不同施肥條件下重金屬鋅污染土壤對不同作物生長的影響

1、何其蓉 不同施肥條件下重金屬鋅污染土壤對不同作物生長的影響 1前言由于鉛鋅礦開采、冶煉、鍍鋅加工等含鋅工業(yè)“三廢”的不合理排放，或以上述“三廢”作為改土劑及肥料副成分施入土壤，使土壤中的鋅超常積累，成為鋅污染土壤。我國土壤鋅污染問題在近年開始突現(xiàn)出來，土壤鋅污染報道增加，進入土壤中的鋅很難移動，自然凈化時間漫長，據(jù)aiiaway 估算，在沒有外來鋅繼續(xù)加入，只通過植物吸收使其在土壤中消失的時間約為1 000 年1。土壤中zn 的含量一般為10300 mg / kg，平均為50 mg / kg，而鋅污染的土壤中zn 含量可高達13500 mg / kg 以上，易被植物吸收而造成毒害，進而可通過食

2、物鏈污染農(nóng)產(chǎn)品和威脅人畜健康。 土壤被鋅污染后，直接對土壤植物系統(tǒng)產(chǎn)生危害，嚴重時使土壤失去自然生產(chǎn)力，成為不毛之地2 - 3。因此，近年來土壤- 植物系統(tǒng)鋅污染治理一直是土壤學家和環(huán)境學家的研究重點。zn 作為植物生長所必需的元素，在植物體內的生化過程相當活躍，但作為重金屬元素加之在植物代謝過程中易于轉移，當其濃度超過一定范圍對植物細胞產(chǎn)生毒害作用4。劉建新研究表明：zn2 + 濃度超過200 mg / l時膜傷害程度顯著增強，根系活力明顯下降；zn2 + 濃度大于50 mg / l 時葉綠素含量降低，葉片褪綠是植物受重金屬毒害后出現(xiàn)的普遍現(xiàn)象5。徐衛(wèi)紅等研究發(fā)現(xiàn)，zn 濃度較低時，黑麥草植

3、株對n、p、k 吸收并無抑制，但高濃度zn 影響黑麥草植株對n、p、k 的吸收7。徐勤松認為，重金屬鋅污染使植物細胞內的保護酶sod、pod、cat 活性比例失調,尤其是加入鋅后，植物體內活性氧的產(chǎn)生和清除失衡，并有利于活性氧的產(chǎn)生，導致植物的生理代謝紊亂，從而加速植物的衰老和死亡9。由此可見，鋅污染的土壤對植物生長有嚴重的抑制作用。 經(jīng)由各種途徑進入環(huán)境的重金屬，對土壤和水源會造成一定程度的污染，并且由于這些重金屬在環(huán)境中的相對穩(wěn)定性，使得治理重金屬污染成為一件困難和代價高昂的工作。據(jù)測算，在發(fā)達國家利用掩埋法清除1英畝土地內的重金屬污染平均需要花費247.11萬美元10；而現(xiàn)有的清除重金屬

4、污染的物理方法、化學方法或微生物法除代價高昂外，現(xiàn)場施工過程復雜，目前尚難以有效地付諸實施。近年來，利用植物去除環(huán)境中污染物的植物修復技術以更經(jīng)濟、更適合于現(xiàn)場操作及環(huán)境友好的特征，受到關注。ilya raskin認為植物修復所取得的最大的進步是去除環(huán)境中的重金屬12。環(huán)境科學家們先是從研究對重金屬有特殊積累能力的一些超量積累植物(hyperaccumulator)起步，到近幾年不僅局限于研究超量積累植物，而且著手研究普通作物用于去除環(huán)境中重金屬的可能性，在研究范疇與觀念上發(fā)生一定的變化。這種觀念的改變主要是受超量積累植物種類稀缺(目前全世界只發(fā)現(xiàn)三百多種)、生長緩慢和生物量小的限制，難以體現(xiàn)

5、實用價值，因而對一些分布廣泛、生物量大并可能具有“超量積累植物傾向”的傳統(tǒng)作物的研究，就成為一種必然13。迄今為止，已有文獻涉及到玉米、向日葵、燕麥、大麥、豌豆、煙草、印地安芥菜、萵苣等植物對重金屬的修復作用研究。植物修復(phytoremediation)屬于生物修復范疇，是以植物忍耐和超量積累某種或某些污染物的理論為基礎，利用植物及其共存微生物體系清除環(huán)境中污染物的一門環(huán)境污染治理技術14。由于植物修復技術具有物理、化學修復方法所無法比擬的費用低廉、不破壞場地結構、不造成地下水的二次污染以及能夠進行大規(guī)模治污等優(yōu)勢，引起人們的廣泛關注，近年來已成為重金屬污染土壤修復研究的熱點。本試驗是在現(xiàn)

