城郊土壤共存元素对土壤作物系统Cd、Pb迁移的影响分析——以白银市城郊区为例

城郊土壤共存元素对土壤作物系统Cd、Pb迁移的影响分析Ξ
———以白银市城郊区为例
南忠仁1,2,李吉均2
(1.中科院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,兰州　730000;
2.兰州大学地理科学系,兰州　730000)
摘要:通过共存元素对土壤小麦系统Cd、Pb行为影响的调查研究发现:大田条件下共存元素以正对数模式与根系Cd、Pb密切相关,同种元素间相关程度最高;根系Cd、Pb积累主要取决于土壤环境Cd、Pb的含量,共存元素也产生一定的影响。

认为要防止重金属通过食物链对人类的危害,就必须降低土壤环境中重金属的总量。

关键词:城郊区;共存元素;土壤植物系统;镉、铅迁移
中图分类号:X503 文献标识码:A 文章编号:1002-1264(2001)02-0044-03
I nfluence of Co-exist H eavy Metals on the T ransfer
of C admium and Lead in Soil-Wheat R oot System in Suburb Land
———T aking the B aiyin suburb as an example
NAN Zhong2ren1,2,LI Ji2jun2
(1.State K ey Laboratory of Frozen S oil Engineering,C old and Arid Regions Environmental and
Engineering Research Institute,C AS,Lanzhou730000,China;
2.Department of G eography,Lanzhou University,Lanzhou730000,China)
Abstract:Investigation of relationships between the co2exist trace element contents and the selected metal(cadmium and lead)contents in s oil-wheat root system under the actual conditions was carried out.The positive logarithmic m odels of the in fluence of co2exist elements on transport of Cd and Pb was highly significant,and the m ost signifi2 cant equations occurred between the same kind metals.The accumulative levels of selected heavy metals in wheat root were mainly dependent on the same kind elements in s oil,and to a certain extent,the co2exist trace metals had s ome functions on the abs orption of root.It is concluded that the contents of co2exist elements in s oil was the only feasible way to protect human being food chain from heavy metals.
K ey w ords:suburb area;　co2exist heavy metal;　s oil2root system;　trans fer of Cd and Pb
城郊土壤受城市废气降尘、污泥施用及污水灌溉而出现的重金属污染问题,因其化学行为和生态效应的复杂性,及对人类社会健康可持续发展的严重危害性,近年来成为重要的环境问题之一[1]。

食物链镉、铅的来源主要是植物通过根系被动地从土壤环境中吸收[2]。

这一过程不仅取决于化合物的内在性质及土壤理化条件,而且密切受土壤共存元素的影响。

关于Cd、Pb单元素及复合污染对植物效应的试验研究颇多[3,4],但对大田条件下钙成土区城郊土壤重金属复合污染对土壤作物系统Cd、Pb行为影响的研究报导较为贫乏。

根据对白银市城郊污灌农田土壤小麦体系元素Cd、Pb及土壤环境共存元素含量的调查研究,探讨共存元素对土壤作物系统Cd、Pb行为的影响效应,为区域土壤污染防治方案的制定提供科学依据。

1　材料与方法
1.1　研究区概况
白银市中心区是我国重要的有色金属冶炼加工与化工工业基地之一。

城郊耕地总面积1.07万hm2,有效灌溉面积0.47万hm2,主要分布在城郊东、西两大沟流域冲洪积阶地面上。

因干旱缺水,城郊农业生产中程度不同地有利用污水灌溉的历史,土壤环境已表现出不同程度的重金属复合污染[5]。

44第14卷2期
2001年4月
城市环境与城市生态
URBAN E NVIRONME NT&URBAN ECO LOGY
V ol14,N o.2
Apr.　2001
Ξ国家自然科学基金重点项目(49731010)和甘肃省环保科技项目(98-8)。

　收稿日期:2000-09-09
1.2　采样与测试分析
为探讨Cd、Pb在土壤作物系统迁移受共存元素的影响,在研究中按网格法(2km×2km)均匀布点,作物成熟期同时同点随机采集土壤与小麦根系样品(N=47)。

土壤样品是垂直采取耕作层0-20cm的土体。

作物样品是采取成熟期的作物的根系,土壤样品风干,经过100目尼龙筛处理后,用HCl+H NO3+HClO4+HF置微波炉消化;根系样品洁净烘干(小于80℃温度)处理后,用H2S O4+H NO3+HClO4置微波炉消化。

