酸鋁與鉛復(fù)合污染對(duì)大豆幼苗生長(zhǎng)的影響

裴新梅，許中堅(jiān)

(湖南科技大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

酸鋁與鉛復(fù)合污染對(duì)大豆幼苗生長(zhǎng)的影響

裴新梅，許中堅(jiān)*

(湖南科技大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

通過盆栽試驗(yàn)研究了酸鋁和鉛的復(fù)合污染對(duì)大豆幼苗生長(zhǎng)的影響及其交互作用.結(jié)果表明，不同酸和鉛處理對(duì)大豆種子萌發(fā)和長(zhǎng)勢(shì)產(chǎn)生明顯影響；酸鋁和鉛均使大豆須根減少，須根變得粗而短，顏色變深.酸鋁與鉛對(duì)大豆幼苗生長(zhǎng)的影響具有復(fù)雜交互作用，交互作用在不同的水平組合及不同植物器官上具有不同的特點(diǎn).影響株高因素的主次順序?yàn)椋核?鉛>酸×鉛，影響根長(zhǎng)因素的主次順序?yàn)椋核?鉛≈酸×鉛.隨著酸化程度的提高，交換性鋁的含量顯著提高，吸附態(tài)羥基鋁整體呈下降趨勢(shì).當(dāng)酸化程度相同時(shí)，交換態(tài)鋁隨外源鉛的增多而減小，吸附態(tài)羥基鋁呈上升之勢(shì).外源鉛進(jìn)入土壤后，主要以活性較高的水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和Fe-Mn 氧化物結(jié)合態(tài)存在.酸鋁和鉛的交互作用可能與鉛的加入影響土壤鋁的形態(tài)有關(guān).圖8,表3,參15.

紅壤；鋁毒；鉛污染；大豆；交互作用

土壤酸化而導(dǎo)致的酸害鋁毒(簡(jiǎn)稱酸鋁)被認(rèn)為是許多地區(qū)農(nóng)作物和牧草生產(chǎn)的重要限制因子[1].土壤酸化問題可以與土俱來，即其根源來自內(nèi)源性鋁，是在熱帶、亞熱帶濕熱氣候條件下土壤高度風(fēng)化和強(qiáng)烈淋溶的結(jié)果；而不當(dāng)?shù)母鞔胧┖退嵊甑鹊挠绊憚t加速了環(huán)境的酸化[2-3].事實(shí)上，在我國南方酸性紅壤地區(qū)同時(shí)因采礦、污灌及施肥用藥等造成的土壤環(huán)境重金屬污染問題[4]，也就是說在我國南方酸性紅壤地區(qū)普遍存在酸害鋁毒和重金屬復(fù)合污染問題.

到目前為止，人們對(duì)酸鋁[5-7]和重金屬[8]的植物效應(yīng)及機(jī)理進(jìn)行了大量的探索，獲得了許多研究成果，但是有關(guān)這方面的工作多偏向于單一污染研究.事實(shí)上，環(huán)境中單一污染的情況比較少，而多種污染物(或因素)共存于同一環(huán)境而形成的復(fù)合污染卻普遍存在，研究復(fù)合污染或多污染因素的聯(lián)合作用對(duì)污染控制更具有實(shí)際意義[9].然而，到目前為止，對(duì)土壤環(huán)境系統(tǒng)中內(nèi)源性酸害鋁毒與外源性重金屬污染的復(fù)合作用關(guān)系還了解甚少.為此，該文以大豆作為受試作物，考察紅壤中酸害鋁毒和重金屬鉛對(duì)植物生長(zhǎng)的復(fù)合作用，為全面研究?jī)?nèi)源性酸鋁和外源性重金屬的復(fù)合環(huán)境行為以及污染控制提供基礎(chǔ)資料和依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試土壤及種子

實(shí)驗(yàn)供試土壤取自湖南科技大學(xué)新校區(qū)內(nèi)的小山坡紅壤，曾經(jīng)為菜園用地，已閑置4～5 a.采樣深度0～40 cm，土樣取回后于通風(fēng)良好的室內(nèi)鋪在牛皮紙上，自然風(fēng)干，過3 mm的篩，待用.其基本理化性質(zhì)見表1.受試大豆種子(黃豆和黑豆)購自湘潭市種子公司，均為常規(guī)種子.

