植物中镉累积与土壤残留的相关性分析
摘要
本实验采用土培的方法，选定了8种不同的植物分春秋两季种植，分析比较了其地上部、地下部对镉的吸收累积与土壤中残留的相关性，以及不同的pH值对植物吸收累积镉的影响。结论如下：
不同种类植物在酸、碱性条件下长势基本一致，酸性条件下植物的鲜干重略高于碱性土壤，但不同种类植物的镉累积量存在有很大差异，镉含量最高的品种是茼蒿，浓度为71.51mg/kg，镉含量最低的品种是小葱，浓度为68.05mg/kg，二者相差3.46mg/kg；
土壤中镉的残留量与土壤中镉的浓度以及生物量有关，生物量越大，镉的浓度越高，土壤中镉的残留量就越低，植物体对镉的吸收累积量越高；
植物的富集系数反应了植物对元素富集能力的大小，8种植物的镉元素富集能力从大到小依次是茼蒿、小青菜、生菜、菠菜、油麦菜、白萝卜、空心菜、小葱。植物的转运系数反应植物从地下部到地上部的转运能力，转运系数越大，表示植物通过根部吸收的镉转运到茎叶部越多，地上部对镉的累积能力越强。 关键词：镉；吸收累积；富集系数；转运系数
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Correlation analysis of cadmium enrichment in plants and
soil residual Abstract
This experiment using soil culture method, selected the eight different kinds of plants planted
in spring and autumn, the analysis and comparison of the aboveground and underground parts of Cd uptake and accumulation and the correlation between the residues in the soil, and different pH values on the effects of plant uptake and accumulation of cadmium. The conclusions are as follows:
Different kinds of plants in acid and alkaline conditions growth are basically the same, acidic conditions plant fresh and dry weight was slightly higher than that of alkaline soil, but different species of cadmium accumulation there were great differences between, the varieties with the highest cadmium content garland chrysanthemum, the concentration of 71.51mg/kg, lowest cadmium content of varieties is a green onion and concentration for 68.05mg/kg, the difference between the two 3.46mg/kg;
Cadmium in soil residual biomass and the soil Cd concentration and biomass, biomass larger, higher concentrations of cadmium, cadmium in soil residue to lower the amount of, plants on cadmium absorption and accumulation of quantity is high;
Enrichment coefficients of plant response to the plant size of element enrichment capacity, 8 species of cadmium accumulation ability, from big to small, followed by chrysanthemum, Chinese cabbage, lettuce, spinach, lettuce, radish, spinach, onions. Plant transport coefficient responses of plants from root to shoot the transport capacity, transport coefficient is bigger, said plants via root uptake of cadmium transported to stem and leaf of more, shoot on Cd accumulation ability is stronger.
Keywords: cadmium; absorption and accumulation; enrichment coefficient; transport coefficient
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目录
中文摘要 ........................................................................................... Ⅰ 英文摘要 ........................................................................................... Ⅱ 1绪论 .................................................................................................. 1
1.1综述 ................................................................................................................. 1 1.2土壤中镉的来源与分布.................................................................................. 1
