全 文 ：第 20卷第 3期
2006 年 6 月 水土保持学报Journal of Soil and Wa ter Conserva tion Vol.20 No.3Jun., 2006
　
模拟酸雨作用下紫色土锌镉复合污染对莴笋的影响
彭　莉1 , 黄　亮1 , 李承碑2 , 张　成1 , 王定勇1 , 3 , ＊
(1.西南大学 资源环境学院 , 重庆 400716;2.厦门大学 化学系 , 厦门 361005;
3.重庆市农业资源与环境研究重点实验室 , 重庆 400716)
摘要:通过盆栽实验研究了酸雨影响下紫色土 Zn-Cd 复合污染对莴笋的影响。结果表明:酸雨影响下 , Zn 为低
水平时 , Zn-Cd 复合污染对莴笋表现为拮抗增产;Zn 为高水平时 , 复合污染对莴笋表现为协同减产。重金属累
积量在 Zn-Cd 复合污染时表现为 Cd对 Zn的作用和Zn 对 Cd 的作用恰好相反:在 Zn 为低浓度时 , Zn 促进了莴
笋对 Cd的吸收 , Cd 抑制了莴笋对 Zn 的吸收;在 Zn 为高浓度时 , Zn 抑制了莴笋对 Cd 的吸收 , Cd 促进了莴笋对
Zn 的吸收。酸雨对莴笋的生长起抑制作用 , 莴笋生物量随着酸雨 pH 值的升高而增加 , 而莴笋地上部分重金属的
富集能力也随之增强 , 并且 Cd 的富集能力明显大于 Zn , 莴笋可食部分毒性也随之增大。
关键词:锌;　镉;　复合污染;　模拟酸雨
中图分类号:X517;X173　　　文献标识码:A　　　文章编号:1009-2242(2006)03-0028-04
Effect of Compound Pollution of Zn-Cd in Purple Soil
on Lettuce under Simulating Acid Rain
PENG Li1 , HUANG Liang1 , LI Cheng-bei2 , ZHANG Cheng1 , WANG Ding-yong1 , 3 , ＊
(1.College of Resources and Env ironment , Southwest University , Chongqing 400716;2.Department of Chemistry ,
X iamen University , Xiamen 361005;3.Chongqing Key Lab.of Agricultural Resources and Environment , Chongqing 400716)
Abstract:Po t experiments under simulating acid rain were conducted to study the ef fect of Cd-Zn compound pol-
luted on let tuce(Lactuca sativa var.angustana Irish)in purple soil.The results showed that Zn counteracted Cd
to improve the yield when the concentration of Zn w as low , Zn also cooperated with Cd to reduce the yield when
the concentration of Zn w as high.The Cd-Zn compound pollution indicated that Zn promoted the abso rption of
Cd by the let tuce , and Cd rest rained the absorpt ion of Cd by the let tuce , under the condi tion of low Zn level;Zn
rest rained the absorption of Cd by the let tuce , and Cd promoted the absorption of Cd by the let tuce , under the
condition of high Zn level.Acid rain rest rained the grow th of let tuce.Biology quantity of let tuce and cumulating
coeff icient of Zn , Cd in let tuce increased when pH of the acid rain increased , and cumulating ability of Cd was big-
ger than that of Zn , which resulted in heavy metal toxicity of edible part increasing.
