地膜中酞酸酯類(lèi)化合物對(duì)土壤-大豆污染的研究

于立河，王 鵬，于立紅

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江大慶163319)

農(nóng)用地膜的使用能夠提高地溫，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，保持土壤水分，提高肥料利用率，改善土壤理化結(jié)構(gòu)等，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但是近年來(lái)地膜污染問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。地膜在生產(chǎn)過(guò)程中要加入一種改性添加劑-鄰苯二甲酸酯類(lèi)物質(zhì)(PAEs)，用于增加塑料的可塑性和提高塑料的強(qiáng)度，其含量為聚體本身的40 %～60 %［1］。鄰苯二甲酸酯(亦稱(chēng)酞酸酯)是苯二甲酸酐與醇類(lèi)酯化反應(yīng)生成的化合物，有鄰位、對(duì)位和間位3 種異構(gòu)體，從二甲基酯到十三烷基酯共20 多種化合物。我國(guó)塑料添加劑中最常用的是鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和鄰苯二甲酸二(2-乙基已基)酯(DEHP)。在大量使用地膜過(guò)程中會(huì)造成土壤PAEs 的污染，進(jìn)而導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量惡化，嚴(yán)重影響作物生產(chǎn)水平和食物鏈安全，直接威脅人類(lèi)健康［2］。研究表明DBP 和DEHP 具有致突、致畸、致癌性和遺傳毒性，能夠干擾動(dòng)物和人體的內(nèi)分泌系統(tǒng)，對(duì)人和動(dòng)物的生殖系統(tǒng)造成較大的危害［3－6］。因此酞酸酯類(lèi)化合物污染越來(lái)越受到人們的重視，已被列入重點(diǎn)污染物行列。

對(duì)于酞酸酯類(lèi)化合物，其在土壤中的遷移、降解的研究較多［7－10］。PAEs 對(duì)植物的污染主要集中在對(duì)蔬菜的累積研究［11］，對(duì)于PAEs 在土壤-大豆體系污染的研究國(guó)內(nèi)外鮮見(jiàn)報(bào)道。采用盆栽和田間實(shí)驗(yàn)，研究大豆各生育時(shí)期不同地膜殘留量，土壤和植株中DBP、DEHP 含量的差異性，為農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

田間實(shí)驗(yàn)設(shè)在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地(大慶)，大豆品種綏農(nóng)14，土壤類(lèi)型為鹽化草甸土。耕層(0～ 20 cm)土壤基礎(chǔ)肥力為有機(jī)質(zhì)31.48 g·kg－1，堿解氮124.3 mg·kg－1，速效磷 (P2O5)11.5 mg·kg－1，速效鉀(K2O)161.6 mg·kg－1，土壤pH 7.8。土壤中PAEs 含量為DBP 0.08 mg·kg－1、DEHP 0.54 mg. kg－1。供試地膜寬50 cm，厚0.008 mm，PAEs 含量為DBP 1.04 mg·kg－1、DEHP 30.96 mg·kg－1，主要成分為聚乙烯、抗氧化劑、增塑劑等，由大慶市第五塑料廠提供。

盆栽實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校區(qū)內(nèi)，大豆品種綏農(nóng)14，盆栽土壤取自大田土壤，供試地膜與大田實(shí)驗(yàn)相同。實(shí)驗(yàn)用盆為直徑15 cm，高20 cm 的瓦盆。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)方法。田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)是將邊長(zhǎng)0.05 m 的地膜小塊，攪拌于大豆耕層內(nèi)0.2 m，然后播種大豆。大豆栽培密度為:190 570 株·hm－2，行距為0.7 m，株距0.05 m，人工逐個(gè)擺種。小區(qū)面積為17.5 m2(3.5 m×5 m)，5 行區(qū)。大豆施肥量按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)用量，田間管理按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。

盆栽實(shí)驗(yàn)是將邊長(zhǎng)為0.05 m 的地膜小塊，均勻攪拌于10 kg 的盆栽土壤中，然后一起裝入盆中，人工逐個(gè)擺種，出苗后每盆定植5 株。每盆施用尿素1.13 g，磷酸二銨0.05 g，硫酸鉀0.02 g。人工除草，定期澆水，田間持水量保持在60 %左右，定期觀察作物長(zhǎng)勢(shì)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)3 個(gè)處理，分別為CK (0 kg·hm－2)、1 倍(65.9 kg·hm－2)、3倍(197.7 kg·hm－2)地膜殘留量。3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。取樣時(shí)間為播種后的30 d、60 d、90 d、120 d。

盆栽實(shí)驗(yàn)處理與田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)相同，每個(gè)處理12 盆，取樣時(shí)間與田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)相同，每次各取3 個(gè)盆栽樣品。取樣及測(cè)定的所有過(guò)程均不接觸塑料制品。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理。采用Excel 2003 和DPS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.3 采樣及檢測(cè)

1.3.1 土壤與植株取樣方法。田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)取0～20 cm 耕層土壤樣品1 kg，植株樣品取地上部分。土壤樣品自然風(fēng)干，研磨前去除根系和雜質(zhì)，過(guò)100 目尼龍篩保存。植株樣品于105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干稱(chēng)質(zhì)量粉碎。

