砷對土壤生物學活性及蔬菜毒性的影響

1、農(nóng)業(yè)環(huán)境保護2000,19(3:148151A g ro -envi ron ment al Protection表1供試土壤理化性狀砷對土壤生物學活性及蔬菜毒性的影響3李道林,何方,馬成澤,田超(安徽農(nóng)業(yè)大學土化系,合肥2300363安徽農(nóng)業(yè)大學校長青年科學基金資助項目。收稿日期:1999-12-19供試土壤采樣地點母質土壤質地p H 值有機質(g /k g 速效磷(m g /k g CEC(cmol (+/k g 砷背景值樅陽沖積物粘壤土4.115.13.58.867.20摘要:通過室內(nèi)培養(yǎng)及室外盆栽實驗,研究了砷在粘盤黃褐土、紅壤(高肥力、低肥力、水稻土上的生物學效應。研究結果表明,砷濃

2、度60m g /k g 時對土壤中纖維素分解有抑制作用;砷對土壤呼吸強度的影響不顯著;施入有機物料可以減輕砷對微生物的毒害作用。四季豆是對砷敏感的作物,砷濃度30m g /k g 時產(chǎn)生明顯的中毒癥狀;施入磷肥可加重砷對四季豆的毒害作用。關鍵詞:砷污染;土壤;生物學活性;四季豆中圖分類號:X132文獻標識碼:A文章編號:1000-0267(200003-0148-04砷是具有廣泛來源和較強毒性的污染元素。土壤中的砷以無機態(tài)為主,砷酸鹽是其主要成分3、4。土壤微生物和生物化學過程以及植物生長對土壤中的砷酸鹽濃度反應相當敏感1、7。不同類型的土壤,因其組成和性質的差異,與砷的相互作用不同,影響土壤

3、砷的生物學效應。研究不同土壤在不同投砷量下生物化學性質和對植物生長的影響,可以確定不同反應的臨界砷濃度。本文通過在粘盤黃褐土、紅壤(低肥力、高肥力、水稻土上的比較試驗,研究了不同類型土壤對砷的生物學效應及砷對四季豆生長的影響。1材料與方法1.1材料供試土壤分別采自安徽省合肥市郊區(qū)、貴池市郊區(qū)和樅陽縣的粘盤黃褐土、紅壤及水稻土,其基本理化性狀列于表1。四季豆(Phaseol us v ul g aris L .為美國地豆。風干土經(jīng)過研磨,分別過3mm 、1mm 篩孔備用,用Na 2HAsO 4配制1000m g /L 的砷溶液備用。1.2試驗方法稱取過3mm 篩孔土樣100g 放入培養(yǎng)皿中,加N

4、a 2HAsO 4溶液使土壤含砷量分別為C K (對照、30、40、60、100、200m g /k g ,同一處理設8次重復,其中4次加紫云英10g 和4次不施紫云英,將用0.1%H 2SO 4處理過的3cm 7cm 白布條平鋪于土層中分別稱取過3mm 篩的供試4種土樣300g 放入500mL 燒杯中,加入Na 2HAsO 4溶液使土壤含砷量分別為C K 、30、40、60、100、200m g /k g ,每種處理設6次重復,其中3次加紫云英30g 和3次不施紫云英,室溫培養(yǎng),于處理后第1、3、7、9、11、14、18d 測定土壤呼吸強度。稱取過3mm 篩的粘盤黃褐土若干份,每份25k g

5、 ,加入Na 2HAsO 4溶液,使土壤砷濃度依次為C K 、20、30、40、60、120、200m g /k g ,裝缽,設6次重復,其149農(nóng)業(yè)環(huán)境保護第19卷第3期供試土壤處理砷濃度(m g /k g C K304060100200粘盤黃褐土未加入紫云英6.47.76.56.3 6.0 5.9加入紫云英9.99.47.76.8高肥力紅壤未加入紫云英表2砷對土壤中纖維素分解強度的影響(單位:分解量%供試土壤處理砷濃度(m g /k g C K 304060100200粘盤黃褐土未加入紫云英740750740726714710加入紫云英772796768751738729低肥力紅壤未加入紫

6、云英774800787756743729高肥力紅壤未加入紫云英707727690675659647加入紫云英745726764713700684加入紫云英755784744727712700表3不同土壤施外源砷后18d 內(nèi)CO 2累積量(單位:m g /h m 2中3次加磷溶液(按P 10m g /k g 土計和3次不加磷溶液。保持土壤濕潤,于5月18日播入已催芽的四季豆種子4粒。觀察四季豆長勢,分析有關項目。1.3樣品分析纖維素分解強度測定:埋片法5;土壤呼吸強度測定:CO 2容量法5;植物葉片蒸騰強度測定:重量差減法;葉綠素含量測定:丙酮提取分光光度法。土壤中砷的測定:硝酸-高氯酸消解,二

