土壤重金属Cu、Ni的植物毒性及生态风险评价

黄锦孙专业：环境科学研究方向：农田土壤重金属污染修复技术土壤重金属Cu、Ni的植物毒性及生态风险评价1/45汇报内容研究背景研究内容研究结果结论与展望致谢2/45研究背景农业活动我国土壤Cu、Ni污染来源农产品人体农作物工业活动畜禽粪便和有机肥施用杀菌剂施用化肥施用污水灌溉农田土壤工业废水、矿山废水等3/45研究背景国内土壤重金属毒理学和风险评价研究滞后；环境质量标准缺乏毒理学数据；过去方法不尽合理0102030405060土壤修复污染调查风险评价形态和毒理其他%中文英文国内外土壤重金属研究文献统计（2000－2005）(马义兵，未发表）4/45研究背景国内土壤重金属环境质量标准是基于短期盆栽试验结果忽视了室内短期盆栽试验和长期田间试验的差别45965010321342050010001500CuNi毒性阈值20082009老化对田间Cu、Ni毒性阈值的影响（XYGuo,2010）5/45汇报内容研究背景研究内容研究结果结论与展望致谢6/45主要内容和方案框图田间试验Cu、Ni毒害及累计规律盆栽实验测定生物量，Cu、Ni含量计算田间实验毒性阈值小麦、玉米、水稻、油菜的生物量比较研究土壤Cu和Ni植物毒害的室内和田间实验差别干湿交替影响盆栽毒性阈值干湿交替实验土样采集处理大麦根伸长测试土壤相关参数测定毒性变化研究内容-技术路线7/45研究内容-研究目标1.研究Cu、Ni对小麦、油菜、水稻的毒害作用及在秸秆和籽粒中的累积规律4.发现土壤外源Cu、Ni在田间和实验室中毒性阈值的差别及机理。比较及优化不同的生态风险评价方法研究目标3.了解干湿交替模式下土壤性质的变化、外源Cu、Ni的形态和植物毒性的变化2.研究田间外源Cu、Ni的老化对小麦、油菜、玉米、水稻的毒性变化规律8/45研究内容-田间试验土壤：潮土，水稻土，红壤作物：小麦，油菜，玉米，水稻土壤处理：添加CuCl2,NiCl2（2007年），8水平，各重复2次测定指标：测定秸秆和籽粒生物量，测定秸秆和籽粒Cu、Ni浓度，计算EC10，EC50和EC90注：EC10、EC50和EC90分别指，与对照相比植物生长受到10%、50%和90%抑制时壤中外源Cu或Ni的添加剂量。9/45研究内容-田间试验祁阳德州嘉兴各32小区10/45研究内容-盆栽实验土壤：潮土，水稻土，红壤植物：小麦，油菜，玉米，水稻试验方法：轮作作物与当地相同，栽培6周后测定地上部生物量。求出不同植物EC10，EC50和EC90。与田间比较，观察Cu、Ni毒性阈值的差别，分析可能机理。11/45研究内容-盆栽实验小麦、油菜盆栽培养情况12/45研究内容-干湿交替实验土样分别经过0、1、3个干湿交替周期处理，根据ISO-11269(1),测量栽培5天后大麦的根长,求出EC10，EC50，EC90所需测定的土壤参数：1）土壤溶液的pH，EC，DOC浓度2）连续提取的Cu、Ni的水溶态、可交换态、EDTA结合态的浓度找出其相关性，做出多元回归方程13/45研究内容-干湿交替实验保持最大持水量60%，稳定7天取1700g，40°C烘干至恒重新鲜土样2000g保持最大持水量60%，稳定7天40°C烘干至恒重40°C烘干至恒重（0）取300g，大麦根伸长，测定参数干湿交替处理（1）取300g，大麦根伸长，测定参数（3）取300g，大麦根伸长，测定参数14/45研究内容-干湿交替实验土壤干湿交替处理时间15/45研究内容-干湿交替实验16/45研究内容-干湿交替实验CKCu1Cu7Cu2Cu3Cu5Cu6Cu4山东德州大麦根伸长培养部分大麦根伸长实验17/45汇报内容研究背景研究内容研究结果结论与展望致谢18/45研究结果-CuNi毒害与累积（小麦）1011021030100200300400500土壤Cu添加量(mg/kg)干重(g/m2)小麦籽粒小麦秸秆QY1011021030100200300400500干重(g/m2)土壤Ni添加量(mg/kg)小麦籽粒小麦秸秆QY随着土壤中Cu､Ni的添加剂量的增加,小麦籽粒和秸秆的生物量逐渐减小土壤Cu和Ni的添加对田间小麦籽粒和秸秆生物量的影响（祁阳）19/45研究结果-CuNi毒害与累积（小麦）田间试验小麦的重金属毒性阈值(mg.kg-1).