1.2.1大气中镉的沉降 .................................................................................. 1 1.2.2污水灌溉 .............................................................................................. 2 1.2.3污泥施肥 .............................................................................................. 2 1.2.4含重金属废弃物的堆积 ...................................................................... 2 1.3镉污染的危害.................................................................................................. 2
1.3.1镉对植物的危害 .................................................................................. 2 1.3.2镉对动物的危害 .................................................................................. 3 1.3.3镉对人体的危害 .................................................................................. 3 1.4影响土壤-植物系统中重金属镉的迁移转化因素 ........................................ 4
1.4.1土壤的理化性质 .................................................................................. 4 1.4.2植物种类 .............................................................................................. 4 1.4.3植物不同部位 ...................................................................................... 5 1.5镉污染的治理方法.......................................................................................... 5
1.5.1控制镉污染源 ...................................................................................... 5 1.5.2增加改良剂 .......................................................................................... 5 1.5.3调节土壤pH值 .................................................................................... 6 1.5.4合理施用有机肥 .................................................................................. 6 1.5.5植物修复 .............................................................................................. 6
2研究背景、研究方法和研究内容 ..................................................... 8
2.1研究背景.......................................................................................................... 8 2.2研究方法.......................................................................................................... 8
2.3研究内容.......................................................................................................... 9
2.3.1不同植物对镉的吸收累积差异 .......................................................... 9 2.3.2 pH对植物中镉累积与土壤残留的影响 ............................................. 9 2.3.3镉在植物中的累积与土壤残留的相关性 ........................................ 10 2.4实验药品及仪器............................................................................................ 10
3 结果分析与讨论 ............................................................................. 11
3.1不同植物地上部与地下部生物量................................................................ 11 3.2不同植物对镉的吸收累积差异.................................................................... 12 3.3 pH对植物中镉累积与土壤残留的影响 ...................................................... 14 3.4镉在植物中的累积与土壤残留的相关性.................................................... 16
3.4.1土壤中镉的残留 ................................................................................ 16 3.4.2相关性分析 ........................................................................................ 17
4 结论与展望 ..................................................................................... 19