7、乙基二硫代氨基甲酸銀比色法2。2結果與討論2.1砷對纖維素分解強度的影響供試4種土壤在不同的砷濃度下,纖維素分解強度均以粘盤黃褐土最大,其次為水稻土、高肥力紅壤、低肥力紅壤(表2,這可能與土壤質地有關,質地越粘重土壤對砷的吸附量越大3,砷對纖維素分解菌活性的抑制程度就越低。4種土壤在加砷的基礎上加入紫云英后纖維素分解強度明顯大于未加紫云英處理,變化最劇烈是低肥力紅壤,在砷濃度30m g /k g 時纖維素分解強度增加最大,達250.6%,在砷濃度200m g /k g 增加最少,為15.3%,即使在砷濃度為200m g /k g 時纖維素的分解強度也都大于同類土壤未加紫云英的對照處理,說明有機

8、物料可以降低砷對土壤微生物的毒性。無論是否施加有機物料,砷對纖維素分解強度的影響都表現(xiàn)出低濃度刺激、高濃度抑制的規(guī)律。未加有機物料處理,在砷濃度為30m g /k g 時纖維素分解強度最大,砷濃度大于60m g /k g 時纖維素分解強度低于對照;施入有機物料后最大刺激的砷濃度有后移的趨勢,如粘盤黃褐土中未加有機物料處理的最大激活砷濃度為30m g /k g ,加紫云英后,其最大激活砷濃度為40m g /k g 。說明有機物料能緩解砷對纖維素分解菌的毒害作用。2.2砷對土壤呼吸作用的影響土壤呼吸強度表征著土壤微生物數(shù)量的活性7。試驗表明4種土壤在加入外源砷后,其呼吸強度都有變化(表3,總的趨勢

9、是低濃度砷時土壤呼吸作用有微弱的增強,表明了低濃度土壤砷對微生物活性的刺激。除未加紫云英的水稻土外,其余各處理均表現(xiàn)為在砷濃度為30m g /k g 時刺激作用最強,而水稻土(未加紫云英在砷濃度40m g /k g 刺激作用最強;砷濃度大于60m g /k g 后都表現(xiàn)出不同程度的抑制作用,隨著砷濃度的提高,抑制作用增大。抑制最強的是砷濃度為200m g /k g 時未加紫云英處理的水稻土,其相對呼吸強度為91.8%,與對照相比即呼吸強度減弱不到10%。土壤中加入紫云英后,無論砷濃度如何,在相同濃度下,土壤呼吸強度都比未加紫云英處理的大,可見施加有機物料能減輕砷對土壤微生物活性的抑制作用。以低

10、肥力紅壤為例(表4,加砷處理土壤后,土壤呼吸強度在最初幾天較高,隨著時間的延長,其呼吸強度逐漸降低,最終趨于平穩(wěn),加入有機物料與否均有同樣趨勢。加入紫云英的處理,最初CO 2放出量明顯比不加紫云英的處理多,但隨著有機物料被微生物分解的減少,土壤呼吸強度逐漸降低。向土壤中投砷量不同產(chǎn)生的影響依稀可辨,但呼吸強度變化的基本趨勢主要取決于有機物料的分解過程,當培養(yǎng)至第18d 時,加與不加有機物料,土壤呼吸強度已無明顯差異。2.3砷對四季豆的生理毒害作用表5是粘盤黃褐土投砷處理后,種植四季豆的盆栽實驗結果?？梢钥闯?四季豆對土壤中砷的反應相當敏感8:當土壤砷濃度30m g /k g 時四季豆生長即受到

11、抑制;40m g /k g 時長勢很差;60m g /k g 時不開花、不結實;120m g /k g 時,四季豆種子腐爛,不出苗。1502000年6月表6砷對四季豆葉片蒸騰強度及葉綠素含量的影響(盆栽試驗表5不同砷處理對四季豆生長狀況的影響砷濃度(m g /k g 苗期生長期開花期結實期出苗數(shù)子葉形態(tài)葉片數(shù)株高(cm 株高(cm 開花情況結莢數(shù)(個/株鮮重(g /株15.3601凋落58131201凋落22520003.460+P 1凋落5611120+P 0200+P從表5中還可以看出在砷濃度為20m g /k g 時,四季豆長勢最好,每株結莢數(shù)每株鮮重也最多。同時加磷溶液的處理,同樣是土

12、壤投砷20m g /k g 長勢最好,但每株結莢數(shù)與每株鮮重最多的則是不投砷的對照處理。從每株結莢數(shù)分析,施磷肥比不施磷肥處理在砷濃度(m g /k g 為20、30、40時分別下降(%30.5、15.2、89.0,表明施磷后可加重砷對四季豆的毒害作用,這可能是因為磷與砷同為V A 族元素,化學性質相似,當土壤中有效磷濃度增大時,有效磷競占了土壤中的吸附位,阻礙土壤膠體對土壤溶液中的有效砷的吸附,從而增強了砷的毒害作用。據(jù)小山雄生報道6(1975,砷對作物的毒害,從生理方面看是由于三碳糖磷酸的氧化不產(chǎn)生高能磷酸,以致在PCA 循環(huán)中大大阻礙A TP 的生成,從而阻礙了養(yǎng)分的積累。從四季豆營養(yǎng)生

