武文飛，南忠仁，王勝利，周 婷，廖 琴，李程程

(蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000)

重金屬進(jìn)入土壤后會對生物形成永久性的潛在危害，且重金屬常常發(fā)生復(fù)合污染，其復(fù)合作用改變了金屬的生物活性或毒性，使重金屬復(fù)合污染的危害尤甚［1-4］。因此，眾多的環(huán)境污染問題中，土壤重金屬污染引起了國內(nèi)外的極大關(guān)注［5-6］。近年來，我國學(xué)者對西北干旱區(qū)綠洲土壤重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行了相關(guān)調(diào)查研究工作，其結(jié)果表明 Cd、Pb、Zn、Ni土壤及蔬菜污染問題尤為突出［7-11］。

土壤中的重金屬總量分析一直是國內(nèi)外學(xué)者研究土壤污染問題的主要手段之一，但并不能表明該元素在土壤中的存在狀態(tài)、遷移能力以及植物吸收的有效性，也不能作為評估它們對生物影響的充分標(biāo)準(zhǔn)［12］。這是因?yàn)橹亟饘僭谕寥乐幸圆煌男螒B(tài)存在，各形態(tài)共同決定了重金屬的行為特征。相關(guān)研究表明，植物從土壤中吸收和富集重金屬的多少與土壤中重金屬總量并無線性關(guān)系，而與土壤中重金屬的植物有效態(tài)直接相關(guān)［13］，因此，不僅應(yīng)對土壤重金屬的總量進(jìn)行分析，還應(yīng)對土壤重金屬的不同賦存形態(tài)進(jìn)行分析。通過研究重金屬不同形態(tài)對生物吸收的貢獻(xiàn)程度，可以確定其生物有效性的大小，進(jìn)而進(jìn)行生物有效性評價［14-15］。

影響重金屬化學(xué)行為和生物有效性的因素除重金屬本身性質(zhì)外，土壤性質(zhì)和自然環(huán)境亦是關(guān)鍵因素［16］。我國西北地區(qū)干旱區(qū)綠洲有效降雨少、水分蒸發(fā)大、晝夜溫差大［17］，且該區(qū)域土壤一般呈現(xiàn)pH高、碳酸鹽含量高、土壤有機(jī)質(zhì)含量低等異于其他類型土壤的特點(diǎn)［7］。目前，有關(guān)我國西北地區(qū)干旱區(qū)綠洲土壤-作物體系中重金屬遷移轉(zhuǎn)化的研究相對較薄弱，重金屬形態(tài)分析和生物有效性的研究還較為缺乏。因此，本文即通過盆栽試驗(yàn)，采用Tessier連續(xù)提取分級方法，較為系統(tǒng)地探討干旱區(qū)綠洲土壤外源Cd、Pb、Zn、Ni復(fù)合污染對油菜生長的影響和重金屬的形態(tài)特征及其與植物有效性的關(guān)系，以期為今后干旱區(qū)綠洲土壤重金屬污染評價及尋求更確切地評價生物有效性指標(biāo)的重金屬形態(tài)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 供試材料

供試土壤為甘肅河西走廊城郊綠洲土，采樣深度為0—20 cm。土壤采回后，鋪在塑料薄膜上，于自然陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，壓碎，剔除根系及石塊等異物，過2 mm尼龍篩備用。其基本理化性質(zhì)為:pH=8．16，有機(jī)質(zhì)含量1．54%，碳酸鹽含量5．64%，陽離子交換量8．10 cmol/kg，供試土壤的 Cd、Pb、Zn、Ni的背景含量分別為0．55、15．92、62．97、53．86 mg/kg。

供試作物為油菜(Brassica campestris L．)，品種為吉林大春科豐蔬菜研究所的四月蔓，種子購自張掖市種子公司。

1．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

根據(jù)長期在研究區(qū)域?qū)ν寥乐亟饘貱d、Pb、Zn、Ni的污染狀況調(diào)查中已出現(xiàn)的最大濃度，并考慮到污染還有繼續(xù)增加的可能，因此對重金屬濃度的上限作出了適當(dāng)?shù)难由?，同時結(jié)合土壤環(huán)境的重金屬二級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梯度劃分，確定為試驗(yàn)設(shè)計的8個污染水平(表1)。