4.1结论................................................................................................................ 19 4.2展望................................................................................................................ 19
参考文献 ............................................................................................ 20 致谢 .................................................................................................... 22 毕业论文知识产权声明 ...................................................................... 23 毕业论文独创性声明 ......................................................................... 24
1 绪论 1绪论
1.1综述
镉是人体非必需元素，在自然界中常以化合物状态存在，一般含量很低，正常环境状态下，不会影响人体健康。镉和锌是同族元素，在自然界中镉常与锌、铅共生。当环境受到镉污染后，镉可在生物体内富集，通过食物链进入人体引起慢性中毒。
长期吸入镉可产生慢性中毒，引起肾脏损害，主要表现为尿中含大量低分子量蛋白质，肾小球的滤过功能虽多属正常，但肾小管的回收功能却减退，并且尿镉的排出增加。镉作业工人的肺气肿﹑贫血及骨骼改变也有报导，但这些改变与镉接触的确切关系尚不能肯定。国外也有报导接触氧化镉的工人前列腺癌发病率较高[1]。
镉污染土壤，可造成公害病痛痛病。镉对土壤的污染，主要通过两种形式，一是工业废气中的镉随风向四周扩散，经自然沉降，蓄积于工厂周围土壤中，另一种方式是含镉工业废水灌溉农田，使土壤受到镉的污染。因此为了防止镉对环境的污染，必须做好环境保护工作，严格执行镉的环境卫生标准。已经被镉污染的土壤，也一定要采取相应的修复措施。
1.2土壤中镉的来源与分布
1.2.1大气中镉的沉降
大气中的镉经自然沉降和雨淋沉降进入土壤。它主要来自于市区铜矿工业厂、硫酸厂、油漆厂、采矿和化学工业产生的大量废物[2]，由于风的输送,这些细微颗粒中的镉，从工业废物堆扩散至周围地区， 南京某生产镉的重工业厂镉污染叠加已超过当地背景值4. 4 倍，污染以车间烟囱为中心，范围达1. 5 km2。 在公路、铁路两侧土壤中的镉污染，主要来自含镉汽油的燃烧，汽车轮胎磨损产生的含镉粉尘等，成条带状分布，以公路、铁路为轴向两侧镉污染强度逐渐减弱[3]。例如在宁—连一级公路淮阴段两侧的土壤镉含量较高，向两侧含量逐渐降低。由城市—郊区—农区, 随着离城市的距离加大，大气中的镉沉降降低。大气中镉的沉降还与城市的人口密度、城市土地利用率、机动车密度成正相关，重工业越发达，污染相对越严重。此外，大气镉的干湿沉降也可以引起土壤中镉的含量增高。大气镉通过干湿沉降进入土壤后，被土壤中的粘土矿物和有机物吸附或固定，富集于土壤表层，或为植物吸收而转入土壤，造成土壤镉浓度的升高。
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1.2.2污水灌溉
污水灌溉是使用经过一定处理的城市污水灌溉农田、森林和草地。城市污水包括生活污水、 商业污水和工业废水。由于城市工业化的迅速发展，大量的工业废水涌入河道，使城市污水中含有的许多重金属离子，随着污水灌溉而进入土壤。在分布上，往往是靠近污染源头和城市工业区的土壤污染最严重，远离污染源头和城市工业区的土壤几乎不污染。近年污水灌溉已成为农业灌溉用水的重要组成部分，中国20 世纪60 年代至今，污灌面积迅速扩大，以北方旱作地区污灌最为普遍，约占全国污灌面积的90%以上，南方地区的污灌面积仅占6% ，其余在西北和青藏[4]。污灌导致土壤镉含量的增加，淮阳污灌区自污灌以来，镉的含量就逐渐增高，太原污灌区的镉含量远远超过其当地背景值，且积累量逐年增高。 1.2.3污泥施肥
污泥中含有大量的有机质和氮、磷、钾等营养元素，同时也含有大量的镉。随着大量的市政污泥进入农田，使农田中镉的含量不断增高，且污泥施用越多，污染就越严重。每千克城市污泥含镉可高达上千毫克。 据估计，西方国家土壤镉污染中污泥就占了2%～5%。 用城市污水、污泥改良土壤的同时，镉的含量也明显增加[5]。
1.2.4含重金属废弃物的堆积
含重金属废弃物种类繁多，不同种类的危害方式和污染程度都不一样。污染的范围一般以废弃堆为中心向四周扩散。通过对武汉市垃圾堆放场、城市生活垃圾场及车辆废弃场附近土壤中镉污染的研究，这些区域的镉的含量高于当地土壤背景值。镉在土壤中的含量和形态分布特征受其在垃圾中的释放率影响，随距离的加大镉的含量降低。由于废弃物种类不同，各重金属污染程度也不尽相同，如镉渣堆存区的镉为重度污染，其它重金属次之。
1.3镉污染的危害
1.3.1镉对植物的危害
植物受到镉的毒害生物量会下降，甚至不能正常生长。原因在于重金属镉与植物中酶或其他蛋白中的疏基结合使酶蛋白失去活性，减弱了酶的功能或者使其功能丧失受到重金属毒害的植物生理代谢功能发生紊乱，光合作用和呼吸作用降低，细胞膜系统被破坏，阻碍植物的生长发育，甚至导致植物死亡。重金属镉还会对细胞膜透性、膜脂过氧化、渗透调节物质、矿质营养元素吸收等产生影响，从而影响了植物的生理生化代谢。
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1.3.2镉对动物的危害
镉在生物体类的半衰期可以长达20~40年，是一种毒性很强的累积性环境污染物。通过食物链而进入到动物体内的辐会引起动物疾病的发生，具有较强的致癌变、致畸变、致突变等作用，尤其是对肝、肾、肺等内脏器官会产生病理负担，引发肾结石等疾病，继而出现骨质疏松的症状]。镉的危害机理主要是通过使动物体内的酶系统受到抑制，因为镉能与含轻基、氨基、琉基高分子的有机物结合，肝、肾等器官中酶系统受到影响而不能发挥正常功能。 1.3.3镉对人体的危害
镉对人体健康会产生较大的危害，其侵入人体的方式主要是通过呼吸道和消化道。镉非人体所必需的微量元素，其在新生儿体内并不存在，但随着年龄的增长，人体内的镉含量也会升高，人体内含镉量也会升高。镉对人体严重的毒害事件是20世纪50年代发生在日本神通川流域的骨痛病，主要是因为当地农民用铅锌冶炼厂的含镉废水灌溉稻田，使稻谷镉含量严重超标，人们长期食用镉米造成的。“疼痛病”是十大公害病之一，其潜伏期较长，一般为10-30年，主要症状表现为背和腿疼痛、腹胀和消化不良等，严重者还会发生多发性病理性骨折。 骨骼病变还会导致骨质密度降低，表现出骨质疏松等症状。