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

1.2 盆栽試驗(yàn)

土壤用H2SO4溶液酸化，設(shè)3個(gè)水平，H2SO4濃度分別為0，20，40 mmol/L，按0.6 L/kg土加入，即每千克土加入0，12，24 mmol H2SO4,3個(gè)水平酸處理由低至高分別表示為Ac1、Ac2和Ac3.鉛設(shè)3水平處理，每千克土加入0，100，600 mg，以Pb(NO3)2溶液形式加入,3個(gè)水平鉛處理由低至高分別表示為Pb1、Pb2和Pb3.試驗(yàn)采用2因素3水平全面設(shè)計(jì)方案，土壤酸化及鉛處理如表2所示.

表2 土壤酸化及鉛處理設(shè)計(jì)Tab.2 Soil acidification and lead processing design

首先，將土壤于室內(nèi)在PVC材質(zhì)盆內(nèi)酸化15 d，自然風(fēng)干，過3 mm篩，然后以Pb(NO3)2溶液形式加入鉛，充分拌勻后將土樣裝于直徑13 cm，高15 cm的塑料盆，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù).室內(nèi)陳化7 d后，播種.出苗1～2 d后，每盆4株.6 d后收獲，測(cè)定地上部分株高和主根長(zhǎng).

1.3 測(cè)定方法

1)土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定.土壤基本理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測(cè)定[10].其中，土壤pH值用電位法測(cè)定(土液比為1∶2.5，水為無CO2的去離子水，KCl的濃度為1 mol/L)；交換性酸用氯化鉀交換—中和滴定法測(cè)定；土壤陽離子交換量(CEC)用交換性陽

離子(交換性鹽基離子+交換性酸)加和法測(cè)定，其中交換性鹽基離子用中性1 mol/L的乙酸銨浸提-中和滴定法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)用低溫外熱重鉻酸鉀氧化-比色法測(cè)定；粘粒(Clay)用簡(jiǎn)易比重計(jì)法測(cè)定；土壤鉛采用HCl-HNO3-HClO4消解，原子吸收分光光度法測(cè)定.

2)鋁和鉛形態(tài)測(cè)定.本實(shí)驗(yàn)只測(cè)定高活性的交換態(tài)鋁和一定活性的吸附態(tài)羥基鋁，提取方法按邵宗臣等提出的改進(jìn)方法[11]，提取的不同形態(tài)鋁采用鋁試劑分光光度法測(cè)定.

重金屬形態(tài)采用1993年歐共體物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)局提出的BCR逐級(jí)提取法[12].提取的鉛采用原子吸收分光光度法測(cè)定.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤酸化情況

基于酸雨對(duì)土壤酸化作用的認(rèn)識(shí)，本實(shí)驗(yàn)通過向受試土壤中添加H2SO4來獲得內(nèi)源性鋁毒.圖1是添加不同水平H2SO4酸化15 d后土壤pH和交換性酸的變化情況.從圖1可以看出，加入12和24 mmol/kg的H2SO4，土壤pH值由原土的pH5.17分別下降到pH4.15和pH3.36，由酸性土壤變到極強(qiáng)酸性土壤.土壤pH值主要反映土壤的活性酸度，酸化不僅表現(xiàn)為土壤pH值的降低，同時(shí)更重要的是導(dǎo)致土壤潛性酸度的提高.在交換性酸中，無論是交換性氫還是交換性鋁，都隨酸加入量的增加而顯著提高，交換性量分別提高了1.99倍和4.48倍.酸化到pH4.15時(shí)，交換性鋁在交換性總酸中所占的比率變化不大，但酸化到pH3.36時(shí)，交換性鋁所占交換性酸的比率明顯增大.

