硅對(duì)鎘鋅復(fù)合污染下玉米植株體內(nèi)鎘、鋅含量及重金屬形態(tài)的影響

佟　倩，紀(jì)薇薇，沈　洋，王　紫，張秀雙，魏曉敏

(遼寧省鹽堿地利用研究所，遼寧 盤錦 124010)

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硅對(duì)鎘鋅復(fù)合污染下玉米植株體內(nèi)鎘、鋅含量及重金屬形態(tài)的影響

佟倩，紀(jì)薇薇，沈洋，王紫，張秀雙，魏曉敏

(遼寧省鹽堿地利用研究所，遼寧 盤錦 124010)

【目的】 探討硅對(duì)外源鎘、鋅復(fù)合污染條件下玉米植株體內(nèi)鎘、鋅含量及土壤中不同形態(tài)鋅、鎘含量的影響?！痉椒ā?以玉米為供試作物，采用盆栽試驗(yàn)在土壤中施用不同水平硅、鋅、鎘，其中硅的施用水平分別為0，4 mg/kg，鋅施用水平分別為0，300，700 mg/kg，鎘施用水平分別為0，3，10 mg/kg，進(jìn)行完全組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共計(jì)18個(gè)處理，每處理重復(fù)3次，于玉米種植后60 d時(shí)取樣，測(cè)定鎘鋅復(fù)合污染條件下玉米根、莖葉中鎘、鋅含量以及土壤中可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)鋅、鎘含量?！窘Y(jié)果】 在單一鎘處理?xiàng)l件下，隨著鎘含量的增加，玉米根和莖葉中鎘含量顯著增加，加入硅能顯著降低玉米幼苗體內(nèi)鎘含量。在鎘鋅復(fù)合污染條件下，鎘含量及硅含量均相同的處理，玉米根和莖葉中鎘含量隨鋅含量的增加而降低，且施入鋅的量越大，玉米體內(nèi)鎘含量越低。在鎘鋅復(fù)合污染條件下，鎘含量及鋅含量均相同的處理，玉米根和莖葉中鎘含量隨硅的加入而降低，差異達(dá)顯著或極顯著水平。在單一鋅污染條件下，隨著鋅施入量的增加，玉米根、莖葉中鋅含量增大，但加入硅會(huì)顯著降低玉米根、莖葉中的鋅含量。在鎘鋅復(fù)合污染條件下，當(dāng)鋅含量相同時(shí)，玉米根、莖葉中鋅的含量隨著鎘或硅含量的增加而降低。在鎘、鋅復(fù)合污染條件下，加硅或鋅，都能降低土壤中交換態(tài)和有機(jī)態(tài)鎘含量，而增加鐵錳氧化態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)以及殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量；加硅或鎘，均能降低土壤中交換態(tài)和有機(jī)態(tài)鋅含量，而增大鐵錳氧化態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)以及殘?jiān)鼞B(tài)鋅含量?！窘Y(jié)論】 硅能顯著降低玉米體內(nèi)重金屬含量，減少重金屬向玉米植株地上部的遷移。

