镉、铅、锌单一和复合污染对棉花中重金属富集的影响

任秀娟，朱东海，吴海卿，吴大付

(1.河南科技学院，河南 新乡 453003；2.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南 新乡 453003)

由于工业生产的迅猛发展以及农田污灌，大量的镉(Cd)、铅(Pb)、锌(Zn)进入土壤环境中，严重影响了植物生长［1］.对于耕地重金属污染问题，世界各国正在探讨以植物富集为基础的修复技术［2］，目前发现，一些高生物量农作物具有作为修复植物的潜力，如玉米、向日葵［3～5］，因而研究Cd，Pb，Zn 等重金属污染物在农作物中的富集与分配特点具有重要的理论和实践意义.目前，国内对Cd，Pb，Zn 在小麦、玉米、水稻、大豆、花生等农作物体内的富集规律都有广泛的研究［6～12］，但针对棉花的相关研究则较少.棉花不同于粮食作物，经济产量为非直接食用产品，其植株可作为柴薪燃料［13］.因此，有必要探讨将棉花作为镉、铅、锌等重金属污染土地植物修复作物的可行性.目前，国内关于棉花重金属富集效应的研究较少.本研究采用桶栽方法，研究土壤镉、铅、锌单一污染和土壤镉、铅、锌复合污染条件下，棉花各部位镉、铅、锌含量及棉花对镉、铅、锌的富集系数及转运系数，为重金属污染耕地种植棉花的生物修复方法作一些前期研究.

1 材料与方法

1.1 供试土壤与材料

供试土壤采自湖南郴州矿区农田0～20 cm 耕作层，质地为壤土，土壤基本性质如下:有机质10.74 g·kg-1，全氮1.69 g·kg-1，pH 7.19，全磷0.93 g·kg-1，全钾0.45 g·kg-1.土壤全锌含量85.32 mg·kg-1，全镉含量0.86 mg·kg-1:全铅含量9.69 mg·kg-1.

Cd，Pb，Zn的试剂为CdCl2·2.5H2O(分析纯)，Pb(CH3COO)2·3H2O，Zn(CH3COO)2·2H2O.

1.2 试验设计

试验设镉、铅、锌单元素污染处理和镉、铅、锌复合污染处理，每个处理重复3次.镉单元素污染处理:1.Cd1，2.Cd5，3.Cd10，4.Cd20，5.Cd30(Cd为污染元素，1，5，10，20，30 mg·kg-1).铅单元素污染处理:1.Pb10，2.Pb400，3.Pb800，4.Pb1200，5.Pb1600.锌单元素污染处理:1.Zn100，2.Zn400，3.Zn800，4.Zn1200，5.Zn1600;镉、铅、锌复合污染处理:1.Cd1Pb10Zn100，2.Cd5Pb400Zn400，3.Cd10-Pb800Zn800，4.Cd20Pb1200Zn1200，5.Cd30Pb1600Zn-1600.

试验地点在中国农田灌溉研究所新乡站防雨棚内.污染土壤配置采用分批多次混匀的方式，根据处理要求将称好的分析纯氯化镉、乙酸铅、乙酸锌混入1 kg 过5 mm 筛的干土中，接着把这1 kg 混合土壤混入10 kg的过5 mm 筛土中，最后把11 kg的土壤混入到104 kg 过5 mm 筛土中，经过多次混匀后装桶踏实，将盆栽大桶放入提前挖好的土坑内，大桶上平面与地面平行，然后用土填实桶与周围土壤的空隙，最后将桶内土壤灌水至饱和状态，平衡4 周后移栽棉苗.

