铅在土壤_青菜系统中迁移分配及对微生物生态的影响

铅在土壤-青菜系统中迁移分配及对微生物生态的影响①胡宁静1,2,3，骆永明1,2,3*（1中国科学院南京土壤研究所土壤与环境生物修复研究中心，南京210008；2土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京210008；3中国科学院研究生院，北京100049）摘要：通过温室盆栽试验，研究了长江三角洲地区3种典型土壤类型中Pb在土壤-青菜系统中的转运及Pb污染对青菜Pb含量、土壤硝化细菌和微生物多样性的影响。结果表明，Pb在土壤-青菜系统中的转运是非线性的。青菜地上部Pb含量与0.43mol/LHNO3和0.05mol/LEDTA提取态Pb显著相关，青菜Pb含量与0.01mol/LCaCl2提取态Pb相关性不显著。研究认为，0.43mol/LHNO3和0.05mol/LEDTA提取态Pb可成为土壤Pb植物有效性的评价指标。青紫泥和滩潮土中添加Pb浓度为125~625mg/kg，对土壤硝化细菌数量和土壤微生物多样性影响不明显。以基于人体健康风险、国家食品卫生标准和植物毒性为依据，计算得出的总Pb临界浓度分别为:黄泥砂土140、59和12263mg/kg,青紫泥790、292和13902mg/kg，滩潮土1266、418和30422mg/kg。关键词：铅；转运；农作物安全；土壤污染临界值；土壤微生物多样性；植物有效性中图分类号：X131.3长江三角洲地区土壤重金属污染已经显现。对城市近郊菜园土的研究表明，菜园土随种菜历史延长、熟化程度的增加，重金属含量有明显的增高趋势，Pb等是菜园土壤昀普遍的污染元素[1]。农田土壤重金属含量的不断增加，势必影响到地下水质量、农产品品质和微生物群落活性及结构组成[2-3]。根据实地调查和取样分析，长江三角洲地区某些田块蔬菜中Pb含量已经接近卫生标准[4]，土壤的微生物群落遗传多样性发生了变化[5]。那么，长江三角洲地区土壤中Pb含量与蔬菜Pb含量存在怎样的运移关系？土壤Pb在多大浓度条件下才能保证蔬菜质量和土壤微生物的安全？对此并不清楚。因此，本文选择长江三角洲地区3种典型土壤，研究了Pb在土壤-青菜系统中的运移以及Pb污染对土壤硝化细菌和微生物功能多样性的影响，探讨建立一种模型方法，达到估计土壤控制标准（浓度）、保护农作物和微生物安全的目的，昀终为制定有毒污染物的土壤环境质量控制标准提供理论和方法依据。1材料与方法1.1供试土壤供试土壤3种，采自土壤表层（0~20cm），分别为上海的滩潮土（石质淡色潮湿雏形土）、浙江嘉兴的青紫泥（普通潜育水耕人为土）和浙江湖州的黄泥砂土（铁聚潜育水耕人为土）。这些土壤代表了从滨海到平原、丘陵的主要土壤类型。土壤经自然风干并除去草根、石块等杂物，过20目或60目尼龙筛装瓶待用。土壤pH、阳离子交换量（CEC）、有机质、水解N、速效P、速效K和土壤碳酸盐含量常规方法测定[6]，土壤黏粒含量采用激光颗粒分析仪（BeckmanCoulter,LS230）测定。供试土壤基本性质见表1。1.2盆栽试验盆栽试验在中国科学院南京土壤研究所温室中进行，供试蔬菜品种为青菜（BrassicachinensisL.）。在塑料盆中装入风干过2mm筛土样1.5kg，以尿素（0.6g/kg土）和磷酸氢二钾（0.6g/kg土）为底①基金项目：国家自然科学基金项目(40432005、40371070)、国家重点基础研究发展规划项目（2002CB410810）、中国科学院知识创新项目（KZCX3-SW-429,CXTD-Z2005-4）和中-荷战略科学联盟项目（2004CB720403）资助。*通讯作者（[e-mail]）作者简介：胡宁静（1975—），女，湖南道县人，博士研究生，主要从事土壤环境质量和修复研究。