用ICP等离子光谱仪测定根系元素Cd、Pb和土壤环境共存元素Cd、Cu、Ni、Pb、Zn的含量。

1.3　数据处理与统计分析
数据处理与统计分析均由Excel97与SPSS8.0 for Windows软件包完成。

2　结果与讨论
小麦根系元素和土壤环境共存元素含量调查统计特征值见表1。

因相关分析与回归分析要求资料为高斯或近似于高斯分布,而各调查值均为正的偏态分布,需对其作对数化处理,以使数据呈高斯或近似于高斯分布。

表1　白银市城郊土壤与小麦根系重金属含量统计
特征值及对数化处理值干重mg/kg
项目
城郊耕作土壤
Cd Cu Ni Pb Zn
根系
Cd Pb
原始统计值
最小值0.1421.0021.1314.9643.500.000.33最大值19.32368.15131.64413.36565.0015.5644.10算术均值 3.1699.2944.1784.11146.78 2.179.63中位数0.4560.0035.6228.10106.250.42 2.99偏度 1.71 1.18 2.36 1.51 1.61 2.13 1.61对数化处理值
算术均值0.8469.6739.8144.66114.810.66 4.06偏度0.790.28 1.340.960.540.540.29 2.1　土壤共存元素相互关系分析
为明晰土壤重金属元素间的相互关系,对测定的5个元素进行相关分析(表2)。

表2　城郊耕作土壤重金属物质含量相关系数
Cd Cu Ni Pb
Cu0.8023
Ni0.74430.7463
Pb0.90430.81330.8393
Zn0.41930.72830.55130.5003
30.01水平相关(双尾)。

所选Cd、Cu、Ni、Pb、Zn5种重金属元素,在耕作土表层环境相关系数均达到极显著相关(皮尔逊相关系数,p<0.01)。

但相关性趋势存在一定的差异,如Cd-Pb、Pb-Ni、Pb-Cu、Cd-Cu间的相关性最好;其次是Zn-Cu、Ni-Cu、Ni-Cd;Zn -Pb、Zn-Ni、Zn-Cd间的相关性相对较差。

说明元素地球化学性质对土壤元素的相关性有一定的影响,同时也反映了土壤重金属环境质量异常的发生具有同源性。

这种异常现象的出现,与研究区铜矿、铅锌矿等多金属伴生矿开采、冶炼排放的工业废水的农业灌溉及大气降尘影响有关。

2.2共存元素对根系Cd、Pb吸收影响的回归分析
表3给出了大田共存元素对Cd、Pb在土壤小麦根系中迁移影响的散点分布及二元相关模拟方程。

表3　共存元素与小麦根系研究元素的二元回归模拟分析
小麦根系元素
共存
元素
Cd R2p
Cd log(RCd)=0.89log(SCd)-0.1290.856<0.001 Cu log(RCd)=1.52log(SCu)-3.0010.697<0.001 Ni log(RCd)=3.804log(S Ni)-5.1440.647<0.001 Pb log(RCd)=1.248log(SPb)-2.2540.732<0.001 Zn log(RCd)=1.639log(SZn)-3.5750.515<0.001共存
元素
Pb R2p
Cd log(RPb)=0.683log(SCd)+0.6610.673<0.001 Cu log(RPb)=0.977log(SCu)-1.1900.388<0.001 Ni log(RPb)=2.252log(S Ni)-2.9990.478<0.001 Pb log(RPb)=1.051log(SPb)-1.4510.688<0.001 Zn log(RPb)=log(SZn)-1.4510.259<0.001 注:RX表示根系X元素的含量。

SX表示土壤环境中X元素的含量。

从相关系数R2值知:共存元素对根系Cd、Pb 吸收影响排序为:对根系Cd为Cd大于Pb大于Cu大于Ni大于Zn,对根系Pb为Pb大于Cd大于Ni大于Cu大于Zn。

同种元素的相关程度最大。

这与在Pb、Cd、Cu、Zn、Ni复合污染的水稻苗期和Pb、Cd、Cu、Zn复合污染的水稻全生育期的试验(土壤为黄棕壤)结论[6,7],及Cd、Pb、Cu、Zn、As复合污染对水稻元素吸收的试验(草甸棕壤)结论相一致[4]。

但大田环境与试验环境得出的共存元素对研究元素吸收正负效应有不一致的表现。

共存元素对小麦根系Cd、Pb吸收累积影响表现为显著的(p<0.001)正对数模式,即在大田土壤环境条件下,共存元素对小麦根系Cd、Pb的吸收起着协同作用,促进根系的元素吸收。

