膨润土对铜污染土壤油菜生长和抗性生理的影响

贾峥嵘，刘秀珍，卜玉山，郝佳丽，李静

（山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷030801）

土壤重金属污染是土壤学和环境科学的重要研究热点之一。据统计，过去50年，全球铜的排放量约9．39×105t［1］，严重污染了农田和水体，造成巨大的经济损失。据报道，被铜污染的稻田土壤，全铜含量可达115．8mg·kg－1［2］，有的甚至超过1000mg·kg－1［3］。果园和蔬菜土壤，近年来有关铜污染的报道也在逐年增多［4］。土壤铜污染的主要来源是矿山的开发、工业三废、城市污水、垃圾和含铜农药的不合理使用［5］，使土壤环境铜污染日益严重，以致全国多地的农产品铜含量超过国家食品卫生标准。过量的铜严重破坏了土壤结构和化学平衡，降低了土壤环境质量，致使土壤生态环境恶化，农产品品质和产量下降［6］，并通过食物链危及人类健康。因此，土壤铜污染的治理和修复备受人们的关注。

土壤重金属污染修复方法很多，但粘土矿物膨润土因分布广、成本低，且施用后对土壤不会造成二次污染，加之具有较强的吸附性、阳离子交换性、粘着性等特性［7］，随着时间的迁移，它会转化成土壤的无机矿物组分［8］。膨润土已作为一种新型环保材料应用于土壤环境污染的治理［9］。通过研究膨润土对铜污染土壤油菜生长和抗性生理的影响，为推动膨润土在铜污染土壤修复中的应用提供一定的参考价值。

1 材料与方法

1．1 试验材料

盆栽试验用土为山西省太谷县石灰性褐土，供试膨润土采自山西省浑源县，供试作物为油菜（Brassica campestris L．ssp．Chinensis L．），品种为“四月蔓”，生育期45d。供试肥料为尿素（含N量为46%）、KH2PO4（含P2O5量为52．2%，含 K2O量为34．6%）和 K2SO4（含 K2O量为64．4%），供试铜源为CuSO4·5H2O（含Cu量为25．6%）。供试土壤和膨润土基本理化性质见表1。

表1 供试土壤与膨润土的理化性质Table 1 The physical and chemical properties of experimental soil and bentonite

1．2 试验方法

试验在山西农业大学资源环境学院试验基地大棚内，用盆栽法进行，采用2因素6水平完全组合设计，因素1为膨润土施用量，设0g·kg－1（－P）和30g·kg－1（＋P）土2个水平；因素2铜施用量，设 0mg·kg－1、200mg·kg－1、300mg·kg－1、400mg·kg－1、500mg·kg－1、600mg·kg－16个水平，以代表不同铜污染程度。完全组合共12个处理，4次重复。盆钵采用22×18cm塑料盆，每盆装风干土5kg，底部装入石砾1kg，在石砾中插入一根PVC管用于生育期灌水。每盆以尿素、KH2PO4和 K2SO4施入 N 0．2g·kg－1土、P2O50．261g·kg－1土、K2O 0．272g·kg－1土作为基肥。外源铜为CuSO4·5H2O，按试验设计以溶液形式施入，施入膨润土，与土壤混匀后浇水平衡1个月。

油菜于2012年4月5日种植，待油菜生长到2～3cm时，每盆选择长势基本一致的幼苗定植10株，生长期间保持田间持水量的80%，并依次轮换盆钵位置，按常规方法管理。于2012年5月20日收获，采集整株油菜测其生物量，油菜叶绿素含量用SPAD－502型手持叶绿素仪测定其相对值，脯氨酸含量采用酸性茚三酮显色法［10］，丙二醛（MDA）含量采用三氯乙酸（TCA）硫代巴比妥酸（TBA）显色法［11］。

1．3 数据分析方法

测 定 数 据 采 用 Microsoft Excel 2003 和DPS7．05版软件进行处理和分析，多重比较采用Duncan新复极差法。

2 试验结果与分析

2．1 膨润土对铜污染土壤中油菜鲜重的影响

铜是植物体内必须的微量元素，植物的生长发育离不开铜元素，但土壤中过量的铜元素会对植物生长发育产生毒害，主要表现为生长不良、生物量下降［12］。

由图1可知，油菜鲜重随着土壤铜污染程度的增加而不断降低，施加膨润土可显著增加油菜的鲜重。

在不同铜处理下，施加膨润土比未施加膨润土处理平均单株鲜重分别增加了0．04g、0．26g、0．52g、0．34g、0．97g、1．38g，增幅为 0．3%、2．6%、5．7%、3．9%、12．6%、20．5%。差 异 均 显著，且总体上增幅在不断增加。土壤高浓度铜污染时油菜鲜重的增加大于较低浓度铜污染，说明膨润土在修复高浓度铜污染的效果大于低浓度铜污染。

2．2 膨润土对铜污染土壤中油菜叶绿素的影响

土壤铜污染会使植物叶片失绿和变黄，光合速率降低，光合作用下降。铜元素若局部积累过多，与叶绿体中蛋白质上的巯基结合，或取代其中的Fe2＋、Zn2＋、Mg2＋，使叶绿素蛋白中心离子组成发生变化而导致失活［13］。

