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复合污染土壤中水稻根际元素特性及效应研究

2016-08-30邢轶兰杨俊兴郑国砥周小勇万小铭徐汭祥刘志彦陈桂珠卢一富

植物营养与肥料学报 2016年3期
关键词:根际根部金属

邢轶兰, 杨俊兴, 郑国砥, 周小勇, 万小铭, 杨 军, 徐汭祥,邸 利, 刘志彦, 陈桂珠, 曹 柳, 卢一富

(1甘肃农业大学资源与环境学院, 甘肃兰州 730170; 2 中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心,北京 100101;3华南师范大学生命科学学院, 广东广州 510631; 4中山大学环境科学与工程学院, 广东广州 510275;5济源市环境科学研究所, 河南济源 459000)



复合污染土壤中水稻根际元素特性及效应研究

邢轶兰1, 2, 杨俊兴2, 郑国砥2, 周小勇2, 万小铭2, 杨 军2, 徐汭祥2,邸 利1, 刘志彦3*, 陈桂珠4, 曹 柳5, 卢一富5

(1甘肃农业大学资源与环境学院, 甘肃兰州 730170; 2 中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心,北京 100101;3华南师范大学生命科学学院, 广东广州 510631; 4中山大学环境科学与工程学院, 广东广州 510275;5济源市环境科学研究所, 河南济源 459000)

【目的】以广东大宝山重金属复合污染农田为生长介质,通过研究水稻不同部位生长量、 金属含量、 对金属的富集系数,及其与根际、 非根际土金属含量、 形态变化的相关关系,探讨根际效应可能对水稻体内金属积累转运以及生物量的影响。【方法】选取了广东大宝山稻田重金属复合污染(As、 Pb、 Fe、 Cu、 Zn)土壤及当地常见的20个水稻品种进行根际袋试验,即将根际袋内的土视为根际土,根际袋外的土视为非根际土,将供试水稻品种种植于根际袋土壤中60天后收获,测定水稻各部位的生长量、 不同金属的含量,根际土和非根际土中各金属有效态的含量。【结果】Fe、 Cu、 Pb、 Zn、 As在根部的富集系数均大于其在茎叶的富集系数,各金属在茎叶和根部的富集能力排序分别为Zn > Cu > As ≈ Pb ≈ Fe和Fe > Zn > As > Cu > Pb。根际土和非根际土中各种金属有效态含量均为Fe > Cu > Pb > Zn > As。研究还发现,有效态Fe、 Cu和Zn浓度对整株干重的影响显著,作用强弱顺序为Cu > Zn > Fe,对水稻生长影响作用显著的三种有效态金属Fe、 Cu和Zn均为植物生长所必需的元素。供试土壤中有效态Cu浓度对水稻的生长所起的作用最强。根际土有效态Fe浓度对根系Fe的积累作用效果显著,有效态As浓度显著抑制了根系Fe的积累,且有效态As浓度的作用强于有效态Fe。【结论】根际土中有效态Fe对株高、 根干重、 茎叶干重和整株干重均起着抑制作用,有效态Cu对水稻生长起到了促进作用。根际土有效态As和非根际土有效态Zn对根部Fe的积累起到了抑制作用,根际土有效态Fe和非根际土有效态Cu则起到了促进作用。非根际土有效态Fe和有效态Zn对水稻根长的增加均起到了促进作用。

复合污染; 重金属; 水稻; 根际; 非根际

采矿冶炼所产生的大量酸性废水和尾矿中含有的砷、 铅等金属元素一起进入地表,成为周边土壤的主要污染源[1-3]。水稻种植在金属污染土壤或用受污染水源灌溉后会通过食物链危害人类健康[4-5]。目前,我国广东大宝山周边稻田土壤和水稻籽粒金属超标严重,影响当地人民健康和生活安定[6]。