6、有文獻報道的基礎上，分析研究經(jīng)過不同施肥處理的玉米、蓖麻、向日葵三種普通作物對zn污染土壤的植物修復作用以及zn對作物的影響,選擇一種對鋅最具吸收能力的植物,以嘗試對污染土壤中重金屬的植物修復。2 材料與方法2.1試驗地點試驗于20112012年在山西省晉中市太谷縣資源與環(huán)境試驗基地進行，試驗地位于山西農(nóng)業(yè)大學西校門300米處，地理坐標為東經(jīng)111°28111°111，北緯37°1237°32。太谷屬暖溫帶、溫帶大陸性氣候，年平均氣溫9.9，年平均降水量462.9mm，平均無霜期176d。供試土壤類型為黃土母質石灰性褐土，質地為輕壤土，經(jīng)風干后過3mm篩

7、，充分混勻備用，其耕層土壤理化性狀見下表：表1 供試土壤理化性狀ph值有機質g/kg速效氮mg/kg速效磷mg/kg速效鉀mg/kg容重g/cm37.923.5160.932.046126.221.312.2試驗設計本試驗為盆栽試驗，供試的幾種作物品種為玉米（長玉16號）、蓖麻（晉蓖麻5號）、向日葵（花葵），于2012年4月播種。具體方案如下：試驗共設4個處理，分別為：1、空白,2、鋅處理土壤，3、鋅處理土壤+腐殖質，4、鋅處理土壤+菌肥，在4種處理的土壤上種植3種作物，重復3次。每盆裝土為10kg，確保實驗土壤重金屬鋅達到統(tǒng)一的二級標準限制值300 mg/kg，施加的鋅源為znso4

8、3;7h2o（天津市天大化工廠產(chǎn)，分析純，含量不少于99.5，分子量為287.56）。菌肥與腐殖酸每盆施加為5g，即每10kg土壤施加5g。在苗期觀察作物的生長狀況，測定其生理指標以及鋅的含量。本試驗鋅施用符合國家土壤應用功能和保護目標的類（主要適用于一般農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等土壤，土壤質量基本上對植物和環(huán)境不造成危害和污染），符合二級標準（為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護人體健康的土壤限制值），其土壤環(huán)境質量標準值見表215表2 土壤環(huán)境質量標準值 mg/kg級別一級二級三級自然背景<6.56.57.5>7.5>6.5鎘cd 0.200.300.601.0鋅zn 100200

9、250300500銅cu 3550100100400鉛pb 352503003505002.3測定項目與方法在作物的苗期采集植物樣品，對植物樣進行烘干，具體為將待烘干樣置于100105恒溫箱中殺青20min，然后降溫至65，繼續(xù)烘干，直至恒重，計算干物質累積量。用粉碎機將植物樣粉碎，混合均勻，以備分析測定全氮、全磷、全鉀及重金屬含量。2.3.1 全量n、p、k的測定方法11植株全n含量：h2so4h2o2消煮，萘氏比色法植株全p含量：h2so4h2o2消煮，釩鉬黃比色法植株全k含量：h2so4h2o2消煮，火焰光度計法2.3.2 作物中zn的測定 稱取植物烘干樣0.3g左右于坩堝中，先經(jīng)炭化后

10、置于馬弗爐中于500中灰化至灰白色，待冷卻后，用1:1hno3溶解準確定容于50毫升容量瓶中，經(jīng)過濾置于小三角瓶中，用原子吸收分光光度計來測定16。2.4 主要儀器可見分光光度計（722e）、火焰分光光度計、原子吸收分光光度計（aa240）、烘箱、馬弗爐、電爐、坩堝、電子天平（bs124s）、消煮管、容量瓶（50ml、100ml）、三角瓶，剪刀2.5 主要試劑萘氏試劑、鉬銻抗試劑、濃硫酸、氫氟酸、h2o2、1:1hno3、濃硝酸、高氯酸、n標液、p標液、k標液2.6數(shù)據(jù)處理分析結果處理采用excel進行實驗結果的統(tǒng)計分析、計算和作圖。3 結果與分析3.1不同施肥條件對重金屬鋅污染土壤上作物株高

