农作物对污染土壤中铅赋存形态及其植物有效性的影响

ＬＩＹｕ－ｓｈｕａｎｇ，ＳＵＮＬｉ－ｎａ，ＷＡＮＧＨｏｎｇ

（ＳｈｅｎｙａｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００４４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｎｉｎｅｃｒｏｐｓｏｎｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎａｎｄａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙｏｆｌｅａｄｉｎｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅｉｎｌｏｎｇ－ｔｅｒｍｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄｗｉｔｈｍｕｌｔｉ－ｍｅｔａｌｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｔｗａｓｒｅｖｅａｌｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｒｏｐｓａｆｆｅｃｔｅｄｅｘｃｈａｎｇｅａｂｌｅｌｅａｄｍｏｓｔｌｙ，ｉｎｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｃａｒｂｏｎａｔｅｂｏｕｎｄ，ｏｘｉｄｉｚａｂｌｅａｎｄｏｒｇａｎｉｃｂｏｕｎｄｌｅａｄｔｈｏｓｅｗｅｒｅｌｅｓｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ｔｈｅｌｅｖｅｌｓｏｆｅｘｃｈａｎｇｅａｂｌｅｌｅａｄｄｅｃｒｅａｓｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ，ｃａｒｂｏｎａｔｅｂｏｕｎｄ，ａｎｄｏｒｇａｎｉｃｂｏｕｎｄｌｅａｄａｌｓｏｄｅ－ｃｒｅａｓｅｄ，ｂｕｔｏｘｉｄｉｚａｂｌｅｌｅａｄｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇｏｆｔｈｅｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎｓｏｆｌｅａｄｉｎｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅｓｏｉｌｓｗｅｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈａｔｉｎｎｏ－ｒｈｉｚｏ－ｓｐｈｅｒｅｓｏｉｌｓ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｏｘｉｄｉｚａｂｌｅａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌａｎａｌｏｇｓｗｅｒｅｔｈｅｍａｉｎ，ｆｏｌｌｏｗｉｎｇｔｈｅｏｒｇａｎｉｃｂｏｕｎｄｌｅａｄａｎｄｃａｒｂｏｎａｔｅｂｏｕｎｄ，ｅｘｃｈａｎｇｅａｂｌｅｌｅａｄｗｅｒｅｌｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｏｒｇａｎｉｃｂｏｕｎｄｆｒａｃｔｉｏｎｄｅｅｐｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｕｐｔａｋｅｏｆｌｅａｄｂｙｔｈｅｃｒｏｐｓ，ｏｔｈｅｒｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎｓｅｘｈｉｂｉｔｅｄｎｏｔｖｅｒｙｃｌｅａｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｅａｄ；ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ；ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅｓｏｉｌ；ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ

收稿日期：２００６－０１－１８

基金项目：国家自然科学基金（２０４７７０２９）；国家９７３项目专题

（２００４ＣＢ４１８５０６）；辽宁省教育厅高校科研项目攻关计划项目（０５Ｌ２６２）

作者简介：李玉双（１９７８—），女，硕士，主要从事环境地球化学及污染

生态学的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｙｓ１３３５２５＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ

农作物对污染土壤中铅赋存形态及其植物有效性的影响

李玉双，孙丽娜，王

洪

（沈阳大学沈阳环境工程重点实验室，辽宁沈阳１１００４４）

摘要：采用形态分析方法研究了北方地区常见农作物对长期复合污染土壤中Ｐｂ的形态转化及其植物有效性的影响。结果表明，

作物对可交换态Ｐｂ含量影响最显著，碳酸盐态、氧化物态和有机态Ｐｂ也受到了影响，但其变化幅度相对较小。多数作物根际土壤

中可交换态、碳酸盐态、有机态呈减少趋势，氧化物态含量则增高。

Ｐｂ在根际与非根际土壤中的总体形态分布未发生明显变化，均以氧化物态和残渣态为主，有机态次之，碳酸盐态和可交换态较少。Ｐｂ的形态与作物地上部分含量之间的相关分析结果表明，有机态

