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土壤中铅镉的作物效应研究

来源：意榕旅游网

第22卷第1期1999年1月河北农业大学学报

JournalofAgriculturalUniversityofHebeiVol122No11　Jan11999

土壤中铅镉的作物效应研究

刘云惠　魏显有　王秀敏　肖崇斌

(河北农业大学生物技术中心,保定　071001)Ξ

摘要　研究了有效铅、镉与玉米根、茎、叶的吸收相关性,及有效镉与水稻生长发育和产量的相关性,通过玉米根、茎、叶的伤流、蒸腾等试验,探讨了玉米对铅、镉的吸收和运输机制。水稻体内对镉的积累与分布规律为根>茎叶

>籽粒,当镉质量比为32mg/kg时,水稻糙米里镉质量比超标,测出了褐土有效镉临界质量比:水稻为5194mg/kg。

关键词　褐土;铅、镉;玉米;水稻;有效态中图分类号　S15119ResearchonCropEffectsofLeadandCadmiuminSoil

LiuYunhui　WeiXianyou　WangXiumin　XiaoChongbin

(CenterofBiotechnology,HAU,Baoding071001)

Abstract　TheabsorptiverelevancebetweenavailablePb1Cdandtheroot,stem,leafofmaize,andtherele2vancebetweenavailableCdandthegrowth,yieldofricearestudiedinthispaper1Throughtheexperimentoftranspiration,bleeding,osmosisoftheroot,stem,leafofmaize,theabsorptiveandtransportationmechanismofmaizeonPb1Cdarestudiedwithinthebodyofrice1TheregulationofaccumulationanddistributionofCdisroot>stem,leaf>seed,whenCdConcentrationis32mg/kg,CdconcentrationinbrownricesurpassthestandardandthecriticalconcentrationofCdindrabsoilis5194mg/kginriceKeywords　Drabsoil;Lead;Cadmium;Maize;Rice;Availability

通过盆栽试验,研究了褐土在施用Pb,Cd的条件下,Pb,Cd对玉米、水稻生长,发育和产量的影响,及在作物体内的积累和分布。近年来,关于玉米对Pb,Cd的吸收已有报道[1,2],但多通过玉米各部位的含量分析,研究玉米对Pb,Cd的吸收和积累。在前人研究的基础上,在原土和培育褐土中栽培玉米,并对玉米根、茎、叶进行伤流、蒸腾等试验,探讨了玉米对Pb,Cd的吸收运输机制。关于水稻对Cd的吸收虽有不少土壤有效Cd与水稻苗期叶片吸收方面的报道,但在褐土中加入不同浓度的Cd来栽培水稻,Cd对水稻拔节、孕穗、灌浆期的株高和产量的影响,及水稻根、茎叶、籽粒等的分布尚未报导。褐土中Cd质量比为200mg/kg时,水稻株高与对照差异不明显,产量为对照的63%;当Cd质量比为32mg/kg时,水稻糙米里Cd超标。证明了Cd在水稻体内对Cd的积累与分布规律为根>茎叶>籽粒。测定出褐土有效Cd临界质量比:水稻为5194mg/kg。

1　材料与方法

河北省自然科学基金资助项目(29422)。

刘云惠:女,44岁,高级实验师,从事分析化学、仪器分析教学与科学研究工作。1998-06-05收稿。

第1期111　供试土壤

刘云惠等:土壤中铅镉的作物效应研究

采自河北满城县南韩村。采样深度为0～20cm。土壤的基本理化性质见表1。

表1　供试土壤的基本理化性质

Table1　Thebasicphysichemicalpropertiesofsoilsample

土壤

Soil

采样深度

h/cm

pH有机质/%

Organicmatter

CaCO3(%)7185Fe2O3(%)4180Al2O3(%)4180全Cd

(mg・kg-1)TotalCd0115

全Pb

(mg・kg-1)TatalCd2713

Sampledepth

褐土0～20711137

112　试验方法

11211　玉米　取褐土600g置于盆中,将Pb,Cd加入到土壤中,加入Pb,Cd的质量比为Pb2+19110mg/kg,Cd2+13125mg/kg,混匀,再加蒸馏水保持田间持水量的70%,培育1a后风干,磨细备用。

