CN110083985A - 一种土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤中镉镍复合的小麦富集量的预测方法，属于生态重金属毒性评估领域，本发明考虑了镉和镍离子在小麦富集过程中的相互作用，采用多元回归的方法预测根和茎叶中重金属的富集量，首先采用砂培实验获得镉镍离子复合富集方程，再结合实际土壤孔隙水中金属浓度预测不同土壤中复合重金属生物富集量。本发明也适用于Cd‑Ni复合对其他作物重金属生物富集量的预测，为土壤重金属生态风险评估和区域土壤污染治理提供了新的方法。
Description
技术领域
本发明涉及生态重金属毒性评估技术领域，具体是涉及一种土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法。
背景技术
据2014年土壤环境质量调查报告显示，镉和镍是我国最严重的两大重金属污染物。此外镍镉电池的广泛使用使得部分农田土壤受到严重的镉镍复合污染。环境中的镉-镍具有较高的迁移性，易被植物吸收利用进入食物链，对动植物产生毒性作用。而小麦作为世界三大谷物之一，在世界范围内广泛种植，因此有效地评价镉镍复合污染条件下小麦对重金属的富集，可以全面有效地评价和防治土壤重金属污染。
重金属在土壤-植物体系中的迁移是一个复杂的过程，土壤理化性质、植物品种、耕作制度等因素均会影响植物对重金属的富集。研究发现土壤有效态重金属与植物富集之间存在较好的相关性，将土壤有效态金属与生物富集方程结合能较为准确地描述重金属的生物富集程度。目前关于土壤中重金属生物富集量的研究多集中于单一金属，且生物富集量的研究只是作为土壤重金属修复的一个验证指标，并未有明确的预测方法。而植物对复合重金属的会受到共存金属的影响，单一的富集方程不能准确地描述植物富集中复合重金属相互作用。
例如专利申请号为201810186313.9，申请公布日期为2018年3月7日的专利申请文件公开了一种一种土壤重金属生物有效性的估计方法、系统和装置，发明以富集系数为因变量，地球化学因子为自变量，建立了随机森林回归模型研究土壤重金属生物有效性和地球化学因子之间的关系。而专利申请号为201810233452.2，申请公布日期为2018年3月21日的专利申请文件公开了一种超富集植物辅助强化联合修复模式治理Pb-Zn-Cd-Cu重金属污染土壤的方法，该发明将重金属的生物富集量作为重金属污染修复的验证指标。但这些发明只研究了单一金属，或将重金属的生物富集作为一项指标，并没有研究复合重金属的相互影响且没有明确的预测方法。因此，现需要一种能够研究土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法，采用砂培实验得到镉镍复合富集方程，同时结合土壤孔隙水中重金属的浓度可以有效预测土壤中重金属的生物富集；建立砂培条件下镉镍复合生物富集方程并与土壤孔隙水中金属浓度相结合是本方法的关键；本发明基于多元回归方程，结合镉镍复合砂培实验富集数据，拟合得到砂培条件下镉镍复合富集方程，再通过土培实验测定土壤孔隙水中金属离子浓度，即可实现不同土壤中小麦镉镍富集量的预测。
本发明的技术方案是:一种土壤镉镍复合(Cd-Ni)的小麦富集量的预测方法，包括以下步骤：
(1)砂碚富集实验：
首先采用实验室砂碚实验进行Cd-Ni复合富集实验，以小麦为受试生物，首先育种，选择发芽条件较好且一致的小麦种子开展一定时间的富集实验。实验采用控制变量法，即控制砂培溶液中基础阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)浓度不变，只改变Cd2+和Ni2+的浓度。
(2)确定Cd-Ni复合富集方程：
实验结束后，从石英砂中小心地取出小麦，使用0.01mol·L-1Na2H2EDTA溶液冲洗幼苗根部1min，以去除根表面吸着的金属离子；其次使用超纯水冲洗去除根表残留的Na2H2EDTA。将清洗完毕后的小麦幼苗使用烘箱在60℃条件下烘干至恒重。之后将小麦的根和茎叶分离，粉碎混匀后消解测定小麦根和茎叶中Cd和Ni的富集量。采用多元回归方程的方法拟合砂培条件下小麦对Cd和Ni的富集量，具体方程如下：
lg Y＝a×lg CCd+b×lg CNi+ε (1)