通常條件下，土壤鋁主要以鋁硅酸鹽礦物和氧化物等形態(tài)存在于土壤固相部分.當(dāng)土壤發(fā)生酸化時(shí)，鋁會(huì)從固相釋放進(jìn)入土壤溶液或以交換性鋁吸附于土壤表面的陽離子交換位上，使土壤鋁的活性增加.

圖1 土壤酸化后pH值和交換性酸的變化情況Fig.1 Change of pH value and exchangeable acid after soil acidification

2.2 酸鋁與鉛復(fù)合作用對(duì)大豆幼苗生長(zhǎng)的影響

1)大豆幼苗生長(zhǎng)情況.盆栽試驗(yàn)過程中，不同處理對(duì)大豆種子萌發(fā)和長(zhǎng)勢(shì)產(chǎn)生明顯影響，這種影響在不同污染水平組合、不同品種之間具有不同特點(diǎn).圖2是不同處理黃豆發(fā)育長(zhǎng)勢(shì)情況，圖3是大豆株高和根長(zhǎng)變化情況，圖4是根系發(fā)育情況.從圖2～圖4可以看出，在試驗(yàn)考察的污染水平范圍內(nèi)，無論是酸鋁還是鉛，均對(duì)大豆的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生明顯影響，且酸鋁對(duì)大豆生長(zhǎng)發(fā)育的影響比鉛更嚴(yán)重.

當(dāng)鉛污染水平相同時(shí)(鉛處理相同的共有3組：CT-1，CT-4，CT-7為一組；CT-2，CT-5，CT-8為一組；CT-3，CT-6，CT-9為一組)，無論是株高還是根長(zhǎng)，都隨土壤酸化的加重而明顯減小，且這種抑制存在品種之間的差異，在黃豆上表現(xiàn)得更為突出.如添加24 mmol/kg H2SO4導(dǎo)致的酸鋁(CT-7，CT-8，CT-9)，黃豆萌發(fā)幾乎完全抑制(圖2)，而黑豆萌發(fā)雖受嚴(yán)重抑制，但還能出土緩慢生長(zhǎng)(圖4-黑豆).當(dāng)土壤酸化水平相同時(shí)(酸處理相同的共有3組：CT-1，CT-2，CT-3為一組；CT-4，CT-5，CT-6為一組；CT-7，CT-8，CT-9為一組)，整體上看，隨著鉛污染的加重，株高和根長(zhǎng)抑制越嚴(yán)重；但在未加酸的土壤上，輕度鉛污染(外加鉛100 mg/kg)時(shí)，黑豆株高和黃豆根長(zhǎng)，較之對(duì)照反而增大，這說明適度的鉛在一定的條件下可以促進(jìn)大豆生長(zhǎng).

圖2 黃豆盆栽照片F(xiàn)ig.2 Soybean pot photos

圖3 不同處理大豆株高和根長(zhǎng)變化情況Fig.3 Soybean plant height and root length changesafter different processing

圖4 不同處理大豆根系發(fā)育情況Fig.4 Soybean root system development situations after different processing

從圖3可以明顯看出，無論是黃豆還是黑豆，12 mmol/kg酸處理(CT-4，CT-5，CT-6)的株高和根長(zhǎng)都大于處理CT-3，此條件下酸鋁能減緩高濃度鉛污染對(duì)大豆生長(zhǎng)的影響.這直觀說明酸鋁和鉛污染對(duì)大豆生長(zhǎng)的影響之間存在交互作用.但兩者之間的交互作用的性質(zhì)比較復(fù)雜，顯然與不同濃度水平之間的組合有關(guān)，也存在品種基因差異.