镉还具有较强的致癌、致畸和致突变作用，对人体的毒害可以分为急性慢性毒 害两种。急性吸入镉的危害性主要表现为肺损害，主要由职业性接触高浓度镉而导致的。吸入中等量的镉蒸气可引起铸造热，经治疗数天可愈。大量吸入镉蒸气后，在一定时间内(4-10h) 会出现呼吸道刺激症状，如咽喉干痛、干咳、胸闷、呼吸困难等，还可表现出头晕、乏力、发热等类似流感症状，严重者还会出现支气管肺炎、肺水肿，最终导致死亡。死亡病例剖检发现支气管和肺部受损害严重。镉化合物可引起急性中毒，误食镉化合物经10分钟至数小时潜伏期后，会出现急剧的胃肠刺激反应，如恶心、腹泻、腹痛等症状，导致全身疲乏、肌肉酸痛和虚脱等。镉慢性毒害包括对肾脏、骨骼、肝脏、心脑血管、生殖系统、免疫系统、遗传等一系列损伤[6]。
镉与含羟基(-OH)/巯基(-SH) 等多种基团的蛋白质分子结合后生成的镉-蛋白质，能抑制许多酶系统，甚至使酶失去生物活性，导致肾/肝等器官中酶系统正常的生理功能受到破坏，从而影响人体对蛋白质/脂肪以及糖类等营养物质的消化和吸收，引发高血压等多种疾病[7]。镉可与锌蛋白酶发生亲合反应，使那些需要锌的酶的生理功能受到干扰，降低其生物活性，使人易患糖尿病等疾病，而且还会使人严重缺锌，诱发多种癌症。
镉还可以占据钙离子通道进入人体细胞内，引起细胞内钙稳态失衡，还可干扰细胞内与钙相关的信息传递系统，产生细胞毒性。研究资料表明：镉能破坏细胞之间的连接，镉还会破坏细胞骨架的完整，损害细胞的功能，镉与骨质磷酸钙发生亲合反应后，使骨骼严重缺钙而变得疏松软化，最后带来严重的骨损伤。
镉还可以通过一些生化反应置换出细胞内的酶类金属，使机体内抗氧化酶的
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活性降低，导致机体清除自由基的能力下降，从而引起氧化损伤，还可以使机体产生氧化自由基和过量的超氧化自由基。也可引起炎症反应，产生氧化损伤，从而削弱机体抗氧化损伤的能力，镉引起的氧化损伤已被看作为镉引起癌变和细胞毒性的一个重要机制。
镉能影响细胞凋亡和增生的有关基因和蛋白质的表达，可以诱导许多早期应激反应基因的异常表达，还可取代锌，与锌脂蛋白结合，从而影响细胞内的调控系统，最终使细胞凋亡，对人体造成严重的伤害。
1.4影响土壤-植物系统中重金属镉的迁移转化因素
1.4.1土壤的理化性质 a．pH值
土壤中重金属的生物有效性及其对生物的毒性主要依赖于重金属自由离子的活性也就是土壤中可溶性或可交换的金属的质量分数，而非这种重金属的总质量分数。土壤pH值是土壤所有参数中影响镉形态和有效性的最重要因素。土壤中镉的有效性即镉在土壤中的化学形态和吸附解吸行为很大程度上受土壤pH值的调节。提高土壤pH值，土壤胶体负电荷增加，H+的竞争能力减弱，使重金属被结合得更牢固，多以难溶的氢氧化物或碳酸盐及磷酸盐的形式存在，镉的有效性就大大降低了[8]。
b．有机质
关于有机质对土壤重金属化学行为的影响国内外也进行了不少研究。土壤中的有机物质具有大量的功能团，对Cd等重金属离子的吸附能力远远高于其它任何矿质胶体，更重要的是，有机质分解形成的小分子有机酸、腐殖酸等可与重金属结合形成稳定的络合物，从而降低Cd的活动性。研究表明，Cd污染的土壤中添加有机肥后，有机络合态的Cd明显增加，而水溶态和交换态Cd的质量分数则明显降低，即土壤中有效态Cd的质量分数降低。多次实验结果证明，有机肥对Cd-Zn复合污染的土壤具有明显的调控作用，Cd-Zn复合污染的土壤中施加猪厩肥显著地降低了Cd、Zn对生长的小麦的毒性，提高了小麦产量[9]。可能施加猪厩肥一方面是形成有机络合物，另一方面是提高了土壤的pH值，从而降低了Cd、Zn的有效性。 1.4.2植物种类
植物因品种不同对镉富集特性也不同，同种类植物中的镉含量存在差异，除了与植物本身的特性有关，也与植物所处的环境有关。植物对镉的吸收既有主动
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吸收，也有被动吸收。不同植物吸收重金属的差异与植物对重金属的响应途径不同有关，一般为了减轻重金属的毒害作用，植物通过将重金属镉与体内小分子配体形成络合物来减轻毒性，主要是通过植物体内细胞质中的有机酸、氨基酸、蛋白质、多肽等有机物与其结合[10]。富集重金属镉能力强的植物种类，其植株吸收和转运镉的能力也较强。 1.4.3植物不同部位
重金属镉被吸收利用后，在蔬菜不同部位进行累积，各器官内镉表现出不同的分布。姜芳指出可以根据镉在蔬菜体不同器官含量的多少，将蔬菜体内的镉累积分布做以下几种类型的划分:A.根、叶>茎、果；B.叶>果、根、茎；C.果>叶、根、茎；金国贤等认为有些蔬菜具备有特殊富集能力的器官，可以将污染物储存在其中[11]，例如胡萝卜的根，对镉有强烈的富集作用。蔬菜不同部位侧重吸收的镉的形态不同，有关研究指出对油菜整株及根部吸收镉贡献量最大的是碳酸盐结合态镉，对油菜茎、叶部位吸收镉贡献量最大的是铁猛氧化物结合态镉。李学德等通过调查合肥市市场出售的蔬菜中重金属镉的含量，青菜中镉的含量为叶>茎，疲菜的镉含量为叶>根>茎，青菜与疲菜均属于叶菜类，表明虽然蔬菜品种相同，但蔬菜不同部位镉含量相差较大[12]。
1.5镉污染的治理方法
1.5.1控制镉污染源
保证土壤和植物不受到重金属镉污染最好的解决方法是避开土壤中镉的来源，首先要对会产生镉污染的来源进行阻断，并对已经产生镉污染的来源进行合理的控制，防止重金属搞进入到土壤环境中，降低其对环境的危害。政府和环保部门应该加强对会产生镉污染的工矿企业管理，保证含镉污染物及污水的达标排放[13]。从源头上进行控制，杜绝肥料、农药中的重金属镜进入土壤环境中。 1.5.2增加改良剂
通过施用土壤改良剂可有效降低土壤中重金属镉的含量，因为土壤中的镉在改良剂作用下活性被降低。目前对土壤改良剂的研究较多，邱孝煊等研究表明石灰、厭肥、硫化钠可明显的降低蔬菜镉污染，蔬菜中镉含量下降了 7.7%~23.1%，土壤中镉有效态含量降低了 4.3%~14.5%，石灰、厩肥、硫化钠可以用作土壤改良剂来使用[14]。刘传平等在研究中利用溶液培养法种植植物，并施加外源还原型谷胱甘肽到溶液中，结果发现谷胱甘肽促进了植物根系的生长，降低了植物地上部分搞的含量，可有效缓解镉对植物的毒害作用[15]。黎永艳和邱棋伟提出需要加强蔬菜生产的管理方式，除了合理使用农药外，更提倡使用生物肥料，来减少蔬菜体内重金属镉的残留。
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1.5.3调节土壤pH值
土壤pH值高时，重金属离子的活性会大大降低，许多研究表明土壤中重金属镉的活性与土壤pH值呈负相关[16]。目前许多研究釆用提高土壤pH值的方法来降低土壤中镉的含量，从而减少蔬菜中重金属镉含量。常采用的方法是向土壤中添加CaC03、Ca(H2P04)2、煤渔灰等碱性物质来提高土壤pH值。
1.5.4合理施用有机肥
