煤基腐殖酸和外源铜的小白菜效应研究

摘 要：采用大棚盆栽试验，研究煤基腐殖酸和外源铜的小白菜效应。结果表明：施用一定浓度的铜可提高小白菜的产量，且小白菜体内的养分指标均有不同程度的提高。10号煤基腐殖酸对小白菜吸收重金属铜有显著的抑制作用，9号煤基腐殖酸也有一定的抑制作用，而6和11号煤基腐殖酸和EDTA对小白菜吸收重金属铜则有一定的促进作用。因此，9号特别是10号煤基腐殖酸可用于重金属铜污染土壤以降低重金属铜的生物毒害作用。而6和11号煤基腐殖酸可应用于重金属Cu污染土壤的植物修复方面，以提高修复的效果和效率。

关键词：小白菜；重金属铜；腐殖酸；土壤污染

中图分类号：S634.3 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.06.003

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[1-3]。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[4-7]。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[8-9]。

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[10]。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[11-13]。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[14]，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Cu10 mg・kg-1）、9H+Cu（9号腐殖酸0.66 g・kg-1和Cu10 mg・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3 kg，同时加入相同的底肥（尿素0.4 g・kg-1，KH2PO4 0.2 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[10]；小白菜全磷含量采用H2SO4-H2O2消煮―钒钼黄比色法[15]；小白菜全钾含量采用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度计法[15]；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；差异显著性分析采用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著高于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处理差异不显著，而9H+Cu、10H+Cu、11H+Cu、EDTA+Cu处理与Cu处理的差异均达到显著水平。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，但差异不显著。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%，但差异均不显著。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%，但差异性不显著。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%，但差异也均不显著。

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%，但差异不显著，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EDTA+Cu处理与Cu处理相比则分别降低了7.97%和0.47%，但差异均不显著。

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，差异达显著水平，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%，但前者差异不显著，后者差异显著，表明10号腐殖酸对小白菜吸收重金属铜有显著的抑制作用。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%，但差异均不显著。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著的抑制作用，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[16]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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