土壤加砷對魔芋砷的含量、吸收與分布的影響

裴艷艷,楊蘭芳,麻成杰,萬夢雪

(1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430062;2.中國科學(xué)院測量與地球物理研究所,湖北 武漢 430077)

0 引言

砷是廣泛存在于環(huán)境中對人類健康有巨大危害的微量元素,全世界數(shù)百萬人因長期砷暴露而面臨癌癥、心臟病和糖尿病的威脅[1].全球每年向土壤中輸入的總砷量估計達(dá)9.4萬噸[2],人為砷污染可以使土壤砷含量達(dá)到很高的濃度,如皮革廠污水可以使土壤表層和亞表層砷含量分別達(dá)到0.435和1.01 g kg-1[3],波蘭礦區(qū)的土壤砷含量高達(dá)43.5 g kg-1[4],貴州杏仁縣高砷煤礦區(qū)的污水灌溉使土壤砷含量也高達(dá)0.237g kg-1[5],該含量是我國國家二級土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)25 mg kg-1的近10倍,是一級標(biāo)準(zhǔn)15 mg kg-1的近16倍.進(jìn)入土壤中的砷可以被植物吸收,再通過食物鏈危害人體和動物健康.如水稻籽粒累積的砷可以達(dá)到對人類健康有害的濃度[6],不同植物的富集土壤砷能力不同,一般用遷移系數(shù)表示植物富集某元素的能力,不同植物砷的遷移系數(shù)變化為0.01～0.1[7].研究土壤砷污染與植物砷含量與分布的關(guān)系,既有助于認(rèn)識植物富集土壤砷的能力和植物響應(yīng)土壤砷污染的機(jī)制,也有助于食品安全標(biāo)準(zhǔn)的制定和人類身體健康.魔芋(Amorphophalluskonjac)是天南星科多年生草本植物[8],因其富含葡甘聚糖而具有較高的藥用、食用和保健價值深受發(fā)達(dá)國家人們的青睞[9-10],日益成為山區(qū)脫貧致富和我國出口創(chuàng)匯的重要經(jīng)濟(jì)作物.認(rèn)識魔芋砷含量與分布特點(diǎn)對于魔芋資源的開發(fā)利用和魔芋產(chǎn)品的安全生產(chǎn)與經(jīng)營具有重要意義.我們利用土壤加砷盆栽魔芋試驗研究了土壤砷水平對魔芋砷含量與分布的影響,為魔芋安全生產(chǎn)和魔芋產(chǎn)品開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1試驗材料供試植物為魔芋Amorphophalluskonjac,屬天南星科,魔芋屬,芋種來源于湖北省恩施土家族苗族自治州恩施市太陽河.所用土壤為紅壤,采自武漢市魯磨路旁南望山下的灌木林地表層,土壤采回后攤開剔除植物殘體和石塊,風(fēng)干后過5 mm篩備用.供試土壤有機(jī)質(zhì)為16.1 g kg-1,堿解氮、速效磷、速效鉀分別為98.1、5.5和68.8 mg kg-1,土壤砷含量為14.5 mg kg-1,土壤陽離子交換量為10.7 cmol(+) kg-1,土壤pH(水提,水土比為2.5∶1)為5.76.

1.2盆栽實驗盆栽試驗所用盆缽為圓臺形陶瓷缽,高18 cm,體積為3.2 L,每盆裝入過5 mm的風(fēng)干土3.0 kg.設(shè)置加砷量0、10.0、20.0、50.0、100.0、200.0 mg kg-1共6個處理,每處理重復(fù)3次,共18個盆缽.以亞砷酸鈉為砷源,配成含砷0、1.2、2.4、6.0、12.0、24.0 mg mL-1的溶液.稱土3.0 kg于塑料盆中,然后按處理水平分別加相應(yīng)濃度的溶液25 mL于土壤中,并與底肥一起拌均勻,再裝入盆栽陶瓷缽中.每kg土施N 200 mg、P 100 mg、 K 200 mg做底肥,以尿素、磷酸二氫鉀、硫酸鉀為肥源,即分別稱取尿素26.67 g、磷酸二氫鉀26.32 g、硫酸鉀9.93 g,溶解后定容至1 L,每盆加此溶液50 mL,則每盆含尿素1.33 g、磷酸二氫鉀1.32 g、硫酸鉀0.50 g.2011年3月25日完成稱土、處理、拌土、裝盆、清洗魔芋種子工作,于2011年3月26日上午播種后,每盆加水500 mL,魔芋質(zhì)量如表1所示.魔芋生長期間,每天進(jìn)行水分管理和出苗長勢觀察,直至莖葉變黃枯萎時收獲,收獲日期為2011年8月25日.