13、長與生殖生長兩個階段來看,當砷濃度達到60m g /k g 時,生殖生長停止,而營養(yǎng)生長的耐砷濃度可達到120m g /k g ?？梢?砷對四季豆的生殖生長毒害最強,當然,砷濃度高時,營養(yǎng)生長也會受影響。從表6看出,隨著土壤中砷濃度增加,四季豆葉片的蒸騰強度明顯減弱,在砷濃度(m g /k g 為20、30、40時,未加磷處理與對照相比,分別下降(%1.7、6.2、11.3;加磷處理與加磷對照相比,分別下降(%13.3、14.8、20.9,表明在土壤砷濃度為20m g /k g 時四季豆葉片的蒸騰強度就已經(jīng)受到抑制,可以推知此一土壤砷濃度下,光合作用也受到影響而減弱。從四季豆葉片葉綠素含量分析

14、結果看出,凡向土壤投入砷處理,單位面積四季豆葉片的葉綠素含量均隨著砷濃度的提高而增加。與表5四季豆葉片數(shù)比較分析發(fā)現(xiàn),單位面積葉片葉綠素含量越高反而葉片數(shù)越少,說明葉片發(fā)育受阻,葉綠素含量越高,發(fā)育受阻越嚴重,所以隨著砷濃度的增加四季豆葉片的生長越慢。未加磷處理時,20m g /k g 的投砷量對處理(m g /k g 測定時間(d 1379111418CO 2累積量16017315480784737729表4砷對低肥力紅壤呼吸強度的影響(單位:以CO 2計m g /h m 2處理蒸騰強度(g /g h 葉綠素a(m g /dm 2葉綠素b (m g /dm 2葉綠素a +b1.522.564

15、0+P1.55李道林等:砷對土壤生物學活性及蔬菜毒性的影響151農(nóng)業(yè)環(huán)境保護第19卷第3期四季豆葉片生長有微弱刺激作用,而砷濃度超過30 m g/k g時,葉綠素含量已明顯增多,表明葉片生長明顯受阻。加入磷處理的四季豆,在砷濃度20m g/k g 時單位面積葉片葉綠素a、b和a+b明顯高于對照,相同濃度的砷處理加磷與不加磷比較是前者的葉綠素含量高,同樣表明施磷能夠加強砷對四季豆的毒害。3結論3.1低濃度砷對纖維素分解有刺激作用,最大刺激濃度為30m g/k g,高濃度砷對纖維素分解有抑制作用,砷濃度大于60m g/k g時抑制作用明顯。3.2砷濃度小于30m g/k g對土壤呼吸強度有微弱刺激

16、作用,砷濃度大于60m g/k g時有微弱抑制作用,但總體而言,砷對呼吸作用的影響不明顯。有機物料能緩解砷對微生物的毒害作用。3.3砷對四季豆生長有抑制作用,砷濃度大于30 m g/k g時,四季豆產(chǎn)生中毒癥狀,60m g/k g時四季豆不能成活;施入速效磷肥可加重砷的毒害作用。參考文獻1楊居榮等.砷對土壤微生物及土壤生化活性的影響J.土壤,1996;28(2:101109.2楊居榮等.土壤砷污染的植物效應A.見:土壤容量研究C.北京:氣象出版社,1986.3陳懷滿等.土壤-植物系統(tǒng)中的重金屬污染M.北京:科學出版社,1996:3270.4廖自基.微量元素的環(huán)境化學及生物效應M.北京:中國環(huán)境

17、科學出版社,1992.5鄭洪元等.土壤動態(tài)生物化學研究法M.北京:科學出版社,1982.6小山雄生.土壤作物系的舉動J.(日土壤肥料學雜志,1975;46(11:491502.7楊景輝.土壤污染與防治M.北京:科學技術出版社,1995.8何念祖等.植物生長的有益元素M.上海:上海科學技術出版社,1993:241253.作者簡介:李道林,男,1963年生,1986年畢業(yè)于南京農(nóng)業(yè)大學土化系,現(xiàn)任安徽農(nóng)業(yè)大學土化系講師,資環(huán)教研室副主任,主要從事資源與環(huán)境教學和研究工作,近年發(fā)表論文6篇。Effects of Arsen ic on Biolo g ical Activit y of Soils

18、and Its Toxicit y to Selected-Ve g etablesL I Dao-lin,HE Fan g,MA Chen g-ze and T IAN Chao(De p art ment s of Soil Science and A g rochemist r y,Anhui A g ricult ural U niversit y,Hefei230036 Abstract:The p resent st ud y has investi g ated biolo g ical effect s of arsenic on cla y p an y ellow cinn

19、amon soil,red soils (wit h hi g h fertilit y and low fertilit yand p add y soil.The result s showed t hat arsenic stimulated decom p osition of cel2 lulose in t he soils when it s concent ration was below30m g/k g,while it could inhibit decom p osition when it s content was a pp lied at over60m g/k g.Arsenic did not exhibit si g nificant influence on res p iration of t he st udied soils.The adverse effect s to microor g anism in t he soils ma y be alleviated b y a pp lication of or g anic