砷对土壤生物学活性及蔬菜毒性的影响

1、农业环境保护2000,19(3:148151A g ro -envi ron ment al Protection表1供试土壤理化性状砷对土壤生物学活性及蔬菜毒性的影响3李道林,何方,马成泽,田超(安徽农业大学土化系,合肥2300363安徽农业大学校长青年科学基金资助项目。收稿日期:1999-12-19供试土壤采样地点母质土壤质地p H 值有机质(g /k g 速效磷(m g /k g CEC(cmol (+/k g 砷背景值枞阳冲积物粘壤土4.115.13.58.867.20摘要:通过室内培养及室外盆栽实验,研究了砷在粘盘黄褐土、红壤(高肥力、低肥力、水稻土上的生物学效应。研究结果表明,砷浓

2、度60m g /k g 时对土壤中纤维素分解有抑制作用;砷对土壤呼吸强度的影响不显著;施入有机物料可以减轻砷对微生物的毒害作用。四季豆是对砷敏感的作物,砷浓度30m g /k g 时产生明显的中毒症状;施入磷肥可加重砷对四季豆的毒害作用。关键词:砷污染;土壤;生物学活性;四季豆中图分类号:X132文献标识码:A文章编号:1000-0267(200003-0148-04砷是具有广泛来源和较强毒性的污染元素。土壤中的砷以无机态为主,砷酸盐是其主要成分3、4。土壤微生物和生物化学过程以及植物生长对土壤中的砷酸盐浓度反应相当敏感1、7。不同类型的土壤,因其组成和性质的差异,与砷的相互作用不同,影响土壤

3、砷的生物学效应。研究不同土壤在不同投砷量下生物化学性质和对植物生长的影响,可以确定不同反应的临界砷浓度。本文通过在粘盘黄褐土、红壤(低肥力、高肥力、水稻土上的比较试验,研究了不同类型土壤对砷的生物学效应及砷对四季豆生长的影响。1材料与方法1.1材料供试土壤分别采自安徽省合肥市郊区、贵池市郊区和枞阳县的粘盘黄褐土、红壤及水稻土,其基本理化性状列于表1。四季豆(Phaseol us v ul g aris L .为美国地豆。风干土经过研磨,分别过3mm 、1mm 筛孔备用,用Na 2HAsO 4配制1000m g /L 的砷溶液备用。1.2试验方法称取过3mm 筛孔土样100g 放入培养皿中,加N

4、a 2HAsO 4溶液使土壤含砷量分别为C K (对照、30、40、60、100、200m g /k g ,同一处理设8次重复,其中4次加紫云英10g 和4次不施紫云英,将用0.1%H 2SO 4处理过的3cm 7cm 白布条平铺于土层中分别称取过3mm 筛的供试4种土样300g 放入500mL 烧杯中,加入Na 2HAsO 4溶液使土壤含砷量分别为C K 、30、40、60、100、200m g /k g ,每种处理设6次重复,其中3次加紫云英30g 和3次不施紫云英,室温培养,于处理后第1、3、7、9、11、14、18d 测定土壤呼吸强度。称取过3mm 筛的粘盘黄褐土若干份,每份25k g

5、 ,加入Na 2HAsO 4溶液,使土壤砷浓度依次为C K 、20、30、40、60、120、200m g /k g ,装钵,设6次重复,其149农业环境保护第19卷第3期供试土壤处理砷浓度(m g /k g C K304060100200粘盘黄褐土未加入紫云英6.47.76.56.3 6.0 5.9加入紫云英9.99.47.76.8高肥力红壤未加入紫云英表2砷对土壤中纤维素分解强度的影响(单位:分解量%供试土壤处理砷浓度(m g /k g C K 304060100200粘盘黄褐土未加入紫云英740750740726714710加入紫云英772796768751738729低肥力红壤未加入紫

6、云英774800787756743729高肥力红壤未加入紫云英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 内CO 2累积量(单位:m g /h m 2中3次加磷溶液(按P 10m g /k g 土计和3次不加磷溶液。保持土壤湿润,于5月18日播入已催芽的四季豆种子4粒。观察四季豆长势,分析有关项目。1.3样品分析纤维素分解强度测定:埋片法5;土壤呼吸强度测定:CO 2容量法5;植物叶片蒸腾强度测定:重量差减法;叶绿素含量测定:丙酮提取分光光度法。土壤中砷的测定:硝酸-高氯酸消解,二