11、的影響zn作為植物生長發(fā)育生殖所必需的微量元素,對作物有“低促高抑”的作用,而且不同作物對重金屬鋅的閾值不同。對農(nóng)作物生長的抑制作用，主要通過增加作物根系環(huán)境中鋅濃度，從而抑制作物的根系生長，影響到作物的正常根系活力，減少對土壤中有效養(yǎng)分的吸收利用。農(nóng)作物在重金屬處理的土壤上生長，要受到重金屬的影響，理應直觀表現(xiàn)在作物的株高有所不同。表3 不同施肥條件對重金屬鋅污染土壤上作物株高的影響(cm)處理蓖麻玉米向日葵空白21.69 41.4828.58zn20.48 36.16 26.10zn+腐殖質20.07 32.63 21.21zn+菌肥20.23 37.4227.48注：所列數(shù)據(jù)為3組平行實

12、驗的測定平均值圖1 不同施肥條件對重金屬鋅污染土壤上作物株高的影響(cm)結合表3和圖1對苗期玉米、蓖麻、向日葵的株高進行對比分析?？梢缘贸鲇衩姿娜~期株高在不同處理方式下呈現(xiàn)一定的趨勢,即空白株高>菌肥混施株高>只施鋅不施肥株高>腐殖酸混施株高，進一步分析出zn+腐殖酸處理的株高比zn處理的株高降低了9.8%,zn+菌肥處理的株高比zn處理的株高增加了3.5%,這說明了玉米在生長過程中受到了鋅污染的影響,施加腐殖酸會增強zn對玉米株高的抑制作用,而施加菌肥能減弱zn對玉米株高的抑制作用。對于向日葵，其長勢在不同處理下的趨勢與玉米相似，即空白株高>菌肥混施株高>只施

13、鋅不施肥株高>腐殖酸混施株高，zn處理的株高比空白株高降低了8.7%,zn+腐殖酸處理的株高比空白降低25.8%,zn+菌肥處理的株高比空白降低了3.8%；zn+腐殖酸處理的株高比zn處理的株高降低了23.2%,zn+菌肥處理的株高比zn處理的株高增加了5.3%。這表明鋅濃度為300mg/kg的3種處理土壤對向日葵株高均有抑制作用,施加腐殖酸會增強zn對向日葵株高的抑制作用,而施加菌肥能減弱zn對向日葵株高的抑制作用。而觀察蓖麻的長勢，不難看出它的生長趨勢較玉米和向日葵表現(xiàn)出不同趨勢，這可能是由于蓖麻在生長過程中受到外界條件，如澆水量不統(tǒng)一（主要發(fā)現(xiàn)實驗大棚在雨天出現(xiàn)漏水情況）等因素影響

14、。因此，從三種作物中的玉米，向日葵株高的情況不難得出，在不同施肥處理下，施加菌肥對鋅污染有減輕作用，其有利于作物對鋅污染土壤的修復和利用。3.2 不同施肥條件對重金屬鋅污染土壤上作物體內n含量的影響一般植物含氮量約占作物體干重的0.3%5%，作物種類不同含氮量也不相同。氮是作物體內許多重要有機化合物的組分，例如蛋白質、核酸、葉綠素、酶、維生素、生物堿和一些激素等都含有氮素。氮素是遺傳物質的基礎。在所有生物體內，蛋白質最為重要，它常處于代謝活動的中心地位，因此氮含量的多少在一定程度上可反映作物的生長狀況 17。表4 不同施肥條件對重金屬鋅污染土壤上作物體內n含量的影響（%）處理蓖麻玉米向日葵空白

15、4.01 2.953.58zn 2.05 0.740.92zn+腐殖質 2.51 2.011.83zn+菌肥 2.46 0.810.93注：所列數(shù)據(jù)為3組平行實驗的測定平均值 圖2 不同施肥條件對重金屬鋅污染土壤上作物體內n含量的影響（%） 結合表4和圖2分析土壤的4種不同處理對蓖麻、玉米、向日葵苗期n含量的影響。在鋅處理水平上的三種作物體內氮含量均明顯低于空白處理水平，這說明作物在生長過程中受到了zn的影響，鋅的存在一定程度上抑制了植物體氮素的吸收及體內含量的高低。進一步對玉米、蓖麻、向日葵進行分析可以得出：腐殖酸混施后三種作物體內的n含量在zn處理的水平上依次增長170.7%、22.4%、

