任秀娟，朱東海，吳海卿，吳大付

(1.河南科技學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453003)

由于工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展以及農(nóng)田污灌，大量的鎘(Cd)、鉛(Pb)、鋅(Zn)進(jìn)入土壤環(huán)境中，嚴(yán)重影響了植物生長［1］.對于耕地重金屬污染問題，世界各國正在探討以植物富集為基礎(chǔ)的修復(fù)技術(shù)［2］，目前發(fā)現(xiàn)，一些高生物量農(nóng)作物具有作為修復(fù)植物的潛力，如玉米、向日葵［3～5］，因而研究Cd，Pb，Zn 等重金屬污染物在農(nóng)作物中的富集與分配特點(diǎn)具有重要的理論和實(shí)踐意義.目前，國內(nèi)對Cd，Pb，Zn 在小麥、玉米、水稻、大豆、花生等農(nóng)作物體內(nèi)的富集規(guī)律都有廣泛的研究［6～12］，但針對棉花的相關(guān)研究則較少.棉花不同于糧食作物，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量為非直接食用產(chǎn)品，其植株可作為柴薪燃料［13］.因此，有必要探討將棉花作為鎘、鉛、鋅等重金屬污染土地植物修復(fù)作物的可行性.目前，國內(nèi)關(guān)于棉花重金屬富集效應(yīng)的研究較少.本研究采用桶栽方法，研究土壤鎘、鉛、鋅單一污染和土壤鎘、鉛、鋅復(fù)合污染條件下，棉花各部位鎘、鉛、鋅含量及棉花對鎘、鉛、鋅的富集系數(shù)及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，為重金屬污染耕地種植棉花的生物修復(fù)方法作一些前期研究.

1 材料與方法

1.1 供試土壤與材料

供試土壤采自湖南郴州礦區(qū)農(nóng)田0～20 cm 耕作層，質(zhì)地為壤土，土壤基本性質(zhì)如下:有機(jī)質(zhì)10.74 g·kg-1，全氮1.69 g·kg-1，pH 7.19，全磷0.93 g·kg-1，全鉀0.45 g·kg-1.土壤全鋅含量85.32 mg·kg-1，全鎘含量0.86 mg·kg-1:全鉛含量9.69 mg·kg-1.

Cd，Pb，Zn的試劑為CdCl2·2.5H2O(分析純)，Pb(CH3COO)2·3H2O，Zn(CH3COO)2·2H2O.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)鎘、鉛、鋅單元素污染處理和鎘、鉛、鋅復(fù)合污染處理，每個(gè)處理重復(fù)3次.鎘單元素污染處理:1.Cd1，2.Cd5，3.Cd10，4.Cd20，5.Cd30(Cd為污染元素，1，5，10，20，30 mg·kg-1).鉛單元素污染處理:1.Pb10，2.Pb400，3.Pb800，4.Pb1200，5.Pb1600.鋅單元素污染處理:1.Zn100，2.Zn400，3.Zn800，4.Zn1200，5.Zn1600;鎘、鉛、鋅復(fù)合污染處理:1.Cd1Pb10Zn100，2.Cd5Pb400Zn400，3.Cd10-Pb800Zn800，4.Cd20Pb1200Zn1200，5.Cd30Pb1600Zn-1600.

試驗(yàn)地點(diǎn)在中國農(nóng)田灌溉研究所新鄉(xiāng)站防雨棚內(nèi).污染土壤配置采用分批多次混勻的方式，根據(jù)處理要求將稱好的分析純氯化鎘、乙酸鉛、乙酸鋅混入1 kg 過5 mm 篩的干土中，接著把這1 kg 混合土壤混入10 kg的過5 mm 篩土中，最后把11 kg的土壤混入到104 kg 過5 mm 篩土中，經(jīng)過多次混勻后裝桶踏實(shí)，將盆栽大桶放入提前挖好的土坑內(nèi)，大桶上平面與地面平行，然后用土填實(shí)桶與周圍土壤的空隙，最后將桶內(nèi)土壤灌水至飽和狀態(tài)，平衡4 周后移栽棉苗.

1.3 棉花樣品的種植、采集與處理

2010-04 每桶移栽2 棵棉苗，每桶施尿素12 g，灌水采用地下水，田間管理同一般大田.2010-10-11 將棉花整株拔出帶回實(shí)驗(yàn)室，用自來水沖洗后再用純水沖洗，用不銹鋼剪刀分為根、莖、葉、棉絮等4個(gè)組成部分，裝入紙質(zhì)樣品袋，在105℃的烘箱中殺青10 min，在70℃下烘干至質(zhì)量恒定，將根、莖、葉樣品粉碎過100目篩備用;棉絮烘干后直接稱量(棉絮烘干后無法用粉碎機(jī)粉碎).

