不同施肥条件下重金属锌污染土壤对不同作物生长的影响.docx
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不同施肥条件下重金属锌污染土壤对不同作物生长的影响
1前言
由于铅锌矿开采、冶炼、镀锌加工等含锌工业“三废”的不合理排放，或以上述“三废”作为改土剂及肥料副成分施入土壤，使土壤中的锌超常积累，成为锌污染土壤。
我国土壤锌污染问题在近年开始突现出来，土壤锌污染报道增加，进入土壤中的锌很难移动，自然净化时间漫长，据AIIaway估算，在没有外来锌继续加入，只通过植物吸收使其在土壤中消失的时间约为1000年［1］。
土壤中Zn的含量一般为10—300mg/kg，平均为50mg/kg，而锌污染的土壤中Zn含量可高达13500mg/kg以上，易被植物吸收而造成毒害，进而可通过食物链污染农产品和威胁人畜健康。
土壤被锌污染后，直接对土壤—植物系统产生危害，严重时使土壤失去自然生产力，成为不毛之地［2-3］。
因此，近年来土壤-植物系统锌污染治理一直是土壤学家和环境学家的研究重点。
Zn作为植物生长所必需的元素，在植物体内的生化过程相当活跃，但作为重金属元素加之在植物代谢过程中易于转移，当其浓度超过一定范围对植物细胞产生毒害作用［4］。
刘建新研究表明：
Zn2+浓度超过200mg/L时膜伤害程度显著增强，根系活力明显下降；Zn2+浓度大于50mg/L时叶绿素含量降低，叶片褪绿是植物受重金属毒害后出现的普遍现象［5］。
徐卫红等研究发现，Zn浓度较低时，黑麦草植株对N、P、K吸收并无抑制，但高浓度Zn影响黑麦草植株对N、P、K的吸收［7］。
徐勤松认为，重金属锌污染使植物细胞内的保护酶SOD、POD、CAT活性比例失调,尤其是加入锌后，植物体内活性氧的产生和清除失衡，并有利于活性氧的产生，导致植物的生理代谢紊乱，从而加速植物的衰老和死亡［9］。
由此可见，锌污染的土壤对植物生长有严重的抑制作用。
经由各种途径进入环境的重金属，对土壤和水源会造成一定程度的污染，并且由于这些重金属在环境中的相对稳定性，使得治理重金属污染成为一件困难和代价高昂的工作。
据测算，在发达国家利用掩埋法清除1英亩土地内的重金属污染平均需要花费247.11万美元[10]；而现有的清除重金属污染的物理方法、化学方法或微生物法除代价高昂外，现场施工过程复杂，目前尚难以有效地付诸实施。
近年来，利用植物去除环境中污染物的植物修复技术以更经济、更适合于现场操作及环境友好的特征，受到关注。
IlyaRaskin认为植物修复所取得的最大的进步是去除环境中的重金属[12]。
环境科学家们先是从研究对重金属有特殊积累能力的一些超量积累植物（Hyperaccumulator）起步，到近几年不仅局限于研究超量积累植物，而且着手研究普通作物用于去除环境中重金属的可能性，在研究范畴与观念上发生一定的变化。
这种观念的改变主要是受超量积累植物种类稀缺（目前全世界只发现三百多种）、生长缓慢和生物量小的限制，难以体现实用价值，因而对一些分布广泛、生物量大并可能具有“超量积累植物倾向”的传统作物的研究，就成为一种必然[13]。
迄今为止，已有文献涉及到玉米、向日葵、燕麦、大麦、豌豆、烟草、印地安芥菜、莴苣等植物对重金属的修复作用研究。
植物修复（phytoremediation）属于生物修复范畴，是以植物忍耐和超量积累某种或某些污染物的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中污染物的一门环境污染治理技术[14]。
由于植物修复技术具有物理、化学修复方法所无法比拟的费用低廉、不破坏场地结构、不造成地下水的二次污染以及能够进行大规模治污等优势，引起人们的广泛关注，近年来已成为重金属污染土壤修复研究的热点。
