熱帶磚紅壤Cd-PAHs復(fù)合污染對(duì)小白菜生物量和營(yíng)養(yǎng)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(nóng)墾科學(xué)院，海南 ?？?570206；2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院興隆香料飲料研究所，海南 萬(wàn)寧 571737)

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熱帶磚紅壤Cd-PAHs復(fù)合污染對(duì)小白菜生物量和營(yíng)養(yǎng)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(nóng)墾科學(xué)院，海南 ?？?570206；2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院興隆香料飲料研究所，海南 萬(wàn)寧 571737)

采用均勻設(shè)計(jì)法，研究了Cd-PAHs復(fù)合污染對(duì)熱帶磚紅壤栽培的小白菜生物量和營(yíng)養(yǎng)元素的影響。結(jié)果表明：與對(duì)照相比，小白菜地上部干重隨土壤 Cd-PAHs 復(fù)合處理濃度增加呈下降的趨勢(shì)，而根部則表現(xiàn)不同的特征，根部干重不同處理間無(wú)明顯規(guī)律，但與對(duì)照差異顯著；小白菜中K、Ca和Mg 3種大量營(yíng)養(yǎng)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(yíng)養(yǎng)元素受高濃度 Cd 影響較大，而受 PAHs 的影響不顯著。本試驗(yàn)結(jié)果表明，小白菜中干物質(zhì)量及營(yíng)養(yǎng)元素主要受Cd影響較大。

鎘；多環(huán)芳烴；復(fù)合污染；小白菜；磚紅壤；營(yíng)養(yǎng)元素

鎘(Cadmium, Cd)是土壤中最為普遍的重金屬污染物，多環(huán)芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是世界各國(guó)優(yōu)先控制的“三致”有機(jī)污染物。這兩類物質(zhì)是我國(guó)土壤中來(lái)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(zhǎng)發(fā)育，而且還會(huì)通過(guò)食物鏈威脅人類的健康[2]。它們各自或同時(shí)進(jìn)入土壤環(huán)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(qiáng)的相關(guān)性[7-8]。

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

海南是“全國(guó)冬季菜藍(lán)子基地”，小白菜是人們?nèi)粘Ｉ钪惺秤幂^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(duì)象，開展典型的盆栽實(shí)驗(yàn)，研究海南磚紅壤中不同濃度的Cd和PAHs交互作用對(duì)小白菜生物量和營(yíng)養(yǎng)元素的影響，力圖闡明磚紅壤Cd-PAHs復(fù)合污染對(duì)小白菜的生態(tài)毒害效應(yīng)及其機(jī)理，以期為海南蔬菜的安種植及土壤修復(fù)提供重要的科學(xué)依據(jù)。

表1 供試土壤理化性質(zhì)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(cè)到PAHs)，其基本理化性質(zhì)見表1，供試小白菜種子購(gòu)買于市售，生產(chǎn)廠家為合肥合豐種業(yè)。

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(nóng)殘級(jí), Sigma-aldrich, Germany)；100～200目硅膠(超純, Silicycle, Canada)，CdCl2(AR級(jí)，西亞試劑)。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(Thermo-Ultra Trace GC-DSQ, GC/MS)，配備自動(dòng)進(jìn)樣器、TR-5ms毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)和Thermo化學(xué)工作站(X-calibur)。凍干機(jī)(LABCONCO4.5L, LABCONCO公司)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2014年5-9月海南省農(nóng)墾科學(xué)院?？谠囼?yàn)站網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行，采用4因子6個(gè)水平的均勻設(shè)計(jì)方案(表2)，以土壤環(huán)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(jù)中國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和加拿大土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。將含各濃度的Cd和PAHs復(fù)合污染物的土壤裝于瓦盆(內(nèi)徑12 cm ×高15 cm)中，加等量去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量為最大持水量的60 %， 搗碎土壤以防止結(jié)塊，整平后往盆內(nèi)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(yǎng)，常規(guī)管理。各處理培養(yǎng)30 d后收獲。

1.3 樣品測(cè)試分析

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

1.3.2 土壤樣品 土壤樣品PAHs測(cè)定：超聲萃取，層析柱凈化法，GC-MS測(cè)定[13-14]；土壤樣品Cd測(cè)定：美國(guó)國(guó)家環(huán)保局推薦的USEPA3050B方法(EPA，1996)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

所獲數(shù)據(jù)用Microsoft Excel和SPSS19.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用LDS顯著性檢驗(yàn)法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd-PAHs 復(fù)合污染對(duì)小白菜生長(zhǎng)的影響

由圖1 可以看出，與對(duì)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(shì)，且處理間除 T3 和 T4 外，差異顯著，各處理與對(duì)照差異顯著；而根部則表現(xiàn)不同的特征，與對(duì)照相比，T1 處理與其它處理差異顯著，T2 、T3 和T5處理間無(wú)明顯差異，T4和T6處理間無(wú)明顯差異，各處理與對(duì)照差異顯著，但無(wú)明顯規(guī)律性。表明小白菜地上部生長(zhǎng)主要受 Cd 處理濃度的影響，而根部的生長(zhǎng)主要受 Cd-PAHs 復(fù)合濃度處理的影響。說(shuō)明本試驗(yàn)條件下，Cd-PAHs 復(fù)合污染對(duì)小白菜生長(zhǎng)影響較為復(fù)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(fù)相關(guān)，也可以說(shuō)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(wú)顯著相關(guān)性。

表2 均勻設(shè)計(jì)方案

圖1 Cd-PAHs 復(fù)合污染對(duì)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(fù)合污染對(duì)小白菜大量營(yíng)養(yǎng)元素的影響