1.3樣品制備魔芋收獲時,先將其按地上和地下部分分開.地下部分即為魔芋球莖,將土壤弄碎,選出魔芋球莖,將球莖用自來水洗凈,再用蒸餾水清洗,擦干表面水分后稱重即為鮮重.然后將其切成細(xì)絲,裝入陶瓷碟中,放入鼓風(fēng)干燥箱于60～70 ℃下烘干.地上部分即為魔芋莖葉,先用自來水洗凈,然后用蒸餾水清洗,再剪成小于1 cm的小段后,裝入紙袋中,放入鼓風(fēng)干燥箱中,在60～70 ℃條件下烘干.烘干后樣品先在干燥器中冷卻,然后用百分之一電子天平稱重,記錄其質(zhì)量即得球莖和莖葉的干生物量,二者之和即為總生物量.將烘干的魔芋球莖和莖葉分別磨細(xì)并過60目篩,裝入塑料瓶中備分析測試之用.

表1盆栽試驗的魔芋芋種質(zhì)量g

重復(fù)處理砷水平/(mg/kg)0102050100200145.6956.2441.3147.0242.7057.49247.3037.9436.7239.1139.9354.34338.2434.8150.4543.7847.5955.46

1.4土壤基本理化性質(zhì)的分析土壤基本理化性質(zhì)用常規(guī)法分析[11],即有機(jī)質(zhì)用硫酸-重鉻酸鉀外加熱容量法;堿解氮用堿解擴(kuò)散法;速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提,鉬藍(lán)法分光光度法測定;速效鉀用火焰光度法,CEC用醋酸銨法;pH用電位法.

1.5魔芋砷含量的測定魔芋砷含量的測定用氫化物發(fā)生,砷鉬藍(lán)分光光度法測定.

1.5.1 樣品消解 稱取磨細(xì)混合均勻魔芋樣品于三角瓶中,加水2 mL濕潤,加4∶1硝酸-高氯酸混合酸10 mL,低溫加熱,劇烈反應(yīng)停止后,加硝酸5 mL,升溫加熱,呈棕色時再加2 mL混合酸,加熱至冒白煙,溶液無棕色．取下冷卻后加水20 mL,加熱至冒白煙,再重復(fù)一次.然后用水少量多次地轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶或比色管并定容.

1.5.2 待測液中砷的測定 吸取一定體積的樣品消解液于反應(yīng)瓶中,加入4 mL 1∶1硫酸、10 mL混合反應(yīng)液(每升該反應(yīng)液含有80 g SnCl2,100 mL濃鹽酸溶解,125 g酒石酸和30 g KI),放置15 min后加鋅粒4 g,立即連接裝有醋酸鉛脫脂棉的導(dǎo)氣管,導(dǎo)氣管出口端放入盛有7 mL 0.43%高錳酸鉀溶液的10 mL比色管中,反應(yīng)1 h.反應(yīng)結(jié)束后向比色管中加入2 mL反應(yīng)液(每升該溶液含有50 g鹽酸羥胺、0.3 g硝酸鉍、40 g抗壞血酸和140 mL濃鹽酸)、1 mL鉬酸銨溶液,搖勻放置30 min后,于700 nm處用3 cm比色皿測定吸光度.根據(jù)所測得的吸光度用標(biāo)準(zhǔn)曲線法定量.

1.6數(shù)據(jù)處理和計算所有數(shù)據(jù)用Excel 2003計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,也用Excel 2003作圖和進(jìn)行t檢驗和相關(guān)分析.用SPSS10.0進(jìn)行方差分析和多重比較,多重比較用LSD法,顯著水平均用0.05.