每個花盆中加入3．0 kg供試土壤，加入不同水平的重金屬(以硝酸鹽水溶液形式)，并加入5．00 g羊糞補(bǔ)充有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素(羊糞中 Cd、Pb、Zn 的含量分別為 0．10、1．71、47．03 mg/kg，Ni未檢出)，制成各濃度污染土壤。各脅迫水平均設(shè)置3個平行，TS0為對照。加供試土壤區(qū)域地下水使土壤含水率為田間持水量的66%(水中Cd的含量為0．22μg/L，Pb、Zn、Ni均未檢出)，保持4 d后按農(nóng)作制度播入油菜種子，蔬菜生長7 d后間苗，每盆留取4棵，生長66 d后收獲，采集土壤和植物樣品，植物樣品分為莖葉和根系兩部分，根系用自來水沖洗干凈后再用去離子水反復(fù)沖洗。土壤樣品自然風(fēng)干后過100目尼龍篩待用。植物樣品經(jīng)105℃殺青2 h，75℃烘干至恒重，稱量，粉碎，過60目尼龍篩待用。

表1 盆栽試驗(yàn)中土壤重金屬污染物添加濃度/(mg/kg)Table 1 The concentration of the heavy metals in test soil

1．3 分析測試

土壤理化指標(biāo)的分析采用土壤農(nóng)化常規(guī)分析法［18］，pH測定為pH計法，有機(jī)質(zhì)為重鉻酸鉀油浴法，碳酸鹽為氣量法，陽離子交換量為EDTA-銨鹽快速測定法。土壤樣品采用Tessier五步連續(xù)提取法浸提［19］，即分別以 1．0 mol/L 的 MgCl2、1．0 mol/L 的 NaAC(用 1．0 mol/L 的 HAC 調(diào)節(jié)至 pH 值為 5．00)、0．04 mol/L NH2OH·HCl+25%HAC、0．02 mol/L HNO3+30%H2O2+0．8 mol/L HAC、HNO3-HF-HClO4提取可交換態(tài)(EXC)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)(CAB)、鐵錳氧化態(tài)(FMO)、有機(jī)結(jié)合態(tài)(OM)和殘?jiān)鼞B(tài)(RES)的重金屬。植物樣品采用GB/T 5009中規(guī)定的HNO3-HClO4混合酸法消解，消解完全后用1%的稀HNO3過濾定容待測。

Cd、Pb、Zn、Ni的含量用原子吸收光譜儀(Thermo Fishier，SOLAAR M6)測定，以標(biāo)準(zhǔn)溶液繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線確定其含量。

1．4 質(zhì)量保證

實(shí)驗(yàn)中均采用20%平行樣、GSS-1標(biāo)準(zhǔn)土樣和GSB-6標(biāo)準(zhǔn)菠菜樣品進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，誤差控制在5%以內(nèi)。供試試劑全部為優(yōu)級純，實(shí)驗(yàn)器皿在使用前均用10%硝酸浸泡24 h以上。

1．5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003和SPSS 18．0進(jìn)行統(tǒng)計分析、作圖等。

2 結(jié)果與討論

2．1 Cd-Pb-Zn-Ni復(fù)合脅迫對油菜生物量的影響

重金屬脅迫對植物生長的影響直接反映在植物生物量的變化上。油菜各部位在不同Cd-Pb-Zn-Ni復(fù)合脅迫水平下的生物量見圖1。由圖1可知，在Cd-Pb-Zn-Ni復(fù)合脅迫下，油菜各部位的干重隨著復(fù)合脅迫水平的增加均先增大后減小，與對照相較，根系干重均差異性顯著(P＜0．05)，莖葉干重僅TS5水平差異性不顯著(P＜0．05)。該結(jié)果表明，Cd-Pb-Zn-Ni復(fù)合脅迫對油菜干重的影響較大，且毒害作用有一個臨界濃度值，低于該臨界濃度值時能促進(jìn)其生長，高于該臨界濃度則起到抑制作用。

為進(jìn)一步了解重金屬復(fù)合脅迫對干重的影響，引入抑制率(IR)的概念［20］。抑制率原定義是計算植物各部位長度受到外源重金屬脅迫時采取的衡量概念，本文依照此概念延伸至干重，嘗試用干重抑制率來表征Cd-Pb-Zn-Ni復(fù)合脅迫油菜各部位干重的影響程度。抑制率的計算公式為:

圖1 油菜干重與處理水平的關(guān)系Fig．1 Influence of heavy metals on dry weight of rape

抑制率=(1-處理值/對照值)×100%

抑制率為負(fù)值表示有促進(jìn)作用，正值表示有抑制作用，且絕對值越大表示促進(jìn)或抑制作用越強(qiáng)。油菜在不同Cd-Pb-Zn-Ni復(fù)合脅迫水平下的莖葉干重抑制率(IRS)和根系干重抑制率(IRR)見表2。由表2可知，干重抑制率的變化幅度較大，說明重金屬復(fù)合脅迫對干重的影響較大。TS2—TS4水平對莖葉干重有促進(jìn)作用，TS2—TS5水平對根系干重有促進(jìn)作用，且促進(jìn)作用在各自的水平范圍內(nèi)均先增大后減小，對干重的影響表現(xiàn)為TS2—TS3、TS6—TS8水平促進(jìn)/抑制作用莖葉干重＞根系干重，其余水平反之。

表2 不同水平Cd-Pb-Zn-Ni處理對油菜生長的影響Table 2 Effects of different levels of Cd-Pb-Zn-Ni on the growth of rape

由此可見，在本試驗(yàn)設(shè)計的重金屬Cd-Pb-Zn-Ni復(fù)合脅迫水平的梯度下，低中水平對油菜各部位的生物量有不同程度的促進(jìn)作用，而高水平則產(chǎn)生了明顯的抑制作用。這可能是由于低中水平下重金屬的加入促進(jìn)了油菜對其他營養(yǎng)元素離子的吸收，使得在一定程度上刺激了根系的有絲分裂所致［21］。當(dāng)土壤外源重金屬的濃度超過植物的生長極限值時，植物的各種生理生化、生長環(huán)境和營養(yǎng)狀況受到不同程度的傷害，其生長發(fā)育就開始受到不同程度的抑制［22］。因此，植物體內(nèi)高濃度的重金屬會嚴(yán)重抑制植物的生長發(fā)育和新陳代謝，從而使得生物量顯著降低［23］。

2．2 Cd-Pb-Zn-Ni復(fù)合脅迫下油菜的耐性

土壤污染對植物發(fā)生作用時，植物最直接的受害部位是根系［24］。因此，當(dāng)土壤受到重金屬污染時，根系受重金屬的影響相對最為嚴(yán)重［25］。重金屬首先到達(dá)根系，根系對其發(fā)生響應(yīng)，進(jìn)行有選擇的吸收或排斥。同時根系細(xì)胞壁中存在著大量交換位點(diǎn)，可將重金屬離子交換吸收或固定，從而促進(jìn)或阻止重金屬離子進(jìn)一步向地上部分運(yùn)輸［26］。因此根系耐性指數(shù)(RTI)是用來反映植物體對重金屬耐性大小的一個非常重要的指標(biāo)，可以很好地反映植物對重金屬的耐性情況［27］。其計算公式為:RTI=L/L0，式中L0、L分別為對照處理和復(fù)合脅迫下蔬菜的根系長度(cm)。各脅迫水平下根系的耐性指數(shù)見圖2。

圖2 不同處理水平下油菜的根系耐性指數(shù)(RTI)Fig．2 The root tolerance index of rape under different treatment levels

從圖2可以看出，在TS3—TS5水平，油菜的根系耐性指數(shù)均大于1．0，說明一定范圍內(nèi)的Cd-Pb-Zn-Ni復(fù)合脅迫對油菜根系的生長有促進(jìn)作用。但超過該范圍后，隨著復(fù)合脅迫水平的提高，根系耐性指數(shù)逐漸降低，油菜表現(xiàn)出不適應(yīng)癥狀，根系長度開始迅速小于對照，生長受阻。從植物生長狀況看，TS6以上水平的重金屬復(fù)合脅迫已抑制了植物體內(nèi)正常生理生化活動，使油菜受到了嚴(yán)重傷害，干擾了正常生長，且復(fù)合脅迫水平越高，油菜對重金屬的耐性能力越差。

