大田与盆栽条件下重金属镉赋存形态差异

大田与盆栽条件下重金属镉赋存形态差异

 

四川大学建筑与环境学院

 

摘要：为探究大田和盆栽2种种植条件下重金属镉赋存形态的差异性，选取成都平原具有代表性的3种水稻种植区(青白江、邛崃和崇州)，结合野外定点与盆栽培育试验，比较2种种植条件下土壤重金属镉的赋存形态及其含量变化。

结果显示，水稻成熟期大田土壤中镉各形态比例为：水溶态、交换态及碳酸盐结合态(F1)16.86%、铁锰氧化物结合态(F2)22.04%、有机物及硫化物结合态(F3)3.12%、残渣态(F4)57.98%，盆栽土壤中镉各形态比例为：F117.25%、F219.78%、F33.40%、F459.57%，均表现为F4＞F2＞F1＞F3，且盆栽试验土壤中残渣态Cd所占比例在3个试验土壤中均有所增加；盆栽种植水稻各部位对镉的富集量和富集系数均高于大田水稻。该研究结果验证了盆栽试验的可行性，并且揭示了水稻根部的生长发育情况是盆栽试验和大田试验结果差异的关键性因素。

 

镉(Cd)被国际癌症研究机构等确证为人类第一级致癌物，由于稻田土壤Cd污染严重以及水稻对Cd的高吸收能力导致稻米中Cd含量容易超标，人体长期摄入镉会导致骨质疏松、脆化、腰痛、脊柱畸形等［1-5］。2005年4月至2013年12月全国土壤污染状况调查结果显示，16%的采样点土壤被重金属和类金属污染，其中西南、中南地区土壤重金属超标较大［6］。因此，摸清土壤中镉污染成因、赋存形态、迁移转化规律已十分必要。

 

水稻对镉的吸收富集量并非取决于土壤中镉的总量而是有效量。土壤镉污染对农作物生长的危害不仅与土壤性质、农艺措施及总镉含量有关，还取决于其在土壤中的赋存形态。不同镉形态决定了镉在水稻中的迁移率和生物利用率，因此，对重金属污染土壤的治理与修复，首先要明确重金属在土壤中的赋存形态［7-10］。

 

目前国内外已经开展了关于土壤重金属赋存形态的研究，如喻华等［10］研究了成都平原镉污染区冲积性水稻土耕作层土壤镉形态，周国华等［11］研究了北京市东南郊土壤Cd赋存形态及其变化，翟琨［12］研究了湖北恩施土壤中镉的赋存形态及生物有效性，金焰等［13］通过动态淋溶实验研究了外源可溶性重金属镉在土壤中的迁移及形态变化。

 

由于盆栽试验可以很好地模拟植物生长环境，条件易于控制，往往能够得到较好的数据和现象，因此研究者多采用盆栽试验。大田试验的不可控因素较多受自然条件限制，生态系统复杂，其试验结果与盆栽试验存在一定的差异，然而关于2种种植条件的差异性研究较少。

 

因此本研究选取成都平原具有代表性的青白江、邛崃和崇州3个水稻种植区，分别在大田和盆栽试验条件下种植水稻，比较2种试验条件下土壤理化性质、重金属镉的赋存形态及其含量变化，探讨其与水稻吸收富集的关系，分析盆栽和大田试验差异的原因，为完善今后土壤污染治理盆栽试验条件提供理论基础。

 

1材料与方法

 

1．1材料

 

以成都平原典型水稻种植区域为载体，选取青白江(A1、A2、A3)、邛崃(B1、B2、B3)、崇州(C1、C2、C3)3个区域共9块典型Cd污染水稻种植地进行试验。同时在3个区域9个地块采集90～100kg水稻土，每个地块至少在15个点采集土壤样品并混合均匀，采样深度为0～20cm，土壤样品风干，磨细，过2mm筛，用于盆栽试验。

 

青白江大田试验区水稻种植品种为川优6203，邛崃大田试验区水稻种植品种为富优21，崇州大田试验区水稻种植品种为瑞优425。盆栽试验种植水稻品种同大田试验区。土壤理化性质见表1。

 

1．2试验方法

 

1．2．1试验设计

 

