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重金属Pb、Cd在叶菜中的富集状况及对其生长的影响

2019-02-06孙尚省王文君马兆虎吕志贤李瑞琦贾莉犁梁爱萍

湖北农业科学 2019年24期
关键词:叶菜影响

孙尚省 王文君 马兆虎 吕志贤 李瑞琦 贾莉犁 梁爱萍

摘要:为研究不同浓度的重金属Pb、Cd在叶菜不同部位(根、茎、叶)中的富集状况,以及对叶菜生长状况的影響,进行土培盆栽试验。结果表明,当在土壤中添加不同浓度重金属时,3种叶菜不同部位Pb、Cd的富集量均表现为随着土壤中添加浓度的增加而增大;当在土壤中添加同一浓度重金属时,Pb在3种叶菜的富集量表现为菠菜>苔菜>油菜,叶>根>茎;Cd在3种叶菜的富集量表现为菠菜>油菜>苔菜,根>茎>叶;当土壤中重金属Pb和Cd超出一定浓度时会影响叶菜的出芽率和出芽时间,并使之出现萎蔫、发黄、等现象,而高浓度的Cd还会使3种叶菜出现斑点。

关键词:Cd;Pb;叶菜;富集;影响

中图分类号:X131.3         文献标识码:A

文章编号:0439-8114(2019)24-0072-04

DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.24.017           开放科学(资源服务)标识码(OSID):

Enrichment of heavy metals Pb and Cd in leafy vegetables

and the effects on their growth

SUN Shang-sheng1,WANG Wen-jun2,MA Zhao-hu2,LYU Zhi-xian1,LI Rui-qi1,JIA Li-li1,LIANG Ai-ping1

(1.College of Environmental and Material Engineering,Yantai University,Yantai 264005,Shandong,China;

2.Yantai Marine Environment Monitoring and Forecasting Center,Yantai 264003,Shandong,China)

Abstract: For the study of different concentrations of heavy metals Pb, Cd in different parts of leaf vegetables(root, stem and leaf) of enrichment, and the influence on the growth condition of leafy vegetables, the soil culture pot experiment was conducted. The results showed that when adding different concentrations of heavy metals in soil, the three kinds of enrichment of Pb, Cd in the different parts of leafy vegetables were characterized by increased with the increase of concentration added in soil increased. When heavy metals of the same concentration were added to the soil, the enrichment of Pb in the three leafy vegetables was as follows: Spinach>moss vegetables>rape, leaf>root>stem; The enrichment of Cd in three leafy vegetables was as follows: Spinach>rape>moss vegetables, root>stem>leaves. When the heavy metals Pb and Cd in the soil exceeds a certain concentration, the germination rate and germination time of leafy vegetables will be affected, and the leaf vegetables will wilt, turn yellow, etc., make them wilt, while the high concentration of Cd will also cause spots in the three leaf vegetables.

Key words: Cd; Pb; leafy vegetables; enrichment; effect

近年来,全国发生多起重大重金属污染事故,其中砷(As)、铅(Pb)、镉(Cd)等污染事故达30余起[1],国内外学者对其进行了大量的研究,特别是在土壤-植物系统中的研究受到较多关注[2]。但因为重金属由土壤向植物体内的迁移富集受诸多因素影响[3-5],所以重金属由土壤向植物体内迁移的规律至今没有统一认识。研究发现在土壤重金属污染中,Pb和Cd的污染最为严重、普遍,蔬菜中的叶菜对重金属的富集能力较强[6]。因此本试验选取2种重金属Pb和Cd,并根据时令特点以烟台地区具有代表性的3种叶菜——油菜、菠菜、苔菜作为研究对象,为中毒菜的识别、食品安全的防范提供相关依据,为进一步研究重金属在土壤-植物体系中的迁移转化机理、对后续的有关土地修复问题提供相关基础数据。

1  材料与方法

1.1  重金属Pb、Cd添加浓度的选择

依据GB15618-1995《土壤环境质量标准》的二级标准以及当地土壤的pH,土壤中添加重金属Pb和Cd的浓度分别超标1、2、3倍,并设置临界点和空白对照组进行试验,即向土壤中添加Pb的浓度为0、300、600、900、1 200 mg/kg;添加Cd的浓度为0、0.3、0.6、0.9、1.2 mg/kg。

1.2  盆栽试验

1.2.1  试验盆编号  取相同规格的花盆30个,其中土壤中添加Pb的花盆分别编号为A1、A2、A3、A4、A5\B1、B2、B3、B4、B5\C1、C2、C3、C4、C5;土壤中添加Cd的花盆分别编号为D1、D2、D3、D4、D5\E1、E2、E3、E4、E5\F1、F2、F3、F4、F5。A、D表示油菜,B、E表示菠菜,C、F表示苔菜,数字表示浓度。

1.2.2  土壤及重金属的添加  将从大田取回的土壤置于洁净地面风干、碾碎、剔除根系和石块后,分别用天平秤取1 kg分堆摊平,用喷壶将已配好的不同浓度的重金属喷洒到相应的土堆混合均匀并转移至花盆。