有机物作为改良剂被广泛应用在土壤重金属污染的修复中，因为有机物可通过吸附、螯合等作用固定重金属，同时有机物在分解时会形成还原性条件有利于形成沉淀，使镉被固定，降低土壤中镉的有效性。杨程程等通过盆栽和大田实验的研究，发现有机肥与对照相比，降低了辣椒中镉的累积量[17]。张亚丽等的研究结果表明不同类型有机肥的施用促进交换态镉向结合有机态、猛氧化物结合态镉转化，可以显著降低盆栽实验土壤中有效性镉的含量。要根据实际情况合理施用有机肥，因为有机肥对镉的作用在不同的土壤上表现并不一致，在有些使用有机肥的土壤中镉的含量反而会增加，因此要合理施用有机肥，是否选择施用有机肥要根据不同土壤慎重对待。 1.5.5植物修复
a. 植物修复的概念和分类
植物修复就是利用某些可以忍耐和超富集有毒元素的植物及其共存微生物体系清除污染物的一种环境污染治理技术。用来植物修复的植物可以是草、树木、农作物等等。但它们必须能够在污染的土壤上正常生长，自身的生长没有受到抑制等特性。一般植物修复可以分为以下几类:植物萃取、植物降解、植物钝化、根际过滤、植物挥发和利用植物去除空气中的污染物。相对于污染土壤治理的常规方法如客土法、淋溶法、吸附固定法等[18]，植物修复技术以其廉价、清洁、生态友好等优势，受到国内外学术界和产业界的密切关注，表现出潜在广阔的市场需求。植物萃取被广泛运用于重金属污染土壤的修复。它就是利用一些植物对一种或几种重金属的大量吸收并将其积累在其地上部分，通过收获其地上部即可减少其在土壤中的含量，并对收获的地上部分进行集中处理，还可以达到回收重金属的目的。
植物钝化也被运用于修复重金属污染的土壤。它利用特殊植物将重金属钝化/固定，降低其植物有效性及迁移性，使其不能为植物所利用[19]。一般可通过以下几种方式钝化下来：一、重金属被植物的根吸收，并在根部富集；二、被吸附到根的表面，未进入根部；三、在根际的土壤中钝化沉淀下来，被阻止进入植物体内。
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b. 超富集植物和非超富集植物的镉的植物修复
超富集植物就是可以在其组织里富集高含量的重金属的植物，且地上部分的重金属浓度要比根部的重金属浓度高。Cd超富集植物的枝叶中的Cd含量的临界标准要高达100 mg/kg。近年来发现天蓝遏蓝菜和拟南芥既是Zn的超富集植物，又是的超富集植物。镍的超富集植物遏蓝菜中Cd的含量也可以达到830mg/kg。聂发辉证实商陆也是Cd的一种超积累植物，体内可富集镉达700 mg/kg。此外刘威等人通过野外调查和温室实验，发现并证实宝山堇菜是一种Cd超富集植物。在自然条件下，宝山堇菜地上部Cd平均含量为1168 mg/kg，变化范围为465~2310mg/kg[20]。虽然超富集植物在重金属污染严重的地区能够找到，然而，由于自然界中已发现的绝大多数重金属超富集植物往往生长周期长、生物量少、植株矮小，因而限制了其对污染土壤重金属的移除效率，也不利于大面积的机械化操作。相对于超富集植物，筛选以体外抗性为主导机制的重金属排异非超富集植物，尤其是农作物，也成为现在很多研究工作的重点。这为污染土壤的再利用提供了一种崭新的广阔的途径。这种具有体外抵抗重金属胁迫的农作物，可以减少重金属向其可食部位转移、积累，保证了产品在污染的土壤上生长而符合人类食用安全标准。但这种在自然界中天然的、具有重金属抗性的植物报道得却非常少。
超富集植物和具有抗性植物的自然筛选和运用都受到很多的限制，因此有人提出用基因工程技术同植物修复相结合的办法来改良植物对重金属的抗性，增加或减少重金属在植物体内的累积量来进行污染土壤的生态恢复和农业生产，以减少食物链受重金属污染。一部分，将超富集植物的相关基因转移到生物量较大的植物体内，培养出新的超富集植物品种，将其运用到污染土壤的修复；另一部分，研究植物低吸收的遗传机制和基因，通过基因工程转移到农作物上去，培育出重金属抗性强，吸收少，产量高，品质好的品种，以保证日益严重的重金属污染条件下的农业生产顺利进行[21]。但很多学者都很担心这是否是一种可靠的办法，人们害怕经过若干年后会由于基因飘散影响到那些自然物种的基因的纯洁性，这在很大程度上会使自然界失去物种的多样性。
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2 研究背景、研究方法和研究内容 2研究背景、研究方法和研究内容
2.1研究背景
目前，我国土壤镉污染比较严重。镉是毒性最强的重金属元素之一，土壤中过量的镉会抑制植物的正常生长，还会通过食物链影响到人体的健康。应用植物修复技术治理镉污染土壤绿色、廉价，已成为世界环境修复技术与工程科学研究的热点和前沿领域之一[22]。筛选镉超累积植物是该技术的关键，但目前已发现的镉超累积植物较少，公认的几种植物因植株矮小、生长缓慢等原因限制了其在实际中的应用。
结合目前中国农业发展现状及农田土壤重金属镉污染程度，为保障蔬菜生产的质量安全，使农业发展更加规范合理化，以便取得更好的社会效益和经济效益。针对我国农产品产地环境质量安全评价标准体系不健全的问题，综合考虑土壤污染情况，在我国蔬菜主要产区，选择数种蔬菜进行研究，针对各类蔬菜对镉的吸收累积特征，建立土壤重金属镉的分析及安全评价。参照国家食品卫生标准，确定基于蔬菜质量安全的土壤重金属临界含量。进一步对土壤镉污染的程度进行等级划分，人们就可以根据污染等级对土壤环境状况进行直观的了解，从而采取相应的措施，为保障我国蔬菜质量安全提供技术支撑。在生产中，根据菜地土壤中的重金属镉含量及土壤性质可以对蔬菜重金属镉污染做出风险预警，从而指导其安全生产，保障所种植蔬菜的重金属镉含量控制在安全标准以内[23]。
2.2研究方法
实验选择生活中常见的的8种蔬菜分别编号为1白萝卜、2小青菜、3油麦菜、4生菜、5茼蒿、6小葱、7空心菜、8菠菜，分春秋两季种植，调节镉污染土壤的pH值分别为a6.0、b8.0，在镉污染土壤中生长6周后，分别收获地上部和地下部，测定植物各部分生物量，经过混合酸加热消解后，测定地上部和地下部的镉浓度以及土壤中的镉残留量。比较不同植物的镉累积量和迁移率。实验思路见图2.1。研究8种蔬菜对金属镉的吸收特征，比较各类蔬菜的镉富集能力，研究蔬菜不同部位吸收镉的特征，即白萝卜、空心菜等具有明显上下分界的蔬菜的地上地下部分蔬菜不同部位重金属镉的含量特征，及其与土壤中镉残留量的相关性分析研究。
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地上镉含量地下镉含量原土镉含量残留镉含量盆栽实验 蔬菜 实验 超富集 高富集 低富集 实验组 平行组 空白组 测定指标 测定指标 数据分析 得出结论 图2.1实验思路
2.3研究内容
2.3.1不同植物对镉的吸收累积差异
挑选8种植物，进行土培实验，研究不同植物对镉的吸收累积差异，所用土壤为西安东查寨污灌区土壤，参照沈阳张士灌区土壤含镉量，每千克土壤中添加外源镉5mg。根据植物生长所需要的养分，添加适量的氮、磷、钾。种植6周后分别收获其地上、地下部分，测定植物地上、地下及种植前后土壤中的镉含量。 2.3.2 pH对植物中镉累积与土壤残留的影响
实验中分别设立pH为6.0和pH为8.0的两组土壤，进行种植培养，比较其
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长势，测量同种植物在不同pH的土壤中地上、地下部镉含量以及其相关性。 2.3.3镉在植物中的累积与土壤残留的相关性
