熱帶磚紅壤Cd-PAHs復合污染對小白菜生物量和營養元素的影響

曹啟民，王 華，王永鵬，卓旺爵，張永北，劉志崴

(1.海南省農墾科學院，海南 海口 570206；2.中國熱帶農業科學院興隆香料飲料研究所，海南 萬寧 571737)

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熱帶磚紅壤Cd-PAHs復合污染對小白菜生物量和營養元素的影響

曹啟民1，王 華2，王永鵬1，卓旺爵1，張永北1，劉志崴1

(1.海南省農墾科學院，海南 ?？?570206；2.中國熱帶農業科學院興隆香料飲料研究所，海南 萬寧 571737)

采用均勻設計法，研究了Cd-PAHs復合污染對熱帶磚紅壤栽培的小白菜生物量和營養元素的影響。結果表明：與對照相比，小白菜地上部干重隨土壤 Cd-PAHs 復合處理濃度增加呈下降的趨勢，而根部則表現不同的特征，根部干重不同處理間無明顯規律，但與對照差異顯著；小白菜中K、Ca和Mg 3種大量營養元素受高濃度 Cd 影響較大，而受 PAHs 的影響不明顯；小白菜中Fe、Mn、Cu和Zn 4種微量營養元素受高濃度 Cd 影響較大，而受 PAHs 的影響不顯著。本試驗結果表明，小白菜中干物質量及營養元素主要受Cd影響較大。

鎘；多環芳烴；復合污染；小白菜；磚紅壤；營養元素

鎘(Cadmium, Cd)是土壤中最為普遍的重金屬污染物，多環芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是世界各國優先控制的“三致”有機污染物。這兩類物質是我國土壤中來源較廣，污染程度較重的持久性有毒污染物[1]。它們極易被植物吸收累積，不僅影響植物的生長發育，而且還會通過食物鏈威脅人類的健康[2]。它們各自或同時進入土壤環境慢慢累積而形成污染[3-6]。有研究表明，土壤中Cd與PAHs存在較強的相關性[7-8]。

蔬菜是人們生活中必不可少的食物。近年來，人們對蔬菜的品質提出了更高的要求，蔬菜的質量安全受到了高度的關注。已有研究表明，世界許多地區土壤Cd和PAHs已導致蔬菜污染并威脅人類健康[9-11]。

海南是“全國冬季菜藍子基地”，小白菜是人們日常生活中食用較多綠葉蔬菜，因此本研究以日常普遍食用的葉菜類模式植物——小白菜為研究對象，開展典型的盆栽實驗，研究海南磚紅壤中不同濃度的Cd和PAHs交互作用對小白菜生物量和營養元素的影響，力圖闡明磚紅壤Cd-PAHs復合污染對小白菜的生態毒害效應及其機理，以期為海南蔬菜的安種植及土壤修復提供重要的科學依據。

表1 供試土壤理化性質

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 土壤和種子 供試土壤為海南典型土壤類型磚紅壤(未檢測到PAHs)，其基本理化性質見表1，供試小白菜種子購買于市售，生產廠家為合肥合豐種業。

1.1.2 主要試劑和儀器 供試試劑菲(Phenanthrene, Phe)、熒蒽(Fluoranthene, Fla)和苯并a芘(Benzo(a)Pyrene, BaP)(Supelco, USA)，二氯甲烷、正己烷和丙酮 (均為農殘級, Sigma-aldrich, Germany)；100～200目硅膠(超純, Silicycle, Canada)，CdCl2(AR級，西亞試劑)。

氣相色譜-質譜聯用儀(Thermo-Ultra Trace GC-DSQ, GC/MS)，配備自動進樣器、TR-5ms毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)和Thermo化學工作站(X-calibur)。凍干機(LABCONCO4.5L, LABCONCO公司)。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2014年5-9月海南省農墾科學院海口試驗站網室內進行，采用4因子6個水平的均勻設計方案(表2)，以土壤環境中普遍存在、具有不同特性的3種PAHs(菲、熒蒽和苯并a芘)和Cd作為供試污染物。Cd和PAHs濃度的選擇依據中國土壤環境質量標準和加拿大土壤環境質量標準。將含各濃度的Cd和PAHs復合污染物的土壤裝于瓦盆(內徑12 cm ×高15 cm)中，加等量去離子水調節土壤含水量為最大持水量的60 %， 搗碎土壤以防止結塊，整平后往盆內撒播小白菜種子，出苗后，每盆留苗6株。各處理置于自然條件下避雨培養，常規管理。各處理培養30 d后收獲。