水稻根际土壤的范围随水稻的生育时期、 根系发育状况以及品种特性等有所不同,一般认为根际是紧靠根表面14 mm的土区。在淹水条件下,水稻根际土壤在物理、 化学和生物特征上都不同于原土体,这可能是因为水稻具有可以将氧气自植株地上部分输送到根部,然后通过根系再扩散到周围土壤中的特殊功能所致[7]。除此之外,水稻根际土壤由于根系分泌物较多,有利于微生物的生长,而根际微生物的生理代谢反过来又会影响根际土壤的变化[8]。已有研究证实,水稻根际土壤与非根际土壤的氧化还原电位(Eh)、 pH值等显著不同[9],而植物根际的Eh和pH直接影响到土壤重(类)金属的形态变化,从而影响到植物对金属的吸收。目前,重(类)金属在土壤—水稻系统中的积累转运规律早已引起人们普遍的关注[10-13],但在实际金属复合污染条件下,水稻根际金属含量、 形态分布与水稻生长、 金属吸收分布的关系方面的研究较为少见。本研究利用根际袋法,将水稻根际土壤分为根际土和非根际土[14],以广东大宝山复合金属污染农田土壤为生长介质,通过研究水稻根际土金属含量、 形态变化与水稻生长量及水稻不同部位金属含量的相关关系,探讨根际效应可能对水稻体内金属积累转运以及生物量的影响,为修复和合理利用复合污染土壤提供科学依据。

1 材料与方法

1.1试验材料

供试土壤取自广东韶关大宝山某矿区附近的污染水稻土(0—20 cm),其基本理化性质及金属含量如下:pH 4.65,全氮4.65 g/kg,全磷1.14 g/kg,全钾44.3 g/kg,有效磷11.95 mg/kg,速效钾81.27 mg/kg,有机质61.7 g/kg,阳离子交换量16.41 cmol/kg,铁(Fe)、 铜(Cu)、 铅(Pb)、 锌(Zn)、 砷(As)含量分别为41019.76 mg/kg、 251.8 mg/kg、 144.33 mg/kg、 115.12 mg/kg、 62.71 mg/kg。根据我国土壤环境质量标准(GB 15618-2008),水稻田(pH≤5.5)的Cu、 Pb、 Zn、 As的环境质量二级标准(超过即为有污染)分别为50 mg/kg、 80 mg/kg、 150 mg/kg、 35 mg/kg[15]。因此,Cu、 Pb和As均超过国家土壤环境质量二级标准,尽管Fe通常不被认为是重金属,但由于当地农田Fe含量高达41079 mg/kg,这不仅对其他金属元素的积累转运起着重要影响,还可能在水稻体内积累,对人体造成毒性,因此本研究也将Fe与其它金属一并作为有毒金属进行研究。Zn含量接近土壤环境质量二级标准,且由于其活泼的化学特性,本文也将其纳入研究范畴。由于As为类金属,本文将其与其它重金属统称为金属。

为了更好的研究水稻根际金属形态变化,选取了广东20个水稻品种:II优804、 优优998、 五丰优128、 秋优166、 天优116、 两优培九、 五丰优2168、 丰富占、 美香占、 黄丝占、 华新占、 矮华占、 黄美占、 黄华占、 糯H、 广州糯、 耘糯、 糯GW、 杂优糯、 糯CY。

1.2试验设计

采用直径35 μm尼龙网制成高5 cm、 直径4 cm的根际袋,放入高11 cm、 底径9 cm、 口径13 cm的PVC盆。将水稻土风干,磨碎,过2 mm筛。为保证水稻生长养分充足,土壤中施入CO(NH2)2、 CaH2PO4、 KNO3,其N、 P、 K施入量分别为150 mg/kg土,充分拌匀后,将土装入根际袋内,每袋40 g,视为根际土。根际袋外(盆内)装土960 g,视为非根际土。每盆共装土1000 g。土壤装好后淹水,高出土面约2 cm,平衡2周,备用。

水稻种子用30%的双氧水浸泡杀菌15 min,用去离子水洗净后浸种,然后直播于土壤中。每盆3株,每个品种3个重复,共计60盆,在温室培育60 d后收获。试验期间温度为1828℃,光照为自然光,相对湿度为65%85%。

1.3测定项目与方法

水稻收获后测量水稻最长根长度和株高。将植物用超纯水洗净,于65℃烘箱中烘干至恒重,将地上部和地下部分分开,分别称量并记录其地上和地下部分干重。将烘干后的样品剪碎,称量后放入消化管中,加入5 mL浓硝酸(超级纯),浸泡过夜;将温度升至80℃消解1 h,然后在120130℃消解24 h;冷却后用超纯水定容;然后用原子荧光光度计(AFS-820,北京吉天仪器有限公司)测定消解溶液中As的浓度,用ICP-OES(Optima 2100, Perkin Elmer, USA)测定水稻根部和地上部分金属Fe、 Cu、 Pb、 Zn的含量。为了进行质量控制,测试样品中包含空白和标准物质GBW(0763)(地矿部物化探研究所)。