分别测定植物种植前后土壤中的镉含量，确定镉在土壤中的残留量。比较分析每组平行实验中土壤残留量的差异以及植物中镉含量与土壤中镉的残留量之间的相关性。
2.4实验药品及仪器
实验所用药品如表2.1所示，仪器如表2.2所示。
表2.1实验药品
药品 高氯酸 浓硝酸 硝酸镉 磷酸氢二钾 尿素
纯度 分析纯 优级纯 分析纯 分析纯 分析纯
生产厂家及
西安化工试剂厂 西陇化工股份有限公司
北京化工厂 天津市天大化学试剂厂 派尼化学试剂厂
表2.2实验仪器
仪器 可调式电热板 原子吸光光度仪 电子分析天平 电热恒温鼓风干燥箱
超纯水器
生产厂家
北京科伟永兴仪器有限公司
日立公司
丹佛仪器（北京）有限公司 上海齐欣科学仪器有限公司 成都超纯科技有限公司
型号 ML-1.8-4 Z-5000 TP-214 DHG-9245A KL-UP-III-10
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3 结果分析与讨论 3 结果分析与讨论
3.1不同植物地上部与地下部生物量
种植6周后，分别收取其地上部分和地下部分，用去离子水洗净，晾干，测定其鲜重结果见表3.1、表3.3，放入烘箱于105℃杀青30min，70℃烘至恒重，取出转移至通风橱中冷却后称重，测定其干重结果见表3.2、表3.4。
表3.1春季不同种类植物地上、地下部生物量（鲜重g/pot）
1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a
地上部 25.47 27.28 34.31 25.01 26.14 32.37 31.25 24.11
地下部 5.41 4.05 7.10 5.08 4.33 5.14 5.05 4.03
编号 1b 2b 3b 4b 5b 6b 7b 8b
地上部 24.77 26.81 33.25 24.18 25.46 31.73 30.94 25.49
地下部 5.37 4.02 7.15 5.06 4.28 5.12 5.12 4.02
表3.2春季不同种类植物地上、地下部生物量（干重mg/pot）
编号 1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a
地上部 516.5 447.2 214.8 201.9 358.1 133.5 181.2 247.6
地下部 31.5 13.8 6.4 8.1 11.5 9.4 15.5 12.7
编号 1b 2b 3b 4b 5b 6b 7b 8b
地上部 471.6 425.1 250.2 142.9 313.5 97.7 169.1 239.4
地下部 27.6 12.3 4.5 6.9 12.7 8.6 11.9 10.5
同样的方法将秋季植物收获后进行称重，结果见表3.3、表3.4。
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表3.3秋季不同种类植物地上、地下部生物量（鲜重g/pot）
编号 1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a
地上部 24.21 26.27 31.76 23.04 23.84 30.94 30.47 22.32
地下部 5.22 4.04 7.11 5.08 4.21 5.27 5.05 4.02
编号 1b 2b 3b 4b 5b 6b 7b 8b
地上部 23.71 24.02 33.15 23.76 23.17 30.46 30.82 24.51
地下部 5.14 4.09 7.02 5.03 4.17 5.23 5.09 4.02
表3.4秋季不同植物地上、地下部生物量（干重mg/pot）
单位：
1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a
地上部 425.1 301.5 142.9 89.7 226.1 52.4 77.1 147.9
地下部 29.5 4.3 1.9 9.3 11.4 17.2 3.7 1.6
编号 1b 2b 3b 4b 5b 6b 7b 8b
地上部 401.6 284.1 150.2 77.4 213.9 52.3 42.6 152.7
地下部 27.9 5.5 2.1 7.4 9.8 16.7 2.5 2.7
植物种类不同，生长周期不同，地下部块茎分布不同，都会影响其生物量的比较。由表3.1、表3.2可以看出，不同种类的植物在同一个季节里，酸性土壤中的植物长势强于碱性土壤,造成该差异的原因是不同种类植物的基因型不同造成它们的生物量不同。由表3.2、表3.4可以看出，不同种类的植物在相同pH值的土壤中，春季植物的长势高于秋季，原因是春季温度和湿度均高于秋季，更利于植物的生长。
3.2不同植物对镉的吸收累积差异
对8种植物样品进行消解定容，用ICP测定样品溶液中镉含量。结果见表3.5、表3.6，不同种类的植物对于镉的累积有明显差异，春季植物地上部镉含量最高的品种是茼蒿，镉浓度为69.91mg/kg，镉含量最低的品种是小葱，浓度为0.47mg/kg，二者相差69.44mg/kg；地下部镉含量最高的品种为茼蒿，浓度为70.03mg/kg，含量最低的品种为小葱，浓度为0.51mg/kg，二者相差69.52mg/kg；
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秋季不同植物地上部镉含量最高的品种为茼蒿，浓度为71.5mg/kg，含量最低的品种为小葱，浓度为0.76mg/kg，二者相差70.74mg/kg；地下部含量最高的品种为茼蒿，浓度为70.44mg/kg，含量最低的品种为小葱，浓度为1.03，二者相差69.41mg/kg。实验中所测的8种植物的富集能力从强到弱依次是：茼蒿、小青菜、生菜、菠菜、油麦菜、白萝卜、空心菜、小葱。造成这种差异的原因是不同植物基因型的不同，对镉的吸收累积能力不同，同时植物各自生物量存在有一定差异，使其最终富集的镉浓度不同。测的结果发现，不同植物地下部镉累计量均高于地上部，其比值最大相差1.07倍，表明植物对镉的吸收累积过程是先由根部吸收累积然后部分传输到地上部分，植物地上部生物量的差异以及蒸腾速率的不同都会影响镉在植物体中的迁移和分布。
表3.5春季不同植物地上、地下部镉含量（单位：mg/kg）
编号 1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a
地上部 3.01 ± 0.02 56.28 ± 0.03 3.90± 0.01 21.04 ± 0.03 69.91 ± 0.04 0.47 ± 0.02 1.82 ± 0.02 19.47 ± 0.02
地下部 3.28±0.01 57.44±0.04 4.19±0.02 23.05±0.03 70.03±0.04 0.51±0.01 2.17±0.01 20.29±0.02
编号 1b 2b 3b 4b 5b 6b 7b 8b
地上部 2.87 ± 0.01 55.41 ± 0.03 3.30 ± 0.02 20.73 ± 0.03 70.05 ± 0.05 0.93 ± 0.01 1.62 ± 0.01 18. 60 ± 0.02