從圖2 可以看出，Cd-PAHs 復(fù)合污染處理對(duì)K、Ca和Mg 3種大量營(yíng)養(yǎng)元素含量影響趨勢(shì)基本一致，T1 到 T4 處理除 Ca 元素外，各處理中各營(yíng)養(yǎng)元素含量與對(duì)照相比，無(wú)顯著差異；3種大量營(yíng)養(yǎng)元素 T5 與 T6 差異顯著，T5 和 T6 與其它各處理差異顯著。當(dāng) Cd 處理濃度達(dá)到 51.2 mg·kg-1，3種大量營(yíng)養(yǎng)元素含量顯著下降， Cd 處理濃度達(dá)到 204.8 mg·kg-1，3種大量營(yíng)養(yǎng)元素含量達(dá)最低值，而此時(shí) 3 種 PAHs 的濃度大小不一。表明小白菜K、Ca和Mg 3種大量營(yíng)養(yǎng)元素受高濃度 Cd 影響較大，而受 PAHs 的影響不明顯。這一結(jié)果與小白菜地上部生物量大小受 Cd-PAHs 復(fù)合污染趨勢(shì)相似。這充分說(shuō)明，小白菜在 Cd-PAHs 復(fù)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(duì)小白菜危害更大。

2.3 Cd-PAHs 復(fù)合污染對(duì)小白菜微量營(yíng)養(yǎng)元素的影響

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

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明，小白菜地上部生長(zhǎng)主要受 Cd 處理濃度的影響，而根部的生長(zhǎng)主要受 Cd-PAHs 復(fù)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(nèi)不同濃度 PAHs 污染土壤對(duì)生長(zhǎng)在其中的蔬菜生物量無(wú)顯著影響。Cd 污染能導(dǎo)致植物中毒從而導(dǎo)致植株形態(tài)、生理生化及結(jié)構(gòu)上發(fā)生改變[16-17]，可使?fàn)I養(yǎng)元素不平衡進(jìn)而對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響[18]。孫光聞等[19]的研究結(jié)果表明，Cd 脅迫條件下，小白菜生長(zhǎng)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(yǎng)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(duì)小白菜地上部的影響要大于對(duì)根系的影響。一些研究還表明，Cd 影響植物生長(zhǎng)發(fā)育，不同品種小白菜 Cd 耐受能力存在差異[19-21]。與本試驗(yàn)結(jié)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(duì) Cd 較 PAHs 敏感， 而根部對(duì) Cd 和 PAHs 都不敏感或都敏感造成的結(jié)果，這需要進(jìn)一步的研究去證實(shí)。

圖2 Cd-PAHs 復(fù)合污染對(duì)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(fù)合污染對(duì)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(jié)果表明在 Cd-PAHs 復(fù)合污染條件下，小白菜含有的K、Ca和Mg 3種大量營(yíng)養(yǎng)元素受Cd 污染的危害較 PAHs 的危害要大，高濃度 Cd 對(duì)小白菜危害明顯。這可能是因?yàn)榉N植小白菜后，其根際土壤的微生物活性得到提高，促進(jìn)了PAHs 的降解；另一方面，可能是因?yàn)楦H土壤的理化性質(zhì)得到了改善，從而增加了土壤有機(jī)質(zhì)及礦物組分與 PAHs 的結(jié)合而導(dǎo)致轉(zhuǎn)入到植株體內(nèi)的 PAHs 量相對(duì)減少。Binet等[22]提出，根際土壤中 PAHs 的消減，植物協(xié)同微生物(細(xì)菌和放線菌)降解是一個(gè)主要途徑。Cd 和其他元素間的互作可能引起植物營(yíng)養(yǎng)成分改變及生理紊亂，從而影響生長(zhǎng)和產(chǎn)量。

本研究結(jié)果表明在 Cd-PAHs 復(fù)合污染條件下，小白菜含有的Fe、Mn、Cu和Zn 4種微量營(yíng)養(yǎng)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(guò)影響細(xì)胞質(zhì)膜透性而影響營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，改變營(yíng)養(yǎng)元素的濃度和組成[18]。Liu等[23]盆栽試驗(yàn)表明，結(jié)穗和成熟2個(gè)生長(zhǎng)期根中 Cd 與 Fe、Zn、Mn、Cu 存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，但與 Mg 沒(méi)有相關(guān)關(guān)系； 葉中 Cd 與 Fe、Zn、Cu 兩個(gè)時(shí)期都存在顯著的正相關(guān)； 在結(jié)穗期， 與 Mn 成顯著的負(fù)相關(guān)，與 Mg 不相關(guān); 在成熟期，與 Mg 呈顯著負(fù)相關(guān)，而與 Mn 沒(méi)有相關(guān)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，Cd 對(duì)小白菜地上部營(yíng)養(yǎng)元素的影響各處理存在差異，Cd 對(duì)不同元素的影響也不同，F(xiàn)e 和 Mn 受 Cd 的影響最大。

由此可見，Cd-PAHs 復(fù)合處理與營(yíng)養(yǎng)元素之間的關(guān)系十分復(fù)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(zhǎng)時(shí)期等都會(huì)影響 Cd-PAHs 與營(yíng)養(yǎng)元素之間的互作。

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(責(zé)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(xué)基金(313106)；海南省產(chǎn)學(xué)研一體化專項(xiàng)資金(CXY20130052)；海南耕地改良關(guān)鍵技術(shù)研究與示范(HNGDhs201501)；海南省引進(jìn)集成創(chuàng)新項(xiàng)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(huán)境，E-mail：271093491@qq.com，電話：18689559559。

X173;S131.3

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