2 結(jié)果分析

圖1 土壤加砷對魔芋砷含量的影響

2.1土壤加砷對魔芋砷含量的影響圖1表明,在本實驗土壤加砷的水平下,魔芋球莖的砷含量在2.12～14.98 μg g-1之間,莖葉的砷含量在1.23～21.23 μg g-1之間.魔芋球莖和莖葉的砷含量均隨著土壤砷水平的增加而增加,相關(guān)分析表明,魔芋球莖、球葉的砷含量均與土壤加砷水平呈極顯著的線性相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為0.985 4、0.986 5(P<0.01).對照即不加砷的處理是球莖砷含量顯著高于莖葉,而所有加砷處理的魔芋砷含量均是莖葉高于球莖.所有加砷的魔芋莖葉砷含量比球莖高47.1%～201.6%,也就是魔芋莖葉的砷含量是球莖的1.4～2.5倍,而對照的莖葉砷含量卻比球莖低41.7%.

圖2 土壤加砷水平對魔芋砷富集量的影響

2.2土壤加砷水平對魔芋砷富集量的影響用魔芋生物量乘以其魔芋砷含量來表示魔芋富砷量,以說明魔芋對土壤砷的富集能力.圖2可見,魔芋球莖的富砷量為25～256 μg,莖葉的富砷量為7～285 μg,魔芋總富砷量在38～541 μg.隨土壤砷水平增加,魔芋球莖、莖葉的富砷量和總富砷量均增加,相關(guān)分析表明,魔芋球莖、莖葉富砷量和總富砷量與土壤砷水平的線性相關(guān)系數(shù)分別為0.976 0、0.998 2和0.997 7,均超過了0.01的顯著水平(0.911),證明魔芋球莖、莖葉富砷量和總富砷量均與土壤砷水平呈極顯著的線性相關(guān).在較低的土壤砷水平下,富砷量為球莖大于莖葉,當(dāng)土壤砷水平在20 mg kg-1以上時,則是莖葉富砷量高于球莖.

圖3 土壤加砷對魔芋富砷量的分配的影響

2.3魔芋富集砷的分配魔芋富集砷的分配是指球莖、莖葉所富砷量占魔芋植株總富砷量的比例.圖3可見,球莖的富集砷量占總富集量的30%～80%,莖葉的富砷量占總砷量的18%～70%.在0～100 mg kg-1的土壤加砷水平范圍內(nèi),魔芋球莖富砷量占總富砷量比例隨土壤砷水平增加而呈降低的趨勢,莖葉的富砷量占總富砷量的比例則呈增加的趨勢,在200 mg kg-1土壤加砷水平下,球莖富砷量所占比例又增加,莖葉所占比例又下降.同對照相比,所有加砷處理魔芋球莖富砷量所占比例均低于對照,魔芋莖葉富砷量所占比例均顯著高于對照.在0～20 mg kg-1的土壤加砷水平內(nèi),魔芋球莖富砷量占總富砷量的比列高于莖葉富砷量占總富砷量的比例,而在50～200 mg kg-1的土壤加砷水平下,則是魔芋莖葉富砷量所占比例高于球莖富砷量所占比例.

圖4 魔芋對土壤加砷的利用量和利用率

2.4魔芋對土壤加砷利用率的影響用加砷處理魔芋的總富砷量減去對照的總富砷量作為魔芋對土壤加砷的利用量,利用量占土壤加砷量的比例就是魔芋對土壤加砷的利用率.在不同的土壤加砷的水平下,魔芋對土壤加砷的利用量和利用率不同.隨土壤加砷水平增加,魔芋對土壤加砷的利用量增加,利用量與土壤加砷量的線性相關(guān)系數(shù)為0.997 9(P<0.01),表明利用量與土壤加砷量呈極顯著的線性相關(guān).魔芋對土壤加砷的利用量在0.25‰～0.84‰之間,土壤加砷10 mg kg-1的利用率最低,顯著低于其他加砷水平的利用率,加砷水平200 mg kg-1的利用最高,顯著高于加砷50和100 mg kg-1的處理,但與加砷20 mg kg-1的無顯著差異,而加砷20、50和100 mg kg-1的利用率無顯著性差異.