地下部 3.06±0.02 56.97±0.03 3.84±0.02 22.07±0.03 70.35±0.06 0.84±0.01 1.93±0.01 19.82±0.02
注：表中数据表示为均值±标准差。下同
表3.6秋季不同植物地上、地下部镉含量（单位：mg/kg） 编号 1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a
地上部 2.24±0.01 55.32±0.04 2.40±0.02 19.28±0.03 71.50±0.04 0.65±0.01 2.05±0.02 17.22±0.02
地下部
编号 1b 2b 3b 4b 5b 6b 7b 8b
地上部 4.78±0.02 54.90±0.03 2.25±0.01 19.05±0.02 70.44±0.04 1.03±0.01 1.87±0.01 16.91±0.03
地下部
2.46±0.02 57.25±0.05 2.85±0.01 20.14±0.02 72.40±0.03 0.76±0.01 2.36±0.02 18.70±0.03
2.03±0.01 57.00±0.04 2.49±0.02 19.86±0.03 72.37±0.03 0.88±0.01 2.01±0.01 18.29±0.02
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3.3 pH对植物中镉累积与土壤残留的影响
土壤中pH以及镉含量限量值采用土壤环境质量二级标准见表3.7[25]，根据国标设定实验中酸性条件土壤pH为6.0编号为a，碱性条件土壤pH为8.0编号为b。
表3.7土壤中对应pH下镉污染限值
研究对象 土壤
分类 pH<6.5 pH6.5-7.5 pH>7.5
Cd限量值（mg/kg）
0.3 0.3 0.6
比较两个季度不同植物在不同pH下的镉累积量，结果见表3.8、表3.9。根据计算，春季酸性土壤中不同植物地上地下部分镉富集均值为：44.61mg/kg；春季碱性土壤中不同植物地上地下部分镉富集均值为：44.04mg/kg；秋季酸性土壤中不同植物地上都下部分镉富集均值为：43.45mg/kg；秋季碱性土壤中不同植物地上地下部分镉富集均值为：43.27mg/kg。春季碱性土壤中植物的镉富集量是酸性土壤中的98.7%；秋季碱性土壤中植物的镉富集量是酸性土壤中的99.5%。
表3.8酸性土壤中植物地上、地下部镉含量（单位：mg/kg）
春季 1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a
地上部 3.01 ± 0.02 56.28 ± 0.03 3.90 ± 0.01 21.04 ± 0.03 69.91 ± 0.04 0.47 ± 0.02 1.82 ± 0.02 19.47 ± 0.02
地下部 3.28±0.01 57.44±0.04 4.19±0.02 23.05±0.03 70.03±0.04 0.51±0.01 2.17±0.01 20.29±0.02
秋季 1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a
地上部 2.24±0.01 55.32±0.04 2.40±0.02 19.28±0.03 71.50±0.04 0.65±0.01 2.05±0.02 17.22±0.02
地下部
2.46±0.02 57.25±0.05 2.85±0.01 20.14±0.02 72.40±0.03 0.76±0.01 2.36±0.02 18.70±0.03
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表3.9碱性土壤中植物地上、地下部镉含量（单位：mg/kg）
春季 1b 2b 3b 4b 5b 6b 7b 8b
地上部 2.87 ± 0.01 55.41 ± 0.03 3.30 ± 0.02 20.73 ± 0.03 68.05 ± 0.05 0.93 ± 0.01 1.62 ± 0.01 18. 60 ± 0.02
地下部 3.06±0.02 56.97±0.03 3.84±0.02 22.07±0.03 68.35±0.06 0.84±0.01 1.93±0.01 19.82±0.02
秋季 1b 2b 3b 4b 5b 6b 7b 8b
地上部 4.78±0.02 54.90±0.03 2.25±0.01 19.05±0.02 70.44±0.04 1.03±0.01 1.87±0.01 16.91±0.03
地下部
2.03±0.01 57.00±0.04 2.49±0.02 19.86±0.03 72.37±0.03 0.88±0.01 2.01±0.01 18.29±0.02
图3.1、图3.2可以看出，春季在酸性土壤中对于镉富集能力最强的植物品种是茼蒿，其浓度为69.91mg/kg，而其在碱性土壤中同样为富集能力最强的植物，浓度为68.05mg/kg，比酸性土壤中少1.86mg/kg，而秋季不同的植物也表现出相似的差异。此结果表明，春秋两季酸性土壤中植物对镉累积量均大于碱性，出现此差异的原因是土壤pH值对植物吸收累积重金属的影响，土壤pH值越高，土壤胶体负电荷增加，H+的竞争能力减弱，使镉元素被结合得更牢固，以难溶的氢氧化物或碳酸盐及磷酸盐的形式存在，被植物吸收累积的量就会有所降低。相反pH值越低，H+浓度越高，金属离子大多以游离态存在，更有利于植物根系对重金属离子的吸收。同时较多的氢离子也会促进根基分泌物的产生，使得重金属离子较易吸附在植物的根系，从而进一步向植物体内移动。
图3.1春季不同植物在不同pH中的镉含量
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图3.2秋季不同植物在不同pH中的镉含量
3.4镉在植物中的累积与土壤残留的相关性
3.4.1土壤中镉的残留
植物收获以后对每盆中的土壤进行消解，测量得出每盆中的镉残余量，并于空白对照组中的土壤镉含量进行比较，分别计算每盆植物吸收的镉含量，得出不同植物对镉的吸收量。测量及计算结果见表3.10、表3.11所示。其中空白实验组镉残余量=每盆加入外源镉量+原土壤镉含量。实验组镉残余量+吸收量=空白实验组镉总含量。综合表中数据可以看出，一号白萝卜、三号油麦菜、和六号小葱、七号空心菜土壤中残余量大，表明这四种植物较其他植物对镉的富集能力较差。且春季种植的植物较秋季种植的植物富集能力略强。
表3.10春季土壤中的镉残留量以及吸收量（单位：mg/kg）
编号 空白 1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a
残余量 6.5 6.24 5.57 6.03 5.65 5.25 6.45 6.29 5.98
吸收量 0.26 0.93 0.47 0.85 1.25 0.15 0.21 0.52
编号 空白 1b 2b 3b 4b 5b 6b 7b 8b