1.4 測定方法

根據(jù)文獻(xiàn)［14，15］進(jìn)行棉花樣品處理與測定分析，稱取烘干粉碎后的樣品0.5000 g 放入聚四氟乙烯消解罐，加入5 mL 濃HNO3浸泡過夜，再加入3 mL H2O2，在微波消解系統(tǒng)中消解18 min，溫度設(shè)置為3 檔，即室溫120℃(360 s);120～150℃(360 s);150～180℃(360 s).待消解完全后在電熱板上趕酸至溶液為1～2 mL，用2%硝酸多次稀釋后轉(zhuǎn)移到25 mL 容量瓶中，最后用2% HNO3溶液定容，待測.

1.5 儀器設(shè)備

電感耦合等離子發(fā)射體:美國PE 公司(Perkin Elmer)，型號:optima 2100 DV.工作參數(shù):等離子體氣流量15 L·min-1，輔助氣流量0.2 L·min-1，霧化器氣流量0.8 L·min-1，射頻功率1300 W，試樣流量1.5 mL·min-1.各元素選擇的分析線:Cd為226.516 nm，Pb為220.367 nm，Zn為213.9 nm.

Cd，Pb，Zn 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液由德國Merck 公司提供，用2%硝酸逐級稀釋為0，0.5，1，2，4，8 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)系列備用，試驗(yàn)用水為2次去離子水.

微波消解儀:上海新拓XT-9912.

2 結(jié)果分析

2.1 土壤單元素污染條件下棉花各器官鎘、鉛、鋅含量變化

鎘、鉛、鋅單元素污染研究結(jié)果見表1.表1 數(shù)據(jù)顯示，隨著土壤鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，棉花根、莖、葉、棉絮的鎘含量呈現(xiàn)顯著增加的趨勢.當(dāng)土壤鎘含量小于5 mg·kg-1時(shí)，棉花各部位鎘含量大小為葉片＞莖＞棉絮＞根;當(dāng)土壤鎘含量為5～20 mg·kg-1時(shí)，棉花各部位鎘含量大小為葉片＞莖＞根＞棉絮，當(dāng)土壤鎘含量為20～30 mg·kg-1時(shí)，棉花各部位鎘含量大小為葉片＞根＞莖＞棉絮.由表1可知，當(dāng)土壤鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，鎘主要富集在棉花的莖、葉中，隨著土壤鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鎘則主要富集在棉花的葉片和根中.

表1 土壤鎘、鉛、鋅單元素污染處理棉花各器官鎘、鉛、鋅含量Table 1 Contents of heavy metal in cotton under single cadmium，lead and zinc pollution mg·kg -1

棉花各部位鉛含量隨著土壤鉛含量的增加而顯著增加，當(dāng)土壤鉛含量小于800 mg·kg-1時(shí)，棉絮鉛含量最低;其次是根、莖、葉;當(dāng)土壤鉛含量為800 mg·kg-1時(shí)，棉花各部位鉛含量為葉片＞莖＞根＞棉絮;土壤鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1200 mg·kg-1時(shí)，棉花各部位的鉛含量大小順序?yàn)槿~＞根＞莖＞棉絮;土壤鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1600 mg·kg-1時(shí)，根的鉛含量最高為29.2292 mg·kg-1，棉花各部位鉛含量大小順序?yàn)楦救~＞莖＞棉絮.由表1可知，棉花鉛單元素污染處理?xiàng)l件下，鉛在棉花體內(nèi)的分布規(guī)律為:土壤鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于800 mg·kg-1時(shí)棉花葉片和莖的鉛含量較高，土壤鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1200 mg·kg-1時(shí)棉花根和葉片的鉛含量較高;各處理中棉絮的鉛含量最低.

棉花各部位鋅含量隨著土壤鋅污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而顯著增加.當(dāng)土壤鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100 mg·kg-1時(shí)，棉花各部位鋅含量大小順序?yàn)槿~片＞莖＞根＞棉絮;土壤鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為400～800 mg·kg-1時(shí)，棉花各部位的鋅含量為葉片＞根＞莖＞棉絮;土壤鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1200～1600 mg·kg-1時(shí)，棉花各部位的鋅含量大小順序?yàn)楦救~＞莖＞棉絮;當(dāng)土壤鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1600 mg·kg-1時(shí)，棉花根的鋅含量最高為135.6943 mg·kg-1，棉花沒有結(jié)出棉鈴.土壤鋅污染處理?xiàng)l件下，土壤鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于100 mg·kg-1時(shí)棉花葉片和莖的鋅含量較高，土壤鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于400 mg·kg-1時(shí)，鋅則主要富集在棉花的葉片和根中;各處理中棉絮的鋅含量最低.

