土壤-植物系统中铅的研究进展

土壤-植物系统中铅的研究进展黄万琳（云南农业大学资源与环境科学学院云南省昆明市650000）摘要重金属铅不是作物生长的必需元素，而是一种对作物有积累性危害的污染物质。铅一旦污染土壤，很难降解、去除。铅对土壤污染后，可导致农产品产生残毒，并可通过土壤-作物系统进入食物链，危害人体健康。本文就土壤-作物系统中铅的来源、积累与迁移等研究进展进行综述，旨在提醒人们关注铅的危害，采取积极的预防措施。关键词铅污染；土壤-植物系统；迁移转化；修复技术AdvancesinStudiesonLeadPollutioninSoil-plantSystemWan-linHuang(YunnanAgriculturalUniversitySchoolofResourcesandEnvironmentalSciencesYunnan,Kunming650000,China)Abstract:Leadisnotanecessaryelementtocropgrowthbutapollutantwithaccumulationproblems，Ifleadisabsorbedbysoil，itwilbedifficulttoberemoved，Pollutedsoilwillresultintoxininagriculturalproductandleadcanenterintofoodchainbysoil-plantsystem,whichwillhurthumanbeings.Thispapersummarizedthesourceoflead，accumulationandmigrationinagriculturalsoil-plantsysteminordertoremindpeopletopayattentiontotheharmofleadandpreventitearly.Keywords:leadpollution;soil-plantsystem;migration;restoration引言铅为青白色金属，质地柔软。地壳中含铅10kg/吨，丰度为13～16mg/kg，中值为35mg/kg。铅不是作物生长的必需元素，而是一种对植物有积累性危害的污染物质[1]。与其它污染物相比，在环境中的滞留时间较长。重金属铅进入环境后不能被微生物降解，一方面在土壤中残留、富集；另一方面被作物吸收，表现出毒害效应[2]。进入农田生态系统的铅参与农田生态系统的物质循环，大部分累积于耕作层土壤中，在较长时间内可被作物吸收。铅一旦污染土壤，很难降解、去除[3]。铅对作物的影响主要表现在危害生长，降低产量上，并且可通过土壤．作物系统进入食物链，危害人体健康[4]。1土壤作物系统中铅的来源1.1土壤母质世界范围内土攘铅含量的变幅多为3-200mg/kg,中值为35mg/kg。根据我国七五期间的工作,全国范围内4096个样点表土层铅含量的算术平均值为26mg/kg,95%的变幅范10.6-56.1mg/kg,极大值是1143mg/kg,极小值是0.68mg/kg[5]。这种变化主要是由于土城类型、母岩母质的差异造成的,唐诵六认为土壤中重金属的含量变化更多地取决于母岩而不是土壤的地带性分布[6]。一般酸性火成岩和石灰岩上所发育土壤的铅含量较高。必须指出的是,我国3145个样点土壤母质层铅含量的算术平均值为24.7mg/kg，比表土层的要低些。这可能是由于生物小循环的长期富集作用和近代人类的生产活动造成的[7]。1.2大气沉降大气沉降也是铅污染的一个重要来源。大气中铅的天然浓度为0.005,受污染的空气中铅浓度可达其本底浓度的万倍[8]。大气中铅的污染可来自火山喷发，工业废气及含铅汽油的燃气等。Tiller和Milberg认为，至少有20％的汽车尾气排放的铅可散播至50km以外[9]。陈维新等也认为，汽车尾气中70％的铅沉降于公路两侧的土壤中[10]。刘玉萃等研究表明，大气中铅的浓度日变化与粉尘浓度的日变化一致，每日以8：00～11：00及15：00～18：00两个时段最高，与相应的汽车流量变化也一致，两者相关系数r可达0．