膨潤(rùn)土對(duì)銅污染土壤油菜生長(zhǎng)和抗性生理的影響

賈崢嶸，劉秀珍，卜玉山，郝佳麗，李靜

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷030801）

土壤重金屬污染是土壤學(xué)和環(huán)境科學(xué)的重要研究熱點(diǎn)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，過(guò)去50年，全球銅的排放量約9．39×105t［1］，嚴(yán)重污染了農(nóng)田和水體，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)報(bào)道，被銅污染的稻田土壤，全銅含量可達(dá)115．8mg·kg－1［2］，有的甚至超過(guò)1000mg·kg－1［3］。果園和蔬菜土壤，近年來(lái)有關(guān)銅污染的報(bào)道也在逐年增多［4］。土壤銅污染的主要來(lái)源是礦山的開發(fā)、工業(yè)三廢、城市污水、垃圾和含銅農(nóng)藥的不合理使用［5］，使土壤環(huán)境銅污染日益嚴(yán)重，以致全國(guó)多地的農(nóng)產(chǎn)品銅含量超過(guò)國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。過(guò)量的銅嚴(yán)重破壞了土壤結(jié)構(gòu)和化學(xué)平衡，降低了土壤環(huán)境質(zhì)量，致使土壤生態(tài)環(huán)境惡化，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量下降［6］，并通過(guò)食物鏈危及人類健康。因此，土壤銅污染的治理和修復(fù)備受人們的關(guān)注。

土壤重金屬污染修復(fù)方法很多，但粘土礦物膨潤(rùn)土因分布廣、成本低，且施用后對(duì)土壤不會(huì)造成二次污染，加之具有較強(qiáng)的吸附性、陽(yáng)離子交換性、粘著性等特性［7］，隨著時(shí)間的遷移，它會(huì)轉(zhuǎn)化成土壤的無(wú)機(jī)礦物組分［8］。膨潤(rùn)土已作為一種新型環(huán)保材料應(yīng)用于土壤環(huán)境污染的治理［9］。通過(guò)研究膨潤(rùn)土對(duì)銅污染土壤油菜生長(zhǎng)和抗性生理的影響，為推動(dòng)膨潤(rùn)土在銅污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)材料

盆栽試驗(yàn)用土為山西省太谷縣石灰性褐土，供試膨潤(rùn)土采自山西省渾源縣，供試作物為油菜（Brassica campestris L．ssp．Chinensis L．），品種為“四月蔓”，生育期45d。供試肥料為尿素（含N量為46%）、KH2PO4（含P2O5量為52．2%，含 K2O量為34．6%）和 K2SO4（含 K2O量為64．4%），供試銅源為CuSO4·5H2O（含Cu量為25．6%）。供試土壤和膨潤(rùn)土基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤與膨潤(rùn)土的理化性質(zhì)Table 1 The physical and chemical properties of experimental soil and bentonite

1．2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院試驗(yàn)基地大棚內(nèi)，用盆栽法進(jìn)行，采用2因素6水平完全組合設(shè)計(jì)，因素1為膨潤(rùn)土施用量，設(shè)0g·kg－1（－P）和30g·kg－1（＋P）土2個(gè)水平；因素2銅施用量，設(shè) 0mg·kg－1、200mg·kg－1、300mg·kg－1、400mg·kg－1、500mg·kg－1、600mg·kg－16個(gè)水平，以代表不同銅污染程度。完全組合共12個(gè)處理，4次重復(fù)。盆缽采用22×18cm塑料盆，每盆裝風(fēng)干土5kg，底部裝入石礫1kg，在石礫中插入一根PVC管用于生育期灌水。每盆以尿素、KH2PO4和 K2SO4施入 N 0．2g·kg－1土、P2O50．261g·kg－1土、K2O 0．272g·kg－1土作為基肥。外源銅為CuSO4·5H2O，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)以溶液形式施入，施入膨潤(rùn)土，與土壤混勻后澆水平衡1個(gè)月。

油菜于2012年4月5日種植，待油菜生長(zhǎng)到2～3cm時(shí)，每盆選擇長(zhǎng)勢(shì)基本一致的幼苗定植10株，生長(zhǎng)期間保持田間持水量的80%，并依次輪換盆缽位置，按常規(guī)方法管理。于2012年5月20日收獲，采集整株油菜測(cè)其生物量，油菜葉綠素含量用SPAD－502型手持葉綠素儀測(cè)定其相對(duì)值，脯氨酸含量采用酸性茚三酮顯色法［10］，丙二醛（MDA）含量采用三氯乙酸（TCA）硫代巴比妥酸（TBA）顯色法［11］。

1．3 數(shù)據(jù)分析方法

測(cè) 定 數(shù) 據(jù) 采 用 Microsoft Excel 2003 和DPS7．05版軟件進(jìn)行處理和分析，多重比較采用Duncan新復(fù)極差法。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 膨潤(rùn)土對(duì)銅污染土壤中油菜鮮重的影響

銅是植物體內(nèi)必須的微量元素，植物的生長(zhǎng)發(fā)育離不開銅元素，但土壤中過(guò)量的銅元素會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生毒害，主要表現(xiàn)為生長(zhǎng)不良、生物量下降［12］。