7、乙基二硫代氨基甲酸银比色法2。2结果与讨论2.1砷对纤维素分解强度的影响供试4种土壤在不同的砷浓度下,纤维素分解强度均以粘盘黄褐土最大,其次为水稻土、高肥力红壤、低肥力红壤(表2,这可能与土壤质地有关,质地越粘重土壤对砷的吸附量越大3,砷对纤维素分解菌活性的抑制程度就越低。4种土壤在加砷的基础上加入紫云英后纤维素分解强度明显大于未加紫云英处理,变化最剧烈是低肥力红壤,在砷浓度30m g /k g 时纤维素分解强度增加最大,达250.6%,在砷浓度200m g /k g 增加最少,为15.3%,即使在砷浓度为200m g /k g 时纤维素的分解强度也都大于同类土壤未加紫云英的对照处理,说明有机

8、物料可以降低砷对土壤微生物的毒性。无论是否施加有机物料,砷对纤维素分解强度的影响都表现出低浓度刺激、高浓度抑制的规律。未加有机物料处理,在砷浓度为30m g /k g 时纤维素分解强度最大,砷浓度大于60m g /k g 时纤维素分解强度低于对照;施入有机物料后最大刺激的砷浓度有后移的趋势,如粘盘黄褐土中未加有机物料处理的最大激活砷浓度为30m g /k g ,加紫云英后,其最大激活砷浓度为40m g /k g 。说明有机物料能缓解砷对纤维素分解菌的毒害作用。2.2砷对土壤呼吸作用的影响土壤呼吸强度表征着土壤微生物数量的活性7。试验表明4种土壤在加入外源砷后,其呼吸强度都有变化(表3,总的趋势

9、是低浓度砷时土壤呼吸作用有微弱的增强,表明了低浓度土壤砷对微生物活性的刺激。除未加紫云英的水稻土外,其余各处理均表现为在砷浓度为30m g /k g 时刺激作用最强,而水稻土(未加紫云英在砷浓度40m g /k g 刺激作用最强;砷浓度大于60m g /k g 后都表现出不同程度的抑制作用,随着砷浓度的提高,抑制作用增大。抑制最强的是砷浓度为200m g /k g 时未加紫云英处理的水稻土,其相对呼吸强度为91.8%,与对照相比即呼吸强度减弱不到10%。土壤中加入紫云英后,无论砷浓度如何,在相同浓度下,土壤呼吸强度都比未加紫云英处理的大,可见施加有机物料能减轻砷对土壤微生物活性的抑制作用。以低

10、肥力红壤为例(表4,加砷处理土壤后,土壤呼吸强度在最初几天较高,随着时间的延长,其呼吸强度逐渐降低,最终趋于平稳,加入有机物料与否均有同样趋势。加入紫云英的处理,最初CO 2放出量明显比不加紫云英的处理多,但随着有机物料被微生物分解的减少,土壤呼吸强度逐渐降低。向土壤中投砷量不同产生的影响依稀可辨,但呼吸强度变化的基本趋势主要取决于有机物料的分解过程,当培养至第18d 时,加与不加有机物料,土壤呼吸强度已无明显差异。2.3砷对四季豆的生理毒害作用表5是粘盘黄褐土投砷处理后,种植四季豆的盆栽实验结果。可以看出,四季豆对土壤中砷的反应相当敏感8:当土壤砷浓度30m g /k g 时四季豆生长即受到

11、抑制;40m g /k g 时长势很差;60m g /k g 时不开花、不结实;120m g /k g 时,四季豆种子腐烂,不出苗。1502000年6月表6砷对四季豆叶片蒸腾强度及叶绿素含量的影响(盆栽试验表5不同砷处理对四季豆生长状况的影响砷浓度(m g /k g 苗期生长期开花期结实期出苗数子叶形态叶片数株高(cm 株高(cm 开花情况结荚数(个/株鲜重(g /株15.3601凋落58131201凋落22520003.460+P 1凋落5611120+P 0200+P从表5中还可以看出在砷浓度为20m g /k g 时,四季豆长势最好,每株结荚数每株鲜重也最多。同时加磷溶液的处理,同样是土

