腐殖酸粉對油菜生長和砷吸附的影響

耿魏偉， 薛中俊， 金 銳， 徐召文， 胡宏祥*， 李虹川

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院， 安徽 合肥 230036； 2.南京農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院， 江蘇 南京 210095)

砷元素廣泛分布于自然界和人類社會中，是一種對人類有害的致癌致畸有毒污染物[1]。在鉛、鎘、銻、硒、砷、鋇、鉻、汞等8種潛在的有毒元素中，砷是唯一的類金屬元素，與其他元素相比污染規(guī)模也不相上下[2]。全球大約有幾萬個砷污染區(qū)域，最嚴重的區(qū)域土壤砷濃度超過了26 500 mg·kg-1。澳大利亞、墨西哥等國家的砷污染相當嚴重，有幾個污染區(qū)域土壤砷濃度高于9 900 mg·kg-1，國內(nèi)貴州、湖南、云南等地區(qū)土壤砷濃度也嚴重超出標準范圍[3-5]。砷并不是植物正常生長發(fā)育所必需的元素，土壤中存在適量的砷元素能夠抵制細菌對土壤的侵害，促進作物的生長發(fā)育，過量的砷則會對作物生長產(chǎn)生反作用，甚至造成作物死亡[6]。另外，過量的砷會削弱土壤中酶的活力[7]，破壞土壤的物質(zhì)和能量代謝，最終導致作物產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降。近年來，施用腐殖酸來修復砷污染廣受關(guān)注[8-10]。KO等[11]發(fā)現(xiàn)腐殖酸能夠與砷元素結(jié)合形成砷-腐殖酸復合物。沈章軍等[12]發(fā)現(xiàn)通過添加適量濃度的海泡石和腐殖酸能有效降低油菜中砷含量。張子葉等[13]研究腐殖酸對湖南當?shù)氐久椎挠绊?，發(fā)現(xiàn)施用腐殖酸水溶肥不僅能提高水稻產(chǎn)量，而且能降低水稻中砷的含量。由此可見，腐殖酸對于固定土壤中的砷含量有重要影響。

目前，已有不少針對腐殖酸溶液固定油菜中砷含量的研究[14-15]，但對于腐殖酸粉鈍化油菜砷含量最佳濃度的研究還比較少。本文以腐殖酸粉鈍化砷效果為依據(jù)，針對銅陵污染地區(qū)土壤的污染狀況，通過盆栽模擬實驗，比較不同腐殖酸粉施加量降低污染土壤中砷的活性、減少植物吸收的效果，研究腐殖酸粉減弱油菜吸收砷的能力，為深入探索腐殖酸粉對土壤影響以及利用含腐殖酸材料治理土壤砷污染研究提供指導性意見。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

實驗所用腐殖酸粉為商業(yè)腐殖酸粉，pH為5.91，有機質(zhì)含量88.7%，全氮含量4.49 g·kg-1，全鉀痕量，速效鉀21.90 mg·kg-1，未檢測出砷含量。供試植物品種選用銅陵地區(qū)當?shù)氐挠筒朔N子。供試土壤為銅陵地區(qū)土壤，采自表層0～20 cm。供試土壤主要性質(zhì)：pH 6.17，有機質(zhì)16.8 g·kg-1，全氮0.93 g·kg-1，全磷0.57 g·kg-1，全鉀7.03 g·kg-1，速效鉀85.75 mg·kg-1；土壤總砷為36.87 g·kg-1，有效砷為0.68 mg·kg-1。