其中，Y表示小麦根和茎叶中Cd、Ni的富集量(mg/kg)，CCd和CNi分别表示溶液中Cd和Ni的浓度(mg/L)，a为Cd的强度系数，表示不同Ni浓度时Cd对小麦中Cd和Ni富集量的影响；b为Ni的强度系数，表示不同Cd处理时Ni对富集的影响。
(3)土壤孔隙水提取方法
采集不同来源土壤，剔除根茎石块等杂质，风干后过2mm筛，保持土壤含水率为田间持水量的80％并平衡30天，采用原位土壤溶液提取器MicroRhizon(RhizosphereResearch Products，荷兰)提取土壤孔隙水溶液，测定溶液中Cd和Ni的浓度，采用方程(1)预测不同土壤中Cd和Ni在小麦体内的生物富集量。
进一步地，在计算复合胁迫条件下，小麦对Cd和Ni的富集时，将富集过程中Cd和Ni的相互影响纳入富集方程计算中，即采用多元回归方程的方法描述Cd和Ni对小麦富集的影响，其相互影响以方程中强度系数的形式体现。
进一步地，在计算小麦中Cd和Ni的富集量时，采用步骤(2)拟合得到Cd-Ni复合富集方程，再将其运用于不同土壤中小麦对Cd和Ni的富集预测。
进一步地，采用砂培而非水培方式来建立Cd-Ni复合富集方程，因为水培过程中。
进一步地，采用土壤孔隙水溶液中Cd和Ni浓度，而非土壤中Cd和Ni的总浓度来预测土壤Cd和Ni的生物富集量。
进一步地，提取土壤孔隙水的方法为保持土壤田间持水量80％条件下并平衡30天后，采用原位土壤溶液提取器MicroRhizon(Rhizosphere Research Products，荷兰)提取土壤孔隙水溶液，而非采用其他方法提取土壤孔隙水。
进一步地，所述消解方法具体为将植物样品粉碎混匀后，称0.2000g植物样于50mL的聚丙烯塑料消解管内，加入5mL HNO3溶液(浓HNO3:H2O＝1:1)，静置过夜，将消解管放置在石墨消解仪上105℃条件下消解2小时，之后加入1.0mL 30％H2O2溶液，继续消解半小时。消解结束后等其冷却至室温，在消解管中定容至25mL，过滤后测定，采用本消解方法可有效提高消解的效果，进而增强测定方法的结果准确性。
上述的一种土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法在重金属毒性评估领域中的应用。
上述的一种土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法在小麦种植领域中的应用。
本发明提供了一种采用砂培实验获得镉镍复合的多元回归方程，用于预测土壤中镉镍复合富集的预测方法。
(4)复合富集的计算原理为：
在计算Cd-Ni复合生物富集时，选择描述多个变量之间相关性的多元回归方程，具体方程如下所示：
lg Y＝a×lg CCd+b×lg CNi+ε (1)
其中，Y表示小麦根和茎叶中Cd、Ni的富集量(mg/kg)，CCd和CNi分别表示溶液中Cd和Ni的浓度(mg/L)，a为Cd的强度系数，表示不同Ni浓度时Cd对小麦中Cd和Ni富集量的影响；b为Ni的强度系数，表示不同Cd处理时Ni对富集的影响。
以上方程即为Cd-Ni复合生物富集的方程，方程系数(a、b和ε)均通过富集数据进行多元回归拟合得到，最终建立砂培条件下Cd-Ni复合生物富集的预测方法。
本发明的有益效果是:
(1)本发明的优势在于通过砂培实验获得的Cd-Ni复合富集方程可以直接用于土壤Cd-Ni生物富集的预测，同时实验方法也可用于其他作物重金属富集的预测，首先采用砂培实验获得镉镍复合富集方程，其次采集实际土壤孔隙水并测定其中镉镍离子浓度，采用镉镍复合富集方程即可预测土壤中小麦中金属富集量。本方法考虑了不同土壤中重金属的有效性和重金属离子在植物富集过程的相互影响，获得的参数对不同土壤类型中镉镍生物富集有很好的预测效果。
(2)本发明提供的方法考虑了土壤中Cd和Ni的浓度，小麦富集过程中Cd和Ni的相互作用，得到的复合富集方程经过不同类型的土壤的验证，为土壤重金属生物富集的评价提供了科学的方法。
(3)本发明解决了土壤条件下Cd-Ni复合生物富集直接预测的问题，考虑了土壤有效态重金属浓度、共存重金属在富集过程中的相互影响，建立了砂培条件下Cd-Ni复合富集方程。获得的方程可以用于土壤中Cd-Ni复合富集的预测，为土壤重金属生态风险评估和区域土壤污染治理提供参考。