1.3 棉花样品的种植、采集与处理

2010-04 每桶移栽2 棵棉苗，每桶施尿素12 g，灌水采用地下水，田间管理同一般大田.2010-10-11 将棉花整株拔出带回实验室，用自来水冲洗后再用纯水冲洗，用不锈钢剪刀分为根、茎、叶、棉絮等4个组成部分，装入纸质样品袋，在105℃的烘箱中杀青10 min，在70℃下烘干至质量恒定，将根、茎、叶样品粉碎过100目筛备用;棉絮烘干后直接称量(棉絮烘干后无法用粉碎机粉碎).

1.4 测定方法

根据文献［14，15］进行棉花样品处理与测定分析，称取烘干粉碎后的样品0.5000 g 放入聚四氟乙烯消解罐，加入5 mL 浓HNO3浸泡过夜，再加入3 mL H2O2，在微波消解系统中消解18 min，温度设置为3 档，即室温120℃(360 s);120～150℃(360 s);150～180℃(360 s).待消解完全后在电热板上赶酸至溶液为1～2 mL，用2%硝酸多次稀释后转移到25 mL 容量瓶中，最后用2% HNO3溶液定容，待测.

1.5 仪器设备

电感耦合等离子发射体:美国PE 公司(Perkin Elmer)，型号:optima 2100 DV.工作参数:等离子体气流量15 L·min-1，辅助气流量0.2 L·min-1，雾化器气流量0.8 L·min-1，射频功率1300 W，试样流量1.5 mL·min-1.各元素选择的分析线:Cd为226.516 nm，Pb为220.367 nm，Zn为213.9 nm.

Cd，Pb，Zn 混合标准溶液由德国Merck 公司提供，用2%硝酸逐级稀释为0，0.5，1，2，4，8 mg·L-1的标准系列备用，试验用水为2次去离子水.

微波消解仪:上海新拓XT-9912.

2 结果分析

2.1 土壤单元素污染条件下棉花各器官镉、铅、锌含量变化

镉、铅、锌单元素污染研究结果见表1.表1 数据显示，随着土壤镉质量分数的增加，棉花根、茎、叶、棉絮的镉含量呈现显著增加的趋势.当土壤镉含量小于5 mg·kg-1时，棉花各部位镉含量大小为叶片＞茎＞棉絮＞根;当土壤镉含量为5～20 mg·kg-1时，棉花各部位镉含量大小为叶片＞茎＞根＞棉絮，当土壤镉含量为20～30 mg·kg-1时，棉花各部位镉含量大小为叶片＞根＞茎＞棉絮.由表1可知，当土壤镉质量分数较低时，镉主要富集在棉花的茎、叶中，随着土壤镉质量分数的增加，镉则主要富集在棉花的叶片和根中.

表1 土壤镉、铅、锌单元素污染处理棉花各器官镉、铅、锌含量Table 1 Contents of heavy metal in cotton under single cadmium，lead and zinc pollution mg·kg -1

棉花各部位铅含量随着土壤铅含量的增加而显著增加，当土壤铅含量小于800 mg·kg-1时，棉絮铅含量最低;其次是根、茎、叶;当土壤铅含量为800 mg·kg-1时，棉花各部位铅含量为叶片＞茎＞根＞棉絮;土壤铅质量分数为1200 mg·kg-1时，棉花各部位的铅含量大小顺序为叶＞根＞茎＞棉絮;土壤铅质量分数为1600 mg·kg-1时，根的铅含量最高为29.2292 mg·kg-1，棉花各部位铅含量大小顺序为根＞叶＞茎＞棉絮.由表1可知，棉花铅单元素污染处理条件下，铅在棉花体内的分布规律为:土壤铅质量分数小于800 mg·kg-1时棉花叶片和茎的铅含量较高，土壤铅质量分数大于1200 mg·kg-1时棉花根和叶片的铅含量较高;各处理中棉絮的铅含量最低.