盆栽實(shí)驗(yàn)取下地上植株樣品后，將盆內(nèi)土壤全部倒出，挑出植株根系后將土壤均勻混合，采用四分法取1 kg 土樣。樣品處理同田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 DBP 和DEHP 檢測(cè)。

樣品提取:用分析天平稱(chēng)取1.00 g 樣品，放入50 mL 的三角瓶中，加30 mL 正己烷，浸泡過(guò)夜。震蕩4 h，提取3 次，混合濾液轉(zhuǎn)入裝有100 mL 硫酸鈉溶液的500 mL 分液漏斗中，振蕩5 min 后，靜止30 min，充分分層，棄去水相。有機(jī)相過(guò)無(wú)水硫酸鈉，放入KD 瓶濃縮至1 mL。樣品凈化∶過(guò)活化的florisil柱。用丙酮∶正己烷(1∶9)做淋洗液淋洗。淋洗液轉(zhuǎn)入KD 瓶濃縮至1 mL。

采用氣相色譜測(cè)定，氣相色譜儀為Agilent 6890N，配置火焰離子化檢測(cè)器(FID) (Made in USA)，色譜柱采用DP－5 毛細(xì)管柱。氣相色譜分析條件:進(jìn)樣口溫度:300 ℃，分流進(jìn)樣;柱箱采用程序升溫方式升溫;檢測(cè)器溫度320 ℃，H2:40 mL·min－1，空氣:400 mL·min－1，N2:40 mL·min－1，分別測(cè)定DBP 和DEHP。

2 結(jié)果與分析

2.1 各生育時(shí)期不同地膜殘留量處理土壤中DBP 含量

圖1 中A、B 分別為盆栽和田間小區(qū)大豆各生育時(shí)期，不同地膜殘留量處理土壤中DBP 含量比較。各生育時(shí)期各處理土壤中DBP 含量在0.02 mg·kg－1～0.47 mg·kg－1，高倍地膜殘留量處理DBP 含量均高于低倍殘留量，差異達(dá)顯著水平，表明增加地膜殘留量土壤中DBP 含量有增加趨勢(shì)。與CK 相比，盆栽大豆播種后30 d 1 倍和3 倍地膜殘留量處理土壤中DBP 含量分別提高了1.75 和2.75 倍;大豆播種后60 d 土壤中DBP 含量分別提高了2.67 和4.00 倍;90 d 分別提高了6.18 和6.46 倍;120 d 分別提高了17.75 和19.67 倍。田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)大豆播種后30 d 1 倍和3 倍地膜殘留量土壤中DBP 含量分別提高了1.67 和2.13倍;60 d 土壤中DBP 含量分別提高了2.17 和2.84 倍;90 d 分別提高了3.43 和4.91 倍;120 d 分別提高了9.46 和14.92 倍。

隨著生育周期延長(zhǎng)CK 處理土壤中DBP 含量顯著降低，資料顯示土壤中DBP 不易被降解［11－12］，表明大豆對(duì)DBP 有顯著吸收作用。1 倍和3 倍地膜殘留量處理盆栽和田間小區(qū)土壤中DBP 含量都隨著生育進(jìn)程而增加，其中盆栽實(shí)驗(yàn)1 倍和3 倍地膜殘留量處理，土壤中DBP 含量分別從播種后30 d 的0.14 mg·kg－1和0.22 mg·kg－1增加到大豆播種后120 d 的0.42 mg·kg－1和0.47 mg·kg－1;田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)1倍和3 倍地膜殘留量處理，土壤中DBP 含量分別從播種后30 d 的0.13 mg·kg－1和0.17 mg·kg－1增加到大豆播種后120 d 的0.25 mg·kg－1和0.39 mg·kg－1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明地膜中DBP 是緩慢釋放的，釋放量逐漸增加，釋放速度大于作物的吸收速度。盆栽和小區(qū)實(shí)驗(yàn)土壤中DBP 含量無(wú)顯著性差異。

圖1 大豆各生育時(shí)期各處理土壤中DBP 含量比較Fig.1 Comparison of DBP concentration of soil among three treatments in various growth stages of soybean

2.2 不同地膜殘留量處理土壤中DEHP 含量差異

圖2 中A、B 分別為盆栽和田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)大豆不同時(shí)期，不同地膜殘留量處理土壤中DEHP 含量比較。各生育時(shí)期各處理土壤中DEHP 含量在0.25 mg·kg－1～6.13 mg·kg－1，各個(gè)生育時(shí)期，高倍地膜殘留量土壤中DEHP 含量均高于低倍用量，差異達(dá)到顯著水平，表明增加地膜殘留量土壤中DEHP 含量也有增加趨勢(shì)。與CK 相比，盆栽大豆播種后30 d 1 倍和3 倍地膜殘留量土壤中DEHP 含量分別提高了5.56 和9.56 倍;60 d 分別提高了6.98 和11.93 倍;90 d 分別提高了11.76 和23.53 倍;大豆播種后120 d 分別提高了11.95 和22.03。田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)大豆播種后30 d 1 倍和3 倍地膜殘留量土壤中DEHP 含量分別提高了2.02 和6.48 倍;60 d 分別提高了2.91 和9.44 倍;90 d 分別提高了5.25 和18.86 倍;120 d 分別提高了5.78 和20.33 倍。