硅；鎘；鋅；復(fù)合污染

近年來的一些研究表明，施用硅肥能改良重金屬污染土壤，降低重金屬在植物體內(nèi)的積累量。蔡德龍等[1]認(rèn)為，加硅處理比缺硅處理水稻體內(nèi)鎘(Cd)含量低，硅肥能提高土壤中有效硅的含量，使土壤中容易被水稻吸收的活性鎘與硅酸根結(jié)合成比較牢固的硅酸鎘，使土壤有效鎘含量明顯下降，最終抑制水稻對(duì)土壤鎘的吸收。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前施用化肥對(duì)土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)中磷肥占54%～58%，全球磷肥平均含鎘量為7 mg/kg，這樣給全球土壤帶來 66 000 kg的鎘，長(zhǎng)期施用含鎘磷肥會(huì)給土壤帶來極為嚴(yán)重的污染問題[2]。農(nóng)田Cd污染主要來源于工礦企業(yè)排放的廢氣和廢水，在各類Cd污染農(nóng)田中5%～10%的面積減產(chǎn)嚴(yán)重[3-4]。稻田施用石灰、硅肥、鈣鎂磷肥等可顯著提高土壤pH值，降低土壤中有效Cd含量，從而抑制水稻對(duì)Cd的吸收[5]。陳曉婷等[6]對(duì)小白菜的研究也得出相似的結(jié)論，即硅肥有改良重金屬污染、增加作物產(chǎn)量的作用。高柳青等[7]的研究則表明，硅只有在一定濃度范圍內(nèi)才能控制小麥對(duì)重金屬鎘、鋅的吸收，降低其污染能力，而過多或者不足的硅對(duì)重金屬的解毒作用較弱。王晨[8]研究了硅對(duì)重金屬?gòu)?fù)合污染土壤中草坪草生理生化性質(zhì)和重金屬吸收的影響，結(jié)果表明硅的添加使土壤中的可交換態(tài)鎘、鋅、鉛和結(jié)合態(tài)鐵錳氧化物含量減少，結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)碳酸鹽增加，從而降低了重金屬的遷移能力；隨著土壤中硅含量的不斷增加，2種草坪草植株體內(nèi)重金屬含量降低。以上研究施用的硅肥大多pH較高，施入土壤后能顯著提高土壤pH，難以明確硅在其中的作用。本研究以玉米為供試作物，以硅酸鈉為改良劑，研究了硅對(duì)外源鎘、鋅復(fù)合污染土壤的改良效果和改良機(jī)理，現(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

1　材料與方法

1.1供試材料

改良劑硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O)及外源添加的重金屬鎘(CdCl2·2.5H2O)、鋅(ZnSO4·7H2O)均為分析純?cè)噭?。玉米品種為東單六號(hào)。供試土壤采自沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田，0～20 cm土層含有機(jī)質(zhì) 15.33 g/kg，速效氮98.92 mg/kg，速效磷92.78 mg/kg，速效鉀105.7 mg/kg，鎘0.003 mg/kg。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共設(shè)18個(gè)處理，每處理重復(fù)3次。盆栽試驗(yàn)用塑料小桶(直徑20 cm，高25 cm)進(jìn)行，每桶裝土4 kg，施入尿素(N 46%)0.435 0 g/kg；氯化鉀(K2O 30%)0.25 g/kg；磷肥(P2O5)0.1 g/kg，所有肥料一次性以基肥方式全部施入，與土壤充分混勻。塑料小桶隨機(jī)排列。硅酸鈉、氯化鎘和硫酸鋅分別用去離子水溶解后，用稀硫酸調(diào)節(jié)pH至6.78，分別加入土壤中拌勻，平衡7 d。各處理中Cd、Zn、Si具體施用量見表1。

表 1　不同施肥處理Cd、Zn和Si的用量Table 1　Dosages of Cd,Zn and Si in different fertilization treatments　mg/kg

于05-14日裝盆，1周后播種玉米。每盆6穴，每穴1株，待玉米長(zhǎng)到兩葉一心時(shí)留取3株長(zhǎng)勢(shì)良好且一致的幼苗，其余的拔除。生育期定量澆水，常規(guī)管理。玉米生長(zhǎng)2個(gè)月時(shí)收獲，測(cè)定其根、莖葉中鎘、鋅含量，并測(cè)定土壤中可交換態(tài)(Ex-)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)(Cob-)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)(FeMn-)、有機(jī)結(jié)合態(tài)(Ob-)、殘?jiān)鼞B(tài)(Se-)Cd、Zn含量?？山粨Q態(tài)鋅(鎘)即有效態(tài)鋅(鎘)，碳酸鹽結(jié)合態(tài)鋅(鎘)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鋅(鎘)及有機(jī)結(jié)合態(tài)鋅(鎘)分別為與相應(yīng)化合物結(jié)合的元素形態(tài)的鋅(鎘)，殘?jiān)鼞B(tài)鋅(鎘)即難利用的鋅(鎘)。玉米植株中鎘、鋅含量的測(cè)定：采用濕式消解法，先用硝酸-高氯酸混合液(V(硝酸)∶V(高氯酸)=5∶1)消解樣品，之后用原子吸收分光光度法測(cè)定；土壤中不同形態(tài)鎘、鋅含量采用Tessier逐級(jí)提取方法[9]測(cè)定。