将根际袋内和袋外的土分开,自然风干,磨碎,过0.149 mm的尼龙筛。用0.1 mol/L的HCl提取土样中的有效态金属,土水比为1 ∶10[16]。用原子荧光光度计测定消解溶液中As的浓度,用ICP-OES测定样品中的有效态金属含量。

1.4数据分析

应用SAS 8.0和Microsoft Excel进行有关数据计算和统计处理。

2 结果与分析

2.1水稻不同部位生长量及金属元素含量

表1为水稻各品种的根长、 株高和生物量。由表1可知,各品种间根长生长量的差异不显著(P> 0.05),根长生长量范围为1.94.8 cm。株高、 根干重、 茎叶干重及生物量各品种间差异均极显著(P<0.01)。株高最低的品种为杂优糯,最高的品种为优优998;根干重最低的品种为黄华占和华新占,均为0.004 g,根干重最高的为两优培九;茎叶干重的范围为0.0140.039 g;整株的生物量为0.0180.055 g;其中茎叶干重和整株生物量最高的均为二优804。

由表2可知,其中Fe和Zn在茎叶的含量各品种间差异均极其显著;茎叶Fe含量最高的是黄美占,比茎叶Fe含量最低的优优998高出3倍;茎叶Zn含量最高的五丰优2168比最低的二优804高0.36倍。茎叶Cu,Pb和As含量品种间差异均不显著;茎叶Cu含量范围为37.43 102.69 mg/kg,茎叶Pb和As含量范围分别为5.1916.66 mg/kg和2.119.86 mg/kg。

Fe和As在不同水稻品种根部含量差异均极其显著;水稻根部Fe含量平均值高达115488 mg/kg,含量最高的是五丰优2168,最低的为糯GW;根部As含量最高的是杂优糯,最低的是糯GW,平均值为100.68 mg/kg。Cu、 Pb和Zn在不同水稻品种根部含量差异均不显著,其中根部Cu含量范围为149.82 409.03 mg/kg,平均值为259.21 mg/kg;Pb含量范围为39.3382.79 mg/kg,平均值为61.42 mg/kg;根部Zn含量最高的品种糯H比最低的两优培九高出5倍。

表1 不同水稻品种的根长、 株高和干重

注(Note): 表中数据为平均值±标准误 (n=3) Values are means±standard errors (n=3).

植物的富集系数可以较好的反映植物对重金属转运能力的指标。由表3可知,Fe和Zn在不同水稻品种茎叶的富集系数差异均极其显著;Cu、 Pb和As的富集系数在不同水稻品种茎叶的富集系数差异均不显著;不同金属在水稻茎叶的富集能力排序为Zn > Cu > As ≈ Pb ≈ Fe,五种金属在茎叶的富集系数均小于1。Fe、 Pb和As在水稻根部的富集系数品种间差异均极显著, Cu和Zn在水稻根部富集系数品种间差异均不显著;水稻各品种根部的富集系数除Pb外,其余金属在绝大多数品种根部的富集系数均大于1,排序为Fe > Zn > As > Cu >Pb。各金属在水稻根部的富集系数均大于其在茎叶的富集系数。

土壤中的有效态金属元素可以被植物直接吸收利用,因此对植物的生长以及金属元素在植物体内的积累起着重要的作用。由表4可看出,根际土和非根际土中只有有效态Fe各品种间差异极显著(P<0.001),其余有效态金属在根际土与非根际土中含量品种间差异均不显著。根际土和非根际土中各有效态金属含量均为Fe > Cu > Pb > Zn > As。供试水稻品种根际土和非根际土中有效态Fe、 Zn含量差异不显著(P> 0.05)。有效态Cu和As含量均为根际土>非根际土(P<0.01),有效态Pb含量为根际土<非根际土(P<0.01)。

表2 Fe、 Cu、 Pb、 Zn、 As在各水稻品种茎叶和根部的含量(mg/kg)

表3 Fe、 Cu、 Pb、 Zn、 As在各水稻品种茎叶、 根部的富集系数

续表3 Table 3 Continued

品种CultivarFeCuPbZnAs茎叶Shoot根部Root茎叶Shoot根部Root茎叶Shoot根部Root茎叶Shoot根部Root茎叶Shoot根部Root黄美占Huang-meiozhan0.142.990.220.810.070.441.221.550.111.60黄华占Huanghuazhan0.072.590.251.280.070.432.092.820.081.59糯HNuoH0.142.680.221.620.100.441.764.500.161.49广州糯Guangzhounuo0.073.050.230.820.070.381.212.980.061.67耘糯Yunnuo0.092.750.210.770.060.421.002.090.091.54糯GWNuoGW0.071.840.220.780.080.271.371.560.110.77杂优糯Zayounuo0.063.560.411.070.120.492.042.640.072.51糯CYNuoCY0.063.090.201.090.070.431.622.370.071.78F-value4.203.391.470.651.551.862.531.221.323.15P-value<0.00010.00060.1490.8410.1220.0490.0070.2920.2270.001