棉花各部位锌含量随着土壤锌污染质量分数的增加而显著增加.当土壤锌质量分数为100 mg·kg-1时，棉花各部位锌含量大小顺序为叶片＞茎＞根＞棉絮;土壤锌质量分数为400～800 mg·kg-1时，棉花各部位的锌含量为叶片＞根＞茎＞棉絮;土壤锌质量分数为1200～1600 mg·kg-1时，棉花各部位的锌含量大小顺序为根＞叶＞茎＞棉絮;当土壤锌质量分数为1600 mg·kg-1时，棉花根的锌含量最高为135.6943 mg·kg-1，棉花没有结出棉铃.土壤锌污染处理条件下，土壤锌质量分数小于100 mg·kg-1时棉花叶片和茎的锌含量较高，土壤锌质量分数大于400 mg·kg-1时，锌则主要富集在棉花的叶片和根中;各处理中棉絮的锌含量最低.

2.2 土壤镉、铅、锌复合污染条件下棉花各器官镉、铅、锌含量变化

镉铅锌复合污染条件下棉花各部位的镉铅锌含量见表2.当镉铅锌处理为Cd10Pb800Zn800，Cd20Pb1200Zn1200，Cd30Pb1600Zn1600 时，棉花没有结出棉铃，这说明镉、铅、锌复合污染条件下棉花的生殖过程受到了抑制.

土壤镉、铅、锌复合污染处理中，镉在棉花体内的分布与镉单一处理不同，棉花根、茎、叶中的镉含量随着土壤镉质量分数的增加呈现先增加后减小的趋势，同一镉污染质量分数条件下，棉花叶片的镉含量均显著低于镉单一污染处理中的镉含量.

土壤镉铅锌复合污染处理条件下，铅在棉花根、茎、叶、棉絮中的富集规律不同于铅单一污染处理.当土壤铅质量分数＜400 mg·kg-1时，复合污染处理条件下棉花根的铅含量大于单一铅污染处理，棉花叶片的铅含量小于单一铅污染处理;当土壤铅质量分数＞400 mg·kg-1后则反之.当土壤铅质量分数＜10 mg·kg-1时，复合污染处理条件下棉花茎的铅含量大于单一铅污染处理，当土壤铅质量分数＞1 mg·kg-1，后则反之.复合污染处理中棉花根、茎、叶片铅含量的最高值均显著低于单一铅污染处理，这说明在复合污染条件下，镉、铅、锌的2 价阳离子相互影响，铅的生物学效应产生了一定的变化.

复合污染条件下，棉花叶片、棉絮的锌含量均显著低于锌单一污染处理，当土壤锌质量分数＜400 mg·kg-1时，复合污染条件下棉花根的锌含量显著高于单一锌污染处理，当土壤锌质量分数＞400 mg·kg-1时则反之.由于复合污染条件下棉花对锌的吸收受到镉、铅的影响，锌在棉花各器官的富集规律呈现增加、减小、增加的规律.

表2 土壤镉、铅、锌复合污染处理棉花各器官镉铅锌含量Table 2 Contents of heavy metal in cotton under combination cadmium，lead and zinc pollution mg·kg -1

3 结论与讨论

1)土壤镉铅锌单元素污染条件下，棉花根、茎、叶、棉絮对污染元素的吸收特点表现为:重金属低质量分数污染条件下茎叶富集大于根系，高质量分数条件下根系重金属含量较高，棉絮重金属含量最低.棉花田间长势观察结果表明，土壤镉、铅、锌单元素质量分数对棉花的田间长势影响不大，其棉桃数量随镉、铅、锌单元素污染质量分数的增加而减少，当土壤锌污染质量分数为1600 mg·kg-1时，棉花的生殖过程受到抑制.高柳青等研究结果也表明，盆栽条件下，土壤锌质量分数小于16 mg·kg-1、土壤锰质量分数小于60 mg·kg-1范围内，棉花生物产总产量不受土壤锌锰质量分数的影响［16］.本研究虽然土壤锌、铅质量分数最高为1600 mg·kg-1，土壤镉质量分数最高为30 mg·kg-1，但各处理间棉花田间长势差别不大.

