煤基腐殖酸对土壤重金属铜活性和生物有效性的改变

　　随着矿产的大量开采和冶金工业的迅速发展，大量重金属进入人类的生产、生活环境之中并造成严重污染。铜是动植物生长发育所必需的营养元素，摄入量过低时会引起生命体新陈代谢紊乱、营养失衡，导致疾病发生，但过量摄入也会引起疾病，甚至死亡。外源铜在土壤中的大量累积，不仅影响了农作物的产量和品质，还可通过食物链影响人类健康。因此，重金属铜在土壤环境中引发的问题既有植物营养问题又有土壤污染问题。

　　重金属污染土壤的修复是当今农业与环境科学领域的研究热点之一，传统的方法有施用有机肥、石灰等改良剂以降低土壤中重金属活性，或改变耕作制度以避免其通过食物链造成二次危害。

　　腐殖酸是一种可变电荷有机胶体，含有多种功能基如羧基、酚羟基等，具有很高的反应活性，对环境中金属离子具有强烈结合能力，使之成为环境中有害重金属离子的重要络合剂和聚沉剂，从而对重金属元素在环境中的迁移、转化和生物有效性起着十分重要的调控作用。同时腐殖酸又是土壤的重要改良剂，因此利用腐殖酸来治理重金属不失为一举两得的好办法。现有的研究以腐殖酸与重金属的反应机理为重点的居多，而针对腐殖酸对重金属生物效应影响的研究明显不足，小白菜在我国栽培十分广泛，栽培面积在世界四大油料作物中居第 2 位，因此，本研究以小白菜为对象，研究煤基腐殖酸与外源铜的效应，为利用煤基腐殖酸改变土壤重金属铜的活性和生物有效性，进而安全利用或修复重金属铜污染土壤提供理论基础。

　　1 材料和方法

　　1.1 试验材料供试土壤采自山西农业大学资源环境学院实验站耕层土壤，为石灰性褐土，其基本性质为 pH 值7.5，CEC 11.23 cmol·kg-1，有机质 19.38 g·kg-1，铜含量 52.68 mg·kg-1。经风干后过 1 mm 筛，充分混匀备用。供试植物为小白菜（Brassica campestris L. ssp.Chinensis L.），品种为新五月慢。供试铜源为化学纯CuSO4·5H2O（含铜量为 25.6%）。供试 EDTA 为分析纯 EDTA 二钠盐。供试煤基腐殖酸为内蒙永业公司提供的 4 种腐殖酸，为 6 号、9 号、10 号、11 号（乌金膏），供试腐殖酸性质见表 1。

　　1.2 试验设计试验采用二因素不完全组合设计，设 CK（不施 Cu，不施腐殖酸）、Cu（施 Cu10 mg·kg-1，不施腐殖酸）、6H+Cu （6 号腐殖酸 0.66 g·kg-1和 Cu10mg·kg-1）、9H+Cu（9 号腐殖酸 0.66 g·kg-1和 Cu10mg·kg-1）、10H+Cu （10 号腐殖酸 0.66 g·kg-1和Cu10 mg·kg-1）、11H+Cu（11 号腐殖酸 6.27 mL·kg-1和 Cu10 mg·kg-1）、EDTA+Cu（EDTA 66.67 mg·kg-1和 Cu10 mg·kg-1）7 个处理，3 次重复，共计 21 盆。

　　1.3 试验的实施、管理以及植物样品的制备本试验于 2012—2013 年在山西农业大学试验基地进行。每盆装过 2 mm 筛的、风干的土 3kg，同时加入相同的底肥（尿素 0.4 g·kg-1，KH2PO40.2 g·kg-1），按试验设计处理添加重金属铜及不同腐殖酸，充分混匀。加水后在大棚内放置稳定 1星期。2012 年 10 月 13 日播种，2012 年10 月 27日出苗后选取长势大小一致的幼苗，每盆留苗 10株，小白菜生长期间定期浇水并及时去除杂草和害虫，2012 年 12 月 14 日结束。

　　试验结束时选上午 8—10 点采取植株鲜样，用自来水和去离子水冲洗，用吸水纸吸干水分测量其鲜质量、株高、根长，分别置于 100～105℃恒温干燥箱中杀青 30 min，而后降温至 75 ℃烘干至恒质量。植物样粉碎后进行相关指标的测定。

　　1.4 测定项目与方法小白菜全氮含量采用 H2SO4-H2O2消煮—半微量开氏法；小白菜全磷含量采用 H2SO4-H2O2消煮—钒钼黄比色法；小白菜全钾含量采用H2SO4－H2O2消煮－火焰光度计法；小白菜全铜采用硝酸—高氯酸消煮，火焰原子吸收分光光度计测定。