酸鋁和鉛對(duì)大豆幼苗生長(zhǎng)的影響還明顯表現(xiàn)在對(duì)根系影響上，如圖4所示，與對(duì)照相比，酸鋁和鉛均使大豆須根減少，且須根變得粗而短，顏色變深.

2)酸鋁和鉛污染對(duì)大豆幼苗生長(zhǎng)影響的交互作用.表2是試驗(yàn)因素極差計(jì)算結(jié)果.從表3各因素的極差可以看出，除了酸鋁和鉛兩因素的影響之外，還存在較大的交互作用.影響株高因素的主次順序表現(xiàn)為：酸>鉛>酸×鉛，影響根長(zhǎng)因素的主次順序表現(xiàn)為：酸>鉛≈酸×鉛.說明在試驗(yàn)所涉濃度范圍內(nèi)，主要因素是酸鋁，其次是鉛，而酸與鉛交互作用的影響近似于鉛.這種影響次序在黃豆和黑豆上表現(xiàn)一致；相對(duì)而言，交互作用對(duì)根長(zhǎng)的影響比對(duì)株高的影響更重要些.

表3 試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.3 Test results analysis

圖5和圖6分別是酸鋁與鉛對(duì)黃豆和黑豆生長(zhǎng)影響的交互作用.從圖5和圖6可以看出，交互作用的類型(正交互作用、負(fù)交互作用、無交互作用)呈現(xiàn)出比較復(fù)雜的情形.在Ac1→Ac2范圍內(nèi)，Pb1→Pb2，具有抑制株高(根長(zhǎng))的正交互作用；Pb2→Pb3，首先具有抑制株高(根長(zhǎng))的負(fù)交互作用，然后具有抑制株高(根長(zhǎng))的正交互作用.在Ac2→Ac3范圍內(nèi)(圖6)，Pb1→Pb2，具有抑制株高(根長(zhǎng))的負(fù)交互作用；而Pb2→Pb3，則表現(xiàn)為無明顯交互作用.

圖5 酸鋁與鉛對(duì)黃豆生長(zhǎng)影響的交互作用Fig.5 Interactions influence of acid aluminum and lead on growth of soybean

圖6 酸鋁與鉛對(duì)黑豆生長(zhǎng)影響的交互作用Fig.6 Interactions influence of acid aluminum and lead on growth of black beans

2.3 鋁和鉛形態(tài)分布

實(shí)驗(yàn)考察了高活性的交換態(tài)鋁(ExAl)和一定活性的吸附態(tài)羥基鋁(HyAl)，經(jīng)不同處理后這2種鋁形態(tài)變化如圖7所示.隨著酸化程度的提高：(CT-1，CT-2，CT-3)→(CT-4，CT-5，CT-6)→(CT-7，CT-8，CT-9)，交換性鋁的含量顯著提高，而吸附態(tài)羥基鋁整體呈下降趨勢(shì)，但期間有波動(dòng).當(dāng)酸化程度相同時(shí)，交換態(tài)鋁隨加入鉛的增多而減小，而吸附態(tài)羥基鋁卻呈上升之勢(shì).這可能是由于交換性羥基鋁離子參與了PbSO4等的共沉淀的結(jié)果.

圖7 不同處理鋁的形態(tài)變化Fig.7 Aluminum form changes after different processing

圖8是不同處理土壤鉛的形態(tài)變化情況.未加鉛處理時(shí)，鉛以B4(殘?jiān)鼞B(tài))占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(CT-1，CT-4，CT-7)，而B1(水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài))、B2(Fe-Mn 氧化物結(jié)合態(tài))和B3(有機(jī)物及硫化物結(jié)合態(tài))含量低或極低.當(dāng)添加不同水平的鉛處理后，B1態(tài)和B2態(tài)含量顯著增加，而B3態(tài)和B4態(tài)無甚變化.說明外源鉛進(jìn)入土壤后，在一定的時(shí)間內(nèi)，主要以活性較高的水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和Fe-Mn 氧化物結(jié)合態(tài)存在.

