鎘植物毒害臨界值的穩定性在土壤學中的影響研究

摘 要：采集了中國南方酸性土壤區九種性質不同的土壤，以鎘高敏感作物-蕹菜為植物受體，開展了蕹菜幼苗的鎘毒性測試。結果表明，土壤有效鎘基（0.1mol·L-1 CaCl2）的蕹菜地上部鮮重EC10和EC20的變化區間分別為0.14-0.52mg·kg-1、0.18-2.46mg·kg-1，分別代表了不同類型土壤間3.71倍和13.67倍的變異。對土壤七種理化性質指標和土壤有效鎘基（0.1mol·L-1 CaCl2）的蕹菜地上部鮮重ECx值進行單因素回歸分析和逐步回歸分析表明：土壤pH值是引起ECx值變異的最重要的參數。

關鍵詞：鎘：酸性土壤：預測模型

1 概述

鑒于以往研究[1，2]，通常認為鎘在酸性土壤中的生物活性較強、毒害作用較大。因此本研究采集了中國南方酸性土壤區九種不同性質的代表性土壤，以前期試驗篩選的鎘高敏感作物-蕹菜作為植物受體，針對區域性土壤研究了鎘植物毒害臨界值的穩定性及其關鍵的土壤學影響因素，并建立了標準化關系模型，以期將其應用于區域土壤環境基準的校正和建立。

2 材料與方法

2.1 供試材料

供試植物：選定對鎘元素高敏感、且幼苗生物量較大、生長性狀相對穩定的蕹菜作為本次試驗的生態受體。

供試土壤：采自中國南部福建省境內的九種代表性土壤。農業土壤采集耕作層，自然土壤清理表面的枯枝落葉后采集表土層（A層）。

供試試劑：CdCl2·2.5H2O（分析純）。

2.2 試驗方法

將采集的土壤自然風干，去除其中的石塊和植物根系等雜物，過2mm篩，充分混勻，然后將各土樣裝入直徑為12cm、高度為10cm的PVC栽培盆（裝置底部均勻布有5個直徑為0.5cm的通氣小孔），各裝置中土壤質量為0.45kg。施入一次性底肥（肥料用量為N100mg·kg-1，P2O580mg·kg-1，K2O100mg·kg-1）。

分別設置對照和8個CdCl2·2.5H2O處理濃度：0.25、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0、32.0mgCd·kg-1。先將各鎘處理溶液噴入土壤混勻，放置2d后多次噴灑加水，加至田間持水量的60%并且不發生水滲出栽培盆為限度，加蓋農用塑料薄膜，放置平衡期間定期加水維持含水量，穩定30d。

參照ISO11269-2-2005將蕹菜種子催芽，露白后直接移入PVC栽培盆，表層覆蓋一層細土。出苗后3d間苗，每盆定植長勢一致的幼苗4株，出苗后培養18d收獲。溫室培養，溫度設定為22±2℃，自然光照，所有栽培盆隔天隨機排列，每天定期加水維持60%田間持水量。

2.3 樣品檢測分析

2.3.1 土壤樣品分析測定

土壤鎘全量測定采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解法[3]。土壤有效鎘采用CaCl2法提取測定，為了更好地反映土壤鎘的有效性，本試驗直接采用新鮮土樣測定土壤鎘有效量。稱取新鮮土樣約5.50g，加入0.1mol·L-1CaCl2浸提劑25.0mL，于（25±1）℃條件下以210r·min-1的速度振蕩60min，立即過濾定容。同時測新鮮土壤的含水率。待測液鎘濃度用石墨爐原子吸收分光光度法（GTA120/AA240Z，美國Varian）測定。

土壤常規理化性質的測定：土壤pH值采用電位法（土水比1：2.5），陽離子交換量（CEC）采用乙酸銨交換法，土壤顆粒組成采用比重計法，土壤有機質采用硫酸-重鉻酸鉀容量法，游離鐵含量采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉提取法，交換鈣、鎂的測定采用乙酸銨原子吸收分光光度法（SHIMADZUAA-6300C）。

2.3.2 作物樣品的處理及測定

收獲時小心將植株整株取出，盡量去除附著在根系上的土壤，依次用0.2%HCl溶液、自來水和去離子水洗凈后，適當濾干水分，分別記錄株高（shootheight）、根長、地上部生物量和根生物量。

2.3.3 統計分析

統一以耐性指數表示鎘毒害下的各生物性狀指標，使各個指標之間具有可比性，計算方法如下：耐性指數=處理/對照×100%[4]。

以重金屬對植物生長的抑制效應濃度（Effective Concentration，ECx）來定量化地評價其受毒害狀況。如EC10、EC20分別是指植物生長受到10%和20%抑制時環境中重金屬的濃度。