2．3 油菜對4種重金屬元素的吸收和分布

各脅迫水平下油菜各部位Cd、Pb、Zn、Ni含量的分布情況見圖3。

同一植物對不同重金屬元素的吸收和累積特性是不同的。由圖3及差異性檢驗(yàn)(P＜0．05)可知，較之對照，各脅迫水平下4種重金屬在油菜體內(nèi)的含量均達(dá)顯著性水平。Cd、Zn在莖葉中的含量大于根系，Pb、Ni反之，說明Cd、Zn容易通過根系-莖葉界面向上遷移，而Pb、Ni則更易滯留在根系中。隨著復(fù)合脅迫水平的提高，油菜各部位不同重金屬含量的變化趨勢和幅度并不一致。其中，莖葉和根系中的Cd含量呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢;根系中的Pb含量一直在升高，葉中的Pb含量則小幅波動;莖葉和根中的Zn含量在持續(xù)增加，但增加量較為接近，根系中Zn含量的增加幅度大于莖葉;莖葉和根中的Ni含量也在持續(xù)增加，TS1—TS3水平葉中的Ni含量增長幅度大于根，TS4及其以上水平反之。試驗(yàn)中Pb、Zn、Ni的濃度梯度相似，但油菜各部位對Zn的吸收明顯高于Pb、Ni。根系中含量的大小為Zn＞Pb＞Ni，而莖葉中含量的大小為Zn＞Ni＞Pb，從側(cè)面反映了Ni較之Pb更易向莖葉轉(zhuǎn)移。

重金屬的莖葉含量/根系含量(S/R)能反映出不同重金屬在植物體內(nèi)的運(yùn)輸和分配情況［28-29］。由圖3可知，油菜對不同重金屬的S/R值有著不同的變化特征和與對照相較的差異(P＜0．05)。Cd的S/R值基本上均大于1．0，并在不斷升高，TS7水平達(dá)到最大值3．24;Pb的S/R值均小于1．0，在TS1—TS5水平變化不大，之后開始驟降;Zn的S/R值先升高后降低，TS2水平達(dá)到最大值1．62，之后持續(xù)減小，但幅度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，均大于1．0;Ni的S/R值則以較小的幅度波動的減小，且均小于1．0。這說明油菜能將Cd、Zn較多的運(yùn)輸至莖葉，但運(yùn)輸能力在向著相反的方向發(fā)展，運(yùn)輸Cd的能力在增強(qiáng)，而運(yùn)輸Zn的能力則在減弱，這與前期油菜關(guān)于Cd、Zn復(fù)合脅迫下的盆栽實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)一致［30］。Pb、Ni則更多的滯留在了根系中，不易向莖葉轉(zhuǎn)移，且滯留能力在隨著復(fù)合脅迫水平的升高而升高，Pb較之Ni被阻留的程度更大。

2．4 土壤中重金屬形態(tài)的含量變化與分布特征

Tessier五步連續(xù)形態(tài)提取法將土壤中重金屬的形態(tài)分為可交換態(tài)(EXC)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)(CAB)、鐵錳氧化態(tài)(FMO)、有機(jī)結(jié)合態(tài)(OM)和殘?jiān)鼞B(tài)(RES)［31］。不同的重金屬的賦存形態(tài)由于其與土壤各物質(zhì)的化學(xué)行為不同而各異［32］。重金屬的形態(tài)分布特征常用形態(tài)分配系數(shù)來表征，即土壤中該重金屬各形態(tài)占總量的比例。重金屬各形態(tài)含量在總量中分配能消除土壤重金屬各形態(tài)含量隨重金屬總量增加而增加的影響，可較好地表征各形態(tài)在重金屬總量的相對含量大小，它能夠比總量和各形態(tài)含量更清楚地指示環(huán)境污染對土壤的沖擊［33］。

圖4和圖5分別給出了不同復(fù)合脅迫水平下油菜土壤中Cd、Pb、Zn、Ni各形態(tài)的含量和分布特征?？梢姡亟饘俑餍螒B(tài)的含量均在增加。對照土壤中重金屬的形態(tài)分布特征為，Cd:RES(39．29%)＞CAB(31．57%)＞FMO(22．27%)＞OM(5．89%)＞EXC(0．98%)，Pb:RES(68．73%)＞FMO(20．39%)＞CAB(10．88%)＞OM(0．00%)＞EXC(0．00%)，Zn:RES(78．68%)＞FMO(15．38%)＞OM(4．739%)＞CAB(0．72%)＞EXC(0．49%)，Ni:RES(78．06%)＞OM(12．18%)＞FMO(8．29%)＞CAB(1．47%)＞EXC(0．00%)，4 種重金屬元素均以RES為主要賦存形態(tài)，EXC的含量均很小。復(fù)合脅迫下土壤中的重金屬的各形態(tài)含量和形態(tài)分布較之對照土壤有了顯著變化。