圖8 不同處理鉛的形態(tài)變化Fig.8 Lead form changes after different processing

3 討 論

酸鋁對(duì)植物毒害作用最初和最明顯的特征是抑制植物根尖伸長(zhǎng)，進(jìn)而妨礙植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收并抑制植株的生長(zhǎng)[5].由圖2～圖4，本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也說明了這一點(diǎn).土壤溶液中，鋁以多種離子狀態(tài)存在，如Al3+，Al(OH)2+，Al(OH)2+，Al13[AlO4Al12(OH)24(H2O)127+]等.鋁離子存在狀態(tài)與土壤溶液pH密切相關(guān)，溶液pH<5.0時(shí)，鋁離子以Al(H2O)63+形式存在(習(xí)慣上稱為Al3+)，是主要的植物鋁毒害離子.在pH4.5以下，Al3+隨pH的降低顯著增加，即酸化導(dǎo)致土壤的大量有毒活性鋁的溶出.土壤固相鋁以不同形態(tài)存在，可以區(qū)分為交換態(tài)鋁、吸附態(tài)羥基鋁、有機(jī)絡(luò)合態(tài)鋁、氧化鐵結(jié)合態(tài)鋁、層間鋁和非晶態(tài)鋁[11].其中交換態(tài)鋁(土壤粘粒表面以靜電引力吸附又能被中性鹽提取的鋁)是對(duì)植物有害的一種鋁形態(tài).土壤酸堿性對(duì)土壤鋁形態(tài)尤其是交換態(tài)鋁有重要影響，土壤交換態(tài)鋁與土壤pH呈負(fù)相關(guān).圖1說明，由于酸化，土壤pH下降，從而大大提高了土壤交換態(tài)鋁的含量(圖7).交換態(tài)鋁在土壤溶液中極易轉(zhuǎn)化可溶性的有害的Al3+離子.結(jié)果，對(duì)大豆幼苗的生長(zhǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重毒害作用，且這種影響隨著酸化程度的提高而加重，甚至可以完全使生長(zhǎng)停止(圖2).

鉛雖非植物必須元素，但有低濃度鉛可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，而高濃度的鉛卻嚴(yán)重影響植物種子的萌發(fā)、光合作用、水分代謝、礦質(zhì)元素的吸收和酶功能，進(jìn)而妨礙植株生長(zhǎng)發(fā)育.土壤中重金屬鉛以各種形態(tài)存在，根據(jù)BCR逐級(jí)提取的各種形態(tài)的環(huán)境意義，重金屬的4種形態(tài)的生物有效性由強(qiáng)到弱排列順序?yàn)椋築1>B2>B3>B4[13].由圖7可以看出，外源污染物鉛進(jìn)入土壤環(huán)境后，鉛主要以活性較高的水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和Fe-Mn 氧化物結(jié)合態(tài)存在.這就是為什么當(dāng)土壤酸化水平相同時(shí)，隨著鉛污染的加重，株高和根長(zhǎng)抑制越嚴(yán)重.