分别称取5．0kg风干土壤置于已编号的塑料盆中，水稻于2017年5月22日由大田移栽至塑料盆，株距和行距均为10cm。试验期间未发生影响产量的病虫害，水稻于8月30日收获。盆栽试验水稻品种、水分管理、施肥措施、种植密度和生长时间均与大田试验保持一致。

 

1．2．2采样与预处理

 

青白江和邛崃试验地块无明显污染源，采用梅花点法进行采样；崇州试验地块为遗留铅蓄电池厂周边，采用对角线法进行采样。分别在水稻种植前和成熟期采集9个田间地块根际土壤样品及成熟期水稻样品，采用四分法处理成熟期盆栽根际土壤样品和成熟期盆栽水稻样品。将土壤样品风干并粉碎，过10目筛，分析土壤pH和电导率(EC)；过100目筛，分析土壤Cd和有机质(OM)含量。

 

将植物样品分成根、茎、叶和糙米，用自来水彻底清洗去除土壤，用蒸馏水清洗3次，在80℃的烘箱中干燥至恒质量，粉碎过60目筛，待测。

 

1．3测试指标与方法

 

土壤理化性质测定［14］：在含水悬浮液中测量土壤pH和电导率(EC)(土壤与水比例分别为1∶2．5和1∶5.0，质量体积比)，土壤有机质(OM)含量采用K2Cr2O7容量法测定，机械组成采用比重计法测定，土壤中全氮和总磷含量分别采用凯式定氮仪和钼锑抗比色法测定。

 

土壤中镉赋存形态采用欧共体(现欧盟)标准物质局(EuropeanCommunityBureauofＲeference，BCＲ)顺序提取法［15-16］，分为水溶态、交换态及碳酸盐结合态(可交换态F1)、铁锰氧化物结合态(可还原态F2)、有机物及硫化物结合态(可氧化态F3)和残渣态(F4)4种形态。植物样品经HF-HClO4-HNO3混合酸消解，采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测量。

 

利用生物富集系数(BCF)作为生物有效性的评价指标，描述Cd在水稻不同组织中的积累状况。生物富集系数计算公式：BCF=Ccrop/Csoil，式中Csoil(mg/kg)代表研究地块土壤中Cd的总量，Ccrop(mg/kg)代表水稻根、茎、叶及籽实中Cd的含量［17］。大田与盆栽条件下重金属镉赋存形态差异

 

四川大学建筑与环境学院

 

摘要：为探究大田和盆栽2种种植条件下重金属镉赋存形态的差异性，选取成都平原具有代表性的3种水稻种植区(青白江、邛崃和崇州)，结合野外定点与盆栽培育试验，比较2种种植条件下土壤重金属镉的赋存形态及其含量变化。结果显示，水稻成熟期大田土壤中镉各形态比例为：水溶态、交换态及碳酸盐结合态(F1)16.86%、铁锰氧化物结合态(F2)22.04%、有机物及硫化物结合态(F3)3.12%、残渣态(F4)57.98%，盆栽土壤中镉各形态比例为：F117.25%、F219.78%、F33.40%、F459.57%，均表现为F4＞F2＞F1＞F3，且盆栽试验土壤中残渣态Cd所占比例在3个试验土壤中均有所增加；盆栽种植水稻各部位对镉的富集量和富集系数均高于大田水稻。该研究结果验证了盆栽试验的可行性，并且揭示了水稻根部的生长发育情况是盆栽试验和大田试验结果差异的关键性因素。

 

镉(Cd)被国际癌症研究机构等确证为人类第一级致癌物，由于稻田土壤Cd污染严重以及水稻对Cd的高吸收能力导致稻米中Cd含量容易超标，人体长期摄入镉会导致骨质疏松、脆化、腰痛、脊柱畸形等［1-5］。2005年4月至2013年12月全国土壤污染状况调查结果显示，16%的采样点土壤被重金属和类金属污染，其中西南、中南地区土壤重金属超标较大［6］。因此，摸清土壤中镉污染成因、赋存形态、迁移转化规律已十分必要。

 

水稻对镉的吸收富集量并非取决于土壤中镉的总量而是有效量。土壤镉污染对农作物生长的危害不仅与土壤性质、农艺措施及总镉含量有关，还取决于其在土壤中的赋存形态。不同镉形态决定了镉在水稻中的迁移率和生物利用率，因此，对重金属污染土壤的治理与修复，首先要明确重金属在土壤中的赋存形态［7-10］。