試驗數據的處理和分析采用DPS軟件和Maple17.0軟件。依據模擬曲線的置信區間及相關性對不同種類植物進行鎘毒害的劑量-效應較優模型擬合。

3 結果與討論

3.1 不同類型土壤中鎘的有效量差異

鎘處理濃度區間（0.25-32.0mg·kg-1）九種土壤鎘有效量（0.1mol·L-1CaCl2）的變化如圖1所示。由圖1可知，各土壤變化的趨勢一致，但變化幅度卻存在較大差異。這種差異在較低濃度鎘處理（0.5-2.0mg·kg-1）時即表現明顯，如0.5mg·kg-1下九種土壤有效鎘的變化區間是0.11-0.38mg·kg-1，差異率達3.45倍：添加鎘達2.0mg·kg-1時有效鎘的變化區間是0.29-0.98mg·kg-1，差異率達3.38倍，但差異幅度已達0.69mg·kg-1。隨著添加鎘濃度的增加，這種差異幅度也隨著擴大，當鎘添加量達32.0mg·kg-1時，九種土壤鎘的有效量在3.66-10.19mg·kg-1之間變化，最大差異量為6.53mg·kg-1。同時不同類型土壤的有效鎘含量占土壤全鎘量的比例也變化很大，如在鎘添加量達32.0mg·kg-1時1號水稻土有效鎘濃度為10.19mg·kg-1，占土壤全量鎘的31.75%，而3號水稻土有效鎘為3.66mg·kg-1，僅占土壤全量鎘的7.00%，其鎘有效度遠遠低于1號土。有研究認為土壤對鎘的吸附和解吸受pH、Eh、有機質含量、CEC、粘粒組成甚至溫度等多種因素的影響[5]，進而影響植物對鎘的吸收效應。

圖1 外源添加Cd下九種土壤中Cd有效量的變化

3.2 不同類型土壤中蕹菜鎘毒害響應差異

受鎘毒害的影響，九種土壤中蕹菜的生長隨著鎘添加量的增加均呈現出明顯的受抑制現象，相同鎘處理下，不同土壤類型之間蕹菜鎘的毒害程度存在較顯著的差別，最直觀的表現是在生長高度和生物量（如圖2和圖3所示）。如4號紅壤的蕹菜在整個鎘處理濃度區間（0.25-32.0mg·kg-1）株高下降尤其明顯，添加鎘32.0mg·kg-1下降分別達73.66%，而5號潮土僅為22.91%，下降幅度相差3.2倍。

3.3 影響鎘植物毒害臨界值的主要土壤學因素

在相同的土壤鎘添加量的情況下，不同土壤中有效鎘的植物毒害臨界值ECx差異很大，其原因可能是鎘的植物有效利用度為土壤性質所制約。有報道認為土壤不同的理化性質決定了組分之間鎘的分配，即重金屬的形態，從而最終形成了鎘對植物有效性的基礎[6]。因此研究與鎘植物毒害效應有良好相關性的土壤學因素并建立標準化關系，將可以用來預測或修正不同土壤的鎘植物毒害臨界值。

將九種土壤有效鎘（0.1mol·L-1CaCl2）的蕹菜地上部鮮重ECx（x=10、20）分別與土壤的CEC、粘粒（<0.002mm）、游離氧化鐵、pH值、有機質含量、交換Ca和交換Mg七種理化性質指標進行單因素回歸分析（如圖4和圖5所示），結果發現土壤pH值和交換Ca與EC10值呈極顯著（P<0.01）或顯著（P<0.05）的正相關，土壤pH值和交換Ca對EC10的貢獻率分別為80.6%和64.9%。因此這些研究結論也進一步解釋了pH值是土壤中鎘的植物有效性的最關鍵的影響因子。

參考文獻

[1]張磊，宋鳳斌.土壤吸附重金屬的影響因素研究現狀及展望[J].土壤通報，2005，36（4）：628-631.

[2]羅小三，周東美，李連禎，等.水、沉積物和土壤中重金屬生物有效性/毒性的生物配體模型研究進展[J].土壤學報，2008，45（3）：535-543.

[3]崔巖山，陳曉晨.土壤中鎘的生物可給性及其對人體的健康風險評估[J].環境科學，2010，31（2）：403-408.

[4]趙曉軍，陸泗進，許人驥，等.土壤重金屬鎘標準值差異比較研究與建議[J].環境科學，2014，35（4）：1491-1497.

[5]宋偉，張志，鄭平，等.土壤中砷·汞·鉛·鎘·鉻測定方法的研究[J].安徽農業科學，2011，39（34）：21001-21002，21054.

[6]高芹，邵勁松，余云飛.微波消解原子吸收光譜法測定土壤中鉛鎘鉻銅[J].農業環境與發展，2006，3：99-101.