1.2 實驗設計

盆栽實驗在安徽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)萃園進行。盆栽桶是由聚丙烯(PP)制成的圓柱形塑料桶，桶口外徑17.7 cm，內(nèi)徑14.4 cm，高度17.8 cm，每桶裝供試土壤5 kg。實驗濃度設置7個腐殖酸添加水平，各水平設置3個重復，共21個實驗。7個腐殖酸處理實驗的施用量分別是0 g·kg-1、4 g·kg-1、8 g·kg-1、12 g·kg-1、16 g·kg-1、20 g·kg-1以及24 g·kg-1，分別標記為T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6。將腐殖酸粉加入土壤中，翻勻，靜置1～2周。選擇3顆顆粒飽滿的油菜種子，栽種進盆中。供試氮肥為尿素，總氮46.4%；磷肥為過磷酸鈣，折合P2O5為12%；鉀肥為氯化鉀，折合K2O為60%；硼肥為硼砂。按照常規(guī)水肥進行日常管理，定期觀察監(jiān)測并記錄植物的生長狀況。

1.2.1 土壤樣品的處理

油菜成熟時采集根際土壤樣品，置于陰涼通風處風干，用小木槌敲擊弄碎，去掉其中的巖石塊和植株根部，分別過1 mm和0.149 mm篩備用。

1.2.2 植株樣品的處理

取樣保證整株油菜無損失，保存于事先準備好的保濕容器之中。在對油菜進行相關(guān)指標分析之前，先用軟濕布擦凈油菜表面的泥土，將樣品置于烘箱中，在105 ℃下殺青30 min，殺青之后控制烘箱溫度于75 ℃烘干至恒重，記錄干重，粉碎，過0.149 mm篩備用。

1.2.3 樣品測定指標與方法

土壤pH值的測定：按照土液體積比1∶2.5混合，充分振蕩，使用pH計測量。

土壤、油菜各部分中砷的提?。?.5 g的植物樣品，加入5 mL HNO3和1 mL H2O2，1.0 g土樣中，加入15 mL HNO3和1 mL HClO4，依次放入微波消解儀中進行消解，定容到50 mL，待測。

土壤有效態(tài)砷的提取：配制0.1 mol·L-1的鹽酸，稱取5 g土壤樣品置于離心管中，移取25 mL配制的鹽酸至土壤樣品中，在室溫(25 ℃ ± 2 ℃)下振蕩后，離心10 min (3 000 r/min)，將上清液過濾至50 mL三角瓶中，待測。

待測液通過原子熒光光度計測定植物和土壤中砷元素含量。

其他土壤基本理化性質(zhì)按照《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》進行測定[16]。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

通過Excel 2010軟件對各種數(shù)據(jù)的平均值及標準差進行前期匯總和制圖。利用SPSS 19.0應用軟件對數(shù)據(jù)結(jié)果加以分析，使用單因素方差分析對不同處理數(shù)據(jù)間的差異性進行檢驗，利用Pearson相關(guān)分析法對植物體內(nèi)砷與土壤砷有效態(tài)之間的關(guān)系進行分析,利用Origin 2017軟件作圖。

2 結(jié)果分析

2.1 腐殖酸粉對油菜生長狀況的影響

在油菜生長過程中，不同腐殖酸粉添加量處理的油菜生長成熟期形態(tài)較對照組有明顯差異：添加腐殖酸粉的油菜長勢較好，其株高、地上部分生物量等都高于未添加腐殖酸粉處理的油菜。

2.1.1 腐殖酸粉對油菜株高的影響

不同腐殖酸粉添加量對油菜株高的影響如圖1所示。由圖1看出，腐殖酸可以影響油菜株高生長狀況。添加不同量腐殖酸粉處理組(T1～T6)油菜的株高與對照組(T0)相比分別增加了2.62%、14.04%、16.26%、18.56%、22.19%和19.82%，T2、T3、T4、T5、T6組油菜株高與T0組皆達顯著差異水平(P<0.05)，T0組和T1組未達到顯著差異水平。當處理濃度達到20 g·kg-1(T5)時，油菜高度最高；然而，當處理濃度達到24 g·kg-1(T6)時會抑制油菜生長。這說明腐殖酸濃度為20 g·kg-1時，效果較好，超過20 g·kg-1會對油菜生長產(chǎn)生脅迫作用。