1.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2007 處理，用Duncan’s多重比較法檢驗(yàn)不同處理間的差異情況。

2　結(jié)果與分析

2.1硅對(duì)鎘、鋅復(fù)合污染下玉米植株中鎘、鋅含量的影響

2.1.1玉米幼苗鎘含量硅對(duì)鎘、鋅復(fù)合污染下玉米幼苗中鎘、鋅含量的影響如表2所示。表2表明，在單一鎘處理(Cd10Zn0Si0、Cd10Zn0Si4、Cd3Zn0Si0、Cd3Zn0Si4)下，隨著鎘含量的增加，玉米根和莖葉中鎘含量極顯著增加；加入硅能極顯著降低玉米體內(nèi)鎘含量。在鎘鋅復(fù)合污染條件下，鎘含量及硅含量均相同的處理，玉米根和莖葉中鎘含量隨鋅含量的增加而降低，且施入鋅的量越大，玉米體內(nèi)鎘含量越低。在鎘鋅復(fù)合污染條件下，鎘含量及鋅含量均相同的處理玉米根和莖葉中鎘的含量隨硅的加入而降低，差異達(dá)顯著或極顯著水平，這與周建華等[10]和高柳青等[11]的研究結(jié)果相吻合。

表2還表明，玉米根中鎘含量遠(yuǎn)大于莖葉，說明根對(duì)重金屬有攔截作用，抑制其向地上部運(yùn)輸?？傮w而言，低含量鎘處理下玉米根與莖葉中鎘含量的比值比高含量鎘處理大。鎘及鋅含量相同而硅含量不同的處理，隨著硅含量的增大玉米根和莖葉中鎘含量比值總體增加，其原因可能是硅使重金屬鎘轉(zhuǎn)化成某種沉淀物，使之向玉米地上部遷移的能力下降。鎘和硅含量相同而鋅含量不同的處理，隨鋅含量的增加玉米根與莖葉中鎘含量的比值增加，鋅含量越大，比值總體越大。上述結(jié)果表明，鎘主要積累在玉米根部，其向地上部遷移能力較差。

表 2　硅對(duì)鎘、鋅復(fù)合污染下玉米幼苗中鎘含量的影響Table 2　Cd concentrations in corn under different treatments

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，標(biāo)不同大寫字母表示差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。下表同。

Note:Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05),while different uppercase letters indicate very significant difference (P<0.01).The same below.

2.1.2玉米幼苗鋅含量表3表明，在單一鋅處理下，隨著鋅施入量的增加，玉米根、莖葉中的鋅含量也隨之增加，但加入硅顯著降低了玉米根、莖葉中的鋅含量。在鎘鋅復(fù)合污染條件下，對(duì)于鋅含量及硅含量均相同的處理，玉米根、莖葉中鋅含量隨著鎘含量的增加顯著降低；鎘的施入量越大，玉米根、莖葉中鋅含量越低。在鎘鋅復(fù)合污染條件下，對(duì)于鋅含量及鎘含量均相同的處理，玉米根、莖葉中鋅含量隨著硅含量的增加而降低，差異達(dá)極顯著水平。

表 3　硅對(duì)鎘、鋅復(fù)合污染下玉米植株中鋅含量的影響Table 3　Zn concentrations in corn plants of different treatments

由表3可知，玉米根中鋅含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于莖葉，表明玉米根對(duì)鋅有很強(qiáng)的吸收能力?？傮w而言，低含量鋅處理玉米根與莖葉中鋅含量的比值較高含量鋅處理大，表明玉米對(duì)鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)能力很弱。在鋅含量相同且鎘含量也相同的處理下，加硅增大了玉米根與莖葉中的鋅含量比值。說明施硅使鋅主要積累在玉米的根部，而沒有向地上部遷移。同樣，鋅含量和硅含量均相同的處理，鎘的加入也使玉米根與莖葉中鋅含量的比值增加，且鎘的添加量越大，比值也越大。有鎘存在情況下加入硅，玉米根與莖葉中鋅含量的比值比單加硅處理大，可知鋅鎘復(fù)合污染條件下，硅的加入更有利于降低鋅的遷移能力。