表4 不同水稻品种根际土及非根际土中有效态Fe、 Cu、 Pb、 Zn、 As的含量 (mg/kg)

注(Note): R—Rhizosphere; NR—Non-rhizosphere.

2.2根际土与非根际土中金属含量与水稻生长和金属积累的回归分析

通过作水稻生长指标或各器官某一金属含量与土壤中多种金属含量的逐步回归分析,可以得出各元素对水稻生长的影响及对某器官中某单一金属元素的影响状况[17]。表5为根际土和非根际土有效态金属与水稻生长及各部位金属含量的回归分析方程[Y=Intercept+a(Fe)+b(Cu)+c(Pb)+d(Zn)+e(As)]。由表5可知,对于株高、 根干重、 茎叶干重和整株干重,根际土壤有效态Fe均起着抑制作用,有效态Cu则起到了促进作用,有效态Zn对整株干重起到了促进作用;有效态Fe对根部Fe的积累起到了促进作用,而有效态As则起到了抑制作用。非根际土壤有效态Fe和Zn对水稻根长影响显著,二者对水稻根长的生长均起到了促进作用;非根际土有效态Cu和Zn对水稻根部Fe的积累影响显著,其中Cu对水稻根部Fe的积累起到了促进作用,而有效态Zn则起到了抑制作用。

表5 根际、 非根际土壤中有效态金属含量与水稻生长指标及各部位金属含量的逐步回归分析

3 讨论

3.1金属在水稻体内的迁移转运

本研究结果显示,As、 Fe、 Cu、 Pb、 Zn在植物茎叶及根部含量的高低并不完全一致,即根部对某种元素吸收积累较多,茎叶对其的积累量并不一定高。这说明不同金属在植物体内的迁移能力有所不同。众多研究表明,根部起着吸收金属元素的重要作用,由于根中的细胞壁上存在有大量的交换位点,可以将金属离子固定于此。因此大多数的重金属进入水稻体内后,大部分被积累固定于根部,很少向地上部迁移[18]。因此本研究中除Zn外,其余金属多半被固定于根部,只有少部分在地上部积累。Fe元素地上部分的积累量所占植物积累总量百分比很少(6%)。由于Fe元素在土壤中本底值很高,其根系对Fe的吸收积累能力很强,尽管Fe元素在水稻茎叶的积累量所占植株积累Fe总量的比例较小,但并不影响Fe在茎叶中的积累总量。因此,Fe元素在根系和茎叶的含量均远远大于其它金属元素。

3.2水稻根际与非根际金属元素对水稻生长的影响及其交互作用

本研究水稻根际土中的有效态金属对水稻的生长及金属在水稻体内积累量的影响作用强于非根际土中的有效态金属(表5),由此可见,水稻根际和非根际的不同金属形态的差异较大对水稻生物量和金属在水稻体内分布的影响也较大,说明水稻根际活动已经影响水稻对金属的吸收和分布,进而影响到水稻生长发育。表5显示根际土中的有效态Cu、 Zn和As含量均高于非根际土,其中Cu和As根际土与非根际土含量差异显著(P<0.01),这些结果可能与金属本身的活性有关,Cu和Zn是植物生长必需元素,本身活性较强,另外由于根际效应使得Cu和Zn在根际土中有效态含量较非根际土中高;As与磷(P)是同族元素,具有与P相似的化学性质[23],较易被活化成为有效态,这可能是导致其在根际土中含量显著高于非根际土的主要原因。根际土中有效态Fe(P> 0.05)和Pb(P<0.01)含量低于非根际土,这可能是由于Fe的土壤本底值较高,足以对植物造成较深的毒害作用,Pb本身即是植物毒性元素,植物可能会对这两种元素产生避害作用,减弱对根际土中Fe和Pb的活化作用,从而使得根际土有效态Fe和Pb含量低于非根际土。