Key words:Zinc;　Cadmium ;　combined pollution;　simulating acid rain
酸沉降和重金属污染是国内外广为关注的重要环境问题[ 1] 。我国南方酸雨地区是亚洲酸性最强 、面积最
大的酸雨区中心[ 2] 。在酸雨作用下 ,不同环境介质中重金属的活性明显增强 ,化学形态转化明显 ,迁移能力和
生态危害能力亦明显增强[ 3] 。在自然界中 ,绝对意义上的单一污染是不存在的 ,污染多具伴生性和综合性 ,即
多种污染物形成的复合污染。近 10多年来 ,重金属复合污染的研究引起了国内外许多学者的关注 ,其复合污
染效应和机理的研究也取得较大进展。Zn是兼具营养与毒性的元素 ,而 Cd是剧毒元素 ,长期摄入可导致“骨
痛病”[ 4] ,由于 Zn 、Cd化学性质相似 ,它们在自然界总是伴生 、伴存 ,因而容易造成复合危害 ,其中 ,经土壤到植
物 ,继而由陆生食物链进入人体是 Zn 、Cd污染危害的主要途径之一。自 20 世纪 70年代以来 ,重金属复合污
染引起了人们的重视 ,Wallace[ 5]等研究 Cu 、Zn 、Cd 、Mn 、Co 等重金属培养液对豆类 、大麦 、蔬菜等幼苗的影响 ,
将重金属复合作用分为协同 、竞争 、加和 、屏蔽等联合作用 ,且复合污染因浓度变化差异很大[ 6] 。已有的研究
表明 ,重金属污染土壤上生长的作物 ,茎 、叶中的重金属含量明显高于籽粒中的含量 。对于叶菜而言 ,其可食
部分为地上部分 ,重金属的积累量较大 ,食用后会对人体健康造成影响 。有关酸雨或重金属污染对植物生长
的影响 ,国内外已做了许多工作[ 7 ,8] ,然而酸雨和重金属复合条件下对植物的毒害影响 ,迄今的研究还比较少。
繱收稿日期:2006-01-20　＊通讯作者 E-mail:w angdy@swau.edu.cn
基金项目:重庆市生态环境保护行动计划项目
作者简介:彭莉 ,女 ,生于 1980年 ,硕士研究生。主要从事环境化学方面的研究工作。
因此 ,研究土壤中重金属复合污染对蔬菜的影响 ,对于保障人类健康具有重要的意义。本文研究了酸雨影响
下 ,紫色土中Zn-Cd复合污染对莴笋生长的效应以及莴笋吸收重金属特性 ,旨在为酸沉降地区重金属复合污
染防治提供参考 。
表 1　重庆市多年降水成分平均值 μeq/ L　
组分 K+ Na+ Ca2+ Mg2+ NH+4 NO -3 SO 2-4 F -
浓度 15.0 17.5 100.0 31.0 81.0 21.0 274.5 7.0
1　材料与方法
1.1　实验材料
供试土壤为侏罗系沙溪庙组紫色母岩
发育而成的灰棕紫泥 ,采自重庆市北碚区 ,pH 为 5.28 ,有机质为 14.02 g/kg ,CEC 为 9.76 cmol/kg ,Cd浓度为
0.063 mg/kg ,Zn浓度为 29.96 mg/kg ,经自然风干 、磨细备用 。供试作物为重庆地区大众蔬菜莴笋 ,品种为白
甲。模拟酸雨按重庆市铜元局分析的重庆市多年降雨组分(表 1)配制 ,酸雨 pH 值用 HCl和 NaOH 溶液调节。
表 2　盆栽试验土壤中污染物投加量 mg/ kg　
处理号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Cd 0 0 0 2.0 2.0 2.0 10.0 10.0 10.0
Zn 0 50.0 400.0 0 50.0 400.0 0 50 400.0
　注:供试土壤中Zn的实际浓度为外源添加浓度与土壤背景浓度之和 , 即分别为 30 ,
80 , 430 mg/ kg , Cd的土壤背景浓度很小 ,可以忽略。
1.2　试验方法
试验采用 20 cm ×20 cm 的塑料盆钵 ,
分别装入 5.0 kg 过 3 mm 筛的供试土壤 ,并
按表 2分别加入 ZnSO4·7H2O 、CdCl2·2.5
H2O的溶液和化学基肥(每钵施以 2.0 g