16、98.4%，菌肥混施后三種作物體內的n含量在zn處理的水平上依次增長了9.6%、20%、0.7%。這表明了施加腐殖酸或菌肥能減弱zn對玉米植株n含量的抑制作用,而且腐殖酸的作用更加明顯。3.3不同施肥條件對重金屬鋅污染土壤上作物體內p含量的影響 磷是植物生長發(fā)育不可缺少的營養(yǎng)元素之一，它既是植物體內許多重要有機化合物的組分，同時又以多種方式參與植物體內各種代謝過程。磷對作物高產(chǎn)及保持品種的優(yōu)良性有明顯作用。磷在作物體內有多種功能主要有幾個方面：構成大分子物質的結構組分；多種重要化合物的組分；積極參與體內的代謝；提高作物的抗逆性和適應能力。故而，作物體內的磷含量也能反映作物生長狀況17。表5不同

17、施肥條件對重金屬鋅污染土壤上作物體內p含量的影響（%）項目蓖麻玉米向日葵空白0.0560.0230.035zn0.1060.0490.050zn+腐殖酸0.1110.0790.068zn+菌肥0.0890.0570.058注：所列數(shù)據(jù)為3組平行實驗的測定平均值 圖3 不同施肥條件對重金屬鋅污染土壤上作物體內p含量的影響（%）表5是土壤的4種不同處理對蓖麻、玉米、向日葵苗期p含量的影響。就蓖麻而言, zn處理的p含量比空白增加了91.8 %,zn+腐殖酸處理的n含量比空白增加了100.3%,zn+菌肥處理的n含量比空白增加了60.4%；zn+腐殖酸處理的植株p含量比zn處理的植株p含量增加了4.

18、7%,zn+菌肥處理的植株p含量比zn處理的植株p含量降低了16.0%。表明鋅濃度為300mg/kg的土壤對蓖麻植株p含量有明顯促進作用,施加腐殖酸能增強zn對蓖麻植株p含量的促進作用,施加菌肥能減弱zn對蓖麻植株p含量的促進作用。分析土壤的不同處理方式對玉米、向日葵植株p含量的影響,呈現(xiàn)一定的趨勢，即腐殖質混施>菌肥混施>鋅處理>空白。表明鋅濃度為300mg/kg的土壤對玉米、向日葵植株p含量均有促進作用,施加腐殖酸和菌肥能增強zn對植株p含量的促進作用,腐殖質的作用更加明顯。因此,可以得出: 鋅濃度為300mg/kg的土壤對蓖麻、玉米、向日葵植株p含量均有促進作用,腐殖質

19、混施處理的促進作用最為明顯。3.4不同施肥條件對重金屬鋅污染土壤上作物體內k含量的影響鉀不僅是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，而且是肥料三要素之一。許多植物需鉀量都很大，一般植物體內的含鉀量占干物質的0.3%-5.0% 17。有些作物含鉀量比氮高，農(nóng)作物產(chǎn)量和改進品質均有明顯的作用。由于鉀具有提高產(chǎn)品品質和適應外界不良環(huán)境的能力，因此它有品質元素和抗逆元素之稱。鉀在植物體內流動性很強，易于轉移至地上部，并且有隨植物生長中心轉移而轉移的特點。表6 不同施肥條件對重金屬鋅污染土壤上作物體內k含量的影響（%）處理蓖麻玉米向日葵空白3.024.767.52zn2.743.254.75zn+腐殖酸2.63

20、2.894.04zn+菌肥2.783.284.76注：所列數(shù)據(jù)為3組平行實驗的測定平均值圖4 不同施肥條件對重金屬鋅污染土壤上作物體內k含量的影響（%）結合表6和圖4分析土壤的不同處理方式對不同植株k含量的影響，不難看出在鋅處理水平上的三種作物體內鉀含量均低于空白處理水平，這說明重金屬鋅的存在影響了作物對于鉀的吸收利用和積累，從圖4亦可以看出：腐殖酸能增強zn對向日葵植株k含量的抑制作用,而施加菌肥則有減輕鋅污染的作用，菌肥混施處理作物體內k含量高于腐殖質混施處理作物體內k含量，也進一步說明在鋅污染土壤上菌肥的配施更有利于作物生長，有助于作物體內品質元素鉀的積累。3.5不同施肥條件對重金屬鋅污

21、染土壤上作物體內zn含量的影響 表7 不同施肥條件對重金屬鎘污染土壤上作物體內zn含量的影響（mg/kg）處理蓖麻玉米向日葵空白127.43134.26198.51zn164.02228.21246.83zn+腐殖質154.22176.05234.81zn+菌肥158.67187.57202.16注：所列數(shù)據(jù)為3組平行實驗的測定平均值圖5 表7不同施肥條件對重金屬鎘污染土壤上作物體內zn含量的影響（mg/kg）影響植物修復的土壤因素較為復雜，包括土壤中鋅的濃度及污染時間、土壤ph 值、土壤水分和土壤有機質等，任何有利于鋅活化的措施都將促進植物對鋅的吸收。利用普通作物去除土壤中重金屬zn的生態(tài)效

