磷和硅对土壤-烟草系统中铅迁移的影响

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磷和硅对土壤-烟草系统中铅迁移的影响
颜奕华;李金星;郑子成;李廷轩;张锡洲;王勇
【摘要】为探究降低土壤铅活性与烟叶铅含量的有效措施,采用盆栽法研究施磷、施硅及磷硅配施对铅在土壤-烟草系统中迁移的影响.结果表明,在非根际土壤中,施磷使土壤可交换态和碳酸盐结合态铅向铁锰氧化物结合态和残渣态铅转化,施硅使土壤可交换态铅向铁锰氧化物结合态铅转化,磷硅配施使土壤可交换态铅向铁锰氧化物结合态、有机态及残渣态铅转化.与CK相比,施磷、施硅及磷硅配施使根际土壤可交换态铅含量分别降低46.05%、14.24%和48.76%,使烟草铅总吸收量分别降低44.02%、44.04%和65.65%,使烟叶铅含量分别降低63.06%、60.37%和83.24%.施磷可通过降低土壤中铅向根部迁移的移动指数(IM.土根)和根部向茎部迁移的移动指数(IM,根茎)来抑制土壤中铅向叶部的迁移;施硅及磷硅配施可通过降低IM,土根、IM,根茎和茎部铅向叶部迁移的移动指数(IM,茎卅)来抑制土壤中铅向叶部的迁移.施磷和施硅是降低烟叶铅含量的有效措施,且配施效果更佳.
【期刊名称】《生态与农村环境学报》
【年(卷),期】2014(030)005
【总页数】6页(P640-645)
【关键词】磷;硅;铅;烟草;根际;迁移
【作者】颜奕华;李金星;郑子成;李廷轩;张锡洲;王勇
【作者单位】四川农业大学资源环境学院,四川成都611130;四川农业大学资源环境学院,四川成都611130;四川农业大学资源环境学院,四川成都611130;四川农业
大学资源环境学院,四川成都611130;四川农业大学资源环境学院,四川成都611130;四川省烟草公司凉山州公司,四川西昌615000
【正文语种】中文
【中图分类】X503.231
铅是一种极具生物毒性的重金属元素,可通过土壤-植物系统迁移进入食物链,危害人体健康[1]。

目前重金属污染土壤治理方法主要包括物理法、化学法和生物法[2]。

化学法中的原位钝化修复通过施加石灰、磷酸盐和硅酸盐等物质来降低土壤重金属的生物有效性,尤其适用于修复大面积、中轻度污染的农田土壤[3]。

有研究表明,磷酸盐可通过吸附、沉淀和共沉淀等多种形式与铅结合,抑制作物对铅的吸收[3],在降低土壤铅活性方面效果尤为明显[4]。

也有研究表明,硅
对植物生长有益,施用硅肥对提高农产品产量和品质有重要作用[5-6]。

硅酸
盐可降低土壤铅的有效性,抑制重金属从植物根部向地上部的迁移[7]。

磷酸盐和硅酸盐可作为改良剂用于固定土壤重金属,但过量施磷或施硅反而不利于提高重金属的修复效率[4]。

同时,磷和硅在土壤中还存在竞争性吸附关系[8-9],磷硅配施有利于增强其对土壤中重金属的修复效果。

有研究表明,硅磷配施对降低玉米镉含量的效果优于单施处理[10]。

然而,磷硅配施对土壤铅的有效性及其
形态转化等方面的研究较少,尤其针对烟草的研究更少。

作为重要经济作物,烟草对土壤铅具有较强的适应能力,且铅易于向叶部迁移[11]。

对部分国产香烟的
检测结果表明,其铅和镉等重金属含量均高于国外香烟[12]。

因此,以四川省
主栽烟草品种为研究对象,从土壤-植物系统角度出发,研究磷和硅对土壤铅形态转化、烟草生物量和铅含量的影响,以期为植烟土壤持续利用及烟草安全生产提供理论依据。