逐步回归分析结果表明,根际土中有效态Fe和Cu对株高、 根干重和茎叶干重的作用效果显著,有效态Cu的作用要强于有效态Fe。有效态Fe、 Cu和Zn对整株干重积累的作用显著,作用强弱顺序为:Cu > Zn > Fe。由此可见,对于水稻生长影响作用显著的3种有效态金属Fe、 Cu和Zn均为植物生长所必需的元素。根际土有效态Fe和As对根系Fe的积累作用效果显著,有效态As显著抑制了根系Fe的积累,有效态Fe则显著促进了根系Fe的积累,且有效态As的作用强于有效态Fe。非根际土中对植物的生长(根长)及金属的积累(根部Fe含量)作用效果显著的仍为Fe、 Cu和Zn,这与根际具有相似性,表明在大宝山复合污染土壤中,Fe、 Cu、 Zn和As对水稻的生长和金属在其体内的积累作用效果显著,值得引起重视。

本研究中,由于供试土壤中Fe含量较高,水稻对Fe的吸收积累能力又很强,根际土中的有效态Fe对水稻的生长起到了很强的抑制作用,有效态Cu和Zn对水稻的生长反而起到了促进作用,这可能与其在土壤中含量不高有关。如王永强等[24]研究Pb、 Cd复合污染对水稻生长及产量的影响发现,Pb、 Cd低浓度胁迫能够促进水稻生长, 高浓度胁迫抑制水稻的株高。李惠英等[3]的研究也表明,土壤中Cd、 Pb、 Cu、 Zn在低浓度时都对小麦、 水稻等作物的生长有促进作用,但超过一定浓度就会抑制作物生长,降低产量。谢正苗和黄昌勇[16]在研究Pb、 Zn、 As复合污染对水稻生长的影响时发现,当土壤中水溶态Pb大于40 mg/kg的情况下,Zn和As的存在明显抑制水稻生长。然而水稻体内过量的Pb、 Zn、 As可与蛋白质中-SH等功能团结合,使其变性失活,从而阻碍水稻的光合作用等新陈代谢活动,使水稻的干物质重量减少[25]。本研究中土壤Zn本底值为115 mg/kg,对水稻的生长也起到了一定的促进作用,这与周启星和高拯民[26]研究认为的土壤中Zn浓度在200 mg/kg以下时,随着Zn含量的增加水稻的生物量呈增加趋势具有一致性。

本研究结果表明,水稻根际土中有效态Fe可以促进根系对Fe的积累,而As则抑制根系对Fe的积累。因此,本研究条件下,根际土中有效态Fe与有效态As表现为拮抗作用。有关复合污染对植物产生的影响具有不同的研究结论。如李锋民等[27]通过研究Cu、 Fe、 Pb对铜草幼苗生长的影响发现,较低浓度(5 μmol/L)的Cu、 Fe、 Pb之间基本表现为拮抗作用,使得铜草的耐性指数有所升高。文晓慧等[28]的研究表明,Cd 和Zn 复合胁迫对水稻植株金属含量的影响具有一定的交互作用,但品种间存在差异。陈京都等[29]认为Cd和Pb同时存在时,Pb可以夺取Cd在土壤中的吸附点[30-31],提高土壤中Cd的有效性,使其更易被水稻所吸收,因此Pb对Cd的吸收和积累具有促进作用。因此,金属复合污染土壤,尤其是2种及以上金属污染条件下,各金属之间的交互作用较为复杂,这与水稻品种,复合污染金属的污染特性、 程度以及土壤的理化性质、 土壤微生物等因素都有密切关系,其交互作用机理仍待进一步深入研究。

4 结论

1)Fe、 Cu、 Pb、 Zn、 As在根部的富集系数均大于其在茎叶的富集系数,表明金属元素由土壤迁移至根系比由根系迁移至地上部分更为容易。

2)与非根际土有效态金属相比,根际土壤的有效态金属对水稻生长及其在植株体含量的影响更大,对水稻生长影响作用显著的三种有效态金属Fe、 Cu和Zn均为植物生长所必需的元素。

3)供试土壤的有效态Fe、 Cu和Zn浓度对水稻幼苗整株干重积累的作用显著,作用强弱顺序为Cu > Zn > Fe,供试土壤中有效态Cu对水稻的生长所起的作用最强。根际土有效态Fe和As对根系Fe的积累影响明显,有效态As显著抑制了根系Fe的积累,有效态Fe则显著促进了其在根系的积累,且有效态As的作用强于有效态Fe。

[1]徐卓. 土壤中镉铜复合污染对水稻生长效应的影响[J]. 农村生态环境, 1993, (3): 48-64.