(NH4)2CO和 1.0g K2HPO4),混匀 ,共计 9个处理 ,重复3次 。一个月后 ,移栽莴笋幼苗 ,每钵三株。植株生长
期间用模拟酸雨(pH=6.0和 pH=4.5)浇灌 ,生长 60天后收获 ,收获植株先用自来水洗净 ,再用去离子水冲
洗 、擦干 ,称重后在 95℃下杀青 15 min ,然后在 55℃烘干 、称重 、磨细 、过 20目筛 ,分析植株各部分镉 、锌含量。
表 3　不同处理莴笋的生物总量及增减幅度
pH=4.5 pH=6.0
序号
　
生物量
(g)
增减幅度
(±%)
生物量
(g)
增减幅度
(±%)
1 59.06 - 71.68 -
2 69.71 18.0 73.98 3.2
3 11.49 -80.6 21.86 -69.5
4 75.12 27.2 75.52 5.4
5 67.97 15.1 69.43 -3.1
6 7.32 -87.6 16.32 -77.2
7 70.97 20.2 73.64 2.7
8 70.22 18.9 68.89 -3.9
9 8.65 -85.4 17.59 -75.5
2　结果与讨论
2.1　酸雨胁迫下Zn-Cd复合污染对莴笋生长的影响
酸雨胁迫下 ,单施Cd浓度为 2.0 mg/kg 和 10.0 mg/kg 的处理(4 ,
7号),在两种 pH 下都有促进作物生长的趋势 ,增长幅度为 3%～ 28%
(表 3)。这一结果与马朝红等[ 9]的研究结果相似 ,他们发现 ,当 Cd浓
度低于 16 mg/kg时 ,对水稻的生长发育有一定的促进作用。单施 Zn
元素条件下 ,低浓度(50 mg/kg)时促进莴笋生长 ,而高浓度(400 mg/
kg)时莴笋的生长明显受到抑制 ,下降幅度达到 69.5%～ 80.6%,表现
为在紫色土中作物几乎不能生长 ,这说明 Zn虽然是植物生长发育的必
需营养元素 ,但当土壤中 Zn浓度超过一定程度时 ,Zn也将对植物生长
发育产生毒害作用[ 10] 。Zn-Cd复合污染对莴笋产量影响的交互效应表现为:不同 pH 条件下 ,当施加的 Cd
为 2.0 mg/kg 时 ,复合污染(5 ,6号)莴笋产量的增加量低于 Zn 、Cd单独作用(2 , 3 ,4号)时莴笋产量的增加总
和 ,表现为拮抗效应;Cd为 10 mg/kg 时 ,复合污染(8 , 9号)对莴笋产量的影响大于 Zn 、Cd 单独作用(2 ,3 ,7
号)时对莴笋产量的影响 ,它们之间表现的是协同效应。当 Zn浓度为 50 mg/kg ,复合作用时(5 ,8号)莴笋产
量的增加低于 Zn 、Cd单独作用时(2 ,4 ,7号)莴笋产量的增加总和 ,表现为拮抗效应;而当 Zn浓度为 400 mg/
kg ,复合作用时(6 , 9号)莴笋产量的减少大于 Zn 、Cd单独作用时(3 ,4 ,7号)莴笋产量的减少总和 ,表现为协同
效应 。
从表中可以看出 ,pH 为 4.5与 pH 为 6.0的酸雨对莴笋生物量的影响趋势不尽相同 ,除了 8号处理略有
增加外 ,其余处理在 pH 为 4.5的酸雨影响下 ,其莴笋生物量都低于 pH 为 6.0的生物量 ,下降幅度最大可达
到 55%,表明酸雨对作物的生长起抑制作用 ,阻碍了植物的生长 ,这可能因为酸雨一方面造成土壤 pH 降低 ,
导致重金属迁移速度增加 ,另一方面土壤中铝及其它有毒金属的有效性增加 ,导致蔬菜对有毒重金属的吸收
增加而抑制生长 ,造成减产 ,有时植株甚至不能完全生长 ,引起萎蔫 、死亡 [ 11]。
单独添加 Zn为 50 mg/kg 的处理(2号),莴笋长势较好(表 3),在 pH 为 4.5和 6.0的条件下 ,莴笋可食部
分Zn含量分别为 310.90 ,416.40 mg/kg(图 1 、图 2),换算为鲜重分别为 25.91 ,34.70 mg/kg ,对照目前 Zn的
食品卫生参考标准(GB18406)20.0 mg/kg 可以发现 ,莴笋可食部分 Zn含量分别超标 1.30倍 、1.74倍 。而单