影響元素之間交互作用的因素有土壤性質(zhì)、植物吸收、陪伴離子和環(huán)境條件等[14].土壤性質(zhì)的影響主要是通過影響元素的形態(tài)分布來達(dá)到的.酸鋁和鉛交互作用可能首先是由于鉛的加入影響土壤鋁的形態(tài)，如圖7所示.鉛進(jìn)入土壤后，多被吸附或沉淀，而羥基鋁離子可通過共沉淀暫時(shí)失活，從而減緩了對(duì)大豆生長(zhǎng)的危害.其次，可能是由于Al3+和Pb2+競(jìng)爭(zhēng)細(xì)胞表面負(fù)電荷結(jié)合位點(diǎn)所至.植物細(xì)胞壁在質(zhì)外體空間提供大量負(fù)電荷表面[15]，因此，鋁和鉛會(huì)競(jìng)爭(zhēng)細(xì)胞壁負(fù)電荷結(jié)合位點(diǎn)，而Al3+比Pb2+更容易與其結(jié)合，因此二者之間的競(jìng)爭(zhēng)將影響大豆對(duì)鉛的吸收運(yùn)輸，從而減輕了高鉛對(duì)大豆生長(zhǎng)的抑制程度.表4說明，對(duì)大豆生長(zhǎng)的影響，酸鋁和鉛之間存在交互作用，而圖5和圖6說明，這種交互作用的類型不是單一的，在不同的污染水平組合及不同植物器官上具有不同的特點(diǎn)，要弄清這種交互作用的機(jī)理，還有待于進(jìn)一步研究.

4 結(jié) 論

1)酸鋁和鉛對(duì)大豆種子萌發(fā)和長(zhǎng)勢(shì)產(chǎn)生明顯影響，這種影響在不同污染水平組合、不同品種之間具有不同特點(diǎn).酸鋁和鉛均使大豆須根減少，且須根變得粗而短，顏色變深.

2)酸鋁和鉛對(duì)大豆幼苗生長(zhǎng)的影響存在較大的交互作用.影響株高因素的主次順序?yàn)椋核?鉛>酸×鉛，影響根長(zhǎng)因素的主次順序?yàn)椋核?鉛≈酸×鉛.

3)酸鋁與鉛的交互作用呈現(xiàn)出比較復(fù)雜的情形，在不同的污染水平組合上以及不同植物器官上具有不同的特點(diǎn).交互作用可能與外源鉛的加入影響土壤鋁的形態(tài)有關(guān).

4)隨著土壤酸化程度的提高，交換性鋁的含量顯著提高，而吸附態(tài)羥基鋁整體呈下降趨勢(shì).當(dāng)酸化程度相同時(shí)，交換態(tài)鋁隨外源鉛的增多而減小，而吸附態(tài)羥基鋁卻呈上升之勢(shì).

5)外源鉛進(jìn)入土壤后，主要以活性較高的水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和Fe-Mn 氧化物結(jié)合態(tài)存在.

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Biography：PEI Xin-mei,female,born in 1985,M.S.,Engaged in environmental pollution and remediation.

Effect of acid aluminum and lead compound pollution on growth of soybean seeding

PEI Xin-mei，XU Zhong-jian

(School of Chemistry and Chemical Engineering,Huan University of Science & Technology,Xiangtan 411201,China)

The effect of acid aluminum together with lead on the growth of soybean seeding was investigated by a pot experiment.The results show that the both of acid aluminum and lead obviously affect soybean germination and growth,reduce soybean fibrous roots,and make roots become thick short and dark.There is complex interaction in the effect of acid aluminum and lead on the growth of soybean,and the characteristic of the interaction depends on pollution level combination,soybean types and apparatus.The order of factors influencing the plant height is:acid>lead>acid × lead;The order of factors influencing the root length is:acid>lead≈acid×lead.With the severity of acidification degree，exchangeable aluminum content increases significantly,while the hydroxy aluminum is on the decline but not along;When the degree of acidification phase is at the same time,the exchange aluminum content decreases with the increase of lead,while the hydroxy aluminum content rises.Lead is at the state of water solubility,exchangeable state,car-bonate state,Fe-Mn oxide combination state.The interaction of acid aluminum and lead is probably related to that lead affects the existing form of aluminum.8figs.,3tabs.,15refs.

red soil;aluminum toxicity;lead pollution;soybean;interaction

2015-09-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：20577008)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：05JJ30017)

裴新梅(1985-)，女，安徽淮北人，碩士，研究方向：生態(tài)環(huán)境污染與修復(fù).*通訊作者，E-mail:xu67zj@126.com

2095-7300(2015)04-014-08

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