1 材料与方法
1. 1 供试材料
供试土壤为红壤,采自四川省西昌市烟田。

土壤基本理化性质如下:pH值为5. 76,w(有机质)为17. 71 g·kg-1,w(全氮)为1. 41g·kg-1,w(碱解氮)为215. 92 mg·kg-1,w(速效磷)为16. 00 mg·kg-1,w(速效钾)为 238.
11 mg·kg-1,w(铅)为42. 86 mg·kg-1。

供试烟草品种为西昌市主栽的红花大金元,由四川省烟草公司凉山州公司提供。

外源铅为乙酸铅,磷和硅分别为磷酸二氢钠和硅酸钠,氮、钾肥分别为硝酸铵〔w (N)为35%〕和硫酸钾〔w(K2O)为54%〕,均为分析纯试剂。

1. 2 试验方法
盆栽试验采用模拟污染土壤进行,参照 GB 15618—1995《土壤环境质量标准》
中Pb含量的2级标准,将试验土壤中Pb含量设为250 mg·kg-1。

设置 4种处理:(1)不施磷和硅(CK);(2)施磷(P),施用量为0. 68 g·kg-1P2O5;(3)施硅(Si),施用量为0. 58 g·kg-1SiO2;(4)磷硅配施(P+Si),施
用量为0. 68 g·kg-1P2O5 和0. 58 g·kg-1SiO2。

每个处理3次重复,共12盆。

肥料N和K2O施用量分别为 90 和270 mg·kg-1。

试验于2012年在凉山州烟草公司烟叶生产技术推广应用中心试验基地进行。

将土壤风干后混匀,装入10 L塑料桶,每桶装土15 kg。

在移栽前45 d将乙酸铅用1 L水溶解后,调节pH值至6. 0,加入土壤中拌匀。

移栽前15 d将磷酸二氢钠、
硅酸钠及基肥分别用1 L水溶解后,调节pH值至6. 0,加入土壤中拌匀。

根袋用0. 06 mm孔径尼龙纱网自制(直径25 cm,高35 cm),根袋预先装土埋在盆中,上口与土表平齐,下口封底。

土壤盆栽按行株距100 cm×50 cm随机排列。

烟草包衣种子经漂盘育苗后,选择长势一致的烟苗移栽至根袋内,每盆种1株,
移栽后按大田常规方法管理。

1. 3 样品采集与制备
在烟草移栽60 d后采样。

采样时先取出根袋和烟草植株,收集紧密附着在根上的土作为根际土壤,取桶内根袋外2 cm的土壤作为非根际土壤。

经自然风干、磨碎,过2 mm孔径筛,取一部分过0. 25 mm孔径筛备用。

植株样品用自来水冲洗干净,再用蒸馏水润洗,然后用吸水纸擦干,分为根、茎和叶,在105℃条件下杀
青0. 5 h,再将温度降至75℃烘干至恒质量,磨碎后密封保存。

1. 4 重金属铅含量测定
采用HNO3+HClO4+HF消解法测定土壤铅全量[13];采用 HNO3+HClO4
消解法测定植物中铅含量[13];采用 Tessier连续浸提法分析土壤铅形态[14];采用火焰原子吸收分光光度计(TAS-990)测定溶液中铅浓度。

1. 5 数据分析
铅的迁移分为土-根、根-茎和茎-叶3个过程。

3个过程的移动指数(mobility index,IM)计算方法[15]为:IM,土-根=根中铅含量/土壤中铅含量;IM,根-茎=茎中铅含量/根中铅含量;IM,茎-叶=叶中铅含量/茎中铅含量。

采用Excel 2007和DPS 11. 0软件进行数据的方差分析及多重比较分析(LSD 法)。

2 结果与分析
2. 1 磷和硅对土壤铅形态的影响
由表1可知,施磷、施硅及磷硅配施对根际与非根际土壤中的铅形态具有显著影
响(P<0. 05)。

与CK相比,施磷能显著降低非根际土壤可交换态和碳酸盐结合态铅含量(P<0. 05),显著提高铁锰氧化物结合态和残渣态铅含量(P<0. 05),对有机结合态铅含量影响不显著,表明磷可使土壤活性较高的可交换态和碳酸盐结合态铅向活性更低的形态转化。