附图说明
图1为本发明中砂培条件下Cd-Ni复合富集的拟合结果图。
图2为复合富集方程对三种土壤中小麦中金属浓度的预测结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明，以更好地体现本发明的优势。
一种土壤镉镍复合(Cd-Ni)的小麦富集量的预测方法，包括以下步骤：
(1)砂碚富集实验：
首先采用实验室砂碚实验进行Cd-Ni复合富集实验，以小麦为受试生物，首先育种，选择发芽条件较好且一致的小麦种子开展一定时间的富集实验。实验采用控制变量法，即控制砂培溶液中基础阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)浓度不变，只改变Cd2+和Ni2+的浓度。
(2)确定Cd-Ni复合富集方程：
实验结束后，从石英砂中小心地取出小麦，使用0.01mol·L-1Na2H2EDTA溶液冲洗幼苗根部1min，以去除根表面吸着的金属离子；其次使用超纯水冲洗去除根表残留的Na2H2EDTA。将清洗完毕后的小麦幼苗使用烘箱在60℃条件下烘干至恒重。之后将小麦的根和茎叶分离，粉碎混匀后消解测定小麦根和茎叶中Cd和Ni的富集量。
消解方法具体为将植物样品粉碎混匀后，称0.2000g植物样于50mL的聚丙烯塑料消解管内，加入5mL HNO3溶液(浓HNO3:H2O＝1:1)，静置过夜，将消解管放置在石墨消解仪上105℃条件下消解2小时，之后加入1.0mL 30％H2O2溶液，继续消解半小时。消解结束后等其冷却至室温，在消解管中定容至25mL，过滤后测定。
采用多元回归方程的方法拟合砂培条件下小麦对Cd和Ni的富集量，具体方程如下：
lg Y＝a×lg CCd+b×lg CNi+ε (1)
其中，Y表示小麦根和茎叶中Cd、Ni的富集量(mg/kg)，CCd和CNi分别表示溶液中Cd和Ni的浓度(mg/L)，a为Cd的强度系数，表示不同Ni浓度时Cd对小麦中Cd和Ni富集量的影响；b为Ni的强度系数，表示不同Cd处理时Ni对富集的影响。
(3)土壤孔隙水提取方法
采集不同来源土壤，剔除根茎石块等杂质，风干后过2mm筛，保持土壤含水率为田间持水量的80％并平衡30天，采用原位土壤溶液提取器MicroRhizon(RhizosphereResearch Products，荷兰)提取土壤孔隙水溶液，测定溶液中Cd和Ni的浓度，采用方程(1)预测不同土壤中Cd和Ni在小麦体内的生物富集量。
在计算复合胁迫条件下，小麦对Cd和Ni的富集时，将富集过程中Cd和Ni的相互影响纳入富集方程计算中，即采用多元回归方程的方法描述Cd和Ni对小麦富集的影响。在计算小麦中Cd和Ni的富集量时，采用步骤(2)拟合得到Cd-Ni复合富集方程，再将其运用于不同土壤中小麦对Cd和Ni的富集预测。采用砂培而非水培方式来建立Cd-Ni复合富集方程。采用土壤孔隙水溶液中Cd和Ni浓度，而非土壤中Cd和Ni的总浓度来预测土壤Cd和Ni的生物富集量。
上述的一种土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法在重金属毒性评估领域中的应用。
上述的一种土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法在小麦种植领域中的应用。
本发明提供了一种采用砂培实验获得镉镍复合的多元回归方程，用于预测土壤中镉镍复合富集的预测方法。
(4)复合富集的计算原理为：
在计算Cd-Ni复合生物富集时，选择描述多个变量之间相关性的多元回归方程，具体方程如下所示：
lg Y＝a×lg CCd+b×lg CNi+ε (1)
其中，Y表示小麦根和茎叶中Cd、Ni的富集量(mg/kg)，CCd和CNi分别表示溶液中Cd和Ni的浓度(mg/L)，a为Cd的强度系数，表示不同Ni浓度时Cd对小麦中Cd和Ni富集量的影响；b为Ni的强度系数，表示不同Cd处理时Ni对富集的影响。
以上方程即为Cd-Ni复合生物富集的方程，方程系数(a、b和ε)均通过富集数据进行多元回归拟合得到，最终建立砂培条件下Cd-Ni复合生物富集的预测方法。