注：不同小寫字母表示數(shù)據(jù)差異顯著(P<0.05)圖1 不同處理對油菜株高的影響

2.1.2 腐殖酸粉對油菜地上部分生物量的影響

不同腐殖酸粉添加量對油菜地上部分生物量的影響如表1所示。由表1可以看出，施用腐殖酸粉可增加油菜莖葉、莢殼、籽粒的干重。不同腐殖酸粉添加量處理的油菜地上部分生物量比對照均有增加，且各處理組與T0相比均有顯著差異(P<0.05)。T0未施用腐殖酸粉處理的油菜地上部分生物量最低，T4處理油菜莢殼干重最大，是T0處理的1.48倍，T5處理油菜莖葉、籽粒的干重最大，分別是T0處理的1.6倍和1.59倍，但濃度到達24 g·kg-1(T6)時，油菜地上部分生物量會相對降低。這表明，施用適量濃度的腐殖酸粉可以促進油菜地上生物量增加，施用腐殖酸粉濃度20 g·kg-1(T5)時油菜地上部分生物量增產(chǎn)效果最為明顯。

表1 不同處理對油菜地上部分生物量的影響

2.2 腐殖酸粉對油菜各個部位砷含量的影響

施用腐殖酸粉對油菜各部位砷含量的影響如圖2所示。由圖2所顯示，添加了腐殖酸粉處理后的油菜植株不同部位中的砷均有不同程度的減少。對于油菜根部，T1～T6不同處理中重金屬砷的含量分別為1.93 mg·kg-1、1.82 mg·kg-1、 1.46 mg·kg-1、0.90 mg·kg-1、0.89 mg·kg-1和1.69 mg·kg-1，較T0處理依次降低了12.45%、17.27%、33.5%、59%、59.68%和23.36%，且與T0處理之間存在顯著差異(P<0.05)。油菜莖葉部分添加腐殖酸處理的重金屬砷含量分別為0.75 mg·kg-1、0.73mg·kg-1、0.71 mg·kg-1、0.64 mg·kg-1和 0.69 mg·kg-1以及0.71 mg·kg-1，與T0處理之間存在顯著差異(P<0.05)，下降了9.71%、12.23%、14.99%、23.14%、17.03%和15.11%。T1～T6處理油菜莢殼部分重金屬砷含量分別為0.37 mg·kg-1、0.32 mg·kg-1、0.30 mg·kg-1、0.33mg·kg-1、0.25 mg·kg-1、0.26 mg·kg-1，分別下降4.94%、17.41%、22.34%、14.02%、35.58%、33.25%，除T1外，其余處理都與T0存在顯著差異(P<0.05)。油菜籽粒部分重金屬含量分別為0.15 mg·kg-1、0.15 mg·kg-1、0.13 mg·kg-1、0.09 mg·kg-1、0.10 mg·kg-1、0.10 mg·kg-1，分別下降10.91%、10.91%、24.24%、46.06%、33.33%以及34.69%，且T3、T4、T5、T6與T0處理效果存在顯著差異(P<0.05)。結(jié)果表明，施用16～20 g·kg-1的腐殖酸能有效降低油菜內(nèi)砷的含量。

注：不同小寫字母表示數(shù)據(jù)差異顯著(P<0.05)圖2 不同處理對油菜各個部位砷含量的影響

2.3 腐殖酸粉對土壤pH及有效態(tài)砷含量的影響

不同處理對土壤pH及有效態(tài)砷含量的影響如表2所示。由表2可知，施用腐殖酸粉能有降低土壤pH，且隨腐殖酸粉施用量的增加，土壤pH下降效果明顯，但除T4、T5、T6處理外，其余均未達顯著水平，整體效果并不顯著；T1～T6處理中有效態(tài)砷含量較T0處理均有所減少，分別減少了3.07%～21.54%，且除T3外其他處理較T0處理有顯著差異(P<0.05)。土壤砷的有效態(tài)含量在T5處理時最少(0.51 mg·kg-1)，當腐殖酸施用量繼續(xù)增加時，有效砷砷含量有所增加。