本试验是在现有文献报道的基础上，分析研究经过不同施肥处理的玉米、蓖麻、向日葵三种普通作物对Zn污染土壤的植物修复作用以及Zn对作物的影响,选择一种对锌最具吸收能力的植物,以尝试对污染土壤中重金属的植物修复。
2材料与方法
2.1试验地点
试验于2011～2012年在山西省晋中市太谷县资源与环境试验基地进行，试验地位于山西农业大学西校门300米处，地理坐标为东经111°28′～111°111′，北纬37°12′～37°32′。
太谷属暖温带、温带大陆性气候，年平均气温9.9℃，年平均降水量462.9mm，平均无霜期176d。
供试土壤类型为黄土母质石灰性褐土，质地为轻壤土，经风干后过3mm筛，充分混匀备用，其耕层土壤理化性状见下表：
表1供试土壤理化性状
pH值
有机质g/kg
速效氮mg/kg
速效磷mg/kg
速效钾mg/kg
容重g/cm3
7.92
3.51
60.93
2.046
126.22
1.31
2.2试验设计
本试验为盆栽试验，供试的几种作物品种为玉米（长玉16号）、蓖麻（晋蓖麻5号）、向日葵（花葵），于2012年4月播种。
具体方案如下：
试验共设4个处理，分别为：
1、空白,2、锌处理土壤，3、锌处理土壤+腐殖质，4、锌处理土壤+菌肥，在4种处理的土壤上种植3种作物，重复3次。
每盆装土为10kg，确保实验土壤重金属锌达到统一的二级标准限制值300mg/kg，施加的锌源为ZnSO4·7H2O（天津市天大化工厂产，分析纯，含量不少于99.5％，分子量为287.56）。
菌肥与腐殖酸每盆施加为5g，即每10kg土壤施加5g。
在苗期观察作物的生长状况，测定其生理指标以及锌的含量。
本试验锌施用符合国家土壤应用功能和保护目标的Ⅱ类（主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染），符合二级标准（为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值），其土壤环境质量标准值见表2[15]
表2土壤环境质量标准值mg/kg
级别
一级
二级
三级
自然背景
<6.5
6.5~7.5
>7.5
>6.5
镉Cd≤
0.20
0.30
0.60
1.0
锌Zn≤
100
200
250
300
500
铜Cu≤
35
50
100
100
400
铅Pb≤
35
250
300
350
500
2.3测定项目与方法
在作物的苗期采集植物样品，对植物样进行烘干，具体为将待烘干样置于100℃～105℃恒温箱中杀青20min，然后降温至65℃，继续烘干，直至恒重，计算干物质累积量。
用粉碎机将植物样粉碎，混合均匀，以备分析测定全氮、全磷、全钾及重金属含量。
2.3.1全量N、P、K的测定方法[11]
植株全N含量：
H2SO4—H2O2消煮，萘氏比色法
植株全P含量：
H2SO4—H2O2消煮，钒钼黄比色法
植株全K含量：
H2SO4—H2O2消煮，火焰光度计法
2.3.2作物中Zn的测定
称取植物烘干样0.3g左右于坩埚中，先经炭化后置于马弗炉中于500℃中灰化至灰白色，待冷却后，用1:
1HNO3溶解准确定容于50毫升容量瓶中，经过滤置于小三角瓶中，用原子吸收分光光度计来测定[16]。
2.4主要仪器
可见分光光度计（722E）、火焰分光光度计、原子吸收分光光度计（AA240）、烘箱、马弗炉、电炉、坩埚、电子天平（BS124S）、消煮管、容量瓶（50ml、100ml）、三角瓶，剪刀
2.5主要试剂
萘氏试剂、钼锑抗试剂、浓硫酸、氢氟酸、H2O2、1:
1HNO3、浓硝酸、高氯酸、N标液、P标液、K标液
2.6数据处理分析
结果处理采用Excel进行实验结果的统计分析、计算和作图。
3结果与分析
3.1不同施肥条件对重金属锌污染土壤上作物株高的影响
Zn作为植物生长发育生殖所必需的微量元素,对作物有“低促高抑”的作用,而且不同作物对重金属锌的阈值不同。