玉米品种为农单5号,原土作对照。每盆土600g,均播玉米10株,重复5次,玉米生长4～5片真叶时,进行伤流、蒸腾试验,对栽培玉米后的土壤进行有效态Pb,Cd的提取和测定。11212　水稻　取一定量的基肥、二铵、尿素与每盆15kg褐土混匀,在加入不同质量比的Cd,见表2。

表2　褐土中加入不同质量比的Cd

Table2　TheadditionofdifferentCdconcentrationsindrabsoil

褐土编号Numberofdrabsoil

CCd2+/mg・kg

-1

y00

y12

y28

y332

y4100

y5200

　　试验设6个处理,3次重复,共36盆,水稻品种为中华1号。水稻6月24日插秧,8株/盆,7月10日定苗,5株/盆,10月3日收获。水稻收获后,取盆装土样,风干、磨细备用。

植物样采用自来水冲净根、茎叶,再用去离子水冲洗,晾干与籽粒分别经不锈机粉碎,备用。水稻拔节、孕穗、灌浆期分别为7月30日,8月17日,9月31日,收获后(10月3日)籽实测产。113　测定方法

原子吸收法和极谱法。

2　结果与讨论

211　玉米

21111　Pb,Cd对玉米水份代谢指标影响　在加入Pb,Cd条件下,玉米苗期的伤流、蒸腾强度反映了玉米根

系和土壤间的水分交换,表3测定结果表明,在试验所取质量比范围内,Pb,Cd对植物伤流作用无阻滞影响,相反,伤流速率却较对照明显升高。蒸腾强度的测定结果(表3)与对伤流的影响呈现相同趋势。

表3　Pb,Cd对玉米伤流和蒸腾作用的影响

Table3　TheinfluenceofPb,Cdonbleedingandtranspirationofmaize

项　　目

Events

对照　CK

速率相对百分数RateRelative　percentage

0110173112

100100

Pb　LeadCd　Cadmium

速率

Rate　

0112178161

相对百分数Relativepercentage

1191810715

速率Rate　

0110976159

相对百分数Relativepercentage

1071910417

(h-1・根伤流速率/g・g-1)(h-1・蒸腾强度/g・m-2)

　　植物的伤流和蒸腾作用是反映植物水分代谢的重要指标。伤流是植物根质引起的溢泌现象。多数研究者认为,根压的产生是由于导管四周活性细胞进行新陈代谢,向导管分泌无机盐和简单有机物,导管溶液

水势下降,而周围的活性细胞水势升高,因此水分不断流入导管。从试验结果看,Pb,Cd似乎具有导致导管周围细胞代谢增强,向导管分泌增加现象。21112　玉米对Pb,Cd的吸收　进入到土壤中的Pb,Cd受土壤理化性质的影响,共存的形态也发生相应的

河北农业大学学报第22卷

改变,其中只有部分对玉米是有效的。表4为盆栽土壤中有效态Pb,Cd(NH4AC提取)及玉米根、茎、叶的富集系数。

表4测定结果表明,土壤中有效态Pb,Cd占加入量Pb,Cd总量的比例值在同一数量级上,水溶态Cd>水溶态Pb,Pb只占加入总量的0104%～012%。原土盆栽玉米根、茎、叶中Pb,Cd的含量<培土盆栽玉米根、茎、叶中Pb,Cd的含量,原土和培土盆栽玉米中对Pb,Cd的累积和分布规律为根>茎>叶,而玉米根中Cd的累积量显著高于Pb,Cd的富集系数为Pb的15～23倍。从试验结果看,造成根系对Pb累积值较低的

原因,①可能是与土壤水溶Pb的比例低有关;②玉米苗期相对生长时间较短,NH4AC提取Pb的活性较低。

表5测定结果表明,进入玉米体内的Pb,Cd向地上部运输和分配比为,玉米茎、叶中Cd的含量>Pb的含量,说明Cd在植物体内的移动性比Pb强,一些报告指出:进入植物体内Pb主要在植物根部,很少向地上部移动,表5分配比例也得到相同结论。表4　土壤中Pb,Cd与玉米根、茎、叶的累积量(mg/kg)和富集系数

Table4　ThesoilPb,Cdinandtheiraccumulationvalueandenrichmentcoefficentinroot,stemandleafofmaize