綜上可得，硅可以緩解重金屬鎘、鋅對(duì)植物的毒害作用，其機(jī)理可能是：①硅改變了土壤中重金屬的形態(tài)，降低了重金屬有效態(tài)的比例，從而降低重金屬對(duì)植物的毒害。 ②被植物吸收的硅在植物體內(nèi)仍然可以與重金屬產(chǎn)生交互作用，改變重金屬在植物體內(nèi)的形態(tài)，從而降低其活性和毒性[12]。本研究中，鎘鋅兩者存在明顯的拮抗作用，這可能是因?yàn)殇\和鎘具有相同的核外電子構(gòu)型，競(jìng)爭(zhēng)鋅酶中鋅的結(jié)合位點(diǎn)，鋅濃度的提高抑制了植物對(duì)鎘的吸收，含鋅酶中鋅被鎘取代的機(jī)會(huì)減少，從而減弱鎘對(duì)含鋅酶的破壞；同時(shí)鋅可能促進(jìn)一種多肽復(fù)合物(能借助豐富的巰基，把Cd2+絡(luò)合起來，使之處于非活性狀態(tài))的合成，使鎘的毒性下降[13]。

2.2硅對(duì)鎘、鋅復(fù)合污染下土壤中鎘、鋅形態(tài)的影響

2.2.1鎘形態(tài)由表4可以看出，種植玉米60 d后，土壤中可交換態(tài)鎘(Ex-Cd)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘(Cob-Cd)含量相對(duì)比較高，而有機(jī)態(tài)(Ob-Cd)、鐵錳氧化態(tài)鎘(FeMn-Cd)和殘?jiān)鼞B(tài)鎘(Se-Cd)含量較小。隨著進(jìn)入土壤中外源鎘含量的增加，土壤中Ex-Cd和Cob-Cd含量相應(yīng)增加。在同一鎘鋅污染水平下，加入硅降低了土壤中Ex-Cd和Ob-Cd含量，提高了FeMn-Cd、Cob-Cd和Se-Cd含量。同一鎘污染水平下，當(dāng)硅用量相同時(shí)，加入鋅也可以使土壤中鎘的有效性降低，鋅施入量越大，Ex-Cd和Ob-Cd含量降低幅度越大。同一鎘污染水平下，同時(shí)加入硅、鋅，土壤中Ex-Cd和Ob-Cd的含量比單施硅或單施鋅時(shí)低。

土壤中鎘形態(tài)的轉(zhuǎn)化很復(fù)雜，其轉(zhuǎn)化過程是一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的過程。鎘和經(jīng)過pH調(diào)整的硅酸鈉施入土壤后，硅可能與外源添加鎘通過一系列化學(xué)反應(yīng)形成鎘-硅沉淀物，改變鎘在土壤中的存在形態(tài)。鋅對(duì)Ex-Cd含量有抑制作用，具體機(jī)理還需進(jìn)一步探討。

2.2.2鋅形態(tài)由表5可知，土壤中鋅主要以鐵錳氧化結(jié)合態(tài)(FeMn-Zn)存在，而殘?jiān)鼞B(tài)(Se-Zn)和交換態(tài)鋅(Ex-Zn)含量較小。隨著進(jìn)入土壤中外源鋅含量的增加，土壤中各種形態(tài)鋅含量均增加。在同一鋅鎘污染水平下，加入硅降低了土壤中Ex-Zn和Ob-Zn含量，F(xiàn)eMn-Zn、Cob-Zn和Se-Zn含量總體有所升高。同一鋅污染水平下，當(dāng)硅用量相同時(shí)，加入鎘也可以使土壤中鋅有效性降低，使鋅向?qū)χ参餆o害的形態(tài)轉(zhuǎn)化，鎘施入量越大，有效態(tài)鋅含量降低幅度越大。

鋅是兩性金屬，不但能溶于酸，而且能溶解在強(qiáng)堿中形成鋅酸鹽。對(duì)大多數(shù)酸性土壤而言，Ex-Zn含量較高，而無定形鐵結(jié)合態(tài)鋅含量較低；中性土壤中Ob-Zn和FeMn-Zn含量較高；石灰性土壤則Cob-Zn、FeMn-Zn和Ob-Zn含量較高。土壤各種形態(tài)鋅含量主要取決于土壤pH及全鋅量和土壤中地球化學(xué)組分對(duì)鋅的富集能力[14]。本試驗(yàn)所用土壤采自沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田，pH為6.78，屬于中性土壤，F(xiàn)eMn-Zn含量較高。