对农作物生长的抑制作用，主要通过增加作物根系环境中锌浓度，从而抑制作物的根系生长，影响到作物的正常根系活力，减少对土壤中有效养分的吸收利用。
农作物在重金属处理的土壤上生长，要受到重金属的影响，理应直观表现在作物的株高有所不同。
表3不同施肥条件对重金属锌污染土壤上作物株高的影响（cm）
处理
蓖麻
玉米
向日葵
空白
21.69
41.48
28.58
Zn
20.48
36.16
26.10
Zn+腐殖质
20.07
32.63
21.21
Zn+菌肥
20.23
37.42
27.48
注：
所列数据为3组平行实验的测定平均值
图1不同施肥条件对重金属锌污染土壤上作物株高的影响（cm）
结合表3和图1对苗期玉米、蓖麻、向日葵的株高进行对比分析。
可以得出玉米四叶期株高在不同处理方式下呈现一定的趋势,即空白株高>菌肥混施株高>只施锌不施肥株高>腐殖酸混施株高，进一步分析出Zn+腐殖酸处理的株高比Zn处理的株高降低了9.8%,Zn+菌肥处理的株高比Zn处理的株高增加了3.5%,这说明了玉米在生长过程中受到了锌污染的影响,施加腐殖酸会增强Zn对玉米株高的抑制作用,而施加菌肥能减弱Zn对玉米株高的抑制作用。
对于向日葵，其长势在不同处理下的趋势与玉米相似，即空白株高>菌肥混施株高>只施锌不施肥株高>腐殖酸混施株高，Zn处理的株高比空白株高降低了8.7%,Zn+腐殖酸处理的株高比空白降低25.8%,Zn+菌肥处理的株高比空白降低了3.8%；Zn+腐殖酸处理的株高比Zn处理的株高降低了23.2%,Zn+菌肥处理的株高比Zn处理的株高增加了5.3%。
这表明锌浓度为300mg/kg的3种处理土壤对向日葵株高均有抑制作用,施加腐殖酸会增强Zn对向日葵株高的抑制作用,而施加菌肥能减弱Zn对向日葵株高的抑制作用。
而观察蓖麻的长势，不难看出它的生长趋势较玉米和向日葵表现出不同趋势，这可能是由于蓖麻在生长过程中受到外界条件，如浇水量不统一（主要发现实验大棚在雨天出现漏水情况）等因素影响。
因此，从三种作物中的玉米，向日葵株高的情况不难得出，在不同施肥处理下，施加菌肥对锌污染有减轻作用，其有利于作物对锌污染土壤的修复和利用。
3.2不同施肥条件对重金属锌污染土壤上作物体内N含量的影响
一般植物含氮量约占作物体干重的0.3%～5%，作物种类不同含氮量也不相同。
氮是作物体内许多重要有机化合物的组分，例如蛋白质、核酸、叶绿素、酶、维生素、生物碱和一些激素等都含有氮素。
氮素是遗传物质的基础。
在所有生物体内，蛋白质最为重要，它常处于代谢活动的中心地位，因此氮含量的多少在一定程度上可反映作物的生长状况[17]。
表4不同施肥条件对重金属锌污染土壤上作物体内N含量的影响（%）
处理
蓖麻
玉米
向日葵
空白
4.01
2.95
3.58
Zn
2.05
0.74
0.92
Zn+腐殖质
2.51
2.01
1.83
Zn+菌肥
2.46
0.81
0.93
注：
所列数据为3组平行实验的测定平均值
图2不同施肥条件对重金属锌污染土壤上作物体内N含量的影响（%）
结合表4和图2分析土壤的4种不同处理对蓖麻、玉米、向日葵苗期N含量的影响。
在锌处理水平上的三种作物体内氮含量均明显低于空白处理水平，这说明作物在生长过程中受到了Zn的影响，锌的存在一定程度上抑制了植物体氮素的吸收及体内含量的高低。
进一步对玉米、蓖麻、向日葵进行分析可以得出：
腐殖酸混施后三种作物体内的N含量在Zn处理的水平上依次增长170.7%、22.4%、98.4%，菌肥混施后三种作物体内的N含量在Zn处理的水平上依次增长了9.6%、20%、0.7%。
这表明了施加腐殖酸或菌肥能减弱Zn对玉米植株N含量的抑制作用,而且腐殖酸的作用更加明显。
3.3不同施肥条件对重金属锌污染土壤上作物体内P含量的影响
磷是植物生长发育不可缺少的营养元素之一，它既是植物体内许多重要有机化合物的组分，同时又以多种方式参与植物体内各种代谢过程。