Xu Z. Effect of heavy metal mixture pollution on rice growth[J]. Rural Eco-Environment, 1993, (3): 48-64.

[2]蔡美芳, 党志, 文震, 等. 矿区周围土壤中重金属危害性评估研究[J]. 生态环境, 2004, 13(1): 6-8.

Cai M F, Dang Z, Wen Z,etal. Risk assessment of heavy metals contamination of soils around mining area[J]. Ecology and Environment, 2004, 13(1): 6-8.

[3]李惠英, 陈素英, 王豁. 土壤中镉、 铅、 铜、 锌复合污染生态效应的研究[J]. 生态农业研究, 1993, 1(3): 69-73.

Li H Y, Chen S Y, Wang H. A study on the ecological effects of joint pollution of Cd, Pb, Cu, Zn in soil[J]. Eco-Agriculture Research, 1993, 1(3): 69-73.

[4]Abedin M J, Feldmann J, Meharg A A. Uptake kinetics of arsenic species in rice plants[J]. Plant Physiology, 2002, 128(3): 1120-1128.

[5]刘春阳, 张宇峰, 滕洁. 土壤中重金属污染的研究进展[J]. 污染防治技术, 2006, 19(4): 42-45, 64.

Liu C Y, Zhang Y F, Teng J. Advances on pollution soils by heavy metal[J]. Pollution Control Technology, 2006, 19(4): 42-45, 64.

[6]Zhuang P, Zou B, Li N Y,etal. Heavy metal contamination in soils and food crops around Dabaoshan Mine in Guangdong, China: implication for human health[J]. Environmental Geochemistry and Health[J]. 2009, 31, 707-715.

[7]刘芷宇. 土壤-根系微区养分环境的概况[J]. 土壤学进展, 1980, (3): 1-11.

Liu Z Y. Study on nutrition of root and rhizosphere[J]. Advance in Soil Science, 1980, (3): 1-11.

[8]李庆逵. 中国水稻土[M]. 北京: 科学出版社, 1992. 413.

Li Q K. Chinese paddy soil[M]. Beijing: Science Press, 1992. 413.

[9]刘志彦. 砷与复合金属污染胁迫对水稻(OryzasativaL.)生长的影响及其积累转运机理的研究[D]. 广州: 中山大学博士论文, 2008.

Liu Z Y. Influence of As and combined heavy metals on the growth of rice (OryzasativaL.) and the mechanisms of metals accumulation and translocation by rice[D]. Guangzhou: PhD Dissertation, Sun Yat-sen University, 2008.

[10]Rahman M A, Hasegawa H, Rahman M M,etal. Arsenic accumulation in rice (OryzasativaL.) varieties of Bangladesh: a glass house study[J]. Water, Air and Soil Pollution, 2007, 185(1): 53-61.

[11]刘文菊, 胡莹, 毕淑芹, 等. 苗期水稻吸收和转运砷的基因型差异研究[J]. 中国农学通报, 2006, 22(6): 356-360.

Liu W J, Hu Y, Bi S Q,etal. Study of genotypic differences on arsenic uptake and translocation in rice seedlings[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2006, 22(6): 356-360.

[12]Sahrawat K L. Iron toxicity in wetland rice and the role of other nutrients[J]. Journal of Plant Nutrition, 2004, 27(8): 1471-1504.

[13]Tsutsumi M. Intensification of arsenic toxicity to paddy rice by hydrogen sulphide and ferrous iron I. Induction of bronzing and iron accumulation in rice by arsenic[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 1980, 26: 561-569.

[14]Chen Z, Zhu Y G, Liu W J,etal. Direct evidence showing the effect of root surface iron plaque on arsenite and arsenate uptake into rice (Oryzasativa) roots[J]. New Phytologist, 2005, 165(1): 91-97.

[15]GB 15618-2008. 土壤环境质量标准[S].

GB 15618-2008. Environmental quality standards for soils[S].

[16]谢正苗, 黄昌勇. 铅锌砷复合污染对水稻生长的影响[J]. 生态学报, 1994, 14(2): 215-217.

Xie Z M, Huang C Y. Effects of combined pollution of lead, zinc and arsenic on rice growth[J]. Acta Ecological Sinica, 1994, 14(2): 215-217.

[17]唐立娟, 赵明宪, 庄国臣. 铜的单元及复合污染中水稻对Cu吸收累积规律的研究[J]. 农业环境科学学报, 2003, 22(4): 503-504.