由圖1可知，油菜鮮重隨著土壤銅污染程度的增加而不斷降低，施加膨潤(rùn)土可顯著增加油菜的鮮重。

在不同銅處理下，施加膨潤(rùn)土比未施加膨潤(rùn)土處理平均單株鮮重分別增加了0．04g、0．26g、0．52g、0．34g、0．97g、1．38g，增幅為 0．3%、2．6%、5．7%、3．9%、12．6%、20．5%。差 異 均 顯著，且總體上增幅在不斷增加。土壤高濃度銅污染時(shí)油菜鮮重的增加大于較低濃度銅污染，說(shuō)明膨潤(rùn)土在修復(fù)高濃度銅污染的效果大于低濃度銅污染。

2．2 膨潤(rùn)土對(duì)銅污染土壤中油菜葉綠素的影響

土壤銅污染會(huì)使植物葉片失綠和變黃，光合速率降低，光合作用下降。銅元素若局部積累過(guò)多，與葉綠體中蛋白質(zhì)上的巰基結(jié)合，或取代其中的Fe2＋、Zn2＋、Mg2＋，使葉綠素蛋白中心離子組成發(fā)生變化而導(dǎo)致失活［13］。

圖1 膨潤(rùn)土對(duì)銅污染土壤中油菜鮮重的影響Fig．1 Effect of bentonite on the fresh weight of rape in copper contaminated soil

圖2 膨潤(rùn)土對(duì)銅污染土壤中油菜葉綠素含量的影響Fig．2 Effect of bentonite on the chlorophyll content of rape in copper contaminated soil

如圖2所示，油菜葉綠素含量隨土壤銅污染程度的升高不斷降低，施加膨潤(rùn)土相比未施加膨潤(rùn)土處理能顯著提高油菜葉綠素含量。

施加膨潤(rùn)土比未施加膨潤(rùn)土處理葉綠素分別提 高 了 6．42、9．2、8．4、5．8、8．4、4．6，增 幅 為11．3%、18．4%、17．9%、12．6%、19．6%、11．2%，差異顯著。在銅T（2）、T（5）時(shí)增幅最大，總的來(lái)說(shuō)，在較低銅污染下增加的幅度略大于高濃度污染。在銅T（0）未污染時(shí)，施加膨潤(rùn)土能增加葉綠素含量，可見，膨潤(rùn)土作為土壤改良劑，其保水保肥特性利于油菜生長(zhǎng)。

2．3 膨潤(rùn)土對(duì)銅污染土壤中油菜MDA的影響

植物在逆境下遭受傷害，會(huì)發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用，而丙二醛是膜脂過(guò)氧化作用的最終分解產(chǎn)物，MDA的積累是反映細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用強(qiáng)弱和質(zhì)膜破壞程度的重要指標(biāo)，可用作反映脅迫環(huán)境對(duì)植物造成傷害的重要參數(shù)［14］。

如圖3所示，總體上，油菜MDA含量隨土壤銅污染程度的升高而增加，施加膨潤(rùn)土能顯著降低油菜丙二醛含量。

未施加膨潤(rùn)土處理中，在T（6）時(shí)，MDA含量相比T（5）有所下降，可能是高濃度的銅導(dǎo)致植物細(xì)胞損傷，致MDA的合成受阻。在T（2）～T（6）水平下，施加膨潤(rùn)土比未施加膨潤(rùn)土處理油菜丙二醛含量分別降低了1．04、1．29、1．01、1．21、0．45 μmol·g－1，降 幅 為 19．4%、19．9%、14．2%、16．1%、6%，差異顯著，較低銅污染下降幅大于高濃度銅污染?？梢姡阢~污染時(shí)，膨潤(rùn)土的施加利于油菜適應(yīng)逆境脅迫。

圖3 膨潤(rùn)土對(duì)銅污染土壤中油菜丙二醛含量的影響Fig．3 Effect of bentonite on the MDA content of rape in copper contaminated soil

2．4 膨潤(rùn)土對(duì)銅污染土壤中油菜脯氨酸的影響

在正常條件下，植物游離脯氨酸的含量很低，但遇逆境脅迫環(huán)境時(shí)，游離脯氨酸的含量會(huì)大量積累，且積累指數(shù)與植物的抗逆性有關(guān)。在逆境脅迫下，脯氨酸的升高可認(rèn)為是植株對(duì)逆境脅迫的生理響應(yīng)。

如圖4所示，隨著土壤銅污染濃度的增加，油菜脯氨酸含量整體呈上升趨勢(shì)。施加膨潤(rùn)土處理在不同銅污染水平下，比未施加膨潤(rùn)土處理脯氨酸含量都有所降低。

圖4 膨潤(rùn)土對(duì)銅污染土壤中油菜脯氨酸含量的影響Fig．4 Effect of bentonite on the Proline content in rape in copper contaminated soil