22、果與植物種類有關，不同種類植物之間存在著對重金屬zn積累程度上較明顯的差異。結合表7和圖5分析可以得出:往土壤中施加鋅后植株吸收的鋅含量會增加。對于蓖麻,處理zn、zn+腐殖酸、zn+菌肥分別比空白對照增加了28.7%、21.0%、24.5%；對于玉米, 處理zn、zn+腐殖酸、zn+菌肥分別比空白對照增加了70.0%、31.2%、39.7%；對于向日葵, 處理zn、zn+腐殖酸、zn+菌肥分別比空白對照增加了24.3%、18.3%、1.8%。分析蓖麻、玉米、向日葵三種作物在腐殖質混施處理水平上比只施鋅處理水平上植株含zn量降低了6.0%、22.8%、4.9%,在菌肥混施處理水平上比只施鋅處理

23、水平上植株含zn量降低了3.3%、17.8%、18.1%,因此可以得出: 施加鋅的處理與空白相對比,蓖麻、玉米、向日葵植株吸收的鋅都明顯增加,在含鋅的土壤中施加腐殖質或菌肥都能抑制植株對鋅的吸收。4.結論與討論1.施加鋅對玉米、蓖麻、向日葵的株高均表現(xiàn)為抑制作用,施用不同肥料后表現(xiàn)出一定的規(guī)律，即菌肥混施處理>鋅處理>腐殖質混施處理，也就是說施加菌肥對鋅污染有減輕作用，其有利于作物對鋅污染土壤的修復和利用。2.施加鋅對蓖麻、玉米、向日葵植株n含量均有抑制作用，施用不同肥料后表現(xiàn)出一定的規(guī)律，即腐殖質混施處理>菌肥混施處理>鋅處理，說明施加腐殖質與菌肥都能減弱zn對植株n

24、含量的抑制作用,腐殖質的作用更加明顯。3.施加鋅對蓖麻、玉米、向日葵植株p含量都有促進作用，腐殖質混施處理的促進作用最為明顯。4.施加鋅對蓖麻、玉米、向日葵植株k含量都有抑制作用, 施用不同肥料后表現(xiàn)出一定的規(guī)律，即菌肥混施處理>鋅處理>腐殖質混施處理，說明菌肥的配施有助于作物體內品質元素鉀的積累。5.施加鋅的處理與空白相對比,蓖麻、玉米、向日葵植株吸收的鋅都明顯增加,在含鋅的土壤中施加腐殖酸或菌肥都能抑制植株對鋅的吸收。鋅為植物生長所必需的元素，本試驗初步探討了在不同的施肥方式下,zn對苗期蓖麻、玉米、向日葵的株高、養(yǎng)分、zn含量的影響。由于工作量與時間的關系，該試驗只選擇了蓖麻

25、、玉米、向日葵3種作物,要在普通作物當中找出對重金屬鋅最具吸收能力的作物,還需對其它作物進行研究。在利用植物對重金屬進行修復的實驗中應妥善處理避免對環(huán)境造成“二次污染”。此外,該試驗僅在土壤中鋅濃度為300 mg/kg的環(huán)境中進行，而且試驗只是研究了作物苗期，作物各個時期的生長品質以及對鋅的吸收還有待試驗的進一步驗證。參考文獻1丁園.重金屬污染土壤的治理方法j.環(huán)境與開發(fā)，2000，15（2）：25-28.2姚冬而.水稻田的鋅毒害及其防治措施j.浙江農(nóng)業(yè)科學，1997（3）:127-128.3蔣玉根.農(nóng)藝措施對降低污染土壤重金屬活性的影響j. 土壤，2002（3）：145 - 148.4徐勤松，施國新，周紅衛(wèi)，等.cd、zn 復合污染對水車前葉綠素含量和活性氧清除系統(tǒng)的影響j.生態(tài)學雜志，2003，22（1）：75 - 81.5劉建新.鎘鋅交互作用對玉米幼苗生理生化特性的影響j. 宜春學院學報：自然科學版，2004，26（6）：55-60.7徐衛(wèi)紅，王宏信，王正銀，等.鋅、鎘復合污染對重金屬蓄集植物黑麥草養(yǎng)分吸收及鋅、鎘積累的影響j.生態(tài)毒理學報，2006，1（1）：55 -60.9徐勤松，施國新，王學，等.鎘、銅和鋅脅迫下黑藻活性氧的產(chǎn)