9743[11]。铅浓度的季节变化规律与粉尘的基本一致，表现为秋冬季高于春夏季；而大气中铅浓度的变化与风速及温度的相关关系不大。所有进入大气中的铅的最后归宿是海洋和土壤。1.3污水灌溉杨红霞(2002)通过对大同市污灌区内玉米幼苗、籽粒以及不同品种蔬菜中重金属污染的研究,结果表明玉米中以铅的污染最严重,全部超标；6种蔬菜中以铅的超标率最大。张乃明等(2003)的研究结果表明：太原污灌区土壤中铅的含量明显高于背景值,随着污灌时间的推移,铅的年累积增加量为0.67mg/kg。污染源附近，铅可通过地表水或侧渗水污染农田。据中国农业部统计资料，仅因灌溉所至的污染农田达1.0×106km2。1.4肥料施用农药、化肥和地膜是重要的农用物资,对农业生产的发展起着重要的推动作用,但长期不合理施用,也可导致土壤污染。据测定，加拿大5-10-5型复肥含铅70.9mg/kg，氯化钾含铅10.5mg/kg，硝酸铵含铅6.0mg/kg，而来自工业副产品的锌肥含铅量可高达50～52000mg/kg[12]。过磷酸钙中含铅32.5mg/kg。，但在目前的磷肥用量下，带入的铅不足以增加土壤铅的积累及作物吸收[13]。1.5采矿和金属加工业Alloway和Davies在威尔士10个地区的调查结果表明,19世纪进行过铅矿开采活动的地区周围,土壤含铅量至今仍在220-3680mg/kg之间,在此土壤上生长的牧草含铅可达74.2mg/kg[14]。我国湖南桃林铅锌矿区稻田中含铅量为1601mg/kg[15]。安徽省铜陵有色公司冶炼厂重金属粉尘中含铅4.46%，污染方圆2000m的土壤[16]。2土壤-植物系统中铅的累积和分配2.1土壤中铅的累积与分配土壤是自然界中铅的最大储存库,土壤中铅含量的多少在较大程度上继承了母岩的特性,土壤中铅化合物的溶解度和降解自由度低,在土壤剖面向下移动很少,随土壤剖面深度增加,含铅量下降,铅大多累积于0cm～15cm耕层中,且水平移动和垂直移动都很困难.研究表明公路系统土壤中的铅污染是以公路为轴线在其两侧呈带状顺路延伸,累积的铅主要存在于公路两侧50m范围内的0cm～20cm深的表层土壤中.公路系统土壤铅的含量随车流量的增加而增加；然后随距离的增加而逐渐下降[17]。土地功能不同,土壤铅的累积情况也不同。郑袁明等(2005)的研究结果表明，北京市不同土地利用类型土壤中平均铅浓度从高到低依次为：绿化地果园菜地稻田自然土壤≈麦地。从行政区域来看，城区土壤的铅浓度高于近郊区,近郊区要明显高于远郊区土壤。2.1.1铅在根际与非根际土壤的形态分布在黄壤中，各形态铅的含量均随添加质量比而升高，碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态铅增幅较大，交换态铅含量很低；而随铅添加量的增加，交换态、碳酸盐结合态在土壤中质量分数增大，其余3种形态却有减小趋势，其中碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态占优势，其次为残留态，交换态质量分数最小[18]。植物根际土壤铅形态的变化规律基本上一致，以黑麦草根际土为例，总的趋势上无论在何种外源铅浓度下，都是以碳酸盐和铁锰氧化物结合态为主,其次为残留态、有机态和交换态[19]。但是在如0mg/kg低浓度下,有机结合态铅的质量分数(16.21%)和残留态铅的质量分数(22.16%)均大于碳酸盐态铅的质量分数(9.90%)；在小于100mg/kg的浓度下，铁锰结合态铅的质量分数大于碳酸盐结合态铅的质量分数，在500mg/kg的高浓度下，碳酸盐结合态铅的质量分数大于铁锰结合态铅的质量分数；在W铅≥500mg/kg时铁锰结合态铅和有机态铅质量分数开始下降，交换态和碳酸盐结合态铅质量分数一直呈现上升趋势，残留态铅质量分数一直下降，其原因可能是根际效应促使形态的转化，植物根际环境有利于残留态的活化过程[20]。