施硅可显著降低非根际土壤可交换态铅含量(P<
0. 05),显著增加铁锰氧化物结合态铅含量(P<0. 05),但碳酸盐结合态、有
机态和残渣态铅含量变化不显著,表明硅可使土壤中活性较高的可交换态铅向铁锰氧化物结合态转化。

磷硅配施可显著降低非根际土壤可交换态铅含量(P<0. 05),显著增加铁锰氧化物结合态、有机结合态及残渣态铅含量(P<0. 05),表明磷硅配施可使土壤可交换态铅向铁锰氧化物结合态、有机态及残渣态铅转化,降低土壤铅的有效性与迁移性。

与单独施磷相比,磷硅配施可显著降低非根际土壤可交换态铅含量(P<0. 05),显著增加碳酸盐结合态铅含量(P<0. 05);与单独施磷和硅相比,磷硅配施可显著降低非根际土壤可交换态铅含量(P<0. 05)。

上述结果表明,磷和硅可使土壤可交换态铅向活性更低的形态转化,以降低土壤铅的有效性与迁移性,且配施效果优于单施。

由于烟草吸收、根系活动和根际微生物活动等影响,根际土壤性质与非根际土壤有明显差异,这些差异影响根际土壤铅形态转化,进而改变土壤-植物系统中铅的迁移性与有效性。

就CK而言,根际土壤残渣态铅含量显著低于非根际土壤(P<0. 05),说明烟草根系对铅具有一定活化作用。

施磷处理根际土壤可交换态铅向有
机结合态及残渣态铅转化,施硅处理根际土壤可交换态铅向碳酸盐结合态及有机结合态铅转化,磷硅配施处理根际土壤可交换态铅向碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态铅转化,说明磷硅配施可降低土壤铅的有效性,且效果受植物根系影响较小。

与CK相比,施磷、施硅及磷硅配施处理根际土壤可交换态铅含量分别降低 46. 05%、14. 24%和48. 76%,说明即使根际环境对土壤铅具有一定活化作用,但单独施磷、施硅及磷硅配施均能降低根际土壤铅的有效性,且配施效果优于单施。

表1 磷和硅对烟草根际与非根际土壤铅形态的影响Table 1 Effect of phosphorus and silicon on forms of Pb in tobacco rhizospheric and
non⁃rhizospheric soil mg·kg-1CK为对照;P为施磷处理;Si为施硅处理;P
+Si为磷硅配施处理。

同种土壤同一列英文小写字母不同表示各处理间某指标差异显著(P<0. 05)。

∗表示同一处理根际与非根际土壤间某指标差异显著(P<0. 05)。

土壤处理不同形态铅含量可交换态碳酸盐结合态铁锰氧化物结合态有机结合态残渣态非根际土CK 61. 30±2. 10a 34. 36±2. 35a 75. 45±4. 70b 10. 44±0. 93b 57. 62±0. 73c 40. 95±0. 49b 20. 12±0. 91b 92. 91±2. 23a 13. 14±0. 87ab 67. 78±2. 35a Si 40. 42±1. 53b 36. 34±1. 73a 89. 65±5. 43a 12. 42±1. 35ab 60. 28±2. 03bc P+Si 25. 62±0. 30c 36. 31±4. 61a 102. 31±4. 14a 15. 89±1. 08a 66. 12±2. 68ab根际土CK 60. 11±4. 54a 35. 08±2. 28b 69. 27±3. 02b 7. 70±0. 76d 32. 50±0. 76c∗P 32. 43±1. 24b∗36. 24±1. 17ab∗ 81. 07±3. 19ab 17. 63±0. 45b∗ 44. 67±1. 69ab∗Si 51.
55±2. 06a∗ 43. 76±1. 44a 85. 30±7. 70ab 11. 80±0. 49c 42. 33±1.
92bc∗P+Si 30. 80±1. 94b 43. 73±2. 61a 98. 13±7. 35a 23. 05±2. 02a∗53. 17±5. 51a∗P
2. 2 磷和硅对烟草生物量的影响
烟草对土壤铅的响应较为敏感,较低土壤铅含量(125 mg·kg-1)即可显著降低烟草生物量,抑制烟草生长[16]。

