性而提高胡蘿卜土壤中Cd的活性。三種組合下，Cd和添加元素活性的對(duì)比結(jié)果是：Cd＞Pb，Cd＞Zn，Cd＞Ni。
　　 (3)三種蔬菜土壤中，單Cd脅迫下，土壤中Cd的可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)和脅迫量顯著相關(guān)，它們的變化方程以線性模型

6、為主，其次是冪大于1的乘冪模型。而添加了Pb、Zn、Ni的Cd污染土壤中：加入Pb后，三種土壤可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd以及油菜土壤中的有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd和脅迫量顯著相關(guān)，除了胡蘿卜土壤中碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd呈對(duì)數(shù)模型變化外，其余各形態(tài)均以線性和冪大于1的乘冪模型變化；加入Zn后，土壤中可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)Cd和脅迫量顯著相關(guān)，描述形態(tài)隨脅迫量的變化模型時(shí)，除了油菜土壤中可交換態(tài)和有機(jī)物結(jié)合

7、態(tài)Cd以及芹菜土壤中鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd的擬合方程分別為冪大于1的乘冪形式、S型曲線、對(duì)數(shù)形式外，其余形態(tài)Cd的擬合方程均為線性。加入Ni后，除了殘?jiān)鼞B(tài)的其他四種形態(tài)Cd均和脅迫量顯著相關(guān)，各形態(tài)Cd的變化以線性模型為主，其次是對(duì)數(shù)和冪小于1的乘冪模型。
　　 (4)Cd單獨(dú)脅迫下，當(dāng)濃度較低時(shí)，抑制作用主要體現(xiàn)在蔬菜各部分重量和地上部長(zhǎng)度上，當(dāng)脅迫濃度較高時(shí)(Cd≥4.9mg/kg)，其對(duì)地下部長(zhǎng)度的抑制作用比較明顯。三種蔬菜

8、對(duì)Cd脅迫的耐受程度排序?yàn)椋河筒耍竞}卜＞芹菜。Cd在油菜和胡蘿卜各部位積累量分布規(guī)律為：地上部＞地下部，芹菜正好相反。三種蔬菜各部位積累Cd量的大小排序是油菜＞芹菜＞胡蘿卜。油菜各部位、芹菜地下部對(duì)Cd具有明顯的富集作用，阻礙油菜遷移Cd的主要場(chǎng)所在地下部-地上部遷移界面，阻礙芹菜遷移Cd的主要場(chǎng)所在土壤-地下部遷移界面。胡蘿卜對(duì)Cd無(wú)明顯的富集，各界面在富集轉(zhuǎn)移Cd方面的能力相當(dāng)。三種蔬菜對(duì)Cd的富集能力大小為：油菜＞芹菜＞胡蘿卜；

9、轉(zhuǎn)移能力大小為油菜＞胡蘿卜＞芹菜。
　　 (5)在添加了Pb、Zn、Ni的Cd污染土壤中種植三種蔬菜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Pb濃度較高時(shí)(Pb≥450mg/kg)，可以弱化Cd對(duì)三種蔬菜生物量的抑制作用；Zn可以弱化Cd對(duì)芹菜，胡蘿卜地上部長(zhǎng)度的抑制，較高濃度(Zn≥500mg/kg)時(shí)也可以弱化Cd對(duì)芹菜地下部鮮重以及胡蘿卜地上部鮮重的抑制；Ni會(huì)弱化Cd對(duì)芹菜地上部長(zhǎng)度和地上部鮮重的抑制，較高濃度(Ni≥600mg/kg)時(shí)也會(huì)減弱Cd對(duì)

10、芹菜地上部鮮重、胡蘿卜地上部長(zhǎng)度和地上部鮮重的抑制。
　　 (6)三種元素的介入沒有改變Cd在蔬菜體內(nèi)的分配規(guī)律，但造成了蔬菜對(duì)Cd積累量、富集能力和轉(zhuǎn)移能力的顯著差異，這些差異的產(chǎn)生是介入元素的作用結(jié)果。Pb、Zn、Ni對(duì)Cd在三種蔬菜中的積累作用影響因濃度、蔬菜種類、蔬菜部位的不同而出現(xiàn)拮抗或者協(xié)同。對(duì)比Cd、Pb、Zn、Ni四種元素在同種蔬菜中的富集、轉(zhuǎn)移系數(shù)可知，Cd是最容易在蔬菜中富集并且轉(zhuǎn)移的元素，其次為Zn，Ni和

11、Pb相對(duì)較差。
　　 (7)外源Cd總量對(duì)蔬菜各部位積累Cd的影響可以用線性模型、乘冪模型(冪小于1)和對(duì)數(shù)模型來(lái)描述，后兩種模型提示了蔬菜(油菜地上部以及芹菜各部位)適應(yīng)外界濃度干擾時(shí)采取了自我保護(hù)措施。而Cd在蔬菜內(nèi)部遷移時(shí)的變化方程提示，油菜和芹菜中Cd的遷移動(dòng)態(tài)為冪小于1的乘冪模型，而胡蘿卜中為線性模型，這可能是前兩種蔬菜耐Cd性較強(qiáng)的原因之一。添加了Pb、Zn、Ni的Cd污染脅迫下，蔬菜積累Cd的變化仍然可用線性、乘冪

12、、對(duì)數(shù)模型描述，但其中乘冪模型的冪基本均≥1(Cd，Pb復(fù)合下油菜，芹菜各部位以及胡蘿卜地下部積累Cd；Cd，Zn復(fù)合下油菜地下部積累Cd；Cd，Ni復(fù)合下芹菜地上部和胡蘿卜地下部積累Cd)，說明復(fù)合作用下脅迫濃度越高，這些蔬菜相應(yīng)部位積累Cd的增量越大。Cd與其他三種元素復(fù)合作用下蔬菜內(nèi)部遷移動(dòng)態(tài)可用線性、對(duì)數(shù)和乘冪模型來(lái)模擬。其乘冪模型的冪均接近1；對(duì)數(shù)模型適用于Cd，Zn復(fù)合以及Cd，Ni復(fù)合的Cd在胡蘿卜內(nèi)部的遷移。