为验证砂培实验条件下获得的富集方程在实际土壤中的应用效果，采集了三种典型土壤(云南昆明红壤、江苏南京黄棕壤和黑龙江伊春黑土)，并按照上述的短期小麦富集实验要求开展土培富集实验，生长条件和时间与砂培条件下一致。
具体的技术步骤为：
第一步：小麦富集的砂培实验
首先开展砂培Cd-Ni复合胁迫实验，配制基础营养液提供砂培溶液基础阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)，控制砂培溶液中基础阳离子浓度不变只改变溶液中Cd2+和Ni2+的浓度，设置5个Cd浓度梯度，对应每一个Cd浓度，保持Cd浓度不变，设置4-5个Ni浓度梯度。每个处理组均有三个重复。各处理组砂培溶液的离子组分见表1。
实验开始前，进行育种，将小麦种子洗净后，均匀地撒在铺有湿润滤纸(用超纯水润湿)的培养皿中。而后将培养皿放在人工气候箱中。气候箱设置为无光照、温度为20℃、空气湿度为80％，在育种期间保持滤纸的湿润。48h后选择发芽状况良好且一致的种子进行实验。
砂培实验所用的石英砂粒径为0.3-1.0mm，使用前用5％HCl浸泡24h去除碳酸钙杂质，再用纯水清洗酸处理的石英砂，直至清洗液的pH值在5.6左右则认为石英砂已清洗干净，将其烘干备用。每盆装300g处理后的石英砂，将对应的80mL砂培溶液与之混合后，选取8颗符合要求的种子固定在石英砂上，再覆盖10g石英砂。每个处理设置三个平行。实验全程在人工气候箱中开展，气候箱设置为：光照时间16h、温度25℃、空气湿度为75％；黑暗时间8h、温度20℃、空气湿度为80％；富集实验时间为14天，每隔两天通过重量法补充散失的水分；14天后收获小麦。
表1砂培实验各处理组浓度设置
第二步：构建复合富集方程
实验结束后，从石英砂中小心地取出小麦，使用0.01mol·L-1Na2H2EDTA溶液冲洗幼苗根部1min，以去除根表面吸着的金属离子；其次使用超纯水冲洗去除根表残留的Na2H2EDTA。将清洗完毕后的小麦幼苗使用烘箱在60℃条件下烘干至恒重。之后将小麦的根和茎叶分离，粉碎混匀后消解测定小麦根和茎叶中Cd和Ni的富集量。
消解方法具体为将植物样品粉碎混匀后，称0.2000g植物样于50mL的聚丙烯塑料消解管内，加入5mL HNO3溶液(浓HNO3:H2O＝1:1)，静置过夜，将消解管放置在石墨消解仪上105℃条件下消解2小时，之后加入1.0mL 30％H2O2溶液，继续消解半小时。消解结束后等其冷却至室温，在消解管中定容至25mL，过滤后测定Cd、Ni浓度。
采用方程(1)结合Cd-Ni复合胁迫的富集数据，拟合得到砂培条件下复合富集方程(表2)，拟合结果如图1所示，其中，图1横坐标为实际测定的小麦根和茎叶中Cd和Ni的浓度，纵坐标为方法计算的Cd和Ni的生物富集，图中RMSE和R2为模型预测值与实际观察之间的均方根误差和决定系数。实线为1:1线，虚线为1:1线±1log10单位的偏差。
表2砂培实验中Cd-Ni复合富集方程
a)方程中Cdroot、Cdshoot、Niroot和Nishoot表示小麦根和茎叶中Cd和Ni的浓度(mg/kg)，Cd和Ni表示溶液中Cd和Ni的浓度(mg/L)；
b)R2为富集方程拟合过程中实际值与模型预测值之间的决定系数；
c)RMSE为实际值与模型预测值之间的均方根误差。
第三步：复合富集方程在土壤中的应用
为验证本发明提出方法的准确性，开展了系列土培实验验证拟合得到的参数在实际土壤盆栽实验中的适用情况。采集具有代表性的云南昆明红壤、江苏南京黄棕壤和黑龙江伊春黑土开展土培实验，土壤基本理化性质如表3所示。将土壤风干后过2mm筛，通过人为染毒的方式获得不同复合Cd-Ni浓度水平的污染土壤，土培实验Cd和Ni的投加量如表4所示。染毒后保持土壤含水率为田间持水量的80％并平衡30天。然后采用与砂培实验一致的方式开展小麦富集实验，实验结束后测定小麦根和茎叶中Cd和Ni的浓度。期间采用原位土壤溶液提取器MicroRhizon(Rhizosphere Research Products，荷兰)提取土壤孔隙水溶液，采用原子吸收仪测定溶液中Cd和Ni的离子浓度。
表3土壤基本理化性质
表4土培实验中Cd和Ni的投加浓度