2.1.2不同植物根际土壤中铅的形态变化各作物根际土壤中可交换态铅含量均有所降低,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铅的含量降低幅度较大,为18.7%～46.9%。白菜和不结球白菜外根际土壤中有机态铅含量增高,其他种植物根际土壤有机态铅均有所降低。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[21]。2.1.3化学添加剂对土壤铅形态的影响土壤中的铅主要以矿物态、水溶态、吸附态和有机络合态等形式存在，在土壤溶液中的水溶性和交换态铅质量分数很少[22]。一般外源铅进入土壤后被固定在表土层，水平移动和垂直移动都很困难[23]。当加入不同的化学添加剂后，土壤中铁锰氧化态和残留态的铅质量分数均出现大幅上升，尤其在加入低用量石灰的情况下，增加最明显，最大增幅分别为25.3%、761.8%。植物中铅的最小质量分数为48.51mg/kg，比对照降低了35.7%，这主要是因为加入石灰后使土壤pH升高，减少重金属铅的可溶性，同时增加了钙离子与铅之间存在的拮抗作用，使土壤中活性态铅质量分数减少，从而减少作物对铅的吸收；加入腐殖酸和硫化钠后，使得土壤中铅的残留态质量分数增加，土壤pH降低，从而减少植物对水溶性铅的吸收[24]。2.1.4化学添加剂对土壤铅残留量的影响加入石灰后，土壤中铅的残留量都高于对照，当石灰加入量为6.67g/kg时，土壤中铅残留量最大，为607.43mg/kg，比对照高出33.5%。随着腐殖酸用量的增加，土壤中铅的残留量先上升后下降；施用量为1.33g/kg，能很明显地抑制铅向植物迁移，此时土壤中铅的残留量为579.15mg/kg，比对照高27.3%。随着腐殖酸用量的增加，土壤Hg的残留量又表现为下降，但都高于对照。硫化钠的加入均能抑制铅向植物体迁移，使土壤中铅的残留量提高，但不同加入量的抑制作用变化不大[25]。因此，加入少量的硫化钠便可以起到抑制铅向植物体迁移的作用。2.2植物中铅的积累和分配土壤中的铅最终会被谷物和蔬菜吸收,造成作物铅污染,进而对人体健康造成伤害。不同作物对铅的吸收存在差异，如玉米对铅的吸收累积大于小麦；不同蔬菜对铅的累积顺序为:叶菜类豆类瓜类茄果类块茎类。对于同种植物,在同一生长期,作物不同部位对铅的吸收,大体按根、茎叶、籽粒(果实)顺序递减[26]。不同作物的表现各不相同,反映在作物可食部分的铅含量，蔬菜和茶叶更易受到污染；同一类作物品种不同,对铅污染的影响也不同。铅的分布规律主要与铅的特性及铅在植物体内的迁移有关。铅一般是从植物体外先通过细胞壁，再穿过细胞膜进入原生质体。细胞壁由纤维素作为骨架，包埋在果胶和半纤维素为衬质的许多次生组织木质中。果胶是由D-半乳糖醛酸、L-阿拉伯糖、D-半乳糖和鼠李糖多聚物组成的。果胶分子中的D-半乳糖醛酸残余的羧基在正常状态下是游离的，使细胞壁带负电荷，从而具有巨大的阳离子结合能力[26]。正常情况下，果胶分子结合很多钙，作为植物的钙储备。铅离子的半径与钙相似，因此，可以被细胞壁大量结合。2.2.1铅在不同植物中的含量及分布特征植物中铅含量测定结果显示。可以看出,白菜地上部分铅的含量相对较高,为34.80mg/kg；蓖麻、不结球白菜地上部分铅未检出；其他作物地上部分铅含量为0.82～3.45mg/kg,不足白菜地上部分含量的1/42～1/10。白菜地下部分铅含量也较高,为40.70mg/kg,水稻次之,为27.46mg/kg,接下来依次为甜菜、蓖麻、不结球白菜，其他几种植物地下部分铅含量低于6mg/kg。铅主要分布在作物的地下部分,为植物体中总含量的51.18%～100%[27]。2.2.2化学添加剂对植物铅质量分数的影响研究结果表明，石灰在低用量下能够较明显地抑制铅向植物的茎、叶迁移。不同石灰用量均能明显地抑制铅向植物迁移。随着石灰用量的增加，植物中铅质量分数逐渐降低，加入量10.0g/kg的抑制效果最明显，莴笋中铅质量分数下降了35.7%。虽然茎、叶中铅质量