12、壤投砷20m g /k g 长势最好,但每株结荚数与每株鲜重最多的则是不投砷的对照处理。从每株结荚数分析,施磷肥比不施磷肥处理在砷浓度(m g /k g 为20、30、40时分别下降(%30.5、15.2、89.0,表明施磷后可加重砷对四季豆的毒害作用,这可能是因为磷与砷同为V A 族元素,化学性质相似,当土壤中有效磷浓度增大时,有效磷竞占了土壤中的吸附位,阻碍土壤胶体对土壤溶液中的有效砷的吸附,从而增强了砷的毒害作用。据小山雄生报道6(1975,砷对作物的毒害,从生理方面看是由于三碳糖磷酸的氧化不产生高能磷酸,以致在PCA 循环中大大阻碍A TP 的生成,从而阻碍了养分的积累。从四季豆营养生

13、长与生殖生长两个阶段来看,当砷浓度达到60m g /k g 时,生殖生长停止,而营养生长的耐砷浓度可达到120m g /k g 。可见,砷对四季豆的生殖生长毒害最强,当然,砷浓度高时,营养生长也会受影响。从表6看出,随着土壤中砷浓度增加,四季豆叶片的蒸腾强度明显减弱,在砷浓度(m g /k g 为20、30、40时,未加磷处理与对照相比,分别下降(%1.7、6.2、11.3;加磷处理与加磷对照相比,分别下降(%13.3、14.8、20.9,表明在土壤砷浓度为20m g /k g 时四季豆叶片的蒸腾强度就已经受到抑制,可以推知此一土壤砷浓度下,光合作用也受到影响而减弱。从四季豆叶片叶绿素含量分析

14、结果看出,凡向土壤投入砷处理,单位面积四季豆叶片的叶绿素含量均随着砷浓度的提高而增加。与表5四季豆叶片数比较分析发现,单位面积叶片叶绿素含量越高反而叶片数越少,说明叶片发育受阻,叶绿素含量越高,发育受阻越严重,所以随着砷浓度的增加四季豆叶片的生长越慢。未加磷处理时,20m g /k g 的投砷量对处理(m g /k g 测定时间(d 1379111418CO 2累积量16017315480784737729表4砷对低肥力红壤呼吸强度的影响(单位:以CO 2计m g /h m 2处理蒸腾强度(g /g h 叶绿素a(m g /dm 2叶绿素b (m g /dm 2叶绿素a +b1.522.564

15、0+P1.55李道林等:砷对土壤生物学活性及蔬菜毒性的影响151农业环境保护第19卷第3期四季豆叶片生长有微弱刺激作用,而砷浓度超过30 m g/k g时,叶绿素含量已明显增多,表明叶片生长明显受阻。加入磷处理的四季豆,在砷浓度20m g/k g 时单位面积叶片叶绿素a、b和a+b明显高于对照,相同浓度的砷处理加磷与不加磷比较是前者的叶绿素含量高,同样表明施磷能够加强砷对四季豆的毒害。3结论3.1低浓度砷对纤维素分解有刺激作用,最大刺激浓度为30m g/k g,高浓度砷对纤维素分解有抑制作用,砷浓度大于60m g/k g时抑制作用明显。3.2砷浓度小于30m g/k g对土壤呼吸强度有微弱刺激

16、作用,砷浓度大于60m g/k g时有微弱抑制作用,但总体而言,砷对呼吸作用的影响不明显。有机物料能缓解砷对微生物的毒害作用。3.3砷对四季豆生长有抑制作用,砷浓度大于30 m g/k g时,四季豆产生中毒症状,60m g/k g时四季豆不能成活;施入速效磷肥可加重砷的毒害作用。参考文献1杨居荣等.砷对土壤微生物及土壤生化活性的影响J.土壤,1996;28(2:101109.2杨居荣等.土壤砷污染的植物效应A.见:土壤容量研究C.北京:气象出版社,1986.3陈怀满等.土壤-植物系统中的重金属污染M.北京:科学出版社,1996:3270.4廖自基.微量元素的环境化学及生物效应M.北京:中国环境

17、科学出版社,1992.5郑洪元等.土壤动态生物化学研究法M.北京:科学出版社,1982.6小山雄生.土壤作物系的举动J.(日土壤肥料学杂志,1975;46(11:491502.7杨景辉.土壤污染与防治M.北京:科学技术出版社,1995.8何念祖等.植物生长的有益元素M.上海:上海科学技术出版社,1993:241253.作者简介:李道林,男,1963年生,1986年毕业于南京农业大学土化系,现任安徽农业大学土化系讲师,资环教研室副主任,主要从事资源与环境教学和研究工作,近年发表论文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