2．4．1 Cd、Pb、Zn、Ni的形態(tài)分布特征

重金屬各形態(tài)EXC、CAB、FMO、OM、RES的變異系數(shù)(%):

Cd 分別為134．38、86．19、97．56、65．82、30．69，EXC 對外界脅迫響應(yīng)強(qiáng)度最大，其次為 FMO 和 CAB，RES最小。其主要賦存形態(tài)迅速由RES轉(zhuǎn)變?yōu)镃AB和FMO，且CAB的分配系數(shù)較為穩(wěn)定，均在31%以上，EXC的比例大大增加。

Pb 分別為 197．67、105．56、78．46、77．61、53．59，EXC 對外界脅迫響應(yīng)強(qiáng)度最大，其次為 CAB 和 FMO，RES最小。EXC和CAB的分配系數(shù)持續(xù)增加，而FMO與RES的分配系數(shù)則持續(xù)下降。Pb在土壤中的主要賦存形態(tài)由RES轉(zhuǎn)變?yōu)镃AB和FMO。

Zn 分別為105．19、104．34、82．25、83．75、16．67，即 EXC 和 CAB 對外界脅迫響應(yīng)強(qiáng)度最大，且響應(yīng)能力接近，其次為FMO和OM，RES最小。EXC和CAB的分配系數(shù)持續(xù)增加，OM逐漸升至穩(wěn)定水平，而RES則持續(xù)下降。Zn在土壤中的主要賦存形態(tài)由RES轉(zhuǎn)變?yōu)镕MO和CAB。

Ni分別為69．75、102．86、97．35、82．25、18．35，即 CAB 對外界脅迫響應(yīng)強(qiáng)度最大，其次為 FMO 和 OM，RES最小。各形態(tài)分配系數(shù)的變化趨勢和主要賦存形態(tài)與Pb類似。

可見，雖然4種重金屬元素的形態(tài)特征變化程度不相一致，但均表現(xiàn)為EXC和CAB的響應(yīng)較大，RES的響應(yīng)較小，且賦存形態(tài)以CAB和FMO為主，異于對照土壤。

2．4．2 Cd、Pb、Zn、Ni的活性變化

重金屬的各形態(tài)中，EXC的活性最大，對環(huán)境變化最敏感，易遷移轉(zhuǎn)化，為植物所吸收［34］。CAB態(tài)在pH降低時易釋放出來被生物利用［35］。FMO具較強(qiáng)的離子鍵而不易釋放［35］，OM則以有機(jī)質(zhì)活性基團(tuán)為配位體的結(jié)合或硫離子與重金屬的沉淀而不易釋放［36］，但強(qiáng)氧化條件下這兩種形態(tài)可能被分解釋放，導(dǎo)致部分重金屬溶出，引起生物毒性［37］。RES一般性質(zhì)穩(wěn)定，正常條件下不易釋放，能長期穩(wěn)定在土壤中，不易為植物吸收，只有通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成可溶態(tài)才能對生物產(chǎn)生影響［38］。因此，重金屬的存在形態(tài)是研究植物有效性的基礎(chǔ)?；钚韵禂?shù)(MF)能夠反映土壤中不同重金屬被生物利用，進(jìn)而對環(huán)境構(gòu)成潛在危害的能力［39］?；钚韵禂?shù)的計算公式為:

圖4 土壤中重金屬隨著脅迫水平的形態(tài)含量變化Fig．4 Form content of four kinds of heavy metals under different treatment levels

圖5 土壤中重金屬隨著脅迫水平的形態(tài)變化特征Fig．5 Form distribution of four kinds of heavy metals under different treatment levels