Ｐｂ对作物吸收的贡献较大，其他形态无明显贡献。

关键词：Ｐｂ；复合污染；根际土壤；植物有效性中图分类号：Ｓ１５４．４

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－２０４３（２００６）增刊－０４８７－０５

农业环境科学学报２００６，２５（增刊）：４８７－４９１

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｇｒｏ－ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅ

由于污水灌溉、污泥施用和施肥等原因，我国北方农田普遍遭受重金属污染，且多为多种元素的复合污染［１］，土壤被重金属污染后，不仅降低土壤肥力、作物的产量与品质，还可以通过淋溶作用污染地下水，并通过食物链危及人类健康［２］。目前，关于不同重金属在土壤中的存在形式及其不同形态的植物有效性的

差异己有大量研究［３～９］

，但关于作物对土壤中重金属形态的影响了解相对较少［１０、１１］。由于植物吸收、根系活动

和微生物活动等作用，根际环境的物理、化学和生物

学性质与一般土体有明显差别［１２、１３］。这些改变可能引

起重金属在土壤－植物系统中的形态进而影响其迁移活性和植物有效性，因而深入研究复合污染条件下重金属在农田生态系统中的迁移和转化对于阐明重金属在土壤－植物系统的传递机制，尤其是重金属超富

集植物抗逆机理都具有重要的理论意义［１４、１５］。

本文通过盆栽试验和形态分析方法研究了北方常见农作物对沈阳张士污灌区土壤中Ｐｂ的形态变化

２００６年９月

及植物有效性的影响，以期揭示农田根际土壤中重金属的形态转化规律。

１材料与方法

１．１土壤与作物

土壤样品采自沈阳张士灌区（Ｎ４１°４６′０．４″，Ｅ１２３°１６′４３．０″），采样深度为０～２０ｃｍ，样品经室温风干后过

５ｍｍ筛备用。土壤中Ｐｂ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｓｂ含量分别为８７．８５、４．７３、７７．７８、３７５．３３、３２．１和１２．５ｍｇ・ｋｇ－１。

本试验选用的作物为沈阳地区常见的农作物：蓖麻（Ｒｉｃｉｎｕｓｃｏｍｍｕｎｉｓ）、韭菜（ａｌｌｉｕｍｔｕｂｅｒｏｓｕｍ）、白菜

（Ｂｒａｓｓｉｃａｐｅｋｉｎｅｎｓｉｓ）、不结球白菜（ＢｒａｓｓｉｃａｒａｐａＬ．

ＣｈｉｎｅｎｓｉｓＧｒｏｕｐ）、

水稻（Ｏｒｙｚａｓａｔｉｖａ）、玉米（ＺｅａｍａｙｓＬ．）、

向日葵（Ｈｅｌｉａｎｔｈｕｓａｎｎｕｕｓ）、甜菜（Ｓｕｇａｒｂｅｅｔ）、包心芥（Ｂｒａｓｓｉｃａｊｕｎｃｅａ）。

１．２盆栽试验

盆栽试验在白色塑料盆中进行，每盆播种２０粒种子，萌发１周后间苗，每盆保留８株，每个处理３个

重复，同时作空白对照。根据植物生长需要浇水，６０ｄ后收集植物体（地上部分和地下部分）及其对偶根际土壤（抖落法）。植物样品分别用自来水和去离子水冲净，９０℃杀青３０ｍｉｎ，６５℃烘４８ｈ，过４０目筛，贮于密封袋内备用。土壤样品于室温风干后过１２０目筛，备用。

１．３土壤及植物样品测定

土壤样品理化性质测定：ｐＨ采用电位法（水∶土＝

２．５∶１），有机质含量采用重铬酸钾法，ＣＥＣ采用铵盐法

进行测定［１６］。

土壤和植物样品重金属含量测定：土壤样品用

ＨＮＯ３－ＨＣｌＯ４－ＨＦ消解，植物经干法灰化后，用ＨＮＯ３－ＨＣｌＯ４消解，火焰原子吸收分光光度法测定消

解液中Ｐｂ的含量。１．４土壤Ｐｂ的形态分析

采用连续提取法，在Ｔｅｓｓｉｅｒ连续提取法［１７］的基础

上加以改进［１８、

１９］

，火焰原子吸收分光光度法测定，具体步骤见表１。

表１连续提取试验步骤

Ｔａｂｌｅ１ＳｅｑｕｅｎｔｉａｌｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆＰｂｉｎｔｈｅｓｏｉｌｓｔｕｄｉｅｄ