　　1.5 数据处理原始数据的整理用 Excel 软件完成；差异显着性分析采用 SPSS 软件完成。

　　2 结 果与分析

　　2.1 不同煤基腐殖酸与外源铜对植株营养元素含量的影响
　　
　　2.1.1 对小白菜全氮含量的影响 Cu 处理的小白 菜 全 氮 含 量 显 着 高 于 CK， 比 CK 提 高 了19.27%（图 1），可见施加一定量的铜可提高植物中的氮含量。与 Cu 处理相比，在施铜的基础上，供试煤基腐殖酸、EDTA 处理的小白菜全氮含量均有所降低，6H+Cu、9H+Cu、10H+Cu、11H+Cu、EDTA +Cu 处 理 分 别 比 Cu 处 理 降 低 9.35% ，14.42%，17.59%，13.36%，16.40%，且 6H+Cu 处理与 Cu 处理差异不显着，而 9H+Cu、10H+Cu、11H+Cu、EDTA+Cu 处理与 Cu 处理的差异均达到显着水平。这表明供试煤基腐殖酸，特别是 9、10、11号煤基腐殖酸与 EDTA 均抑制了小白菜对氮素的吸收和累积。

　　2.1.2 对小白菜全磷含量 的影响 由图 2 可见，Cu 处理的小白菜全磷含量比 CK 有所增加，但差异不显着。与 Cu 处理相比，6H+Cu 和 10H+Cu 处理的小白菜全磷含量略有增加，分别提高了16.62%和 13.20%，而 9H+Cu、11H+Cu 和 EDTA+Cu 处理的小白菜全磷含量略有下降，分别降低了27.85%，25.19%和 13.10%，但差异均不显着。整体来说，施用煤基腐殖酸对小白菜的全磷含量影响不大。
　　
　　2.1.3 对 小 白 菜 全 钾 含 量 的 影 响 由 图 3 可见，与 CK 相比，Cu 处理的小白菜全钾含量提高了 7.53%，但差异性不显着。与 Cu 处理相比较，6H+Cu 和 11H+Cu 处理植株全钾含量提高了 1.88%和 1.54%，而 9H+Cu、10H+Cu 和EDTA + Cu 处理的小白菜平均含钾量比 Cu 处理下降了 0.23%，6.40%和 5.93%，但差异也均不显着。
　　
　　2.2 不同煤基腐殖酸与外源铜对小白菜鲜质量的影响
　　
　　与 CK 相比，Cu 处理的小白菜株鲜质量提高3.72%，但差异不显着，表明一定浓度的外源铜可提高植株产量。与 Cu 相比，6H+Cu、10H+Cu 和11H+Cu 处理下小白菜株鲜质量比 Cu 处理分别提高了 6.33%，5.91%和 0.83%，而 9H+Cu 和 ED－TA+Cu 处理与 Cu 处理相比则分别降低了 7.97%和 0.47%，但差异均不显着。

　　鲜质量可作为衡量小白菜产量的一个指标，由以上分析可见，在施铜的基础上，6 号、10 号和11 号腐殖酸可略微提高小白菜产量。

　　2.3 不同煤基腐殖酸与外源铜对小白菜 Cu含量的影响
　　
　　方差分析表明，Cu 处理小白菜地上部铜含量与 CK 处理相比，差异达显着水平，比 CK 处理提高了 42.85%（图 5）。与 Cu 处理相比较，9H+Cu 和10H+Cu 处理的小白菜 Cu 含量分别下降了 1.08%和 43.86%，但前者差异不显着，后者差异显着，表明 10 号腐殖酸对小白菜吸收重金属铜有显着的抑制作用。而 6H+Cu、11H+Cu 和 EDTA+Cu 处理提高了小白菜 Cu 含量，分别比 Cu 处理提高了19.94%，1.88%和 2.79%，但差异均不显着。表明 3者特别是 6 号煤基腐殖酸对植株吸收重金属铜有一定的促进作用。
　　
　　3 结论与讨论

　　施用一定量的外源铜有助于提高小白菜养分元素，特别是氮的含量，对小白菜的生长也有一定的促进作用。10 号腐殖酸对小白菜吸收重金属铜有显着的抑制作用，这种抑制作用可能是腐殖酸与 Cu 发生相互作用，形成稳定的螯合物，阻止了植株对 Cu 的吸收，与陆晓辉等的研究结果相一致。而 6 号、11 号腐殖酸对外源铜活化作用较明显，对小白菜吸收铜有一定的促进作用。

　　腐殖酸含有大量络合和螯合功能团，对金属离子具有一定的络合和螯合作用，通过本试验的研究，可将煤基腐殖酸分为对重金属具有活化或钝化作用两类，其中在被重金属污染的农田施用对重金属具有钝化作用的腐殖酸，可抑制作物及蔬菜对重金属的过量吸收，降低重金属的毒害作用；对重金属有活化作用的腐殖酸种类，可被用于重金属的植物修复研究。

　　由于时间等原因，本试验仅设计了一个铜浓度水平，还应进一步研究煤基腐殖酸在哪种铜浓度水平下效果最为明显。另外，本试验仅对小白菜体内铜富集情况进行了研究，还可将土壤铜用提取剂来快速提取，进一步验证其有效性如何。

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