表2 不同處理對pH及有效態(tài)砷含量的影響

2.4 油菜各部位砷含量與土壤有效態(tài)砷間相關(guān)性分析

油菜各部位砷含量與土壤有效態(tài)砷含量如表3所示。油菜不同部位砷含量與土壤有效態(tài)砷含量呈正相關(guān)關(guān)系，根部與莖葉表現(xiàn)為顯著相關(guān)，根部與莢殼以及油菜籽粒成極顯著相關(guān)，油菜莖葉和籽粒中砷也表現(xiàn)出極顯著相關(guān)關(guān)系。添加腐殖酸粉對除莢殼以外油菜其余部分并無顯著相關(guān)，表明施用腐殖酸減少根部、莖葉、莢殼以及籽粒中的砷濃度可能并不是因為降低了土壤有效態(tài)砷含量，而是降低了砷元素的移動性，減少了油菜對砷的吸收[13]。

表3 土壤有效態(tài)砷含量與油菜各部位砷含量的相關(guān)性

3 討 論

添加適宜濃度的腐殖酸粉能夠提高油菜的生長發(fā)育能力，增加油菜地上部分生物量。這是因為腐殖酸中的多種活性基團能夠促進油菜的根際發(fā)育，增強油菜根系活力，增強對養(yǎng)分的吸收，增加油菜的產(chǎn)量[17-19]。但是，當腐殖酸粉濃度大于20 g·kg-1后，油菜的地上部分生物量以及株高會受到抑制。這可能是因為施加過量的腐殖酸粉可能會降低土壤酶的活性，阻礙土壤與植株的物質(zhì)與能量交換，導致油菜產(chǎn)量降低[20-22]。

砷在油菜不同部位的含量大小分布規(guī)律為根系>莖>果殼>籽粒，差異性明顯；施用腐殖酸粉可以減少油菜對砷的吸附，施用16～20 g·kg-1腐殖酸粉減少油菜根部、莖葉、莢殼以及籽粒中的砷含量效果尤為明顯；從食用角度考慮，滿足《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB 2762—2017)的要求(≤0.5 mg·kg-1)。腐殖酸粉鈍化效果較好，因為腐殖酸分子結(jié)構(gòu)上的配位氫鍵能有效螯合土壤中重金屬[23]。

由于腐殖酸粉的施用，土壤pH有一定降低趨勢。因為腐殖酸自身就呈現(xiàn)酸性，有助于調(diào)節(jié)土壤酸堿度，同時腐殖酸粉也增強了土壤中細菌的活力[24]。細菌在維持自身生長發(fā)育時需要持續(xù)向土壤中排放二氧化碳，形成某些有機酸類物質(zhì)[25]，導致土壤中pH的降低。但T0到T4并未達到顯著水平，再加上腐殖酸粉對除莢殼外油菜其余部分無顯著相關(guān)，這可能是添加腐殖酸粉能夠降低土壤中砷的移動性，弱化了油菜吸收砷的能力[11]。可見，添加腐殖酸粉能夠有效增加油菜的產(chǎn)量，降低油菜中各個部位砷含量。

4 結(jié) 語

(1)腐殖酸粉能有效增加油菜產(chǎn)量，添加20 g·kg-1腐殖酸粉可以在很大程度上提高油菜地上部分生物量，提高油菜株高，促進油菜生長發(fā)育。

(2)腐殖酸粉能夠有效減少土壤中砷元素向油菜各個部位遷移，從而降低油菜中砷元素的積累。施用20 g·kg-1腐殖酸粉時，油菜根部砷含量降低59.68%；施用16 g·kg-1腐殖酸粉時莖葉部分砷元素含量降低23.14%；施用20 g·kg-1腐殖酸粉時莢殼部分砷含量降低35.58%；施用16 g·kg-1腐殖酸時籽粒部分砷含量最大降低率為46.06%。因此，加入16～20 g·kg-1腐殖酸粉效果最為明顯。