砷對土壤生物學(xué)活性及蔬菜毒性的影響

1、農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)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(xué)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(xué)土化系,合肥2300363安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校長青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目。收稿日期:1999-12-19供試土壤采樣地點(diǎn)母質(zhì)土壤質(zhì)地p H 值有機(jī)質(zhì)(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(shí)驗(yàn),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(xué)效應(yīng)。研究結(jié)果表明,砷濃

2、度60m g /k g 時(shí)對土壤中纖維素分解有抑制作用;砷對土壤呼吸強(qiáng)度的影響不顯著;施入有機(jī)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(shí)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(guān)鍵詞:砷污染;土壤;生物學(xué)活性;四季豆中圖分類號:X132文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000-0267(200003-0148-04砷是具有廣泛來源和較強(qiáng)毒性的污染元素。土壤中的砷以無機(jī)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(xué)過程以及植物生長對土壤中的砷酸鹽濃度反應(yīng)相當(dāng)敏感1、7。不同類型的土壤,因其組成和性質(zhì)的差異,與砷的相互作用不同,影響土壤

3、砷的生物學(xué)效應(yīng)。研究不同土壤在不同投砷量下生物化學(xué)性質(zhì)和對植物生長的影響,可以確定不同反應(yīng)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(yàn),研究了不同類型土壤對砷的生物學(xué)效應(yīng)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(fēng)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(yàn)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(shè)8次重復(fù),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(shè)6次重復(fù),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(qiáng)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(shè)6次重復(fù),其149農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)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(qiáng)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(jì)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(guān)項(xiàng)目。1.3樣品分析纖維素分解強(qiáng)度測定:埋片法5;土壤呼吸強(qiáng)度測定:CO 2容量法5;植物葉片蒸騰強(qiáng)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(jié)果與討論2.1砷對纖維素分解強(qiáng)度的影響供試4種土壤在不同的砷濃度下,纖維素分解強(qiáng)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(zhì)地有關(guān),質(zhì)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(chǔ)上加入紫云英后纖維素分解強(qiáng)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(shí)纖維素分解強(qiáng)度增加最大,達(dá)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(shí)纖維素的分解強(qiáng)度也都大于同類土壤未加紫云英的對照處理,說明有機(jī)

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(jī)物料,砷對纖維素分解強(qiáng)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(jī)物料處理,在砷濃度為30m g /k g 時(shí)纖維素分解強(qiáng)度最大,砷濃度大于60m g /k g 時(shí)纖維素分解強(qiáng)度低于對照;施入有機(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng)度表征著土壤微生物數(shù)量的活性7。試驗(yàn)表明4種土壤在加入外源砷后,其呼吸強(qiáng)度都有變化(表3,總的趨勢

9、是低濃度砷時(shí)土壤呼吸作用有微弱的增強(qiáng),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(shí)刺激作用最強(qiáng),而水稻土(未加紫云英在砷濃度40m g /k g 刺激作用最強(qiáng);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(qiáng)的是砷濃度為200m g /k g 時(shí)未加紫云英處理的水稻土,其相對呼吸強(qiáng)度為91.8%,與對照相比即呼吸強(qiáng)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(qiáng)度都比未加紫云英處理的大,可見施加有機(jī)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(qiáng)度在最初幾天較高,隨著時(shí)間的延長,其呼吸強(qiáng)度逐漸降低,最終趨于平穩(wěn),加入有機(jī)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(jī)物料被微生物分解的減少,土壤呼吸強(qiáng)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(qiáng)度變化的基本趨勢主要取決于有機(jī)物料的分解過程,當(dāng)培養(yǎng)至第18d 時(shí),加與不加有機(jī)物料,土壤呼吸強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?四季豆對土壤中砷的反應(yīng)相當(dāng)敏感8:當(dāng)土壤砷濃度30m g /k g 時(shí)四季豆生長即受到

11、抑制;40m g /k g 時(shí)長勢很差;60m g /k g 時(shí)不開花、不結(jié)實(shí);120m g /k g 時(shí),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(qiáng)度及葉綠素含量的影響(盆栽試驗(yàn)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(jié)實(shí)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(jié)莢數(shù)(個(gè)/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(shí),四季豆長勢最好,每株結(jié)莢數(shù)每株鮮重也最多。同時(shí)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(jié)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(jié)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(shí)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?yàn)榱着c砷同為V A 族元素,化學(xué)性質(zhì)相似,當(dāng)土壤中有效磷濃度增大時(shí),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(qiáng)了砷的毒害作用。據(jù)小山雄生報(bào)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?fàn)I養(yǎng)生

13、長與生殖生長兩個(gè)階段來看,當(dāng)砷濃度達(dá)到60m g /k g 時(shí),生殖生長停止,而營養(yǎng)生長的耐砷濃度可達(dá)到120m g /k g ?？梢?砷對四季豆的生殖生長毒害最強(qiáng),當(dāng)然,砷濃度高時(shí),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(qiáng)度明顯減弱,在砷濃度(m g /k g 為20、30、40時(shí),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(shí)四季豆葉片的蒸騰強(qiáng)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(jié)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(yán)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(shí),20m g /k g 的投砷量對處理(m g /k g 測定時(shí)間(d 1379111418CO 2累積量16017315480784737729表4砷對低肥力紅壤呼吸強(qiáng)度的影響(單位:以CO 2計(jì)m g /h m 2處理蒸騰強(qiáng)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(xué)活性及蔬菜毒性的影響151農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)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(shí),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(shí)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(qiáng)砷對四季豆的毒害。3結(jié)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(shí)抑制作用明顯。3.2砷濃度小于30m g/k g對土壤呼吸強(qiáng)度有微弱刺激

16、作用,砷濃度大于60m g/k g時(shí)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(jī)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(shí),四季豆產(chǎn)生中毒癥狀,60m g/k g時(shí)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(xiàn)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(yīng)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(xué)出版社,1996:3270.4廖自基.微量元素的環(huán)境化學(xué)及生物效應(yīng)M.北京:中國環(huán)境

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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