1.2.3  播種及管理  在上述花盆表土下2~3 cm处,分别均匀添加20粒相应的叶菜种子,平整土壤,开始记录时间。每天浇1次去离子水,并记录叶菜的生长状况。

1.3  出芽率的计算

播种后,密切关注种子发芽(破土而出即发芽)时间,并及时记录,10 d后记录每盆叶菜的出芽总数,按下列公式对每个花盆进行出芽率的计算。

出芽率=■×100%

1.4  样品的采集与测定

待叶菜生长40 d后将其统一收获,先用自来水洗净表面泥土和灰尘,再用去离子水冲洗。沥水后用剪刀将每棵叶菜按根、茎、叶剪成3部分装入牛皮纸袋,然后置于烘箱中以105 ℃杀青1 h,再以70 ℃烘干24 h后贴标签保存。参考GB5009.12-2017《食品安全国家标准 食品中铅的测定》、GB5009.15-2014《食品安全国家标准 食品中镉的测定》中的测定方法对上述烘干样品进行消解、定容、测定,每个样品重复3次取平均值。

主要仪器设备为原子吸收分光光度计(PerkinElmer AAnalyst 700,美国珀金埃尔默公司)。

2  结果与分析

气候状况对叶菜生长有一定影响,因此本试验选择在烟台适宜叶菜生长的10月进行,并记录了盆栽过程中每天的温度和湿度情况。盆栽试验期间,湿度在40%~60%,温度在10~20 ℃,适合作物生长。

2.1  重金属Pb在叶菜中的富集状况

由图1可知,在试验浓度范围内,3种叶菜各部位重金属Pb的含量大都表现为随着土壤中添加Pb浓度的增加而增大,基本呈现出正相关的关系。说明土壤中Pb浓度越高,从土壤迁移到叶菜中的重金属的量越多。当在土壤中添加同一浓度Pb时,3种叶菜中的富集总量表现为菠菜>苔菜>油菜。说明重金属Pb最容易在菠菜中富集,而最难在油菜中富集。

当在土壤中添加同一浓度Pb时,同一叶菜不同部位的Pb富集量表现为油菜中叶>根>茎;苔菜中根>叶>茎;菠菜中叶≈根>茎,说明Pb更容易在油菜叶、苔菜根和菠菜叶中富集。究其原因可能是油菜和菠菜中Pb在各部位的含量与各部位的表面积呈正相关[7]。而苔菜中,Pb在土壤-根界面和茎-叶界面的迁移比较通畅,而在根-茎界面受阻较大,根细胞壁中存在大量交换位点,能将重金属离子固定在这些位点上,从而阻止重金属离子进一步向地上部分转移[8]。

当在土壤中添加同一浓度Pb时,不同叶菜同一部位的Pb富集量表现为菠菜根>苔菜根>油菜根;菠菜茎>苔菜茎≈油菜茎;对于叶而言,当土壤中添加Pb的浓度低于600 mg/kg时,Pb富集量表现为菠菜叶>苔菜叶>油菜叶,而当土壤中添加Pb的浓度高于900 mg/kg时,Pb富集量表现为菠菜叶>油菜叶>苔菜叶。说明当土壤受重金属Pb污染时,相比较于油菜、苔菜的同一部位,Pb更容易在菠菜的根、茎、叶中富集,而随着土壤中Pb浓度的增加,Pb在油菜叶中的富集量逐渐赶上并超过在苔菜叶的富集量。

2.2  重金属Cd在叶菜中的富集状况

由图2可知,在试验浓度范围内,3种叶菜各个部位Cd的含量大都表现为随着土壤中添加Cd浓度的增加而增大,基本呈现出正相关的关系。说明土壤中Cd浓度越高,从土壤迁移到叶菜中的重金属的量越多。当在土壤中添加同一浓度Cd时,在3种叶菜中的各个部位富集总量表现为菠菜>油菜>苔菜。说明重金属Cd最容易在菠菜中富集而最难在苔菜中富集。

当在土壤中添加同一浓度Cd时,同一叶菜不同部位的含量均表现为根>茎>叶。说明Cd在土壤-根界面的迁移比较通畅,而在根-茎界面和茎-叶界面的迁移受阻较大。

当在土壤中添加同一浓度Cd时,不同叶菜同一部位的富集含量表现为菠菜根>油菜根>苔菜根;菠菜茎>油菜茎>苔菜茎;菠菜叶>油菜叶≈苔菜叶。说明当土壤受重金属Cd污染时,相比较于油菜、苔菜的同一部位,Cd更容易在菠菜的根、茎、叶中富集。

2.3  Cd、Pb对叶菜出芽时间的影响

由表1可知,当土壤中添加不同浓度Cd时,种植5 d时油菜开始发芽;种植9 d时苔菜开始发芽;除空白对照组外,种植6 d时菠菜开始发芽,种植7 d时空白对照组菠菜发芽。原因可能是在本试验浓度范围内重金属Cd能促进菠菜的萌发,但是对油菜和苔菜的萌发没有明显影响。