1.3 樣品測試分析

1.3.1 小白菜樣品 小白菜樣品PAHs測定：超聲萃取，層析柱凈化法，GC-MS測定[12]；小白菜樣品Cd測定：HNO3-HClO4方法消煮，ICP-MS測定。

1.3.2 土壤樣品 土壤樣品PAHs測定：超聲萃取，層析柱凈化法，GC-MS測定[13-14]；土壤樣品Cd測定：美國國家環保局推薦的USEPA3050B方法(EPA，1996)。

1.4 數據統計

所獲數據用Microsoft Excel和SPSS19.0 進行統計分析，利用LDS顯著性檢驗法進行差異顯著性檢驗(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 Cd-PAHs 復合污染對小白菜生長的影響

由圖1 可以看出，與對照相比，小白菜地上部生物量有隨土壤 Cd處理濃度增加而下降的趨勢，且處理間除 T3 和 T4 外，差異顯著，各處理與對照差異顯著；而根部則表現不同的特征，與對照相比，T1 處理與其它處理差異顯著，T2 、T3 和T5處理間無明顯差異，T4和T6處理間無明顯差異，各處理與對照差異顯著，但無明顯規律性。表明小白菜地上部生長主要受 Cd 處理濃度的影響，而根部的生長主要受 Cd-PAHs 復合濃度處理的影響。說明本試驗條件下，Cd-PAHs 復合污染對小白菜生長影響較為復雜，與很多研究存在差異，就地上部而言，因從 T1 到 T6 地上部生物量是與 Cd 處理濃度呈顯著負相關，也可以說是地上部生物量是隨土壤 Cd 處理濃度的增加而逐步下降，而與土壤 3 種 PAHs 處理濃度無顯著相關性。

表2 均勻設計方案

圖1 Cd-PAHs 復合污染對小白菜根部和地上部干重的影響Fig.1 Effect of Cd-PAHs combined pollution on dry weight of roots and leaves of pakchoi cabbage

2.2 Cd-PAHs 復合污染對小白菜大量營養元素的影響

從圖2 可以看出，Cd-PAHs 復合污染處理對K、Ca和Mg 3種大量營養元素含量影響趨勢基本一致，T1 到 T4 處理除 Ca 元素外，各處理中各營養元素含量與對照相比，無顯著差異；3種大量營養元素 T5 與 T6 差異顯著，T5 和 T6 與其它各處理差異顯著。當 Cd 處理濃度達到 51.2 mg·kg-1，3種大量營養元素含量顯著下降， Cd 處理濃度達到 204.8 mg·kg-1，3種大量營養元素含量達最低值，而此時 3 種 PAHs 的濃度大小不一。表明小白菜K、Ca和Mg 3種大量營養元素受高濃度 Cd 影響較大，而受 PAHs 的影響不明顯。這一結果與小白菜地上部生物量大小受 Cd-PAHs 復合污染趨勢相似。這充分說明，小白菜在 Cd-PAHs 復合污染下，受到 Cd 污染的危害較 PAHs 的危害要大，特別是高濃度 Cd 對小白菜危害更大。

2.3 Cd-PAHs 復合污染對小白菜微量營養元素的影響

從圖3 可以看出，Cd-PAHs 復合污染處理對Fe、Mn、Cu和Zn 4種微量營養元素含量影響與對3種大量元素的影響基本相似，各處理4種微量營養元素含量與對照相比，無顯著差異；4種微量營養元素 T5 與 T6 差異顯著，T5 和 T6 與其它各處理差異顯著。當 Cd 處理濃度達到 51.2 mg·kg-1，4種微量營養元素含量顯著下降，Cd 處理濃度達到 204.8 mg·kg-1，4種微量營養元素含量達最低值，而此時 3 種 PAHs 的濃度大小不一。表明小白菜4種微量營養元素受高濃度 Cd 影響較大，而受 PAHs 的影響不顯著。這一結果與小白菜地上部生物量大小受 Cd-PAHs 復合污染趨勢也相似。

3 討論與結論

本研究結果表明，小白菜地上部生長主要受 Cd 處理濃度的影響，而根部的生長主要受 Cd-PAHs 復合濃度處理的影響。尹春芹等[15]研究表明在一定濃度范圍內不同濃度 PAHs 污染土壤對生長在其中的蔬菜生物量無顯著影響。Cd 污染能導致植物中毒從而導致植株形態、生理生化及結構上發生改變[16-17]，可使營養元素不平衡進而對植物生長產生影響[18]。孫光聞等[19]的研究結果表明，Cd 脅迫條件下，小白菜生長受到抑制，葉綠素含量減少，小白菜的地上部干重及根干重隨著培養液中 Cd 離子濃度升高而降低，高 Cd 水平下葉綠素含量均顯著降低，對小白菜地上部的影響要大于對根系的影響。一些研究還表明，Cd 影響植物生長發育，不同品種小白菜 Cd 耐受能力存在差異[19-21]。與本試驗結果一致，地上部及地下部的生物量隨 Cd 濃度增加而降低。這可能是小白菜地上部對 Cd 較 PAHs 敏感， 而根部對 Cd 和 PAHs 都不敏感或都敏感造成的結果，這需要進一步的研究去證實。