（祁阳）（括号内的数值为在95%置信区间内阈值的范围.）土壤添加高于106mg.kg-1的Cu或高于51.3mg.kg-1的Ni使小麦植株死亡Cu、Ni的添加剂量分别为19.5和27.4mg.kg-1时，小麦发生中毒症状重金属籽粒秸秆EC10EC50EC90EC10EC50EC90Cu55.7(33.3~93.3)77.1(59.3~100)106(84.5~135)19.5(10.1~37.8)57.4(43.9~75.0)168(102~278)Ni41.0(9.35~180)45.9(24.1~87.3)51.3(42.1~62.5)27.4(16.9~44.4)41.7(34.8~50.1)63.6(48.2~84.0)20/45研究结果-CuNi毒害与累积（小麦）小麦地上部分中Cu的累积（mg·kg-1）（德州）a1y=0.0044x+5.2683R2=0.9931y=0.69Ln(x)+4.3909R2=0.6846051015202501000200030004000土壤Cu添加量(mgkg-1土)Cu含量(mgkg-1)秸秆籽粒线性(秸秆)对数(籽粒)土壤Cu浓度籽粒Cu含量秸秆Cu含量05.234.55507.585.571007.225.762006.796.254006.017.1880010.519.26160010.3512.95320010.3518.92Cu在小麦秸秆中的积累随土壤添加量的增加而增加；而在籽粒中，Cu的累积量在达到一个值以后趋于稳定21/45研究结果-CuNi毒害与累积（小麦）1591a2y=0.0075x+1.1853R2=0.9896y=0.0068x+1.9434R2=0.93040510152025303501000200030004000土壤Ni添加量（mgkg-1土）Ni含量（mgkg-1）秸秆籽粒线性(籽粒)线性(秸秆)Ni在小麦籽粒和秸秆中的累积量随着土壤中Ni的添加量增加，浓度不断上升土壤Ni浓度籽粒Ni含量秸秆Ni含量00.163.08501.263.461001.763.782003.603.324004.344.298008.576.11160012.148.58320025.3326.19小麦地上部分中Ni的累积（mg·kg-1）（德州）22/45研究结果-CuNi毒害与累积（油菜）重金属籽粒秸秆EC10EC50EC90EC10EC50EC90Cu79(36~172)241(171~340)735(367~1473)153(42~560)380(192~753)946(396~2255)Ni41(27~61)63(52~76)97(58~164)34(15~78)81(33~196)194(24~1575)田间试验的重金属毒性效应(mg.kg-1).（嘉兴）（括号内的数值为在95%置信区间内阈值的范围.）10-1101103105020406080100120140Cu含量/mgkg-1a籽粒秸秆相对产量（%）10-2100102104020406080100120140160Ni含量/mgkg-1b籽粒秸秆相对产量（%）油菜籽粒对Cu和Ni的毒性均比秸秆敏感。