Tang L J, Zhao M X, Zhuang G C. Accumulation of Cu as single and complex pollutants in rice[J]. Journal of Agro-Environmental Science, 2003, 22(4): 503-504.

[18]马成仓, 洪法水. Hg浸种对玉米种子萌发过程中几种酶活性的影响[J]. 应用生态学报, 1997, 8(1): 110-112.

Ma C C, Hong F S. Effect of seed soaking with Hg on enzyme activities of maize seed during its germination[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 1997, 8(1): 110-112.

[19]陈慧茹, 董亚玲, 王琦, 等. 重金属污染土壤中Cd、 Cr、 Pb元素向水稻的迁移累积研究[J]. 中国农学通报, 2015, 31(12): 236-241.

Chen H R, Dong Y L, Wang Q,etal. Distribution and transportation of Cd, Cr, Pb in rice with contamination in soil[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2015, 31(12): 236-241.

[20]林华, 张学洪, 梁延鹏, 等. 复合污染下 Cu、 Cr、 Ni 和Cd 在水稻植株中的富集特征[J]. 生态环境学报, 2014, 23(12): 1991-1995.

Lin H, Zhang X H, Liang Y P,etal. Enrichment of heavy metals in rice under combined pollution of Cu, Cr, Ni and Cd[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(12): 1991-1995.

[21]史瑞和, 鲍士旦, 秦怀英, 等. 土壤农化分析(第2版)[M]. 北京: 农业出版社. 1994. 213-215.

Shi R H, Bao S D, Qin H Y,etal. Soil agricultural chemical analysis (2nd Edition)[M]. Beijing: Agricultural Publishing House, 1994. 213-215.

[22]王新, 梁仁禄, 周启星. Cd-Pb复合污染在土壤-水稻系统中生态效应的研究[J]. 农村生态环境, 2001, 17(2): 41-44.

Wang X, Liang R L, Zhou Q X. Ecological effect of Cd-Pb combined pollution on soil-rice system[J]. Rural Eco-Environment, 2001, 17(2): 41-44.

[23]Meharg A A, Macnair M R. Suppression of the high affinity phosphate uptake system: a mechanism of arsenate tolerance inHolcuslanatusL[J]. Journal of Experimental Botany, 1992, 43(249): 519-524.

[24]王永强, 肖立中, 李诗殷, 等. 铅镉复合污染对水稻生长及产量的影响[J]. 安徽农业科学, 2010, 38(23): 12653 -12655.

Wang Y Q, Xiao L Z, Li S Y,etal. Effects of combined pollution of Pb and Cd on growth and yield of rice[J]. Journal of Anhui Agricultural Science, 2010, 38(23): 12653-12655.

[25]Lepp N W. Effect of heavy metal pollution on plants[M]. London: Applied Science Publishers. 1981: 352.

[26]周启星, 高拯民. 土壤-水稻系统Cd-Zn 的复合污染及其衡量指标的研究[J]. 土壤学报, 1995, 32(4): 430-436.

Zhou Q X, Gao Z M. Combined pollution and its indexes of Cd and Zn in soil-rice systems[J]. Acta Pedologica Sinica, 1995, 32(4): 430-436.

[27]李锋民, 熊治廷, 王狄, 等. 铜铁铅单一及复合污染对铜草幼苗生长的影响[J]. 农业环境保护, 2001, 20(2): 71-73, 77.

Li F M, Xiong Z T, Wang D,etal. Effects of copper, iron and lead as single or synergist pollutants on growth of seedlings ofElsholtziasplendensNakai ex F. Maekawa[J]. Agro-Environmental Protection, 2001, 20(2): 71-73, 77.

[28]文晓慧, 蔡昆争, 葛少彬, 等. 硅对镉和锌复合胁迫下水稻幼苗生长及重金属吸收的影响[J]. 华北农学报, 2011, 26(5): 153-158.

Wen X H, Cai K Z, Ge S B,etal. Effects of silicon on plant growth and heavy metal adsorption in rice seedlings under Cd and Zn stress[J]. Acta Agriculture Boreali-Sinica, 2011, 26(5): 153-158.

[29]陈京都, 刘萌, 顾海燕, 等. 不同土壤质地条件下麦秸、 铅对镉在水稻-土壤系统中迁移的影响[J]. 农业环境科学学报, 2011, 30(7): 1295-1299.