磷和硅对烟草生物量的影响见图1。

由图1
可知,与CK相比,施磷可显著增加烟草根、茎和叶部生物量(P<0. 05),施硅可显著增加烟草根部生物量(P<0. 05),而对烟草茎和叶部生物量影响较小;磷硅配施可显著增加烟草叶部生物量(P<0. 05),但对烟草根与茎部生物量影响较小。

上述结果表明,磷和硅在单施及配施时,均可缓解铅对烟草生长的毒害。

2. 3 磷和硅对土壤-烟草系统中铅迁移的影响
2. 3. 1 磷和硅对烟草不同部位铅含量的影响
由图2可知,与CK相比,施磷、施硅及磷硅配施均能显著降低烟草根、茎和叶部铅含量(P<0. 05),其中烟叶铅含量分别降低 63. 06%、60. 37%和83. 24%。

与单独施磷相比,磷硅配施对烟草根和茎部铅含量的影响不显著;与单独施硅相比,磷硅配施可显著降低烟草根和叶部铅含量(P<0. 05),但对茎部铅含量影响不显著。

图1 磷和硅对烟草不同部位生物量的影响Fig. 1 Effect of phosphorus and silicon on biomass of different parts of tobacco
由表2可知,施磷、施硅及磷硅配施均能显著降低烟草对铅的总吸收量(P<0. 05)。

与CK相比,施磷、施硅及磷硅配施处理烟草总吸收量分别降低44. 02%、44.04%和 65. 65%,表明磷和硅均能降低土壤介质中铅活性,使铅不易被烟草
吸收,且磷硅配施的效果更明显。

与CK相比,单独施磷或施硅处理烟草根部铅吸收量变化不显著,而磷硅配施处理烟草根部铅吸收量显著降低(P<0. 05)。

施磷、施硅及磷硅配施均能显著降低烟草茎与叶部的铅吸收量(P<0. 05),其中磷硅配施处理烟草叶部铅吸收量显著低于单独施磷或施硅处理(P<0. 05)。

2. 3. 2 磷和硅对土壤-烟草系统中铅迁移的影响
由表2可知,施磷、施硅及磷硅配施处理下,烟草总吸收量及叶部铅吸收量均显
著降低(P<0. 05),而单独施磷和施硅处理对烟草根部铅吸收量无显著影响。

这说明施磷和施硅处理可降低烟草对土壤中铅的吸收,也可截留铅于根部,降低叶部的铅吸收量。

图2 磷和硅对烟草不同部位铅含量的影响Fig. 2 Effect of phosphorus and silicon on concentration of Pb in different parts of tobacco
表2 磷和硅对烟草不同部位铅吸收量的影响Table 2 Effect of phosphorus and silicon on Pb uptake by different parts of tobacco μg·株-1CK为对照;P为施磷处理;Si为施硅处理;P+Si为磷硅配施处理。

同一列英文小写字母不同表示各处理间烟草某部位铅吸收量差异显著(P<0. 05)。

处理根部吸收量茎部吸
收量叶部吸收量总吸收量CK 283. 20±17. 92a 265. 41±7. 95a 859. 98±43.
92a 1 408. 59±38. 14a 262. 71±18. 43ab 128. 32±11. 88b 397. 45±4. 02b 788. 49±29. 28b Si 266. 20±36. 60ab 103. 71±5. 63b 418. 39±98. 08b 788. 30±72. 04b P+Si 193. 88±25. 95b 106. 88±5. 43b 183. 06±14. 30c 483. 83±9. 64c P
磷和硅对土壤⁃烟草系统中铅移动指数的影响见图3。

图3 磷和硅对土壤-烟草系统中铅移动指数的影响Fig. 3 Effect of phosphorus and silicon on mobility index of Pb from soil to tobacco
由图3可知,土壤-烟草系统中各阶段的移动指数表现为 IM,茎-叶>IM,根-茎>IM,土-根,说明烟草体内铅具有较高迁移性。

与CK相比,施磷、施硅及磷硅配施处理 IM,土-根分别降低 36. 86%、 34. 21% 和50. 00%,说明磷和硅可减弱土壤中铅向植物根系的迁移,且配施效果最佳。

