土壤外源锌的植物毒害主控因子和预测模型研究

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近年来,我国土壤锌污染正在以不同尺度呈现蔓延趋势。而我国目前正在实施的《土壤环境质量标准》已不能满足实际应用的需求,鉴于此本研究内容包括:1)采用逻辑斯蒂克分布(Log-logistic distribution)模型结合物种敏感性分布方程BurrIII分析,研究了2种不同土壤中添加不同水平的外源锌后,土壤中锌对8种不同植物毒性的剂量-效应关系及不同植物对外源锌毒害的敏感性差异。然后,采用敏感性筛选试验筛选出来的锌敏感植物的生长情况作为测试终点,来评价土壤重金属对植物产生的毒害作用。2)根据我国土壤pH值和土壤有机质含量分布的规律,选取了我国16个位点的典型土壤的0~20cm耕作土层土壤,以对添加土壤外源锌的土壤进行淋洗和非淋洗两种不同的处理方法,以敏感性试验筛选出的大麦、西红柿和小白菜作为供试植物,分别以大麦根伸长抑制率、西红柿和小白菜地上部分干重量指标为评价终点。采用逻辑斯蒂克分布(Log-logistic distribution)模型来拟合土壤外源锌与植物生物量之间的剂量-效应关系,确定土壤外源锌对植物的毒性阈值,运用多元回归方程来确定影响土壤外源锌对植物产生毒性作用的土壤主控因子,研究土壤主要性质之间与锌的毒性阈值之间的量化表征关系,最后建立土壤外源锌对植物毒性的预测模型。研究结果表明:(1)土壤中添加低浓度(<100mg kg-1)Zn能对植物生长产生刺激效应,而过量的Zn则产生明显毒害作用。土壤中Zn毒性的阈值浓度(ECx)在不同品种植物间有较大差异,这主要与植物品种及土壤性质差异有关。不同土壤中Zn植物毒性的敏感性分布结果表明,不同基因型植物对Zn毒性的敏感性频次分布有明显差异,其中叶菜类植物对土壤中Zn的毒害较为敏感,而禾本科类植物(如玉米)对Zn具有较强的抗性,不同类型植物对土壤中Zn毒害的敏感性分布频次顺序与土壤性质无关。(2)16种土壤中,土壤锌浓度与作物生物量具有良好的剂量-效应曲线。作物生物量随外源锌浓度逐渐增加而呈现降低的趋势。在本试验中,还出现低剂量毒物刺激效应(hormesis),即低浓度的毒物对作物生长产生刺激作用,使作物的生物量大于对照组的生物量。在16种非淋洗和淋洗处理的土壤上,土壤外源锌对大麦根伸长的毒性阈值EC50值的范围分别从从302mg·kg-1增加到4520mg·kg-1和从534mg·kg-1增加到4723mg·kg-1,其最大值和最小值比例分别达到了15.0和8.8倍。根据试验数据,建立了土壤外源锌锌影响大麦根伸长的毒性模型:Log EC50=0.241+0.224pH+0.627OC+0.502CEC(R2=0.75,非淋洗土壤),Log EC50=1.874+0.431pH+0.614OC+0.135CEC(R2=0.82,淋洗土壤)。(3)土壤外源锌对西红柿生长毒害的EC50值范围分别从293mg·kg-1增加到1820mg·kg-1和从450mg·kg-1增加到1320mg·kg-1,其最大值和最小值比例分别达到了6.2和2.9倍。多元线性回归分析显示,土壤中外源锌对西红柿生长毒性作用主要受土壤pH值的影响,其次是土壤有机碳和阳离子交换量,当向多元回归方程中进一步引入土壤有机碳(OC)因子和土壤阳离子交换量(CEC)时,非淋洗和淋洗土壤的EC50值对数的回归方程的决定系数r2由0.39和0.49分别提高到了0.70和0.72。影响西红柿生长毒性模型:Log EC50=2.054+0.403pH+0.432OC+0.509CEC(R2=0.70,非淋洗土壤),LogEC50=3.482+0.135pH+0.464OC+0.138CEC(R2=0.72,淋洗土壤)。(4)小白菜生物量试验的EC50范围分别从319mg·kg-1增加到990mg·kg-1和从417mg·kg-1增加到1042mg·kg-1其最大值和最小值比例分别达到了3.1和2.5倍。本研究结果证实了利用土壤理化性质(土壤pH值、土壤有机碳含量和土壤阳离子交换量)可以很好地预测土壤中外源锌对西红柿生长的毒性作用阈值。土壤中外源锌对小白菜生长毒性作用与西红柿的情况类似。影响小白菜生长毒性模型:Log EC50=4.132+0.160pH+0.632OC+0.566CEC(R2=0.76,非淋洗土壤),Log EC50=3.917+0.636pH+0.486OC+0.375CEC(R2=0.82,淋洗土壤)。(5)淋洗使土壤锌对植物的毒性明显降低,尤其是在pH>8的土壤(廊坊砂质土壤除外)上。此研究结果说明今后在田间土壤重金属锌的风险评价中,需要考虑淋洗对锌毒害的影响。通过分析土壤pH值与锌分配系数Kd的关系发现,除了海口土壤以外,锌分配系数Kd值与土壤pH值呈现较好的线性关系,相关系数达到0.7985。影响锌分配系数Kd值变化的主要因子为土壤pH值,其次为阳离子交换量(CEC)或土壤有机碳含量(OC)。本研究为土壤锌污染的生态风险评估提供了大量的基础数据并积累了一定的研究经验,并且为我国修订土壤锌的环境质量标准提供了科学的基础依据。
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