农田生态系统镉污染研究

【摘要】：自1961年日本报道镉(Cd)污染引发“痛痛病”之后，农田Cd污染控制技术研究一直成为农业和环境科学领域的研究热点。关于Cd污染土壤治理的策略主要有净化和解毒两种。20世纪80年代中期以后出现了生态防护的策略，主要体现在植物固定方面。上述污染治理策略及研究提出的技术对控制农田Cd污染危害无疑产生了积极作用，但也存在明显的局限性，不能满足污染治理的实际需要。为此，作者基于生态避害理论，提出了“污染农田农业生态整治与安全高效利用”的新策略。指出Cd污染土壤是一种特殊的农业资源，通过选用生理上耐Cd能力强、产品质量受污染影响小的栽培植物，构建安全高效的经济生态模式，即可将Cd污染治理寓于农田土壤高效利用过程之中。为了成功实施该治理策略，对我国南方地区主要适生栽培植物的耐Cd性进行了鉴定，同时对不同利用模式下Cd在土壤—植物(动物)系统中的迁移行为及其生物学与生态学毒害效应进行了系统的研究，取得如下主要结果： 1 禾谷类作物无论其生理耐Cd能力强弱，由于Cd容易在籽粒中积累，导致产品的食(饲)用价值丧失，因此应归于污染敏感型作物，不宜在Cd污染区种植；油料作物中的油菜和花生对Cd的生理耐性较强，Cd在种子油中的残留量低于国家食品卫生标准，可以作为抗Cd污染作物在污染土壤上种植，但是，其油粕含Cd量高，不能作为饲料或肥料利用。甘蔗和柑橘对Cd的生理抗性强，Cd向收获产品(蔗糖／橘瓤)部分的迁移少，对卫生品质影响小，可作为抗Cd污染作物在轻度污染地区种植，但蔗渣和橘皮应作为污染物妥善处理。纤维作物棉花、红麻、苎麻和蚕桑对土壤Cd污染都有不同程度的生理耐受性，产品质量受Cd污染影响小，土壤中的Cd也不易通过这些作物进入食物链，可作为Cd污染农田首选的栽培植物类型。 2 水稻对Cd污染胁迫的反应因生育阶段不同而异。在幼穗分化之前，Cd主要降低光合生产力，抑制营养体生长；在幼穗分化—抽穗期，Cd主要抑制生殖器官分化和发育；在抽穗期以后，Cd主要阻碍体内营养物质的迁移和转化。幼穗分化—抽穗期是水稻对Cd胁迫生理反应最敏感的时期。杂交稻与常规稻相比，对环境Cd胁迫更敏感，表现为受胁迫后生物产量和经济产量降低幅度较大，脱离胁迫后的生长恢复度较低。 3 水稻在不同生育阶段对环境Cd的吸收能力不同。吸Cd速率最高是幼穗分化—抽穗期(中期)，其次为抽穗—成熟期(后期)，最低为移栽—幼穗分化期(前期)。但对Cd的吸收量以后期最大，中期次之，前期最小。水稻脱离Cd胁迫环境之后，先期吸收并滞留于根系中的Cd能够向地上部分的茎叶和籽粒迁移。糙米中Cd的含量受植株吸收环境Cd总量以及Cd从茎叶向籽粒转移的效率双重影响。杂交稻与常规稻相比，茎叶Cd向籽粒的转运效率较高。 4 苎麻对Cd胁迫的反应既敏感又具有耐受性。在土壤Cd含量达到14mg／kg时，苎麻地上部分的生物生产量即降低20％，但是，当Cd含量达到100mg／kg时，仍能保 华中农业大学2004王凯荣博士学位论文 持50%的生物生产潜力，而且原麻纤维质量受高Cd胁迫影响较小。竺麻体内Cd含量 顺序为贮藏根纤维根地下茎麻壳麻骨、纤维麻叶。在高cd胁迫下，竺麻还 可以使含Cd较高的老叶提前脱落，从而避免Cd向生长活跃点迁移造成更严重的生理伤 害，这一机制能够解释为什么芒麻会在环境Cd胁迫浓度较低时表现出敏感(落叶减产)， 而在Cd浓度很高时表现出钝感(落叶不死亡)。竺麻不具有Cd超富积特性，不适宜于 作为Cd污染土壤的植物萃取材料。 5桑树对Cd污染的反应与环境Cd浓度密切相关。在低浓度下(8 .49 mgC姚g)表 现为生长刺激反应;随着土壤Cd浓度提高，生长抑制效应增强，当土壤Cd浓度达40.6 m眺g时，减产16.1%;土壤Cd浓度达到75.8m叭g时，桑树体内的保护酶系统将受 到难以恢复的伤害;土壤Cd浓度达到145m叭g时桑树死亡。桑树吸收的cd有50% 会被转运到地上部分，而且有近10%进入了叶片组织。这样，在高Cd环境下，桑树 生长活跃部位的Cd负荷就会过大，导致严重伤害而死亡。此外，桑树根系对Cd污染 反应敏感，在高Cd环境下，根系会停止生长，吸收功能退化，使桑树出现水分和养分 严重胁迫，进一步降低地上部分对Cd毒的耐受能力。 6家蚕具有较强的耐Cd毒能力，而且这种耐毒性随蚕龄增长而增强。在饲喂桑叶 中加入o.50m叭g水溶性外源Cd(cdCI:)可以使三龄蚁蚕的体重显著下降;而导致四 龄和五龄蚕体重显著降低的Cd浓度分别达到了1.98和3.66m眺g;使茧质(茧重和缥 丝率)明显退化的叶Cd浓度为5.17m眺g。在土壤污染环境下，桑叶的适口性和营养 品质会随土壤Cd浓度提高而降低，桑叶内源Cd含量随土壤Cd浓度提高而提高。在营 养不良的情况下，家蚕对Cd污染的耐受能力将显著降低。土壤Cd污染对家蚕的影响 主要不是桑叶中内源Cd浓度过高的直接毒害，而是由于桑树受高浓度土壤Cd影响， 叶质下降，可消化率及营养价值降低，最终导致家蚕营养不良所致。 7在水型污染的酸性农田，Cd的生物迁移性强，即使土壤Cd浓度低于lmg/kg水 平也有生产Cd超标稻米的危险性;当土壤Cd含量超过Zmg/kg时，就有生产”福米” 的可能;当土壤Cd含量达到5 mg/kg以上时，将很难生产出