磷对作物高产及保持品种的优良性有明显作用。
磷在作物体内有多种功能主要有几个方面：
构成大分子物质的结构组分；多种重要化合物的组分；积极参与体内的代谢；提高作物的抗逆性和适应能力。
故而，作物体内的磷含量也能反映作物生长状况[17]。
表5不同施肥条件对重金属锌污染土壤上作物体内P含量的影响（%）
项目
蓖麻
玉米
向日葵
空白
0.056
0.023
0.035
Zn
0.106
0.049
0.050
Zn+腐殖酸
0.111
0.079
0.068
Zn+菌肥
0.089
0.057
0.058
注：
所列数据为3组平行实验的测定平均值
图3不同施肥条件对重金属锌污染土壤上作物体内P含量的影响（%）
表5是土壤的4种不同处理对蓖麻、玉米、向日葵苗期P含量的影响。
就蓖麻而言,Zn处理的P含量比空白增加了91.8%,Zn+腐殖酸处理的N含量比空白增加了100.3%,Zn+菌肥处理的N含量比空白增加了60.4%；Zn+腐殖酸处理的植株P含量比Zn处理的植株P含量增加了4.7%,Zn+菌肥处理的植株P含量比Zn处理的植株P含量降低了16.0%。
表明锌浓度为300mg/kg的土壤对蓖麻植株P含量有明显促进作用,施加腐殖酸能增强Zn对蓖麻植株P含量的促进作用,施加菌肥能减弱Zn对蓖麻植株P含量的促进作用。
分析土壤的不同处理方式对玉米、向日葵植株P含量的影响,呈现一定的趋势，即腐殖质混施>菌肥混施>锌处理>空白。
表明锌浓度为300mg/kg的土壤对玉米、向日葵植株P含量均有促进作用,施加腐殖酸和菌肥能增强Zn对植株P含量的促进作用,腐殖质的作用更加明显。
因此,可以得出:
锌浓度为300mg/kg的土壤对蓖麻、玉米、向日葵植株P含量均有促进作用,腐殖质混施处理的促进作用最为明显。
3.4不同施肥条件对重金属锌污染土壤上作物体内K含量的影响
钾不仅是植物生长发育所必需的营养元素，而且是肥料三要素之一。
许多植物需钾量都很大，一般植物体内的含钾量占干物质的0.3%-5.0%[17]。
有些作物含钾量比氮高，农作物产量和改进品质均有明显的作用。
由于钾具有提高产品品质和适应外界不良环境的能力，因此它有品质元素和抗逆元素之称。
钾在植物体内流动性很强，易于转移至地上部，并且有随植物生长中心转移而转移的特点。
表6不同施肥条件对重金属锌污染土壤上作物体内K含量的影响（%）
处理
蓖麻
玉米
向日葵
空白
3.02
4.76
7.52
Zn
2.74
3.25
4.75
Zn+腐殖酸
2.63
2.89
4.04
Zn+菌肥
2.78
3.28
4.76
注：
所列数据为3组平行实验的测定平均值
图4不同施肥条件对重金属锌污染土壤上作物体内K含量的影响（%）
结合表6和图4分析土壤的不同处理方式对不同植株K含量的影响，不难看出在锌处理水平上的三种作物体内钾含量均低于空白处理水平，这说明重金属锌的存在影响了作物对于钾的吸收利用和积累，从图4亦可以看出：
腐殖酸能增强Zn对向日葵植株K含量的抑制作用,而施加菌肥则有减轻锌污染的作用，菌肥混施处理作物体内K含量高于腐殖质混施处理作物体内K含量，也进一步说明在锌污染土壤上菌肥的配施更有利于作物生长，有助于作物体内品质元素钾的积累。
3.5不同施肥条件对重金属锌污染土壤上作物体内Zn含量的影响
表7不同施肥条件对重金属镉污染土壤上作物体内Zn含量的影响（mg/kg）
处理
蓖麻
玉米
向日葵
空白
127.43
134.26
198.51
Zn
164.02
228.21
246.83
Zn+腐殖质
154.22
176.05
234.81
Zn+菌肥
158.67
187.57
202.16
注：
所列数据为3组平行实验的测定平均值
图5表7不同施肥条件对重金属镉污染土壤上作物体内Zn含量的影响（mg/kg）
影响植物修复的土壤因素较为复杂，包括土壤中锌的浓度及污染时间、土壤pH值、土壤水分和土壤有机质等，任何有利于锌活化的措施都将促进植物对锌的吸收。