独添加Cd为 2 mg/kg(4号)时莴笋长势最好(表 3),在 pH 为 4.5和 6.0的条件下 ,莴笋可食部分 Cd含量分别
为37.24 ,62.30 mg/kg ,换算为鲜重的含量分别为 3.10 ,5.19 mg/kg ,与目前Cd的食品卫生参考标准(GB18406)
0.05 mg/kg相比 ,莴笋体内吸收的Cd含量已经严重超标 ,分别是标准的 62.6 , 103.8倍。在这两种情况下 ,虽然
莴笋的生长处在最佳状态 ,但植物可食部分的有害元素含量已经超标。因此 ,在衡量重金属污染程度的时候 ,除
29第 3 期 彭莉等:模拟酸雨作用下紫色土锌镉复合污染对莴笋的影响
了涉及产量指标 ,还应分析植物体内累积的重金属含量 ,并以其食品卫生标准为重要的参考对象。
图 1　pH=6.0 酸雨影响下酸性紫色土莴笋 Zn 含量分布　　　图 2　pH=4.5 酸雨影响下酸性紫色土莴笋 Zn 含量分布
2.2　酸雨影响下不同处理莴笋各部分 Zn 、Cd的积累
由图 1 、图 2可知 ,紫色土中莴笋根 、茎 、叶对 Zn的吸收都是随外源重金属 Zn浓度的增大而增加 ,且趋势
明显。然而在不同 pH 条件下 ,莴笋各部分 Zn积累表现出两种情况:(1)在酸雨 pH 为 4.5时 Cd元素的存在
抑制了根对 Zn的积累 ,表现为拮抗作用 ,这是由于 Cd与 Zn 有相同的价态(+2)和近似相同的离子半径 ,而
Cd与根的结合力比 Zn的结合力更强 ,Cd与 Zn竞争根部结合点位使 Zn 的移动性增强 ,促使 Zn向地上部运
转 ,其机理可能与根部细胞壁的电负性有关;另一方面 ,酸雨活化了土壤中的 Cd ,使有效态 Cd 增多 ,因此 Cd
活性更高 ,并且由于 Cd 与 Zn竞争同一载体 ,但 Zn 从根部向地上部转运率却随 Cd 处理浓度的增加而增
加[ 12～ 14 ] 。(2)其他条件下 Cd元素在莴笋各部分对 Zn 的吸收上作用基本相同 ,当施加的 Zn 浓度为 50 mg/
kg 时 ,Cd抑制Zn的吸收 ,表现为拮抗作用;当施加的 Zn浓度为 400 mg/kg 时 ,Cd元素促进 Zn元素的吸收 ,
表现为协同作用 ,说明就 Cd-Zn复合污染对莴笋生长发育的作用和对植株体各器官组织累积Zn的影响来考
虑 ,其生态效应不同 ,周启星[ 15]的研究也证实了 Cd对 Zn的交互效应 ,根据 Zn 的不同浓度既有协同作用 ,又
有拮抗作用。酸雨导致莴笋各部分对锌的累积量有不同程度下降 ,特别是叶对 Zn的积累量显著下降 ,最大可
达61%。当Zn浓度为 50 mg/kg 时 ,在 pH 为 6.0 的酸雨影响下 Zn 的累积量表现为叶>根>茎;在 pH 为
4.5的酸雨影响下 Zn的积累量表现为根>叶>茎;而 Zn浓度为 400 mg/kg 时 ,受不同 pH 酸雨的影响其积累
量为根>茎>叶 ,可能因为Zn为高浓度时在酸性紫色土中作物几乎不能生长 ,所以酸雨对各部分的积累量影
响不大。
图 3　pH=6.0 酸雨影响下酸性紫色土莴笋 Cd的含量分布　　图 4　pH=4.5 酸雨影响下酸性紫色土莴笋 Cd 的含量分布
　　从图 3 、图 4可以看出 ,酸性土中莴笋各部分对 Cd 的吸收也随着外源重金属 Cd 浓度的增大而增加。在
pH为 6.0的酸雨影响下 ,Zn-Cd复合污染时 ,Zn抑制莴笋各部分对 Cd的吸收 ,表现为拮抗作用 ,并且高浓
度的 Zn对 Cd累积量的抑制作用非常明显 ,其原因有可能是 Zn进入土壤后 ,增加了土壤中及根系周围的 Zn
离子浓度 ,相对降低了 Cd离子的浓度 ,并且由于植物对 Zn的吸收以主动吸收为主 ,而对 Cd的吸收则多为被
动吸收 ,植物为体内的代谢需要 ,将优先吸收 Zn离子 ,所以降低了植物对 Cd 的吸收机率[ 16] ,然而在 pH 为
4.5的酸雨影响下 ,Zn浓度为 50 mg/kg 时促进Cd的吸收 ,表现为协同作用 ,其作用机制可能是 Cd与Zn有相