2.2 土壤鎘、鉛、鋅復(fù)合污染條件下棉花各器官鎘、鉛、鋅含量變化

鎘鉛鋅復(fù)合污染條件下棉花各部位的鎘鉛鋅含量見表2.當(dāng)鎘鉛鋅處理為Cd10Pb800Zn800，Cd20Pb1200Zn1200，Cd30Pb1600Zn1600 時(shí)，棉花沒有結(jié)出棉鈴，這說明鎘、鉛、鋅復(fù)合污染條件下棉花的生殖過程受到了抑制.

土壤鎘、鉛、鋅復(fù)合污染處理中，鎘在棉花體內(nèi)的分布與鎘單一處理不同，棉花根、莖、葉中的鎘含量隨著土壤鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，同一鎘污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，棉花葉片的鎘含量均顯著低于鎘單一污染處理中的鎘含量.

土壤鎘鉛鋅復(fù)合污染處理?xiàng)l件下，鉛在棉花根、莖、葉、棉絮中的富集規(guī)律不同于鉛單一污染處理.當(dāng)土壤鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜400 mg·kg-1時(shí)，復(fù)合污染處理?xiàng)l件下棉花根的鉛含量大于單一鉛污染處理，棉花葉片的鉛含量小于單一鉛污染處理;當(dāng)土壤鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞400 mg·kg-1后則反之.當(dāng)土壤鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜10 mg·kg-1時(shí)，復(fù)合污染處理?xiàng)l件下棉花莖的鉛含量大于單一鉛污染處理，當(dāng)土壤鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞1 mg·kg-1，后則反之.復(fù)合污染處理中棉花根、莖、葉片鉛含量的最高值均顯著低于單一鉛污染處理，這說明在復(fù)合污染條件下，鎘、鉛、鋅的2 價(jià)陽離子相互影響，鉛的生物學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生了一定的變化.

復(fù)合污染條件下，棉花葉片、棉絮的鋅含量均顯著低于鋅單一污染處理，當(dāng)土壤鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜400 mg·kg-1時(shí)，復(fù)合污染條件下棉花根的鋅含量顯著高于單一鋅污染處理，當(dāng)土壤鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞400 mg·kg-1時(shí)則反之.由于復(fù)合污染條件下棉花對鋅的吸收受到鎘、鉛的影響，鋅在棉花各器官的富集規(guī)律呈現(xiàn)增加、減小、增加的規(guī)律.

表2 土壤鎘、鉛、鋅復(fù)合污染處理棉花各器官鎘鉛鋅含量Table 2 Contents of heavy metal in cotton under combination cadmium，lead and zinc pollution mg·kg -1

3 結(jié)論與討論

1)土壤鎘鉛鋅單元素污染條件下，棉花根、莖、葉、棉絮對污染元素的吸收特點(diǎn)表現(xiàn)為:重金屬低質(zhì)量分?jǐn)?shù)污染條件下莖葉富集大于根系，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下根系重金屬含量較高，棉絮重金屬含量最低.棉花田間長勢觀察結(jié)果表明，土壤鎘、鉛、鋅單元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對棉花的田間長勢影響不大，其棉桃數(shù)量隨鎘、鉛、鋅單元素污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減少，當(dāng)土壤鋅污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1600 mg·kg-1時(shí)，棉花的生殖過程受到抑制.高柳青等研究結(jié)果也表明，盆栽條件下，土壤鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于16 mg·kg-1、土壤錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于60 mg·kg-1范圍內(nèi)，棉花生物產(chǎn)總產(chǎn)量不受土壤鋅錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響［16］.本研究雖然土壤鋅、鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為1600 mg·kg-1，土壤鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為30 mg·kg-1，但各處理間棉花田間長勢差別不大.

2)土壤鎘、鉛、鋅復(fù)合污染條件下，當(dāng)鎘鉛鋅 處 理為Cd10Pb800Zn800，Cd20Pb1200Zn1200，Cd30Pb1600Zn1600 時(shí)，棉花沒有結(jié)出棉鈴，說明在重金屬復(fù)合污染條件下，棉花生殖過程明顯受到抑制.鎘鉛鋅復(fù)合污染條件下，棉花田間長勢同單元素污染也無顯著差別.土壤鎘、鉛、鋅復(fù)合污染處理中，鎘在棉花體內(nèi)的分布與鎘單元素污染處理不同，棉花根、莖、葉中的鎘含量隨著土壤鎘含量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，棉花葉片的鎘含量均顯著小于鎘單元素污染處理?xiàng)l件下棉花葉片的鎘含量，說明在復(fù)合污染條件下，重金屬元素吸收存在拮抗效應(yīng)，王麗燕等研究發(fā)現(xiàn)鉛對鎘也有一定的拮抗作用［17］.本試驗(yàn)結(jié)果與前者的研究結(jié)果有相同之處.棉花根、莖、葉片鉛含量的最高值均顯著低于單一鉛污染處理;棉花葉片、棉絮的鋅含量均顯著低于鋅單一污染處理.

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