圖5 土壤加砷對魔芋砷富集系數(shù)的影響

2.5魔芋對土壤砷的富集系數(shù)富集系數(shù)也叫遷移系數(shù),是指植物中某元素的含量與土壤中某元素含量的比值.圖5可見,魔芋球莖對砷的富集系數(shù)在0.03～0.13之間,魔芋莖葉砷的富集系數(shù)在0.07～0.13之間.同對照相比,所有加砷處理魔芋球莖的富集系數(shù)均顯著小于對照,而莖葉的富集系數(shù)均顯著高于對照.對照魔芋球莖的富集系數(shù)顯著高于莖葉,而所有加砷處理的富集系數(shù)則是莖葉顯著高于球莖.

3 討論

3.1魔芋的砷含量本實驗中魔芋球莖和莖葉砷含量均與土壤砷水平呈極顯著的線性相關(guān),說明土壤中的砷能夠從土壤中轉(zhuǎn)移到魔芋球莖和莖葉中,也說明土壤砷水平是決定魔芋砷含量的重要因素.在低砷土壤環(huán)境中,植物砷含量很低,而在高砷土壤下,植物砷含量會明顯升高.如本實驗中土壤加砷200 mg kg-1下魔芋球莖砷含量是對照的7.6倍,莖葉砷含量是對照的17.9倍;土壤加砷盆栽大豆實驗也表明,大豆根、莖葉和籽粒的砷含量均與土壤砷水平呈極顯著的線性相關(guān)[12];無論是蔬菜作物還是糧食作物,都是污染區(qū)的砷含量高于清潔區(qū)[13].植物類型不同,砷含量也不同.如對蔬菜和糧食作物的研究表明,砷含量為葉菜類>根莖類>茄果類>鮮豆類,水稻砷含量顯著高于小麥和玉米[13].分析作物可食部位發(fā)現(xiàn)砷含量呈洋蔥>花菜>水稻>茄子>土豆[14].大多數(shù)植物砷含量都不是很高,多在100 mg kg-1以下,但也發(fā)現(xiàn)一些植物特別能富集土壤中的砷的植物,如鳳尾蕨葉子中的砷可以高達(dá)3 650 mg kg-1、根中砷含量可以高達(dá)507 mg kg-1[15],蜈蚣草葉子中的砷含量可高達(dá)6 151 mg kg-1[16],銻礦區(qū)水薄荷根與葉的砷含量分別為540和216 mg kg-1,而蘆葦根的砷含量為688 mg kg-1[17].這些砷含量能夠達(dá)到很高水平的植物被稱為砷超積累植物,有的可用于修復(fù)砷污染嚴(yán)重的土壤.能夠用作修復(fù)污染土壤的砷超積累植物必須滿足富集土壤砷的能力強(qiáng),生物量大,生長能力強(qiáng).本實驗表明,在土壤加砷200 mg kg-1的條件下,魔芋球莖和莖葉砷含量才達(dá)到15和21 mg kg-1,說明魔芋吸收利用土壤砷的能力很弱.

植物部位不同,砷的含量也不相同.本實驗表明,所有加砷處理的砷含量呈莖葉高于球莖的現(xiàn)象,而對照是球莖高于莖葉,說明土壤加砷也就是土壤砷污染可以改變魔芋砷在地上和地下的分配模式.大豆盆栽試驗表明,大豆砷含量呈根>莖>籽粒[12],對污染區(qū)22種植物砷含量的研究發(fā)現(xiàn),植物砷含量一般呈根>葉>莖>果[18],水稻砷含量的分布是根>莖葉>谷殼>糙米[18],土壤盆栽油菜和小麥實驗結(jié)果表明,油菜和小麥砷含量呈根系>莖葉>穎殼>種子[19].本實驗結(jié)果是在砷污染條件下,魔芋砷含量是莖葉高于球莖,而魔芋球莖為可食部位.因此上述文獻(xiàn)的結(jié)果和本實驗的結(jié)果都說明,作物在砷污染條件下,可食部位砷含量最低,這對于砷輕度污染的土壤種植利用是有利的,因為人類一般直接利用可食部位,而可食部位砷含量最低,有利于砷污染地區(qū)的健康安全.