２结果与讨论

２．１根际土壤理化环境的变化

根际土壤部分理化性质的相对变化（相对变化

量＝根际－非根际）如表２所示。由表２可以看出，不同作物对根际土壤环境影响程度存在一定差异，与对照（非根际）土壤相比，蓖麻根际土壤ｐＨ无明显变化，包心芥和水稻根际土壤ｐＨ增高，其他６种作物根际

表２不同作物根际土壤部分理化性质的变化

Ｔａｂｌｅ２Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｏｍｅｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅｓｏｉｌｓ

李玉双等：农作物对污染土壤中铅赋存形态及其植物有效性的影响

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第２５卷增刊农业环境科学学报

图１根际土壤中不同形态Ｐｂ含量变化（％）

Ｆｉｇｕｒｅ１ＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｓｏｆＰｂｉｎｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅｓｏｉｌｓ

土壤ｐＨ均有不同程度的降低，其降幅为０．１１～０．４３；而有机质和ＣＥＣ则表现出增高趋势，分别增加０．０２～０．５７ｇ・ｋｇ－１和０．９２～７．９４ｃｍｏｌ・ｋｇ－１。

根际不仅是物质和能量交换的场所、也是一个重要的环境界面，是土壤物质循环的重要环节。根部呼吸作用产生的ＣＯ２、

根分泌的有机酸类物质等均可直接导致根际土壤ｐＨ的降低，而根际有机质含量的升高则与根分泌物有直接关系，目前已经有大量研究表明，

根分泌物以有机分泌物为主［２０］。

２．２根际与非根际土壤中Ｐｂ的赋存状态

２．２．１Ｐｂ在根际与非根际土壤中的形态分布

根际与非根际土壤Ｐｂ的形态分析结果见表３。由表３可以看出，无论在根际土壤还是非根际土壤中

氧化物态和残渣态都是主要赋存形态，二者之和为总量的７１．９３％～７６．０３％，有机态含量居中，为总量的

１４．３５％～１７．６５％，碳酸盐态为总量的６．２２％～８．２５％，可交换态最少，不到总量的４％。

２．２．２不同作物根际土壤中Ｐｂ的形态变化

表３根际与非根际土壤Ｐｂ的赋存状态

Ｔａｂｌｅ３ＦｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎｓｏｆＰｂｉｎｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅａｎｄｎｏｎ－ｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅｓｏｉｌｓ

根际土壤中不同形态Ｐｂ的百分含量变化（（根际－非根际）／非根际×１００）见图１。由图１可以看出，各作物根际土壤中可交换态Ｐｂ含量均有所降低，韭菜根际土中降低幅度较小，为４．６４％；其他植物根际土壤中可交换态Ｐｂ的含量降低幅度较大，为１８．７％～４６．９％。不结球白菜、

韭菜根际土壤中碳酸盐态Ｐｂ含量大幅增加，分别升高１９．２２％和１４．４６％，水稻、白菜、甜菜、向日葵根际土壤中含量明显下降，分别降低１５．１０％、１２．２９％、１２．１７％和７．７４％；蓖麻、

玉米和包心芥根际土壤中变化较小，相对变化量小于３．２％。９种

作物根际土壤中氧化物态含量均有不同程度升高，其变化范围为３．９５％～１５．０４％。白菜和不结球白菜外根际土壤中有机态Ｐｂ含量增高，其他６种植物根际土壤有机态Ｐｂ均有所降低。总体上看，作物对可交换态含量的影响较大，且表现出一致趋势，而对碳酸盐态、氧化物态和有机态影响则相对较小，且不同植物之间存在明显差异。