E-mail:[e-mail]土壤(Soils),2006,38(5):571~577表1试验土壤的基本性质Table1Somebackgroundandpropertiesofsoilsused土样pHOM（g/kg）CaCO3（g/kg）CEC（cmol/kg）黏粒（g/kg）Cd*（g/kg）Pb*（mg/kg）水解N（mg/kg）速效P（mg/kg）速效K（mg/kg）青紫泥6.234.2220.017049.140.514210.6134滩潮土7.626.03014.815894.021.717568.0216黄泥砂土4.943.6011.218477.331.123713.572*HF-HNO3-HClO4消煮。肥。土壤添加Pb化合物为Pb(NO3)2，添加浓度（以Pb计）：0~625mg/kg。每个处理重复3次。先将土壤与肥料混合，1周后加入Pb溶液混匀，加水至田间持水量的60%，放置平衡，平衡期间定期加水维持含水量。平衡1个月后，在每盆中直播16粒种子，出苗整齐、长势良好后（7~10天），每盆定植4株。生长期间土壤湿度保持在约70%田间持水量，生长45天后收获。收获时用不锈钢剪刀剪取地上部。先后用自来水和去离子水洗涤，80℃下烘24h。烘干的植物样品用小型不锈钢植物粉碎机粉碎，装入一次性样品袋中备用。盆栽试验结束时，取部分土样放于4℃冷库中，供土壤硝化细菌和微生物功能多样性测定。1.3化学提取选用的化学提取方法分别为0.01mol/LCaCl2法[7]、0.43mol/LHNO3法[7]和0.05mol/LEDTA法（pH7.0）[8]。1.4植物样品分析方法磨细的植物样品用HNO3-HClO4（87/13,v/v）消化，按一定的升温程序在FOSSTecator（2040）消煮炉上消煮。用火焰原子吸收仪（Varian220FS）或石墨炉原子吸收仪（Varian220Z）测定Pb浓度。1.5土壤硝化细菌测定该项目测定只在青紫泥和滩潮土中进行，测定采用MPN方法[9]。1.6土壤微生物功能多样性分析1.6.1土壤微生物群落功能多样性测试该项目测定只在青紫泥中进行，采用BIOLOG测试，具体操作见文献[10]。1.6.2数据处理方法采用95个孔吸光度的平均值（averagewellcolordevelopment,AWCD）来表示微生物的平均活性。计算公式为：AWCD=[(Ci-R)]/95，其中，Ci是除对照孔外各孔吸光度值,R是对照孔吸光度值。用计算微生物群落功能多样性公式[10]来分析土壤微生物功能多样性（表2）。表2基于BIOLOG分析的多样性指数Table2BIOLOGbaseddiversityindices多样性指数用途公式备注Shannon指数评估丰富度∑−=pipiHln'Pi为第i孔的相对吸光值与整个平板相对吸光值总和的比率Shannon均匀度通过Shannon指数算出的均度SHJHln'=S为发生颜色变化的孔的数目Gini指数用于评估某些昀常见种的优势度的指数∑−=2)(1piDPi同上McIntosh指数基于群落物种多维空间距离的多样性指数)(2∑=niUni是第i孔的相对吸光值McIntosh均匀度由McIntosh指数计算得出的均匀度SNNUNJU/−−=其中N是相对吸光值总和,S为发生颜色变化的孔的数目572土壤第38卷2结果与讨论2.1土壤Pb污染对青菜生物量的影响由于土壤性质的差异，3种土壤Pb污染对青菜生物量的影响不同（表3）。黄泥砂土在添加Pb浓度≤407mg/kg时，与CK相比刺激了青菜的生长，由于实验虽然施用尿素作为N肥，但未作基于硝酸盐加入N量进行各处理的补充性平衡，因此，可能是N促进了青菜生物量的增加。其他处理与CK相比无显著差异。青紫泥和滩潮土在添加Pb浓度为125~625mg/kg范围内与CK相比无显著差异，体现了该两种土壤Pb污染的隐蔽性和危害性。2.2土壤Pb污染对蔬菜吸收的影响2.2.1青菜Pb的含量从图1可知，3种土壤表现出相同的趋势，即随着土壤Pb浓度的增加，青菜地上部Pb含量有明显的提高。已有研究表明，植物吸收重金属的量与土壤中重金属的污染程度有很大关系，总体表现为污染程度越高，植物吸收量越多[11-13]。