不同銅污染梯度下，施加膨潤(rùn)土比未施加膨潤(rùn)土處理脯氨酸分別降低了0．18、0．74、0．82、0．17、0．68、0．16mg·g－1，降 幅 為 27．7%、49．3%、48．2%、9．5%、2．8%、5%，差異顯著。在 T（2）、T（3）時(shí)降幅最大，說(shuō)明膨潤(rùn)土在較低銅污染水平對(duì)脯氨酸的影響大于較高濃度銅污染。但隨著銅污染程度的加重，膨潤(rùn)土對(duì)油菜脯氨酸降低的量和降幅都有很大程度的下降，可能與施加膨潤(rùn)土的含量有關(guān)。在T（0）未污染時(shí)，施加膨潤(rùn)土能顯著降低脯氨酸含量?？梢?，膨潤(rùn)土施加在一定程度上能提高油菜的抗逆性。

3 結(jié)論與討論

土壤銅毒害造成植物生長(zhǎng)和抗性生理的影響已有報(bào)道，研究表明施加膨潤(rùn)土能顯著提高油菜的鮮重和葉綠素，降低油菜丙二醛和脯氨酸的含量。趙興杰等［15］用膨潤(rùn)土修復(fù)鎘污染土壤時(shí)得出相同結(jié)論。郭麗娜［16］等的研究表明烏塌菜在鎘污染脅迫下，施加膨潤(rùn)土能提高烏塌菜的產(chǎn)量和葉綠素含量，降低烏塌菜丙二醛和脯氨酸的累積。王意錕［17］通過(guò)比較幾種粘土礦物修復(fù)劑對(duì)毛豆、豇豆葉綠素、脯氨酸和丙二醛的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)粘土礦物修復(fù)劑能有效提高毛豆苗葉片葉綠素的含量，能使豇豆、毛豆等葉片的脯氨酸、丙二醛含量明顯低于對(duì)照?？梢?，膨潤(rùn)土具有的特殊結(jié)構(gòu)和性能，作為土壤重金屬污染的修復(fù)劑能降低土壤重金屬的生物有效性，顯著提高植物生長(zhǎng)發(fā)育和對(duì)毒害的抗性，減少重金屬污染對(duì)作物的毒害。試驗(yàn)中膨潤(rùn)土修復(fù)銅污染土壤效果明顯，但存在很多不足，如膨潤(rùn)土的施加量及施加時(shí)間、方式等能否對(duì)土壤銅污染的修復(fù)效果產(chǎn)生影響，及膨潤(rùn)土是否對(duì)其它重金屬污染土壤起相似的修復(fù)效果，有待驗(yàn)證。

［1］可欣，李培軍，鞏宗強(qiáng)，等．重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)中有關(guān)淋洗劑的研究進(jìn)展［J］．生態(tài)學(xué)雜志，2004，23（5）：145－149．

［2］吳龍華，駱永明，盧蓉輝．銅污染土壤修復(fù)的有機(jī)調(diào)控研究Ⅱ．根際土壤銅的有機(jī)活化效應(yīng)［J］．土壤，2000（2）：67－70．

［3］謝正苗．土壤中銅的化學(xué)平衡［J］．環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1996，4（2）：1－23．

［4］王小慶．中國(guó)農(nóng)業(yè)土壤中銅和鎳的生態(tài)閥值研究［D］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2012．

［5］陳麗麗，包皙婷，王兆龍．土壤銅污染對(duì)5種草坪草生長(zhǎng)指標(biāo)的影響［J］．草業(yè)科學(xué)，2007，24（7）：101－104．

［6］黃細(xì)花，趙振紀(jì)，劉永厚．銅對(duì)紫云英生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究［J］．農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，1993，12（1）：1－6．

［7］崔立莉，李吉進(jìn)，鄒國(guó)元，等．膨潤(rùn)土對(duì)土壤肥力的影響［J］．華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2004，19（2）：76－80．

［8］王文婷，王云海．膨潤(rùn)土改良土壤技術(shù)的研究進(jìn)展［J］．環(huán)境科技，2011（1）：66－68．

［9］謝正苗，俞天明，姜軍濤．膨潤(rùn)土修復(fù)礦區(qū)污染土壤的初探［J］．科技通報(bào)，2009，25（1）：109－113．

［10］喬富廉．植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)分析測(cè)定技術(shù)［M］．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2002：56－59，163－164，168－170．

［11］高俊鳳．植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)［M］．北京：高等教育出版社，2006：74－76．

［12］林愛軍，王鳳花，謝文娟，等．土壤銅污染對(duì)植物的毒性研究進(jìn)展［J］．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（35）：21740－21742．

［13］林義章，徐磊．銅污染對(duì)高等植物的生理毒害作用研究［J］．中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，15（1）：201－204．

［14］陳健，熊王丹，楊偉偉，等．干旱脅迫對(duì)油菜多胺代謝的影響［J］．種子，2009，28（12）：74－76．

［15］趙興杰．鎘污染土壤的礦物和植物修復(fù)研究［D］．山西農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007．

［16］郭麗娜，劉秀珍，趙興杰．鎘脅迫下膨潤(rùn)土對(duì)塌棵菜生長(zhǎng)及抗性生理的影響［J］．山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，27（1）：33－35．

［17］王意錕．有機(jī)物料、粘土礦物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)［D］．南京林業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009．