土壤-水稻/蔬菜作物系统中铅污染的化学——微生物学效应的研究

摘要

土壤中铅含量过高，超过土壤自净能力，引起土壤组成、结构和功能发生变化，微生物活动受抑制，并通过“土壤-植物-人体”途径危害人类健康。采用生物学指标预警土壤重金属污染较化学指标准确、科学，因而越来越受到关注。大量研究将土壤微生物性质，如基础呼吸作用、土壤微生物生物量碳、土壤酶活性的变化作为土壤质量及土壤环境健康监测的生物学指标。农作物及蔬菜可食部铅含量的高低，直接关系到人体健康。因而土壤-植物系统中铅的行为和植物效应一直为人们所重视。有关土壤-植物系统中的铅的化学行为曾进行过较为详细的研究，然而，由于土壤-植物系统的复杂性，对特定地区、特定土壤中铅的行为及其生物学效应的研究一直是土壤和环境工作者所关注的内容。
　　 本研究选择两种代表性水稻土黄红壤(采自浙江德清)青紫泥(采自浙江嘉兴)，进行室内培养和温室盆栽实验。研究外源铅对土壤微生物学指标和植物生长的影响。种植方式采取连作制，种植水稻，水稻收获后种植蔬菜(小白菜和番茄)作物。以土壤-作物-微生物生态链为主线，探讨土壤-水稻/蔬菜作物系统中，铅的形态分布及生物有效性，研究水稻/蔬菜作物系统中铅的污染效应。重点研究土壤中铅的生物有效性及受到铅污染后的土壤生物学预警指标，主要的研究结果总结如下：
　　 1.两种土壤对铅的吸附-解吸试验结果表明，两种土壤对Pb2+吸附量的大小为：青紫泥>黄红壤，根据Langmuir等温吸附模型计算出的青紫泥和黄红壤对铅(Pb2+)的最大吸附量(Xm)分别为12500 mg·kg-1和10000 mg·kg-1。随着铅吸附量的增加解吸量随之增加，青紫泥和黄红壤吸附的铅只有一部分被解吸。经过5次连续的解吸，黄红壤吸附的铅只有0.2-23％被解吸，青紫泥吸附的铅(Pb2+)只有0.4-10.7％被解吸。
　　 2.通过室内培养试验，研究了不同铅(Pb2+)添加水平(0mg·kg-1-2000mg·kg-1)对青紫泥及黄红壤土壤微生物生物量碳及土壤基础呼吸作用、土壤代谢熵、土壤微生物熵的影响。研究结果表明：随培养时间延长，两种土壤微生物生物量碳呈下降趋势，56d时较28d时升高，84d时最低；随铅处理浓度升高，两种土壤微生物生物量碳较对照显著下降，培养结束(84d)各处理水平下土壤微生物生物量碳与对照无显著差异。黄红壤土壤基础呼吸作用在铅处理浓度(Pb2+>800mg·kg-1)时较对照显著增强；青紫泥土壤基础呼吸作用随铅处理浓度及培养时间的变化规律不明显。黄红壤土壤代谢商在铅处理浓度(Pb2+>800mg·kg-1)较对照显著升高；青紫泥土壤代谢商随培养时间延长变化趋势不同。两种土壤的土壤微生物商随培养时间延长显著下降。外源铅胁迫下，土壤脱氢酶活性随铅处理浓度升高明显受抑制。相关分析表明，黄红壤土壤有效铅含量与土壤微生物生物量碳呈显著负相关，与土壤基础呼吸呈显著正相关。青紫泥土壤有效铅含量与土壤微生物学指标相关性不明显。