2)土壤镉、铅、锌复合污染条件下，当镉铅锌 处 理为Cd10Pb800Zn800，Cd20Pb1200Zn1200，Cd30Pb1600Zn1600 时，棉花没有结出棉铃，说明在重金属复合污染条件下，棉花生殖过程明显受到抑制.镉铅锌复合污染条件下，棉花田间长势同单元素污染也无显著差别.土壤镉、铅、锌复合污染处理中，镉在棉花体内的分布与镉单元素污染处理不同，棉花根、茎、叶中的镉含量随着土壤镉含量的增加呈现先增加后减小的趋势，棉花叶片的镉含量均显著小于镉单元素污染处理条件下棉花叶片的镉含量，说明在复合污染条件下，重金属元素吸收存在拮抗效应，王丽燕等研究发现铅对镉也有一定的拮抗作用［17］.本试验结果与前者的研究结果有相同之处.棉花根、茎、叶片铅含量的最高值均显著低于单一铅污染处理;棉花叶片、棉絮的锌含量均显著低于锌单一污染处理.

［1］黄 勇，郭庆荣，任 海，等.城市土壤重金属污染研究综述［J］.热带地理，2005，25(1):14-17.

［2］李凝玉，李志安，丁永帧，等，不同作物与玉米兼作对玉米吸收积累镉的影响［J］.应用生态学报，2008，19(6):1369-1373.

［3］WANG M，ZOU J，DUAN X，et al.Cadmium accumlatin and its effects on metal in maize(Zea mays L.).Bioresource Technology，2007，98:82-88.

［4］TANDY S，SCHULIN R，NOWACK B.The influence of EDDS on the uptake of heavy metals in hydropoically grown sunflowers［J］.Chenosphere，2006，62:1454-1463.

［5］LIPHADZI M S，KIRKHAM M B，MANKIN K R，et al.EDTA-assisted heavy-metal uptake by poplar and sunflower grown at a longterm sewage-sludge farm［J］.Plant and Soil，2003，257:171-182.

［6］王凯荣，张 磊.花生镉污染研究进展［J］.应用生态学报，2008，19(12):2757-2762.

［7］蔡保松，张国平.大、小麦对镉的吸收、运输［J］.麦类作物学报，2002，22(3):82-86.

［8］季书勤，郭 瑞，王汉芳，等.河南省主要小麦品种重金属污染评价及镉吸收规律研究［J］.麦类作物学报，2006，26(6):154-157.

［9］王永强，肖立中，李诗殷，等.镉对水稻的毒害效应及其调控措施研究［J］.中国农学通报，2010，26(3):99-104.

［10］赵 雄，李福燕，张冬明，等.水稻土镉污染与水稻镉含量相关性研究［J］.农业环境科学学报，2009，28(11):2236-2240.

［11］冯绍元，邵洪波，黄冠华.重金属在小麦作物体中残留特征的田间试验研究［J］.农业工程学报，2002，18(4):113-115.

［12］周振民.土壤重金属污染玉米生长影响盆栽试验研究［J］.灌溉排水学报，2010，29(5):78-82.

［13］张国平，周伟军.作物栽培学［M］.杭州:浙江大学出版社，2001.

［14］孙涌栋，杜晓华.微波消解ICP-AES 测定苋菜的矿质元素［J］.光谱实验室，2010，27(5):1780-1782.

［15］赖志辉，徐晓铭，管艳艳，等.微波消解ICP-AES 法测定市售丹参中的微量元素［J］.广西大学学报:自然科学版，2010，35(3):497-501.

［16］高柳青，田长彦，胡明芳.锌、锰对棉花吸收氮、磷养分的影响及机理研究［J］.作物学报，2000，26(6):862-867.

［17］王丽燕，郑世英.镉、铅及其复合污染对小麦种子萌发的影响［J］.麦类作物学报，2009，29(1):146-148.