元素

Elements

土有效

Soilavailability

有效/加入量

amount/%

-51107-36140

土水溶水溶/加入量

Solubility/Addingamount/%

根

Root

富集系数

Enrichmentcoefficient

茎

Stem

富集系数

Enrichmentcoefficient

叶

Leaf

富集系数

Enrichmentcoefficient

Availability/AddingSolubility

原土Pb原土Cd培土Cd

913130100010410100901041

-0104-01180

11108127113011010510

-0183-12185

111121101004161

-01084-2103

216041417230100215101

-01096-1184

培土Pb153120

01138117

　　注:富集系数为玉米含量/有效态含量。

表5　Pb,Cd在玉米中的分配比例

Table5　ThedistributiveproportionofPb,Cdinmaize

作物Crop玉米

元素Elements

PbCd

根Root

茎Stem

0110101158

叶Leaf

0111601143

　　表6的测定结果表明,在玉米伤流液中检出相应的Pb,Cd,而其质量比显著高于土壤。

表6　玉米伤流液中Pb,Cd质量比

Table6　Pb,Cdconcentrationinthebleedingofmaize

PbLead

CdCadmium

作物

Crop

伤流/mg・kg-1

Bleeding　　

(h-1・伤流速率/mg・g-1)

Bleedingrate　　

伤流/mg・kg-1

Bleeding

(h-1・伤流速率/mg・g-1)

Bleedingrate　　

玉米　　01203　　01027　　01283　　01036

　　水溶态的Pb,Cd,根据多数学者对植物根系离子吸收研究,植物根系的溢泌作用(伤流)表明离子的极性是一个主动过程。玉米将吸收的Pb,Cd经共质体途径定向运输进入导管,也是一个主动过程。表6玉米伤流液中Pb,Cd的运载速率Cd>Pb。该结果是在土壤中加入Pb2+(19110mg/kg)远大于Cd2+(13125mg/kg)的背影下得出的,也更说明了Pb的迁移速率比Cd低。212　水稻

21211　Cd与水稻生长、发育及产量关系　水稻拔节期调查,褐土中Cd质量比为200mg/kg时,水稻株高比

对照低711cm,y1,y2,y3,y4盆栽水稻生长正常(见表7)。孕穗和灌浆期调查,株高无明显变化。任继凯和周毅作的试验在100mg/kg处理下,水稻株高比对照减少了6～12cm,这可能由于土壤性质和水稻品种差异所引起的。在大于32mg/kg处理时,产量随Cd质量比增加而降低。同样,水稻收获后,以土壤总Cd与各生育期株高及收获的产量进行回归分析。结果见表8。拔节期,水稻Cd株高与全Cd在5%水平上达显著负相

第1期刘云惠等:土壤中铅镉的作物效应研究

关。可能是在苗期,苗的长势弱,抵抗毒害能力差,从而随Cd质量比增大,对其生长抑制加强。孕穗期和灌浆期,株高与土壤总Cd不相关,这是由于淹水条件下,Cd活性降低,对植物毒害减弱,水稻抗毒性增强。收获后,水稻产量与土壤总Cd在1%水平上达极显著负相关。可能是水稻生长后期,土壤水分减少,Cd活性增强,影响根的养分输送和叶绿素光合作用的进行,从而使产量降低。

表7　不同日期土壤Cd对水稻株高和产量的影响

Table7　TheinfluenceofCdinsoilontheheightandyieldofriceindifferentdate07-30

08-17

09-2110-03

编号

Numbery0y1y2y3y4y5

株高/cm

Plantheight

751878107910761576196817

与对照比/%

Comparetocontrol

100102191041210019101159016

株高/cm

Plantheight861094129417911992178613

与对照比/%

Comparetocontrol1001091511011106191071810015

株高/cmPlantheight911114961312971218

与对照比/%Comparetocontrol

100991610514101151061810111

产量/g・盆-1与对照比/%

Yield211623122211181416141316

Comparetocontrol

1001071410213851275196310

表8　不同日期Cd处理、水稻株高、产量回归分析

Table8　RegressiveanalysisofheightandyieldonricewithCdtreatmentindifferentdate

作物

Crop

07-3008-1709-21

10-03

株　　高Height

r=-01882

r=01468a=921221b=-01023

r=01109a=931777b=01003

a=781058b=-01058

产　量Yield

r=01929a=211626b=-01044

水稻

　　n=6　　r0105=01812　　r0101=01917

21212　水稻对Cd的吸收、积累和分配　作物的不同器官对Cd的吸收能力不同,从而各器官对Cd积累能

力也不同。水稻根、茎叶和籽粒各部位对Cd元素的积累程度,可采用浓缩系数的概念,其定义式为:

浓缩系数=作物体内含重金属量(mg/kg)/土壤中重金属总量(mg/kg)浓缩系数愈高,作物体内含Cd量愈高,即作物积累能力越强。

由水稻各器官Cd含量(见表10)推算出Cd的吸收浓缩系数(见表9),其大小顺序依次为:根>茎叶>

(4100～11100)∶籽粒。根、茎叶与籽粒的浓缩系数之比为(12175～44100)∶1,说明水稻根积累Cd能力最强,

茎叶次之,籽粒最弱。各器官含Cd量及其与土壤总Cd回归分析结果(见表11)。土壤总Cd与水稻各器官含Cd均呈极显著正相关。各器官之间也存在极显著水平相关关系。由水稻各器官含Cd量表明(见表10)积累系数(表11)可以得到相同结论:水稻超标时土壤Cd处理质量比为32mg/kg。比其它作物土壤Cd处理质量比高十几倍(土壤Cd处理质量比为2mg/kg,小麦已超标014mg/kg),说明种水稻时,土壤常处于淹水条件,Cd与S2-生成沉淀,Cd活性降低,减少了水稻对Cd的吸收。

表9　水稻对Cd的浓缩系数

Table9　TheconcentratecoefficientofCdinrice

作物

Crop

编号

Numbery0y1y2y3y4y5

根

Root2416001850151017101430144

茎叶

Stemleaf110001200118011501130111

籽实

Seed010001050104010301020101

根/籽实

Root/Seed

-1710012175231672115044100

茎叶/籽实

Stemleaf/Seed

-410041505100615011100

水稻

河北农业大学学报

表10　水稻和土壤全Cd的测定值

Table10　ThedeterminationvalueofriceandsoiltotalCd

第22卷

mg・kg-1

作物

Crop

编号

Numbery0y1y2y3y4y5

土样

Soil01050119719532712469212842011775根

Root11230116834103919141010401519茎叶

Stemleaf010500139911398411511213462212

籽实

Seed010000109601291016991160021631

水稻

表11　水稻收获后,土壤总Cd和水稻含Cd量的相关分析

Table11　TherelativeanalysisbetweensoiltotalCdandCdcontentinriceafterharvest

项目

Events

根

Rootr=01992

茎叶

Stemleafr=01996a=01626b=01112r=01993a=01116b=01257

籽实

Seedr=01986a=01178b=01012r=01987a=01117b=01029r=01996a=01102b=01115土壤总Cda=21122b=01432

根

茎叶

　　注:n=6　　r0105=01812　　r0101=01917

3　结论

(1)Pb,Cd在玉米体内的运输速率有一定差异,Cd是易于被植物吸收并向地上部运输的元素、运输速

率高于Pb。而Pb在植物体内活性较低,到达根部的Pb大部分被固定,向地上部运输的比例较低,说明Pb

除质体运输途径外,大部分通过自由Pb空间被根吸收。Pb,Cd在玉米体内的积累和分配规律为根>茎>叶。各器官(尤其根)与土壤含Cd量呈显著正相关。

(2)土壤中的Cd超过一定质量比时,能抑制水稻的生长发育,植株变矮,产量降低。水稻抗Cd比其它作物强。Cd在水稻体内的积累规律:根>茎叶>籽粒。水稻各器官含Cd与土壤含Cd均呈显著水平正相关。各个器官之间Cd含量也表现出密切相关性。

参考文献

1　彭鸣1Cd、Pb在玉米幼苗中的积累和迁移—X射线显微分析1环境科学学报,19,9(1)∶61～672　周鸿1玉米幼根对Pb的吸收途径及有关两种酶活性初探1环境科学学报,1986,6(1)∶66～713　B・斯拉维克・强崇浩等译1植物与水分关系研究法1北京:科学出版社,19861230～231

(编辑:郭桂仙)

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