利用普通作物去除土壤中重金属Zn的生态效果与植物种类有关，不同种类植物之间存在着对重金属Zn积累程度上较明显的差异。
结合表7和图5分析可以得出:
往土壤中施加锌后植株吸收的锌含量会增加。
对于蓖麻,处理Zn、Zn+腐殖酸、Zn+菌肥分别比空白对照增加了28.7%、21.0%、24.5%；对于玉米,处理Zn、Zn+腐殖酸、Zn+菌肥分别比空白对照增加了70.0%、31.2%、39.7%；对于向日葵,处理Zn、Zn+腐殖酸、Zn+菌肥分别比空白对照增加了24.3%、18.3%、1.8%。
分析蓖麻、玉米、向日葵三种作物在腐殖质混施处理水平上比只施锌处理水平上植株含Zn量降低了6.0%、22.8%、4.9%,在菌肥混施处理水平上比只施锌处理水平上植株含Zn量降低了3.3%、17.8%、18.1%,
因此可以得出:
施加锌的处理与空白相对比,蓖麻、玉米、向日葵植株吸收的锌都明显增加,在含锌的土壤中施加腐殖质或菌肥都能抑制植株对锌的吸收。
4.结论与讨论
1.施加锌对玉米、蓖麻、向日葵的株高均表现为抑制作用,施用不同肥料后表现出一定的规律，即菌肥混施处理>锌处理>腐殖质混施处理，也就是说施加菌肥对锌污染有减轻作用，其有利于作物对锌污染土壤的修复和利用。
2.施加锌对蓖麻、玉米、向日葵植株N含量均有抑制作用，施用不同肥料后表现出一定的规律，即腐殖质混施处理>菌肥混施处理>锌处理，说明施加腐殖质与菌肥都能减弱Zn对植株N含量的抑制作用,腐殖质的作用更加明显。
3.施加锌对蓖麻、玉米、向日葵植株P含量都有促进作用，腐殖质混施处理的促进作用最为明显。
4.施加锌对蓖麻、玉米、向日葵植株K含量都有抑制作用,施用不同肥料后表现出一定的规律，即菌肥混施处理>锌处理>腐殖质混施处理，说明菌肥的配施有助于作物体内品质元素钾的积累。
5.施加锌的处理与空白相对比,蓖麻、玉米、向日葵植株吸收的锌都明显增加,在含锌的土壤中施加腐殖酸或菌肥都能抑制植株对锌的吸收。
锌为植物生长所必需的元素，本试验初步探讨了在不同的施肥方式下,Zn对苗期蓖麻、玉米、向日葵的株高、养分、Zn含量的影响。
由于工作量与时间的关系，该试验只选择了蓖麻、玉米、向日葵3种作物,要在普通作物当中找出对重金属锌最具吸收能力的作物,还需对其它作物进行研究。
在利用植物对重金属进行修复的实验中应妥善处理避免对环境造成“二次污染”。
此外,该试验仅在土壤中锌浓度为300mg/kg的环境中进行，而且试验只是研究了作物苗期，作物各个时期的生长品质以及对锌的吸收还有待试验的进一步验证。
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致谢
衷心感谢我的导师程红艳老师，她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
导师学识渊博，品德高尚，平易近人，在我学习期间不仅传授了我做学问的秘诀，还传授了我做人的准则，这些都将使我终生受益。
在我毕业论文的写作过程中，程老师始终给予我精心的指导和不懈的支持，她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予了我无尽的启迪。
在此谨向程老师致以诚挚的谢意和祟高的敬意。
同时，我也要向身边的同学表示感谢，因为论文中某些观点的提出和他们的讨论是分不开的。
路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。
我愿在未来的学习和研究中，以更加丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的老师和同学。
何其蓉
2012年6月
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