圖2 Cd-PAHs 復合污染對小白菜大量元素的影響Fig.2 Effect of Cd-PAHs combined pollution on major element of pakchoi cabbage

圖3 Cd-PAHs 復合污染對小白菜微量元素的影響Fig.3 Effect of Cd-PAHs combined pollution on trace elements of pakchoi cabbage

本研究結果表明在 Cd-PAHs 復合污染條件下，小白菜含有的K、Ca和Mg 3種大量營養元素受Cd 污染的危害較 PAHs 的危害要大，高濃度 Cd 對小白菜危害明顯。這可能是因為種植小白菜后，其根際土壤的微生物活性得到提高，促進了PAHs 的降解；另一方面，可能是因為根際土壤的理化性質得到了改善，從而增加了土壤有機質及礦物組分與 PAHs 的結合而導致轉入到植株體內的 PAHs 量相對減少。Binet等[22]提出，根際土壤中 PAHs 的消減，植物協同微生物(細菌和放線菌)降解是一個主要途徑。Cd 和其他元素間的互作可能引起植物營養成分改變及生理紊亂，從而影響生長和產量。

本研究結果表明在 Cd-PAHs 復合污染條件下，小白菜含有的Fe、Mn、Cu和Zn 4種微量營養元素受高濃度 Cd 影響較大，而受 PAHs 的影響不顯著。Cd 可能通過影響細胞質膜透性而影響營養元素的吸收，改變營養元素的濃度和組成[18]。Liu等[23]盆栽試驗表明，結穗和成熟2個生長期根中 Cd 與 Fe、Zn、Mn、Cu 存在顯著的正相關關系，但與 Mg 沒有相關關系； 葉中 Cd 與 Fe、Zn、Cu 兩個時期都存在顯著的正相關； 在結穗期， 與 Mn 成顯著的負相關，與 Mg 不相關; 在成熟期，與 Mg 呈顯著負相關，而與 Mn 沒有相關。本試驗結果表明，Cd 對小白菜地上部營養元素的影響各處理存在差異，Cd 對不同元素的影響也不同，Fe 和 Mn 受 Cd 的影響最大。

由此可見，Cd-PAHs 復合處理與營養元素之間的關系十分復雜，受多種因素的影響和控制。不同 Cd-PAHs 處理濃度、處理方式，不同的土壤條件，不同的生長時期等都會影響 Cd-PAHs 與營養元素之間的互作。

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(責任編輯 李山云)

Effects of Cd-PAHs Combined Pollution on Biomass and Nutrient Elements of Pakchoi Cabbage in Tropical Latosol

CAO Qi-min1, WANG Hua2, WANG Yong-peng1, ZHUO Wang-jue1, ZHANG Yong-bei1, LIU Zhi-wei1

(1. Hainan State Farms Academy of Science, Hainan Haikou 570206, China; 2. Institute of Spice and Beverage Research, CATAS, Hainan Wanning 571737, China)

Using uniform design experimentation, the effects of Cd-PAHs combined pollution on the biomass and nutrient elements of pakchoi cabbage cultivated in tropical latosol were studied. The results showed that the aboveground dry weight of the pakchoi cabbage decreased with the increase of the concentration of Cd-PAHs in the soil. However, their roots performed different characteristics, and there were no obvious regularities between different treatments of root dry weight but obviously different with CK; The effects of high concentrations of Cd on the macronutrients of Mg, Ca and K in the pakchoi cabbage were significant, while PAHs was not; Similarly, the effects of high concentrations of Cd on the micronutrients of Fe, Mn, Cu and Zn in the cabbage were significant, while PAHs was not. These results indicated that the nutrient elements of pakchoi cabbage were mainly affected by Cd.

Cadmium(Cd); Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs); Combined pollution; Pakchoi cabbage; Latosol; Nutrition element

1001-4829(2016)08-1913-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.08.029

2015-09-10

海南省自然科學基金(313106)；海南省產學研一體化專項資金(CXY20130052)；海南耕地改良關鍵技術研究與示范(HNGDhs201501)；海南省引進集成創新項目(YJJC20130008)

曹啟民(1974-)，男，安徽淮北人，博士，副研究員，主要研究方向土壤和環境，E-mail：271093491@qq.com，電話：18689559559。

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