Chen J D, Liu M, Gu H Y,etal. Effects of wheat straw and lead on cadmium remove in rice-soil systems in different texture soils[J]. Journal of Agro-Environmental Science, 2011, 30(7): 1295-1299.

[30]杨崇洁. 几种金属元素进入土壤后的迁移转化规律及吸附机理的研究[J]. 环境科学, 1989, 10(3): 2-8.

Yang C J. Transport and transformation of some heavy metals in soil and research of their adsorption mechanism[J]. Environmental Science, 1989, 10(3): 2-8.

[31]余国营, 吴燕玉. 土壤环境重金属元素的相互作用及其对吸附特性的影响[J]. 环境化学, 1997, 16(2): 30-36.

Yu G Y, Wu Y Y. Effect of heavy metals joint action on their characteristic of sorption and desorption in brown soil[J]. Environmental Chemistry, 1997, 16(2): 30-36.

Characteristics and impacts of elements in rhizosphere in multiple heavy metals polluted rice paddy soil

XING Yi-lan1, 2, YANG Jun-xing2, ZHEGN Guo-di2, ZHOU Xiao-yong2, WAN Xiao-ming2, YANG Jun2, XU Rui-xiang2,DI Li1, LIU Zhi-yan3*, CHEN Gui-zhu4, CAO Liu5, LU Yi-fu5

(1CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China;2CenterforEnvironmentalRemediation,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResources,ChineseAcademyofSciences,Beijing, 100101,China; 3SchoolofLifeSciences,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou510631,China;4SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SunYat-SenUniversity,Guangzhou510275,China;5JiyuanEnvironmentalScienceResearchInstitute,Jiyuan,Henan459000,China)

【Objectives】 The concentrations of heavy metals in the paddy soils and rice seed exceeded remarkably the standard of soil and food quality of China in the Dabaoshan, Shaoguan city, Guangdong province. This influenced the health of local people and social security. The experimental objective was to investigate the biomass, metal accumulation in different parts of rice in the rhizosphere in paddy soils polluted by combined heavy metals. The correlations between metal concentrations, speciation and transformation could help understanding the potential influence of rhizosphere soil on accumulation, transformation of heavy metals and rice biomass.【Methods】 A pot trial was conducted and 20 rice cultivars were grown in the polluted soils. The rhizosphere soils and non-rhizosphere soils were separated by rhizo-bag. The experimental rice cultivars were planted in the soils of rhizo-bag and harvested after 60 days. The root length, shoot height, metal contents in the different parts of rice, available metal contents in the rhizosphere and non-rhizosphere soils were measured. 【Results】 The accumulation factors of Fe, Cu, Pb, Zn and As were greater in roots than those in stems and leaves. The accumulation ability of heavy metals was in the order: Zn > Cu >As≈Pb≈ Fe and Fe > Zn > As > Cu >Pb in shoots and roots of rice, respectively. The concentrations of available metals in the rhizosphere and non-rhizosphere were in the order: Fe > Cu >Pb> Zn > As. Available Fe, Cu and Zn concentrations restrained the dry weight of whole plant with the effect followed the order of Cu > Zn > Fe. These elements had the strongest influence on rice growth, due to the fact that they are the essential elements for plant, with the available Cu concentrations accelerated plant growth. The available As and Fe concentrations had great influence on Fe accumulation in rice roots where As concentrations restrained, while available Fe concentrations accelerated Fe accumulation. The effect was stronger at available As concentrations than of available Fe concentrations. 【Conclusions】The available Fe concentrations had negative effects on the plant height, dry weight of shoot and root. The available Cu concentrations in rhizosphere soil had the remarkably positive effect on the rice growth. The available As concentrations in rhizosphere and the available Zn concentrations in non-rhizosphere had negative effects on the Fe accumulation in roots, while the available Fe concentrations in rhizosphere and the available Cu concentrations in non-rhizosphere had positive effect on Fe accumulation in rice root. In non-rhizosphere soil, the available Fe and Zn concentrations enhanced the root length.

combined pollution; heavy metal; rice; rhizosphere; non-rhizosphere

2015-05-06接受日期: 2015-09-15

国家自然科学基金(41201312); 国家高技术研究计划项目(2014AA06A513, 2012AA06A202); 北京市科技计划项目(Z131100003113008)资助。

邢轶兰(1986—), 女, 甘肃天水人, 硕士研究生, 主要从事重金属污染农田修复方面研究。E-mail:183971250@qq.com

E-mail: liuzhiyan008@126.com

X53; S511

A

1008-505X(2016)03-0719-10

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