同的价态(+2)和近似相同的离子半径 ,在植物细胞表面发生 Zn与 Cd 竞争结合位点的协同作用 ,从而导致
Cd的溶解性增强 ,促使 Cd的吸收和转移[ 17] ;当 Zn浓度为 400 mg/kg 时抑制 Cd的吸收 ,表现为拮抗作用。
酸雨对植物各部分 Cd积累量的影响不同 ,当酸雨 pH=6.0时 ,植物对 Cd的积累量表现为叶>根>茎 ,而 pH
=4.5时表现为根>叶>茎 。
总的来说 ,叶对重金属的积累量受酸雨 pH 的影响比较大 ,酸雨对茎的影响不大。pH 越小叶片受到的伤
30 水土保持学报 第 20 卷
害越大 ,活性越低 ,对重金属的吸收就受到制约;而 pH 使土壤中重金属的活性增强 ,增强了重金属的迁移能
力 ,所以促进根部对重金属的吸收 。
表 4　莴笋对重金属的富集系数 %　
序号 Zn C d
pH=6.0 pH=4.5 pH=6.0 pH=4.5
1 3.35 2.01 44.13 33.12
2 7.77 5.80 65.21 54.25
3 4.77 4.14 35.91 25.26
4 4.27 2.10 66.98 40.04
5 7.85 5.45 55.02 36.04
6 5.89 4.73 37.38 11.94
7 3.55 2.17 30.31 19.04
8 6.48 4.34 30.28 21.31
9 5.67 5.37 16.47 9.60
2.3　酸雨作用下Zn-Cd复合污染对莴笋富集能力的影响
作物对重金属的累积量与作物的累积能力不尽相同 ,为比较作
物地上可食部分对重金属的吸收和富集能力 ,用重金属的富集系数
(植株茎和叶的重金属总量与土壤重金属全量的比值)来表示 ,结果
见表 4。从表中可以看出 ,酸雨影响下莴笋对重金属的富集系数表
现为 Cd>Zn ,说明 Cd迁移性较强 ,易被作物所吸收 ,对人体的潜在
威胁更大 ,这可能是因为在紫色土中 ,由于缺乏交换性盐基离子 ,其
对[ H+]的缓冲能力较小 ,其中的碳酸盐物质随之与 H+发生反应 ,
必然引起碳酸盐结合态含量的降低;特别是 Cd元素 ,在土壤中主要
以可交换态存在 ,酸雨影响下土壤中的 Cd易被解吸活化 ,增强了 Cd
的迁移能力 ,这与土壤对 Zn 、Cd不同的吸附特性及 Zn 、Cd之间存在着交互作用有关。而酸雨对 Zn 、Cd的富
集能力也有较大影响 ,从表 6中可以看出 ,pH 为6.0时Cd 、Zn的富集能力都比 pH 为4.5时大 ,造成此种现象
的原因可能是由于酸雨对作物叶子的破坏作用 ,严重影响了叶子的活性 ,导致对重金属累积的下降 。
3　结　论
(1)酸雨影响下 ,低浓度的 Cd 、Zn单因素处理对莴笋的生物量都有促进作用 ,高浓度则导致生物量急剧下
降。Zn-Cd复合作用对莴笋也有显著影响 ,Zn在低水平时与 Cd对莴笋表现为拮抗增产 ,在高水平时与 Cd
表现为协同减产 。
(2)紫色土中 ,莴笋对 Zn ,Cd的吸收随着外源重金属 Zn ,Cd浓度的增大而增加。酸雨对莴笋的生长起抑
制作用 ,莴笋生物量随着酸雨 pH 值的升高而增加 ,且酸雨促进了土壤中 Zn 、Cd的迁移 ,莴笋体内 Zn 、Cd的富
集能力增强 ,对 Cd的富集能力大于Zn ,其地上可食部分重金属毒性也随之增大 。
(3)Cd-Zn复合污染时 ,Cd对Zn的作用表现为在酸雨 pH为 4.5时 Cd抑制根对 Zn的吸收;而在 pH 为
6.0时 ,Cd抑制莴笋对低浓度 Zn的吸收 ,表现为拮抗作用 ,促进莴笋对高浓度 Zn 的吸收 ,表现为协同作用。
Zn对Cd的作用在 pH 为 6.0的酸雨影响下 ,Zn抑制莴笋各部分对 Cd的吸收;而在 pH为 4.5的酸雨影响下 ,
低浓度Zn促进莴笋对Cd的吸收 ,高浓度Zn抑制 Cd的吸收。
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