当土壤中添加不同浓度Pb时,种植6 d时菠菜开始发芽;除空白对照组外,种植5 d时油菜开始发芽,种植6 d时空白对照组油菜开始发芽;除土壤中添加Pb浓度为600 mg/kg组外,种植的苔菜9 d时开始发芽,种植10 d时土壤中添加Pb浓度为600 mg/kg的组开始发芽。原因可能是重金属Pb能促进油菜的萌发,却对菠菜的出芽时间没有明显影响,而浓度过高或者过低对苔菜的出芽时间都没有明显影响,中浓度的Pb则会抑制苔菜的萌发。这与Chen等[9]对重金属之于其他蔬菜的研究结果有相似之处。

2.4  Cd、Pb对叶菜出芽率的影响

由表2可知,当土壤中添加不同浓度Cd时,在浓度为0.3~1.2 mg/kg时,油菜的出芽率整体较高,但与Cd的添加浓度没有明显的线性关系;菠菜的出芽率随着Cd浓度的增加呈现出先降低后升高的现象,可以判断为Cd的浓度对菠菜的出芽率呈抛物线关系;苔菜的出芽率随着Cd添加浓度的增加呈现出逐渐降低的现象,可知高浓度的Cd对苔菜种子的萌发有抑制作用。

当土壤中添加不同浓度Pb时,在浓度为300~1 200 mg/kg时,苔菜的出芽率整体较低,且随着Pb添加浓度的增加呈现出逐渐降低的现象,而油菜和菠菜的出芽率与Pb的添加浓度没有明显的线性关系。这与林伟等[10]对黄瓜苗富集Pb的研究结果有相似之处。

2.5  Cd、Pb對叶菜生长状况的影响

由表3可知,高浓度的Cd、Pb对3种叶菜的生长状况均有一定的影响,均会使叶菜出现萎蔫、发黄的现象,而高浓度的Cd还会使3种叶菜出现斑点。这与王阳阳等[11]研究镉胁迫下对水稻生长状况的影响结果有相似之处。

3  小结与讨论

1)重金属Cd、Pb分别在浓度为0.3~1.2 mg/kg、300~1 200 mg/kg时对油菜、菠菜、苔菜3种叶菜的出芽时间、出芽率、生长状况均有一定的影响。且在不同叶菜不同部位的富集状况也各有不同,并呈现出一定的规律。

2)由于试验中对3种叶菜采取统一种植、统一收获的方式,没有考虑到三者成熟时间的差异,可能存在部分重金属迁移不完全等情况,下一步试验要充分考虑此因素。

3)影响重金属在土壤-植物体系中迁移的因素有很多,下一步研究中要充分考虑土壤、植物、环境等多种因素,充分测定并分析土壤成分,计算重金属在3种叶菜中的富集系数,并探究重金属在复合污染状况下向叶菜中的迁移与富集状况。

参考文献:

[1] 朱  勇.重金属监测在萝岗新区水文遥测系统中的应用[J].人民珠江,2013,34(4):88-91.

[2] 潘  攀,杨俊诚,邓仕槐,等.土壤-植物体系中农药和重金属污染研究现状及展望[J].农业环境科学学报,2011,30(12):2389-2398.

[3] LI Q S,CAI S S,MO C H,et al. Toxic effects of heavy metals and their accumulation in vegetables grown in a saline soil[J].Ecotoxicology and environmental safety,2010,73(1):84-88.

[4] 张露尹,李取生,李  慧,等.空心菜对重金属吸收累积特征及其与营养元素的关系[J].生态与农村环境学报,2013,29(2):225-229.

[5] 杨惟薇,刘  敏,曹美珠,等.不同玉米品种对重金属铅镉的富集和转运能力[J].生态与农村环境学报,2014,30(6):774-779.

[6] 孙光闻,朱祝军,方学智,等.我国蔬菜重金属污染现状及治理措施[J].北方园艺,2006(2):66-67.

[7] 郑  琳.典型重金属对常见叶菜的生长影响及迁移特点研究[D].武汉:武汉工程大学,2016.

[8] 江水英,吴声东,肖化云,等.贵溪冶炼厂周边菜园地土壤-辣椒系统中重金属的迁移特征[J].江西农业大学学报,2010,32(3):628-632.

[9] CHEN Y X,HE Y F,LUO Y M,et al. Physiological mechanism of plant roots exposed to cadmium[J].Chemosphere,2003,50(6):789-793.

[10] 林  伟,周娜娜,王  刚,等.铅迫胁下黄瓜幼苗期叶片内源激素的变化[J].生态环境,2007,16(5):1446-1448.

[11] 王阳阳,任艳芳,周国强,等.镉胁迫对不同抗性水稻品种幼苗生长和生理特性的影响[J].中国农学通报,2009,25(24):450-454.

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