残余量 6.4 6.18 5.68 5.99 5.62 5.23 6.28 6.22 5.94
吸收量 0.22 0.82 0.41 0.78 1.17 0.12 0.18 0.46
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表3.11秋季土壤中的镉残留量以及吸收量（单位：mg/kg）
编号 空白 1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a
残余量 6.4 6.24 5.57 5.82 5.77 5.31 6.18 6.2 5.94
吸收量 0.16 0.83 0.58 0.63 1.09 0.22 0.2 0.46
编号 空白 1b 2b 3b 4b 5b 6b 7b 8b
残余量 6.6 6.08 5.72 5.91 6.03 5.62 6.39 6.14 6.05
吸收量 0.52 0.88 0.69 0.57 0.98 0.21 0.46 0.55
3.4.2相关性分析
用植物体对镉的富集系数以及转运系数来衡量植物的镉富集能力大小以及植物中镉含量与土壤中镉含量的关系。富集系数和转运系数的计算公式如式3.1和式3.2所示。
植物体中镉浓度 富集系数 （式3.1） 土壤中镉浓度 转运系数
表3.12春季不同种类植物在土壤中的富集转运系数
编号 1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a
富集系数 1.01 20.42 1.34 7.8 26.66 0.15 0.63
转运系数 0.92 0.98 0.93 0.91 0.99 0.92 0.84
编号 1b 2b 3b 4b 5b 6b 7b
富集系数 0.96 19.78 1.19 7.62 26.84 0.28 0.57
转运系数 0.94 0.97 0.86 0.94 0.99 1.11 0.84
地上部分镉含量（式3.2）
地下部分镉含量17
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8a
6.65
0.96
8b
6.47
0.94
表3.13秋季不同种类植物在土壤中的富集转运系数
编号 1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a
富集系数 0.75 20.21 0.9 6.83 27.01 0.23 0.71 6.05
转运系数 0.91 0.97 0.84 0.96 0.99 0.85 0.87 0.94
编号 1b 2b 3b 4b 5b 6b 7b 8b
富集系数 1.12 19.56 0.8 6.45 25.41 0.3 0.63 5.82
转运系数 2.35 0.96 0.9 0.96 0.97 1.17 0.933 0.92
植物的富集系数可以表示出不同植物对元素的富集能力，富集系数越大，表示该植物对镉元素吸收富集能力越强。其中茼蒿、小青菜，富集系数最大，属于超富集植物；生菜、菠菜次之，属于高富集植物，而油麦菜、白萝卜、空心菜、小葱富集系数最低，属于低富集植物。超富集植物对污染土壤的修复效果主要取决于植物地上部生物量、植物生长速度、植物地上部对污染元素的生物富集系数以及植物对污染元素的耐性等元素。茼蒿、小青菜地上部不仅能够富集大量的镉，且生长速度快，生物量大，尤其茼蒿，株高可达1m，茼蒿在含镉量约为6mg/kg的土壤中的富集系数可达到27.01（7-80），这表明即使在含镉量很低的正常土壤中，茼蒿也能大量富集镉，因此它可作为修复土壤镉污染的重点对象植物。
植物的转运系数反应植物从地下部到地上部的转运能力，转运系数越大，表示植物通过根部吸收的镉转运到茎叶部越多，本次实验中植物的转运系数均在0.95左右。
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4 结论与展望 4 结论与展望
选取8种植物分春秋两季在pH为6.0和pH为8.0的土壤中进行土培实验，分别测定了其地上、地下部以及不同酸碱性土壤中镉的累积差异，计算了富集系数与转运系数，分析了造成各差异的原因。
4.1结论
1. 不同种类的植物在酸碱性条件下的长势基本一致，酸性条件下的植物鲜干重均略高于碱性土壤。
2. 8种植物的镉元素富集能力从大到小依次是茼蒿、小青菜、生菜、菠菜、油麦菜、白萝卜、空心菜、小葱。
3. pH会影响植物对镉的吸收累积，酸性土壤中镉累积量最高的浓度为71.50mg/kg，碱性土壤中镉累积量最高的浓度为70.44mg/kg，说明酸性土壤中植物对镉的累计吸收强于碱性土壤。
4. 植物的富集系数可以表示出不同植物对元素的富集能力，茼蒿富集系数最大，可达到27.01，表示其对镉元素吸收累积能力最强。小葱富集系数最小，只有0.23，表示其对镉元素吸收累积能力最弱。
4.2展望
本次实验所测的元素镉只是众多金属污染物其中的一种，虽然现今关于重金属污染都有一定的处理手段，但是植物修复技术更为绿色环保而且运作成本低，希望可以推广到科学研究工作中去，结合不同地区特有的土壤理化性质及当地典型气候条件,开展不同区域间研究工作的配合,更好地建立起完备的土壤一植物系统镉污染体系,实现对全国土壤、植物重金属镉污染的防止与控制。
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参考文献
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致谢
致谢
这篇论文的诞生为我的毕业设计画上句点,首先要感谢的是我的导师高茜蕾老师,高茜蕾老师在我的实验过程中一直扮演着良师益友的角色,让我的成长不局限于学习知识,更重要的体现在做人的态度和做事的风格方面。感谢我的导师用她严谨的科研精神、认真负责的工作作风、善解人意的生活态度,为我上了人生最重要的启迪课,成为我人生之路上的风向标,让我寻找到真实的自我。传道授业解惑的老师们,是为我打开人生智慧之门的智者,是我一生最宝贵的财富,在结束之际要感谢所有教过我的老师们。如赵婧老师和刘增超老师，他们教会我使用各种高端的分析仪器，在实验误入歧途时及时的纠正，才使得本实验能够顺利的完成。另外还要感谢跟我同组实验的同学们，许乐、刘少磊等，他们用认真踏实的态度努力向上，给了我极大的帮助。我觉得自己很幸运,可以在优良的实验环境中完成自己的课题实验,同时又在一种和谐友好的氛围中得到更多关爱,更好发展。感谢你们,你们都是我最爱的家人 ,作者会继续勇往直前,向着美好的明天不断前进！
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毕业论文独创性声明
毕业论文独创性声明
秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。
毕业设计（论文）与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
毕业设计（论文）作者签名：
指导教师签名：
日期：
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