硅可能與外源添加鋅通過一系列化學(xué)反應(yīng)形成鋅-硅沉淀物，改變了鋅在土壤中的存在形態(tài)，鎘的加入使Ex-Zn含量下降。鎘鋅之間的交互作用可從土壤中兩種重金屬間的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用來解釋。鎘鋅競(jìng)爭(zhēng)土壤膠體表面的吸附點(diǎn)位使另一方處于非活性狀態(tài)。

表 4　硅對(duì)鎘、鋅復(fù)合污染下土壤中不同形態(tài)鎘含量的影響Table 4　Effect of Si on Cd forms under Cd and Zn compound pollution 　 mg/kg

表 5　硅對(duì)鎘、鋅復(fù)合污染下土壤中不同形態(tài)鋅含量的影響Table 5　Effect of Si on Zn forms under Cd and Zn compound pollution 　mg/kg

3　結(jié)　論

本研究以玉米為供試作物，分析了硅對(duì)鎘、鋅復(fù)合污染下玉米植株鎘、鋅含量及土壤中不同形態(tài)鎘、鋅含量的影響，得到了以下結(jié)論：

1) 在鎘鋅復(fù)合污染條件下，鎘鋅間表現(xiàn)出明顯的拮抗作用，硅能顯著降低玉米幼苗體內(nèi)鎘、鋅含量，減少鎘、鋅向玉米植株地上部的遷移。

2) 在鎘污染土壤中，加硅或鋅都能降低土壤中Ex-Cd和Ob-Cd含量，而增加FeMn-Cd、Cob-Cd和Se-Cd含量。

3) 在鋅污染土壤中，加硅或鎘均能降低土壤中Ex-Zn和Ob-Zn含量，而增大FeMn-Zn、Cob-Zn和Se-Zn含量。

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Impacts of Si on concentrations of Cd and Zn in corn and their forms in soil

TONG Qian,JI Weiwei,SHEN Yang,WANG Zi,ZHANG Xiushuang,WEI Xiaomin

(LiaoningSalineorAlkalineLandUtilizationandResearchInstitute,Panjin,Liaoning124010,China)

【Objective】 The contents of cadmium (Cd) and zinc (Zn) in maize under compound pollution of Cd and Zn and their forms in soil were discussed.【Method】 Corn was planted in pot under 18 treatments with different levels of Si (0,4 mg/kg),Zn (0,300,and 700 mg/kg),and Cd (3,3 and 10 mg) in soil.After 60 days,samples were collected for determination of Cd and Zn contents in root and stem of corn,and changes in exchangeable,carbonate,iron and manganese oxide bounded,organic bounded and residual Zn and Cd in soil.【Result】 Under single Cd treatment,the contents of Cd in maize root,stem and leaf increased significantly with the increase of Cd.Adding Si significantly decreased Cd contents.Under Cd and Zn compound pollution and same Cd and Si contents,Cd contents in maize decreased with the increase of Zn.When Cd and Zn contents were fixed,Cd contents in maize decreased significantly or extremely significantly with the addition of Si.Under single Zn pollution,Zn content increased with the increase of Zn in soil,but Zn contents decreased significantly with the addition of Si.Under Cd and Zn compound pollution,Zn contents in corn decreased with the increase of Cd and Si.Under Cd and Zn compound pollution,contents of exchangeable and organic Cd in soil decreased while oxidation state,carbonate bounded and residual Zn increased with the increase of Si and Zn.【Conclusion】 Si can significantly reduce the contents of heavy metals in maize,and reduce the migration of heavy metals to aboveground parts.

Silicon;Cadmium;Zinc;Compound pollution

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-07-1208:4510.13207/j.cnki.jnwafu.2016.08.025

2015-01-16

“十二五”渤海糧倉(cāng)科技示范工程遼河三角洲項(xiàng)目

佟倩(1982-)，女，遼寧盤錦人，助理研究員，碩士，主要從事土壤改良與環(huán)境保護(hù)研究。

S156.2

A

1671-9387(2016)08-0171-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160712.0845.050.html