式中，F(xiàn)1—F5分別表示重金屬EXC、CAB、FMO、OM和RES的含量(mg/kg)。

各脅迫水平下個重金屬元素Cd、Pb、Zn、Ni的活性系數(shù)變化見表3?？芍?dāng)脅迫水平較高時，Cd、Pb、Zn、Ni的活性系數(shù)均有了不同程度的增加，重金屬的活性逐漸有了較大程度的增加，說明外源重金屬添加量的增加有利于重金屬活性的釋放。Cd的活性系數(shù)最大，均在0．59以上，逐漸增至較為穩(wěn)定的水平;Pb的活性系數(shù)在不斷增大，最大為0．58左右;Zn的活性系數(shù)最大為0．30左右，增加程度不及Cd。Ni的活性系數(shù)持續(xù)增加，最大為0．19左右，不及Cd、Pb、Zn?？梢?，隨著復(fù)合脅迫水平的升高及油菜的種植，4種元素的形態(tài)分布特征發(fā)生了較大的變化，生物有效性均有了不同程度的增加，僅從重金屬的植物潛在可利用性來看活化的程度，重金屬的活性大小為 Cd＞Pb＞Zn＞Ni。

表3 Cd、Pb、Zn、Ni的活性系數(shù)隨著復(fù)合脅迫水平的變化Table 3 The change of mobility factor Cd，Pb，Zn and Ni under different treatment levels

2．5 土壤中重金屬形態(tài)的生物有效性

為進(jìn)一步探索土壤-油菜系統(tǒng)中重金屬的生物有效性，進(jìn)行油菜各部位重金屬含量與土壤中重金屬各形態(tài)含量之間的相關(guān)分析和多元逐步回歸，結(jié)果分別見表4和表5。

表4 油菜各部位重金屬含量與土壤中重金屬形態(tài)含量的相關(guān)性分析Table 4 The correlation between the content of heavy metals in the rape＆their content of different forms in the soil

由表4可知，油菜根系和莖葉中的Cd含量以及莖葉中的Pb含量與土壤中相應(yīng)元素的各形態(tài)含量均不顯著，圖3已表明，根系和莖葉中Cd含量隨著復(fù)合脅迫水平的提高先升高后降低，而土壤中重金屬各形態(tài)的含量則均在增加，其對重金屬的吸收類型由于重金屬復(fù)合脅迫對油菜的影響而發(fā)生了改變，相關(guān)關(guān)系由正相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān)，因而不是單一類型的線性關(guān)系，使得整個范圍內(nèi)各形態(tài)的含量與部位的含量相關(guān)性均不顯著。根據(jù)圖3顯示的根系和莖葉中Cd含量的變化趨勢，以TS4為分界點(diǎn)分別進(jìn)行探討，結(jié)果表明，根系和莖葉中Cd含量在TS0—TS4水平范圍內(nèi)與非殘?jiān)鼞B(tài)和總量均呈極顯著的正相關(guān)，TS4—TS8水平范圍內(nèi)則均與可交換態(tài)和總量呈極顯著的負(fù)相關(guān)。莖葉中Pb含量隨著復(fù)合脅迫水平的提高而逐漸趨于穩(wěn)定，且變化較小，這可能與油菜限制重金屬Pb離子通過跨膜運(yùn)輸向莖葉轉(zhuǎn)移有關(guān)，是油菜自身的根系-莖葉界面對重金屬的遷移異于土壤-根系界面對重金屬吸收的特點(diǎn)以及在根系-莖葉界面重金屬的交互作用所致，因此與土壤中的各形態(tài)含量均不顯著。根系的Pb含量、根系和莖葉中Zn與Ni的含量與均土壤中相應(yīng)元素的各形態(tài)均顯著或極顯著相關(guān)，但這并不表明各種形態(tài)的重金屬(尤其是殘?jiān)鼞B(tài))對油菜的吸收均起到了重要作用。同時，油菜各部位重金屬的含量均與添加量呈極顯著正相關(guān)，說明外源重金屬的添加量在一定程度上代表著土壤中重金屬的有效量［40］。

表5 油菜各部位重金屬含量與土壤重金屬各形態(tài)含量的逐步回歸方程分析結(jié)果Table 5 The results of multiple regression analysis between the concentrations of four kinds of heavy metals in different parts of rape and concentration of forms in soil

同時發(fā)現(xiàn)，油菜各部位的Pb、Zn、Ni(莖葉中Pb除外)均與生物有效性不高的RES高度相關(guān)。有人認(rèn)為相關(guān)性僅僅是對兩個變數(shù)之間對應(yīng)關(guān)系的量度，并不能反映它們之間的內(nèi)在聯(lián)系［41］。因此，與植物體內(nèi)重金屬含量的Pearson系數(shù)顯著的形態(tài)并不意味著就一定能為植物所吸收。為了篩選出對油菜各部位吸收貢獻(xiàn)最大的重金屬形態(tài)，作出了油菜各部位Cd、Pb、Zn、Ni含量與相應(yīng)元素形態(tài)含量的逐步回歸方程，結(jié)果見表5。