相同浓度的Ni对油菜的毒害作用显著大于Cu；＜23/45研究结果-CuNi毒害与累积（油菜）ay=0.4374Ln(x)+4.3537R2=0.5525y=0.1746Ln(x)+4.524R2=0.5623234567891002004006008001000土壤Cu浓度/mg·kg-1油菜Cu含量/mg·kg-1秸秆籽粒对数(秸秆)对数(籽粒)by=2.3465Ln(x)+13.438R2=0.5778y=3.2868Ln(x)+18.866R2=0.6448010203040506002004006008001000土壤Ni浓度/mg·kg-1油菜Ni含量/mg·kg-1秸秆籽粒对数(秸秆)对数(籽粒)油菜地上部分中Cu、Ni的累积（mg·kg-1）（嘉兴）当土壤Cu、Ni浓度高于某一值（约100mg·kg-1）时，对Cu、Ni在油菜体内的累积含量趋于稳定；在油菜体内，Cu秸秆Cu籽粒，而Ni籽粒Ni秸秆。24/45研究结果-CuNi毒害与累积（水稻）重金属籽粒秸秆EC10EC50EC90EC10EC50EC90Cu286(221~372)435(400~474)661(476~918)142(99~203)327(278~375)736(564~959)Ni324(198~528)433(360~521)578(252~1327)221(145~337)382(333~438)661(480~910)田间试验水稻的重金属毒性阈值(mg.kg-1).（嘉兴）（括号内的数值为在95%置信区间内阈值的范围.）110100100010000020406080100120140籽粒秸秆相对产量(%)Cu添加浓度/mgkg-1a110100100010000020406080100120140籽粒秸秆相对产量(%)Ni添加浓度/mgkg-1b水稻秸秆和籽粒对Cu和Ni毒性的敏感程度相近（低浓度时秸秆比籽粒敏感）；Cu、Ni对油菜的毒害作用相近。25/45研究结果-CuNi毒害与累积（水稻）水稻地上部分中Cu、Ni的累积（mg·kg-1）（嘉兴）020040060080045610152025Cu含量/mgkg-1Cu添加浓度/mgkg-1籽粒秸秆a02004006008000.00.51.01.52.02.5y=2.118-1.870×10(-0.00474x)a籽粒Ni含量/mgkg-1Ni添加浓度/mgkg-1(r2=0.994,n=7,p0.001)020040060080001020304050秸秆Ni含量/mgkg-1Ni添加浓度/mgkg-1by=0.496+0.051x(r2=0.908,n=7,p0.001)水稻对Cu的累积先增加后降低（在400-800mg•kg-1出现峰值）；秸秆Cu的平均含量为籽粒的2.23倍，可见Cu更容易在水稻秸秆中累积。秸秆11.8mg•kg-1籽粒5.3mg•kg-1籽粒Ni的含量变化符合Mitscherlich方程（r2=0.994,n=7,p0.001）；秸秆Ni的含量随着土壤外源Ni的增加而线型增加（r2=0.908,n=7,p0.001）26/45研究结果-CuNi毒害与累积（水稻）小结1、随着土壤中Cu､Ni的添加剂量的增加,作物籽粒和秸秆的生物量逐渐减小。2、德州土壤中使小麦出现中毒症状（10%减产）的土壤Cu浓度为323mg.kg-1，Ni的毒性在德州土壤中已经失活；祁阳土壤中使小麦出现中毒症状（10%减产）的土壤Cu浓度为19.5和27.4mg.kg-1，油菜为79和34mg.kg-1，水稻为142和221mg.kg-1.3、随土壤Cu、Ni浓度的增加，小麦对Cu，水稻对Ni的累积在籽粒中先增加后稳定，在秸秆中为线性增加;Cu、Ni在油菜籽粒和秸秆中的累积规律都为先增加后趋于稳定；Cu在水稻籽粒和秸秆中的累积量先增加后减小；Ni在小麦籽粒和秸秆中都呈线性增加。27/45研究结果-老化作用1E-30.010.1110100100010000020406080100120140毒性响应/%Cu添加浓度/mg·kg-12008年2009年2010年祁阳小麦c1E-30.010.1110100100010000020406080100120140毒性响应/%Ni添加浓度/mg·kg-12008年2009年2010年祁阳小麦d2008-2010年重