隨著生育進(jìn)程CK 處理土壤中DEHP 含量顯著降低，表明大豆對(duì)DEHP 也有顯著吸收作用。1 倍和3倍地膜殘留量處理盆栽和田間小區(qū)土壤中DEHP 含量都隨著生育周期延長(zhǎng)而增加，其中盆栽實(shí)驗(yàn)1 倍和3倍地膜殘留量處理，土壤中DEHP 含量分別從播種后30 d 的2.89 mg·kg－1和4.98 mg·kg－1增加到大豆播種后120 d 的3.32 mg·kg－1和6.13 mg·kg－1;田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)1 倍和3 倍地膜殘留量處理，土壤中DEHP 含量分別從播種后30 d 的1.04 mg·kg－1和3.35 mg·kg－1增加到大豆播種后120 d 的1.71 mg·kg－1和6.02 mg·kg－1。DEHP 實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明地膜中酞酸酯類(lèi)化合物是緩慢釋放的，釋放量隨生育時(shí)期延長(zhǎng)而增加，釋放速度大于作物的吸收速度。

土壤中DEHP 含量明顯高于DBP 含量這與地膜中兩種化合物含量高低有關(guān)。盆栽和小區(qū)實(shí)驗(yàn)土壤中DBP 含量結(jié)果無(wú)顯著性差異。

圖2 大豆各生育時(shí)期各處理土壤中DEHP 含量比較Fig.2 Comparison of DEHP concentrations of soil among three treatments in various growth stages of soybean

2.3 不同地膜殘留量處理植株體內(nèi)DBP 和DEHP 含量

圖3 中A、B 分別為盆栽和田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)大豆不同生育時(shí)期，不同地膜殘留量處理植株體內(nèi)DBP 含量比較。整個(gè)生育期各處理大豆植株中都能檢測(cè)到DBP。各生育時(shí)期各處理植株體內(nèi)DBP 含量在0.19 mg·kg－1～0.90 mg·kg－1。盆栽實(shí)驗(yàn)1 倍和3 倍地膜殘留量處理，植株中DBP 含量分別從播種后30 d 的0.32 mg·kg－1和0.43 mg·kg－1增加到大豆播種后120 d 的0.59 mg·kg－1和0.90 mg·kg－1;田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)1倍和3 倍地膜殘留量處理，植株中DBP 含量分別從播種后30 d 的0.39 mg·kg－1和0.68 mg·kg－1增加到大豆播種后120 d 的0.83 mg·kg－1和0.90 mg·kg－1。

各個(gè)生育時(shí)期，高倍地膜殘留量植株中DBP 含量均高于低倍用量，差異達(dá)顯著水平。與CK 相比，盆栽大豆播種后30 d 1 倍和3 倍地膜殘留量植株中DBP 含量分別提高了1.44 和1.95 倍;60 d 植株中DBP含量分別提高了1.07 和1.53 倍;90 d 分別提高了1.18 和2.04 倍;120 d 分別提高了1.14 和1.75 倍。田間對(duì)比實(shí)驗(yàn)，大豆播種后30 d 1 倍和3 倍地膜殘留量植株中DBP 含量分別提高了1.98 和3.25 倍;60 d植株中DBP 含量分別提高了2.01 和2.34 倍;90 d 分別提高了2.03 和2.28 倍;120 d 分別提高了1.80 和1.96 倍。盆栽和小區(qū)實(shí)驗(yàn)植株中DBP 含量無(wú)顯著性差異。盆栽和田間實(shí)驗(yàn)大豆各生育時(shí)期各處理植株體內(nèi)均未檢測(cè)出DEHP。

圖3 大豆各生育時(shí)期各處理植株體內(nèi)DBP 含量比較Fig.3 Comparison of DBP concentration of plants among three treatments in growth stages of soybean

3 討 論

地膜殘留量對(duì)土壤和植株中酞酸酯類(lèi)化合物含量影響較大，隨著地膜殘留量的增加土壤和植株中酞酸酯類(lèi)化合物含量表現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)，差異達(dá)顯著水平。隨著生育周期延長(zhǎng)地膜中酞酸酯類(lèi)化合物緩慢釋放，釋放量逐漸增加，釋放速度大于作物的吸收速度。盆栽和小區(qū)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論相同。

連年使用的塑料地膜如不及時(shí)清除長(zhǎng)期殘留在土壤中，將增加土壤中和植物體內(nèi)PAEs 的含量。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)通過(guò)適時(shí)揭膜、使用優(yōu)質(zhì)農(nóng)膜、采用機(jī)械清膜等方法減少農(nóng)田殘膜，鼓勵(lì)施有機(jī)肥，增加土壤對(duì)重金屬的吸附能力等減少農(nóng)田重金屬含量，實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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