由回歸方程得知，油菜莖葉吸收Cd的主要貢獻(xiàn)形態(tài)為可交換態(tài)，而根系吸收Cd的主要貢獻(xiàn)形態(tài)則由可交換態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)結(jié)合態(tài)，根系吸收Pb和油菜各部位吸收Ni的主要貢獻(xiàn)形態(tài)為碳酸鹽結(jié)合態(tài)，油菜各部位吸收Zn的主要貢獻(xiàn)形態(tài)亦為可交換態(tài)。土壤重金屬全量與貢獻(xiàn)形態(tài)間極顯著地線性關(guān)系說明，總量是控制有效態(tài)含量的主要因素，污染越嚴(yán)重的土壤，其生物有效性就越高。但是全量與貢獻(xiàn)形態(tài)較小的相關(guān)系數(shù)說明重金屬的生物有效性還受到很多環(huán)境因素的影響，如土壤理化性質(zhì)、母質(zhì)、土地利用、無機(jī)和有機(jī)物質(zhì)的絡(luò)合作用、植物自身的特性等［42］。

油菜的種植造成了土壤pH的減小，導(dǎo)致CAB釋放到土壤溶液中，而根際重金屬的脅迫作用改變了根系有機(jī)酸等分泌物的構(gòu)成與數(shù)量，導(dǎo)致根系土壤的pH、Eh、有機(jī)酸含量等的改變［43］，因而也反過來調(diào)節(jié)重金屬在油菜根系的化學(xué)過程以及在油菜體內(nèi)的遷移。土壤中水溶性重金屬與其他形態(tài)間處于動態(tài)平衡之中，水溶性的重金屬一旦被油菜吸收而減少時，主要從粘粒和腐殖質(zhì)所吸附的部分來補(bǔ)充［44］。OM、FMO轉(zhuǎn)為油菜可吸收利用的CAB與EXC的庫源，不同母質(zhì)土壤的性質(zhì)也影響了這些化學(xué)過程。另外，Mench等發(fā)現(xiàn)，燕麥根際分泌物可以溶解鐵錳氧化物，從而增加Zn、Cd和Ni的植物有效性，但機(jī)理方面的研究尚處于探索階段［45］。

3 結(jié)論

(1)Cd-Pb-Zn-Ni復(fù)合脅迫下，油菜的干重和根系耐性指數(shù)均隨著復(fù)合脅迫水平的均先增大后減小，Cd-Pb-Zn-Ni復(fù)合脅迫對油菜的生長的作用由促進(jìn)轉(zhuǎn)變?yōu)橐种啤?/p>

(2)對照土壤中Cd、Pb、Zn、Ni均以殘?jiān)鼞B(tài)為主要賦存形態(tài)，隨著外源重金屬的添加，油菜種植土壤中Cd、Pb、Zn的可交換態(tài)和Ni的碳酸鹽結(jié)合態(tài)對外界脅迫響應(yīng)強(qiáng)度最大，且Cd、Pb的主要賦存形態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化態(tài)，Zn的主要賦存形態(tài)由殘?jiān)鼞B(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)過渡到碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化態(tài)，Ni的主要賦存形態(tài)為碳酸鹽結(jié)合態(tài)。

(3)Cd、Zn在莖葉中的含量大于根系，Pb、Ni反之。油菜能將Cd、Zn較多的運(yùn)輸至莖葉，且運(yùn)輸Cd的能力較Zn在增強(qiáng);Pb、Ni則主要積累在根系，不易向莖葉轉(zhuǎn)移，Pb較之Ni更多的被阻留在了土壤中。

(4)Cd、Pb、Zn、Ni各形態(tài)對油菜不同部位吸收重金屬的主要貢獻(xiàn)形態(tài)為，油菜莖葉吸收Cd和油菜各部位吸收Zn:可交換態(tài)，根系吸收Cd:由可交換態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)結(jié)合態(tài)，根系吸收Pb和油菜各部位吸收Ni:碳酸鹽結(jié)合態(tài)。

致謝:蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院周婷、廖琴同學(xué)在樣品采集及實(shí)驗(yàn)分析中給予幫助;王勝利副教授幫助寫作，特此致謝。

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