与CK相比,施磷、施硅和磷硅配施处理 IM,根-茎分别降低 40. 98%、36. 07%和31. 15%,说明磷和硅能抑制烟草根部铅向地上部的运输。

与CK相比,施磷处理IM,茎-叶有所上升,施硅及磷硅配施处理 IM,茎-叶则分别下降 3. 45% 和52. 15%,说明施硅和磷硅配施均可抑制烟草茎部铅向叶部的迁移。

3 讨论
3. 1 磷硅配施对土壤铅有效性的影响
土壤铅形态分布直接影响铅的迁移性和生物有效性[17]。

笔者试验结果表明,外源铅进入土壤后主要以非残渣态为主(75. 9%),土壤中可交换态铅比例较高(25. 6%),具有较高的生物毒性。

施磷可使非根际土壤中活性较高的可交换态和碳酸盐结合态铅转化为活性更低的铁锰氧化物结合态和残渣态铅。

这一方面是因为磷酸盐诱导土壤中金属氧化物和土壤胶体对铅的吸附而增加铁锰氧化物结合态铅含量,土壤金属氧化物在吸附磷酸根的同时,通过磷酸根与铅的结合使铅向铁锰氧化物结合态转化;另一方面,由于磷酸根离子与铅离子直接作用形成磷酸盐沉淀或
共沉淀,从而使土壤中铅向残渣态转化[3,18]。

添加硅使非根际土壤中活性较高的可交换态铅向活性更低的铁锰氧化物结合态转化。

这是因为硅可通过吸附和沉淀等作用降低土壤铅活性。

研究表明,硅酸根离子可与铅产生沉淀进而使铅向残渣态转化[3],而笔者试验结果却表明残渣态铅增加趋势不显著,这是因为硅酸根离子进入土壤后,活性硅会很快向无定型硅转化,进而抑制硅酸铅沉淀的生成[8]。

磷、硅与铅的沉淀过程主要包括磷酸盐、硅酸盐和铅的溶解以及新的沉淀物质形成。

然而,目前磷和硅多以磷肥和硅肥的形式直接施入土壤,磷肥和硅肥易于被土壤胶体吸附固定,进而影响硅和磷对铅的钝化过程。

研究表明,土壤胶体表面存在磷和硅元素的竞争吸附关系,磷硅配施有利于土壤吸附态磷和硅的解吸,进而提高土壤中水溶性磷与水溶性硅含量[9]。

徐应星等[10]研究表明,磷硅配施对降低玉米镉含量的效果优于单施。

笔者试验结果表明,与单独施磷或施硅相比,磷硅配施有利于土壤铅向活性更低的铁锰氧化物结合态、有机结合态及残渣态转化。

可见,施磷和施硅处理可降低土壤铅的迁移性及生物有效性,而磷硅配施能增强这一效果。

在非根际土壤中,单独施磷或施硅处理有机结合态铅含量增加趋势不显著,而磷硅配施可显著增加有机结合态铅含量(P<0. 05)。

这可能是因为磷硅配施有利于土壤有机质与土壤黏土矿物和氧化物等结合形成有机胶体和有机-无机复合胶体,通过提高土壤对铅的吸附能力而使部分铅向有机结合态转化,其机理有待进一步研究。

植物吸收、根系活动及微生物效应使根际土壤在pH值、氧化还原电位、矿物质和有机物质等方面不同于非根际土壤,进而影响土壤中铅形态及分布[19]。

笔者
试验结果表明,磷和硅可使土壤铅由活性较高的可交换态向活性较低的铁锰氧化物结合态及残渣态铅转化,以降低铅的生物有效性。

然而,无论是单施磷、硅还是磷硅配施,与非根际土壤相比,根际土壤中铁锰氧化物结合态及残渣态铅含量均有不同程度降低,表明磷和硅对土壤铅的固定效果易受植物根系活动的影响。

在根际土
壤中,与CK相比,单独施磷、施硅及磷硅配施均能不同程度地降低土壤可交换态铅含量,增加根际土壤碳酸盐结合态、有机结合态及残渣态铅含量,且配施效果显著,表明施磷、施硅及磷硅配施均能有效抑制土壤铅的生物有效性,且配施效果优于单施。