　　 3.温室水稻盆栽实验结果表明，随铅处理浓度升高，两种土壤的土壤微生物生物量碳呈下降趋势，土壤基础呼吸作用随铅浓度升高而加强，土壤代谢商随随铅浓度升高变化趋势不同，土壤微生物商随随铅浓度升高显著下降。两种土壤的脲酶、脱氢酶活性随铅处理浓度升高明显受抑制。种植水稻后，黄红壤和青紫泥土壤有效铅与土壤微生物生物量碳、土壤微生物商及土壤脲酶呈显著负相关。根据土壤微生物商较对照下降10％计算，黄红壤和青紫泥NH4OAc提取的土壤有效铅含量的临界值分别为63.36mg·kg-1和22.4 mg·kg-1；黄红壤和青紫泥土壤全铅的临界浓度为628 mg·kg-1和141.33 mg·kg-1。
　　 外源铅对水稻的干物重和子粒重量的影响表现为，随铅处理浓度升高，水稻干物重和子粒重量明显下降。不同铅处理下水稻各器官铅含量根>茎>籽粒。黄红壤上的铅以残渣态、交换态为主，其次为Fe/Mn氧化物结合态、有机结合态，碳酸盐态和水溶态铅含量相对较低；青紫泥土壤的铅主要为残渣态、铁锰氧化物结合态，其次为有机结合态和交换态铅，碳酸盐态和水溶态铅含量相对较低。交换态铅含量+碳酸盐结合态铅含量黄红壤高于青紫泥。通过稻米中铅含量与土壤中铅含量的回归方程，以稻米铅含量不超过食品卫生标准为最大允许量，计算土壤中铅的临界浓度，黄红壤全铅和有效铅毒性临界值分别为192.31 mg·kg-1和25.97 mg·kg-1；青紫泥全铅和有效铅毒性临界值分别为250 mg·kg-1和33.78 mg·kg-1。
　　 4.种植水稻后的土壤继续种植白菜，两种土壤的白菜植株铅含量与土壤有效铅含量呈显著正相关。种植白菜后，两种土壤的微生物指标的变化与植稻后的变化一致。黄红壤土壤有效铅与土壤微生物商呈显著负相关，青紫泥土壤有效铅与土壤脲酶呈显著负相关。根据土壤微生物商较对照下降10％计算，黄红壤土壤有效铅和全铅的临界值分别为35.48mg·kg-1，295mg·kg-1；根据土壤脲酶较对照下降10％计算，青紫泥土壤有效铅和全铅的临界值分别为14.52 mg·kg-1，286.41 mg·kg-1。通过白菜植株铅含量与土壤中铅含量的回归方程，以国家蔬菜食品卫生标准(Pb<0.2 mg·kg-1，以鲜样计)为最大允许量，计算青紫泥、黄红壤全铅毒性临界值分别为260.48mg·kg-1和209.92mg·kg-1。青紫泥、黄红壤有效铅毒性临界值分别为17.06mg·kg-1和12.69mg·kg-1。
　　 5.种植白菜后土壤继续种植番茄。种植番茄后土壤基础呼吸作用随铅胁迫加重而增强，土壤微生物生物量碳随铅胁迫增强而显著下降，土壤代谢商随铅胁迫增强显著升高，土壤微生物商则随铅胁迫显著下降。种植番茄后，两种土壤脲酶、脱氢酶活性随铅处理浓度升高明显受抑制。种植番茄后，黄红壤和青紫泥土壤有效铅与土壤微生物商呈显著负相关。根据土壤微生物商较对照下降10％计算，黄红壤和青紫泥土壤有效铅含量的临界值分别为35.32 mg·kg-1和51.7 mg·kg-1。黄红壤和青紫泥土壤全铅的临界值分别为123.53 mg·kg-1和92.63 mg·kg-1。
　　 两种土壤上番茄植株的铅含量随外源铅含量的增加而显著升高，两种土壤的土壤pH随铅胁迫的增强而显著下降。黄红壤中的铅以残渣态、交换态为主，其次为Fe/Mn氧化物结合态、有机结合态，碳酸盐态和水溶态相对较低；青紫泥土壤上的铅主要为残渣态、铁锰氧化物结合态，其次为有机结合态和交换态铅，碳酸盐态相对较低。