２．３Ｐｂ在不同作物中的含量及分布特征

植物中Ｐｂ含量测定结果如图２所示。由图２可以看出，白菜地上部分Ｐｂ的含量相对较高，为３４．８０ｍｇ・ｋｇ－１；蓖麻、

不结球白菜地上部分Ｐｂ未检出；其他作物地上部分Ｐｂ含量为０．８２～３．４５ｍｇ・ｋｇ－１，不足白

菜地上部分含量的１／４２～１／１０。

白菜地下部分Ｐｂ含量也较高，为４０．７０ｍｇ・ｋｇ－１，水稻次之，为２７．４６ｍｇ

・ｋｇ－１

，接下来依次为甜菜、蓖麻、不结球白菜，其他４种植

物地下部分Ｐｂ含量低于６ｍｇ・ｋｇ－１。Ｐｂ主要分布在作物的地下部分，为植物体中总含量的５１．１８％～１００％。

２．４根际土壤Ｐｂ的形态与作物吸收的关系

表４列出了根际土壤中Ｐｂ的形态与作物地上部分含量之间的相关系数（１－ｔａｉｌｅｄ）。由表４可以看出，有机态Ｐｂ与作物吸收之间的相关性较高；有机态Ｐｂ

与碳酸盐态和氧化物态相关系数分别呈正相关，但不

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２００６年９月

显著；氧化物态与碳酸盐态在之间呈显著正相关，碳酸盐态与可交换态之间的相关性也较强，ｒ为０．５７６。这种结果表明，由于根际环境的变化，ｐＨ的下降、有机质和ＣＥＣ水平的升高及其他环境因子的变化（如Ｅｈ、

根际分泌物的组成、微生物的活动等）引起了根际土壤Ｐｂ化学行为和植物有效性的变化。可交换态重金属有效性强，是最易被生物吸收利用的部分。本研究中各种作物根际土壤中可交换态Ｐｂ含量的减少与吸收作用有直接关系，另外可交换态Ｐｂ也极易与根际分泌物中碳水化合物、有机酸、氨基酸、糖类物质、蛋白质、核酸等形成配位化合物［２１］，从而转化为有机态Ｐｂ。

本研究中根际碳酸盐态与可交换态和氧化物态之间分别呈不显著正相关和显著正相关关系，这与碳酸盐态的性质有关，碳酸盐态重金属较易在ｐＨ降低时释放进水相，而具有间接的植物有效性；或在ｐＨ升高时转变为氧化物态，而降低其植物有效性。有机态

Ｐｂ与作物吸收之间的相关性较高，说明其对作物吸

收的贡献较大，某些小分子有机态Ｐｂ可以作为直接的生物有效态被植物吸收，同时有机态Ｐｂ也可在环境变化时发生形态转化，植物有效性增加，从而成为间接的有效态。

３结论

（１）本研究结果表明，各种作物的根际环境均发生了变化，这种变化影响了根际Ｐｂ的形态转化，多数作物根际土壤中可交换态、碳酸盐态、有机态Ｐｂ含量呈减少趋势，氧化物态含量则有所增高；作物对可交换态含量影响最显著，碳酸盐态、氧化物态和有机态

也受到了影响，但其变化幅度相对较小；Ｐｂ在根际与非根际土壤中的总体形态分布未发生显著变化，其分布规律为氧化物态≥残渣态＞有机态＞碳酸盐态＞可交换态。

（２）不同植物对Ｐｂ的富集能力具有显著差异，白菜对Ｐｂ的富集能力最强，其他植物富集能力相对较弱。Ｐｂ的形态与作物吸收之间的相关分析结果表明，有机态对作物中Ｐｂ含量贡献较大，其他形态贡献不明显。

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表４根际土壤中不同形态Ｐｂ含量与植物地上部分Ｐｂ含量的

相关分析

Ｔａｂｌｅ４ＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎｓＰｂｉｎｔｈｅ

ｓｏｉｌｓａｎｄｐｌａｎｔｓｓｔｕｄｉｅｄ

注：＊表示０．０５水平显著。

图２植物地上及地下部分Ｐｂ的含量

Ｆｉｇｕｒｅ２Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｍｅｔａｌｉｎｔｈｅｖａｒｉｏｕｓｖｅｇｅｔａｂｌｅｓ

ｔｅｓｔｅｄ

李玉双等：农作物对污染土壤中铅赋存形态及其植物有效性的影响

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ｓｏｉｌａｎｄｉｎｔｈｅｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅｏｆｐｌａｎｔｓｕｎｄｅｒｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅａｎｄｅｎｖｉｒｏｎ－ｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＳｏｉｌＢｉｏｌｏｇｙａｎｄＢｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０００，３２（３）：３１５－３２１．

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