一般情况下,钝化修复铅污染土壤时,磷施加量需高于土壤正常磷需求量才能达到理想的修复效果。

然而,过量施用磷酸盐所带来的水体富营养风险备受关注。

研究表明,由于土壤对磷有一定吸附缓冲容量,在较低施磷量条件下(5. 38 g·kg-1
P2O5)磷的流失量较低,不超过施入量的1%;但施磷量过高时磷流失量可达10%以上[20]。

该研究中施磷量为0. 68 g·kg-1P2O5,环境风险较低。

3. 2 磷硅配施对土壤-烟草系统中铅迁移的影响
磷对改善植物生理状况及增强植物抗逆性有重要作用[6]。

在一定施用水平下,硅对许多植物的生长是有益的,硅肥可显著提高烟草产量与品质[7]。

同时,硅可通过钝化重金属离子、促进植物生长和限制植物体内重金属的运输等过程提高植物对重金属的抗性[21]。

笔者试验结果表明,单独施磷或施硅处理能显著增加
烟草总生物量,降低烟草对铅的吸收总量及烟草茎和叶部铅含量(P<0. 05),说明施磷或施硅均能显著降低烟草对铅的吸收。

这一方面是因为磷和硅均能降低土壤铅的有效性,减少烟草对铅的吸收;另一方面,施磷或施硅处理可通过缓解自由基对细胞膜的损害,保护根系细胞膜的完整性,抑制铅进入根部细胞[21]。

烟草根系对铅的吸收主要受土壤铅形态的影响,而土壤铅进入植物体内后主要以结合态存在,抑制了烟草体内铅以铅离子的形式进行迁移[22]。

笔者试验结果表明,施磷不仅可降低烟草对铅的吸收,还可抑制铅由根部向地上部的转运。

这是因为铅以磷酸盐化合物的形式沉淀在根系细胞壁及细胞间隙中,从而有效阻止铅离子向原生质细胞及中柱内迁移[23]。

施硅不仅可降低烟草对铅的吸收,还可抑制
铅由根部向茎部运输。

这是因为硅可缓解重金属对植物的毒害,使重金属在细胞壁
沉淀,进而向迁移性较低的形态转化,以抑制重金属由根部向地上部的运输[24]。

研究表明,土壤中施用富硅改良剂可抑制水稻体内铅、镉、锌和铜等重
金属由茎部向叶部的转运,其转运能力与体内硅含量呈显著负相关[21],这与
硅在植物体内通过缓解重金属毒害、增强抗氧化酶活性、促进植物体内重金属的区隔化分布以及硅与重金属形成低活性的化合物等途径有关。

笔者试验结果表明,单施硅及磷硅配施处理 IM,茎-叶分别下降 3. 45%和 52. 15%,硅酸盐在土壤中
的有效性较低,导致施硅处理IM,茎-叶的降幅较小,而磷硅配施可增加土壤硅
的有效性,限制铅由茎向叶部的转运。

与单独施磷或施硅相比,磷硅配施可显著降低烟草对铅的总吸收量及叶部铅含量(P<0. 05),这是由于磷硅配施降低了土壤铅的有效性,抑制了铅由根部向叶部的迁移。

而过量施用磷对土壤铅的固定效果及对植物铅吸收的影响有限[25]。

笔者试验结果表明,磷硅配施在降低土壤铅有
效性及迁移性上具有更显著的效果。

4 结论
(1)烟草根系对铅具有较强的活化作用,施磷和施硅可使根际与非根际土壤中可交换态铅向活性更低的铁锰氧化物结合态、有机结合态及残渣态转化。

与CK相比,施磷、施硅和磷硅配施处理根际土壤可交换态铅含量分别降低 46. 05%、14. 24%和 48. 76%。

(2)施磷和施硅不仅可增加烟草生物量,缓解铅对烟草生长的毒害,同时能抑制根系对土壤中铅的吸收及根部铅向地上部的运输,显著降低根、茎和叶部铅含量(P<0. 05)。

与 CK 相比,施磷、施硅和磷硅配施处理烟叶铅含量分别降低63. 06%、60. 37%和83. 24%。

磷硅配施在抑制铅在土壤-烟草系统中迁移方面效果最佳。

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