根据土壤孔隙水中金属浓度，采用表2中金属富集方程预测不同土壤中Cd和Ni在小麦体内的生物富集量。验证结果如图2所示，横坐标为实际测定的不同土壤中小麦根和茎叶中Cd和Ni的浓度，纵坐标为根据富集方程预测的Cd和Ni的生物富集，图中RMSE和R2为模型预测值与实际观察之间的均方根误差和决定系数。实线为1:1线，虚线为1:1线±1log10单位的偏差，说明该方法能有准确预测土壤Cd-Ni的复合生物富集量。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：砂碚富集实验
采用实验室砂碚实验进行镉镍离子复合污染富集实验，以小麦为受试生物，首先育种，选择发芽条件一致的小麦种子开展一定时间的富集实验，实验中控制砂培溶液中基础阳离子浓度不变，只改变Cd2+和Ni2+的浓度；
S2：确定Cd-Ni复合富集方程
实验结束后，从石英砂中取出小麦，用水洗净小麦上附着的杂质后烘干；之后将小麦的根和茎叶分离，粉碎混匀后消解测定小麦根和茎叶中Cd和Ni的富集量，采用多元回归方程的方法拟合砂培条件下小麦对Cd和Ni的富集，具体方程如下：
lg Y＝a×lg CCd+b×lg CNi+ε (1)
其中，Y表示小麦根和茎叶中Cd、Ni的富集量mg/kg，CCd和CNi分别表示溶液中Cd和Ni的浓度mg/L，a为Cd的强度系数，表示不同Ni浓度时Cd对小麦中Cd和Ni富集量的影响；b为Ni的强度系数，表示不同Cd处理时Ni对富集的影响；
S3：土壤孔隙水提取方法
采集不同来源土壤，剔除根茎石块杂质，风干后过2mm筛，保持土壤含水率为田间持水量的80％并平衡30天，提取土壤孔隙水溶液，测定溶液中Cd和Ni的浓度，采用方程(1)预测不同土壤中Cd和Ni在小麦体内的生物富集量。
2.根据权利要求1所述的一种土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法，其特征在于，在计算复合胁迫条件下，小麦对Cd和Ni的富集时，将富集过程中Cd和Ni的相互影响纳入富集方程计算中，即采用多元回归方程的方法描述Cd和Ni对小麦富集的影响。
3.根据权利要求1所述的一种土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法，其特征在于，在计算小麦中Cd和Ni的富集量时，采用步骤(2)拟合得到Cd-Ni复合富集方程，再将其运用于不同土壤中小麦对Cd和Ni的富集预测。
4.根据权利要求1所述的一种土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法，其特征在于，采用砂培而非水培方式来建立Cd-Ni复合富集方程。
5.根据权利要求1所述的一种土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法，其特征在于，对土壤Cd-Ni复合富集量的预测方法为：采用土壤孔隙水溶液中Cd和Ni浓度，而非土壤中Cd和Ni的总浓度来预测土壤Cd和Ni的生物富集量。
6.根据权利要求1所述的一种土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法，其特征在于，所述的提取土壤孔隙水的方法为保持土壤田间持水量80％条件下并平衡30天后，采用原位土壤溶液提取器MicroRhizon提取土壤孔隙水溶液，而非采用其他方法提取土壤孔隙水。
7.根据权利要求1所述的一种土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法，其特征在于，所述土壤采集红壤、黄棕壤和黑土，将土壤风干后过2mm筛，通过人为染毒的方式获得不同复合Cd-Ni浓度水平的污染土壤，染毒后保持土壤含水率为田间持水量的80％并平衡30天，按照权利要求1中的短期富集实验要求开展小麦富集实验，生长期间采用原位土壤溶液提取器提取土壤溶液，测定溶液中Cd和Ni的浓度，采用方程(1)预测不同土壤中镉和镍的生物富集量。
8.根据权利要求1所述的一种土壤镉镍复合的小麦富集量的预测方法，其特征在于，所述预测方法可应用于重金属毒性评估领域、小麦种植领域。
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