 

目前国内外已经开展了关于土壤重金属赋存形态的研究，如喻华等［10］研究了成都平原镉污染区冲积性水稻土耕作层土壤镉形态，周国华等［11］研究了北京市东南郊土壤Cd赋存形态及其变化，翟琨［12］研究了湖北恩施土壤中镉的赋存形态及生物有效性，金焰等［13］通过动态淋溶实验研究了外源可溶性重金属镉在土壤中的迁移及形态变化。

 

由于盆栽试验可以很好地模拟植物生长环境，条件易于控制，往往能够得到较好的数据和现象，因此研究者多采用盆栽试验。大田试验的不可控因素较多受自然条件限制，生态系统复杂，其试验结果与盆栽试验存在一定的差异，然而关于2种种植条件的差异性研究较少。

 

因此本研究选取成都平原具有代表性的青白江、邛崃和崇州3个水稻种植区，分别在大田和盆栽试验条件下种植水稻，比较2种试验条件下土壤理化性质、重金属镉的赋存形态及其含量变化，探讨其与水稻吸收富集的关系，分析盆栽和大田试验差异的原因，为完善今后土壤污染治理盆栽试验条件提供理论基础。

 

1材料与方法

 

1．1材料

 

以成都平原典型水稻种植区域为载体，选取青白江(A1、A2、A3)、邛崃(B1、B2、B3)、崇州(C1、C2、C3)3个区域共9块典型Cd污染水稻种植地进行试验。同时在3个区域9个地块采集90～100kg水稻土，每个地块至少在15个点采集土壤样品并混合均匀，采样深度为0～20cm，土壤样品风干，磨细，过2mm筛，用于盆栽试验。

 

青白江大田试验区水稻种植品种为川优6203，邛崃大田试验区水稻种植品种为富优21，崇州大田试验区水稻种植品种为瑞优425。盆栽试验种植水稻品种同大田试验区。土壤理化性质见表1。

 

1．2试验方法

 

1．2．1试验设计

 

分别称取5．0kg风干土壤置于已编号的塑料盆中，水稻于2017年5月22日由大田移栽至塑料盆，株距和行距均为10cm。试验期间未发生影响产量的病虫害，水稻于8月30日收获。盆栽试验水稻品种、水分管理、施肥措施、种植密度和生长时间均与大田试验保持一致。

 

1．2．2采样与预处理

 

青白江和邛崃试验地块无明显污染源，采用梅花点法进行采样；崇州试验地块为遗留铅蓄电池厂周边，采用对角线法进行采样。分别在水稻种植前和成熟期采集9个田间地块根际土壤样品及成熟期水稻样品，采用四分法处理成熟期盆栽根际土壤样品和成熟期盆栽水稻样品。将土壤样品风干并粉碎，过10目筛，分析土壤pH和电导率(EC)；过100目筛，分析土壤Cd和有机质(OM)含量。

 

将植物样品分成根、茎、叶和糙米，用自来水彻底清洗去除土壤，用蒸馏水清洗3次，在80℃的烘箱中干燥至恒质量，粉碎过60目筛，待测。

 

1．3测试指标与方法

 

土壤理化性质测定［14］：在含水悬浮液中测量土壤pH和电导率(EC)(土壤与水比例分别为1∶2．5和1∶5.0，质量体积比)，土壤有机质(OM)含量采用K2Cr2O7容量法测定，机械组成采用比重计法测定，土壤中全氮和总磷含量分别采用凯式定氮仪和钼锑抗比色法测定。

 

土壤中镉赋存形态采用欧共体(现欧盟)标准物质局(EuropeanCommunityBureauofＲeference，BCＲ)顺序提取法［15-16］，分为水溶态、交换态及碳酸盐结合态(可交换态F1)、铁锰氧化物结合态(可还原态F2)、有机物及硫化物结合态(可氧化态F3)和残渣态(F4)4种形态。植物样品经HF-HClO4-HNO3混合酸消解，采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测量。

 

利用生物富集系数(BCF)作为生物有效性的评价指标，描述Cd在水稻不同组织中的积累状况。生物富集系数计算公式：BCF=Ccrop/Csoil，式中Csoil(mg/kg)代表研究地块土壤中Cd的总量，Ccrop(mg/kg)代表水稻根、茎、叶及籽实中Cd的含量［17］。