图1 膨润土对铜污染土壤中油菜鲜重的影响Fig．1 Effect of bentonite on the fresh weight of rape in copper contaminated soil

图2 膨润土对铜污染土壤中油菜叶绿素含量的影响Fig．2 Effect of bentonite on the chlorophyll content of rape in copper contaminated soil

如图2所示，油菜叶绿素含量随土壤铜污染程度的升高不断降低，施加膨润土相比未施加膨润土处理能显著提高油菜叶绿素含量。

施加膨润土比未施加膨润土处理叶绿素分别提 高 了 6．42、9．2、8．4、5．8、8．4、4．6，增 幅 为11．3%、18．4%、17．9%、12．6%、19．6%、11．2%，差异显著。在铜T（2）、T（5）时增幅最大，总的来说，在较低铜污染下增加的幅度略大于高浓度污染。在铜T（0）未污染时，施加膨润土能增加叶绿素含量，可见，膨润土作为土壤改良剂，其保水保肥特性利于油菜生长。

2．3 膨润土对铜污染土壤中油菜MDA的影响

植物在逆境下遭受伤害，会发生膜脂过氧化作用，而丙二醛是膜脂过氧化作用的最终分解产物，MDA的积累是反映细胞膜脂过氧化作用强弱和质膜破坏程度的重要指标，可用作反映胁迫环境对植物造成伤害的重要参数［14］。

如图3所示，总体上，油菜MDA含量随土壤铜污染程度的升高而增加，施加膨润土能显著降低油菜丙二醛含量。

未施加膨润土处理中，在T（6）时，MDA含量相比T（5）有所下降，可能是高浓度的铜导致植物细胞损伤，致MDA的合成受阻。在T（2）～T（6）水平下，施加膨润土比未施加膨润土处理油菜丙二醛含量分别降低了1．04、1．29、1．01、1．21、0．45 μmol·g－1，降 幅 为 19．4%、19．9%、14．2%、16．1%、6%，差异显著，较低铜污染下降幅大于高浓度铜污染。可见，在铜污染时，膨润土的施加利于油菜适应逆境胁迫。

图3 膨润土对铜污染土壤中油菜丙二醛含量的影响Fig．3 Effect of bentonite on the MDA content of rape in copper contaminated soil

2．4 膨润土对铜污染土壤中油菜脯氨酸的影响

在正常条件下，植物游离脯氨酸的含量很低，但遇逆境胁迫环境时，游离脯氨酸的含量会大量积累，且积累指数与植物的抗逆性有关。在逆境胁迫下，脯氨酸的升高可认为是植株对逆境胁迫的生理响应。

如图4所示，随着土壤铜污染浓度的增加，油菜脯氨酸含量整体呈上升趋势。施加膨润土处理在不同铜污染水平下，比未施加膨润土处理脯氨酸含量都有所降低。

图4 膨润土对铜污染土壤中油菜脯氨酸含量的影响Fig．4 Effect of bentonite on the Proline content in rape in copper contaminated soil

不同铜污染梯度下，施加膨润土比未施加膨润土处理脯氨酸分别降低了0．18、0．74、0．82、0．17、0．68、0．16mg·g－1，降 幅 为 27．7%、49．3%、48．2%、9．5%、2．8%、5%，差异显著。在 T（2）、T（3）时降幅最大，说明膨润土在较低铜污染水平对脯氨酸的影响大于较高浓度铜污染。但随着铜污染程度的加重，膨润土对油菜脯氨酸降低的量和降幅都有很大程度的下降，可能与施加膨润土的含量有关。在T（0）未污染时，施加膨润土能显著降低脯氨酸含量。可见，膨润土施加在一定程度上能提高油菜的抗逆性。

3 结论与讨论

土壤铜毒害造成植物生长和抗性生理的影响已有报道，研究表明施加膨润土能显著提高油菜的鲜重和叶绿素，降低油菜丙二醛和脯氨酸的含量。赵兴杰等［15］用膨润土修复镉污染土壤时得出相同结论。郭丽娜［16］等的研究表明乌塌菜在镉污染胁迫下，施加膨润土能提高乌塌菜的产量和叶绿素含量，降低乌塌菜丙二醛和脯氨酸的累积。王意锟［17］通过比较几种粘土矿物修复剂对毛豆、豇豆叶绿素、脯氨酸和丙二醛的影响时，发现粘土矿物修复剂能有效提高毛豆苗叶片叶绿素的含量，能使豇豆、毛豆等叶片的脯氨酸、丙二醛含量明显低于对照。可见，膨润土具有的特殊结构和性能，作为土壤重金属污染的修复剂能降低土壤重金属的生物有效性，显著提高植物生长发育和对毒害的抗性，减少重金属污染对作物的毒害。试验中膨润土修复铜污染土壤效果明显，但存在很多不足，如膨润土的施加量及施加时间、方式等能否对土壤铜污染的修复效果产生影响，及膨润土是否对其它重金属污染土壤起相似的修复效果，有待验证。

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