这与所开展城郊大田土壤作物系统重金属含量关系调查得出的土壤环境Cu、Zn、Pb含量与作物根系及叶片中Pb的含量呈显著正相关的结论相一致[8]。

也与所作共存元素复合作用对水稻籽实元素吸收系数的影响得出Cd、Pb的吸收系数比单元素作用
54
南忠仁,等　城郊土壤共存元素对土壤作物系统Cd、Pb迁移的影响分析
时提高几倍到几十倍的结论相吻合[4]。

共存元素Pb的存在会夺取Cd在土壤中的吸附位,提高土壤Cd的植物有效性,而Cu、Zn、Cd的存在均有利于土壤Pb的解吸。

另一方面,复合污染物Pb、Cd、Ni、Cu、Zn共存时,会对植物根系分泌物的组成和分泌量产生影响,改变根土界面微环境的理化性质。

研究表明根系低分子分泌物的主要成分之一的有机酸,易与重金属离子形成络合物,成为重金属在根土界面移动的载体[9]。

在复合污染试验研究中得出的结论,有表现为协同效应,也有表现为颉抗效应的。

贺建群,等在其所开展的重金属交互作用对小麦幼苗元素吸收影响的试验研究中发现,Zn与Pb、Cu、Cd的交互作用可大大促进作物Cd的吸收累积量,其中优以Zn-Cd的交互作用对Cd的吸收影响最大。

Zn -Pb和Zn-Cd的交互作用显著地影响麦苗Pb 的累积量。

同时也发现麦苗Pb的累积量随Cu的添加量增加而减少。

这可能是因为过剩的Cu引起作物发生失绿症,根系畸形化,生长受阻,抑制作物对Pb等其它元素的吸收[3]。

2.3　多元回归分析
为分析共存元素对土壤小麦根系Cd、Pb行为的影响,利用多元回归分析法建立共存元素影响的数学模拟方程,并进行标准回归系数计算,判断共存元素间影响程度的差异[10](表4)。

表4　共存元素对土壤小麦根系Cd、
Pb迁移影响的回归模拟分析
数学模型F p各变量标准回归系数绝对值
RCd=-0.19+1.06SCd+0.26SCu +0.76SNi-0.53SPb-0.36SZn 57.320.000
SCd:1.11,SCu:0.14,SNi:0.20,
SPb:0.36,SZn:0.16
RPb=0.96+0.69SCd-0.38SCu +0.42SNi+0.35SPb-0.41SZn 23.340.000
SCd:0.83,SCu:0.24,SNi:0.13,
SPb:0.28,SZn:0.21
注:RX表示根系X元素的含量。

SX表示土壤环境中X元素的含量。

由表4可见:共存元素影响的数学模拟方程均达极显著水平(F0.001=5.13<F值),即各共存元素对土壤小麦根系Cd、Pb的迁移均有影响。

由标准回归系数绝对值分析知,各变量对RC D影响程度依次(由大到小)为SCd、SPb、S Ni、SZn、SCu对RPb影响的程度依次(由大到小)为SCd、SPb、SCu、SZn、S Ni。

植物非必需元素Cd、Pb的影响作用最大,这可能与Cd、Pb的植物被动吸收有关。

这与郑春荣等所作重金属复合影响过程的多元回归建模分析得出的结论相一致[6]。

即:元素Cd、Pb的作物吸收量,除受该元素在土壤环境中总含量的制约外,还受共存元素Cu、Ni、Zn等的影响,尽管这种影响作用有大小之别。

3　结论
通过共存元素对土壤小麦根系Cd、Pb行为的影响调查研究,初步获得以下认识:
(1)大田条件下共存元素以正对数模式与小麦根系Cd、Pb密切相关,同种元素间的相关程度最大。

多元回归分析表明:小麦根系Cd、Pb的积累主要取决于土壤环境Cd、Pb含量,共存元素也产生一定的影响。

(2)研究认为,要防止城郊土壤环境重金属物质通过食物链对人类健康可持续发展的危害,就必须降低土壤环境中重金属的总量,这样才能减少食物链中重金属的迁移通量,保障人类安全。

参加本研究工作的还有:吴沂、高有林、赵传燕、叶鹏、成秀玲、曾贤稷等同志
参考文献
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作者简介:南忠仁(1962-),男,陕西渭南人,副教授,博士后,主要从事区域生态环境保护、规划与管理研究工作。

64 城市环境与城市生态　14卷2期　2001年。