3.2魔芋對土壤砷的富集能力僅用含量不能完全反應(yīng)植物對土壤砷的吸收和富集能力,因為含量只是單位數(shù)量的物質(zhì)中所含有數(shù)量,實際上是一種相對指標(biāo).含量高,如果生物量低,其吸收和富集能力也不會強(qiáng).我們用魔芋的砷含量乘以魔芋的生物量,得到魔芋吸收砷的總量,作為魔芋的富砷量.富砷量可以反映魔芋在一定土壤環(huán)境條件下的吸收和富集土壤砷的能力.本實驗結(jié)果中,魔芋球莖、莖葉和總富砷量均與土壤加砷水平呈極顯著的線性相關(guān),說明魔芋吸收和富集土壤砷的能力隨土壤砷水平的提高而增加.在低土壤砷水平下,魔芋富砷量呈球莖大于莖葉的趨勢,而在較高的土壤砷水平(>20 mg kg-1)下,魔芋富砷量則是莖葉高于球莖,同時,在富砷量的分配中,低土壤砷水平下,球莖富砷量所占比例高于莖葉,較高土壤砷水平條件下,莖葉富砷量所占比例大于球莖,這說明魔芋能夠通過將所吸收的砷轉(zhuǎn)移到地上部分來適應(yīng)高砷土壤環(huán)境.將砷轉(zhuǎn)移到植物特定的組織或器官也是植物的耐砷機(jī)制之一[20].魔芋對土壤加砷的利用率只有0.25‰～0.84‰,這與大豆對土壤加砷的利用率基本一致[12],這說明魔芋對土壤加砷的利用率很低,表明魔芋是吸收和富集砷能力很弱的植物,同時也表明,加入土壤中的砷容易被土壤轉(zhuǎn)化固定,對植物的有效性低.

用富集系數(shù)比較不同作物的富集能力也許是可行的,但是由于富集系數(shù)只是根據(jù)含量來計算的,含量是相對指標(biāo),沒有考慮植物的生物量,因此用富集系數(shù)來比較植物不同部位的富集能力是不恰當(dāng)?shù)?如根據(jù)富砷量和富集系數(shù)得出大豆不同部位的富集砷的能力就不一致[12].本實驗中魔芋對砷的富集系數(shù)在0.03～0.13之間,與大豆對土壤加砷的富集系數(shù)基本相近[12],也與Warren等[7]計算的不同作物富集系數(shù)變化范圍0.01～0.1大致相符.本實驗中,在土壤低砷水平下,魔芋球莖的富砷量大于莖葉或與莖葉差異不顯著,而土壤高砷水平(>20 mg kg-1)下是莖葉富砷量大于球莖,而所有加砷處理的富集系數(shù)都是莖葉大于球莖.這也說明利用富砷量比較出的魔芋球莖和莖葉的富集能力與利用富集系數(shù)比較出的富集能力也不一致.因此要準(zhǔn)確衡量植物的富集能力,應(yīng)該將富集量和富集系數(shù)相結(jié)合為好.

4 結(jié)論

1)魔芋球莖和莖葉砷含量與土壤加砷量呈極顯著的線性相關(guān),土壤加砷改變了魔芋砷含量的分布,對照條件下球莖砷含量高于莖葉,而加砷條件下,莖葉砷含量高于球莖.

2)魔芋富砷量與土壤加砷量呈極顯著的線性相關(guān),土壤低砷條件下,球莖富砷量大于莖葉,高砷條件下莖葉富砷量大于球莖.

3)土壤加砷降低了球莖富砷量所占比例,增加了莖葉富砷量所占比例.

4)魔芋對土壤加砷的利用量隨土壤加砷水平升高而增加,二者呈極顯著的線性相關(guān),魔芋對土壤加砷的利用率較低,在0.25‰～0.84‰之間.

5)土壤加砷降低了球莖的富集系數(shù),增加了莖葉的富集系數(shù),加砷處理下莖葉富集系數(shù)大于球莖,對照條件下,球莖富集系數(shù)大于莖葉.

6)土壤加砷不僅影響魔芋砷的含量和吸收,也改變魔芋體內(nèi)砷的分配格局,魔芋通過將所吸收的砷轉(zhuǎn)移到莖葉來適應(yīng)砷污染土壤環(huán)境.

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