表3土壤Pb污染对青菜地上部分生物量的影响（g/盆,鲜重）Table3TheeffectofaddedPbonabovegroundpartbiobassofBrassicachinensisL.添加Pb浓度（mg/kg）黄泥砂土青紫泥滩潮土0（CK）2.81c62.01a37.12a1257.02ab62.88a31.34a2818.13a66.53a41.8a4079.53a67.43a44.08a5324.51bc58.31a45.67a6251.85c58.70a41.75a注：显著性水平为P＜0.05。在相同的处理浓度下，青菜地上部Pb含量在3种土壤中的顺序为：黄泥砂土＞青紫泥＞滩潮土。这是因为滩潮土pH昀高，其次是青紫泥，而黄泥砂土昀小，pH的升高会引起土壤对Pb吸附能力的增强、解吸量减少，以致生物有效性降低[14]。2.2.2植物吸收与土壤化学有效性的相关性将供试青菜Pb（Q-Pb）含量（干重）与0.05mol/LEDTA提取态Pb（EDTA-Pb）、0.43mol/LHNO3提取态Pb（HNO3-Pb）和0.01mol/LCaCl2提取态Pb（CaCl2-Pb）分别作图，得到图2（a~c）。显然，CaCl2-Pb与Q-Pb含量关系图中数据点较为分散（图2c），而HNO3-Pb和EDTA-Pb与Q-Pb含量关系图中数据点较为收敛（图2a和2b）。02550751000200400600800土壤添加Pb(mg/kg)青菜Pb(mg/kg)黄泥砂土滩潮土青紫泥图1青菜地上部Pb含量与土壤添加Pb量的关系Fig.1TherelationshipbetweenshootPbofBrassicachinensisL.andaddedPbinSoils0200400600800土壤添加Pb量（mg/kg）1007550250○黄泥砂土▲滩潮土△青紫泥青菜Pb含量（mg/kg）02550751000.02.04.06.0CaCl2-Pb(mg/kg)Q-Pb(mg/kg)黄泥砂土青紫泥滩潮土(c)02550751000200400600800HNO3-Pb(mg/kg)Q-Pb(mg/kg)黄泥砂土滩潮土青紫泥(a)0255075100100300500700EDTA-Pb(mg/kg)Q-Pb(mg/kg)黄泥砂土滩潮土青紫泥(b)图2青菜地上部Pb含量与不同土壤化学提取态Pb含量的关系Fig.2TherelationshipbetweenshootPbofBrassicachinensisL.and(a)0.43mol/LHNO3-extractablePb,or(b)0.05mol/LEDTA-extractablPb,or(c)0.01mol/LCaCl2extractable-Pb○黄泥砂土▲滩潮土△青紫泥○黄泥砂土▲滩潮土△青紫泥○黄泥砂土▲滩潮土△青紫泥abc02.04.06.0CaCl2-Pb（mg/kg）100300500700EDTA-Pb（mg/kg）0200400600800HNO3-Pb（mg/kg）1007550250Q-Pb（mg/kg）1007550250Q-Pb（mg/kg）1007550250Q-Pb（mg/kg）第5期胡宁静等：铅在土壤-青菜系统中迁移分配及对微生物生态的影响573574土壤第38卷分别对上述9组数据进行相关性分析，结果表明，Q-Pb与HNO3-Pb和EDTA-Pb之间相关性显著（r=0.88~0.91，P＜0.01，n=18），但与CaCl2-Pb相关性差，尤其是滩潮土（r=0.28,n=18），表明0.43mol/LHNO3和0.05mol/LEDTA提取态Pb能较好地指示青菜对土壤Pb的吸收，而0.01mol/LCaCl2提取态Pb指示效果欠佳。2.2.3土壤Pb在土壤-青菜系统中的运移假设农作物可收获部分的重金属含量与土壤重金属活性浓度存在良好的函数关系，即污染物的土壤-