腐殖酸粉对油菜生长和砷吸附的影响

耿魏伟， 薛中俊， 金 锐， 徐召文， 胡宏祥*， 李虹川

(1.安徽农业大学 资源与环境学院， 安徽 合肥 230036； 2.南京农业大学 资源与环境学院， 江苏 南京 210095)

砷元素广泛分布于自然界和人类社会中，是一种对人类有害的致癌致畸有毒污染物[1]。在铅、镉、锑、硒、砷、钡、铬、汞等8种潜在的有毒元素中，砷是唯一的类金属元素，与其他元素相比污染规模也不相上下[2]。全球大约有几万个砷污染区域，最严重的区域土壤砷浓度超过了26 500 mg·kg-1。澳大利亚、墨西哥等国家的砷污染相当严重，有几个污染区域土壤砷浓度高于9 900 mg·kg-1，国内贵州、湖南、云南等地区土壤砷浓度也严重超出标准范围[3-5]。砷并不是植物正常生长发育所必需的元素，土壤中存在适量的砷元素能够抵制细菌对土壤的侵害，促进作物的生长发育，过量的砷则会对作物生长产生反作用，甚至造成作物死亡[6]。另外，过量的砷会削弱土壤中酶的活力[7]，破坏土壤的物质和能量代谢，最终导致作物产量降低、品质下降。近年来，施用腐殖酸来修复砷污染广受关注[8-10]。KO等[11]发现腐殖酸能够与砷元素结合形成砷-腐殖酸复合物。沈章军等[12]发现通过添加适量浓度的海泡石和腐殖酸能有效降低油菜中砷含量。张子叶等[13]研究腐殖酸对湖南当地稻米的影响，发现施用腐殖酸水溶肥不仅能提高水稻产量，而且能降低水稻中砷的含量。由此可见，腐殖酸对于固定土壤中的砷含量有重要影响。

目前，已有不少针对腐殖酸溶液固定油菜中砷含量的研究[14-15]，但对于腐殖酸粉钝化油菜砷含量最佳浓度的研究还比较少。本文以腐殖酸粉钝化砷效果为依据，针对铜陵污染地区土壤的污染状况，通过盆栽模拟实验，比较不同腐殖酸粉施加量降低污染土壤中砷的活性、减少植物吸收的效果，研究腐殖酸粉减弱油菜吸收砷的能力，为深入探索腐殖酸粉对土壤影响以及利用含腐殖酸材料治理土壤砷污染研究提供指导性意见。

1 材料和方法

1.1 实验材料

实验所用腐殖酸粉为商业腐殖酸粉，pH为5.91，有机质含量88.7%，全氮含量4.49 g·kg-1，全钾痕量，速效钾21.90 mg·kg-1，未检测出砷含量。供试植物品种选用铜陵地区当地的油菜种子。供试土壤为铜陵地区土壤，采自表层0～20 cm。供试土壤主要性质：pH 6.17，有机质16.8 g·kg-1，全氮0.93 g·kg-1，全磷0.57 g·kg-1，全钾7.03 g·kg-1，速效钾85.75 mg·kg-1；土壤总砷为36.87 g·kg-1，有效砷为0.68 mg·kg-1。

1.2 实验设计

盆栽实验在安徽农业大学农萃园进行。盆栽桶是由聚丙烯(PP)制成的圆柱形塑料桶，桶口外径17.7 cm，内径14.4 cm，高度17.8 cm，每桶装供试土壤5 kg。实验浓度设置7个腐殖酸添加水平，各水平设置3个重复，共21个实验。7个腐殖酸处理实验的施用量分别是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，分别标记为T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6。将腐殖酸粉加入土壤中，翻匀，静置1～2周。选择3颗颗粒饱满的油菜种子，栽种进盆中。供试氮肥为尿素，总氮46.4%；磷肥为过磷酸钙，折合P2O5为12%；钾肥为氯化钾，折合K2O为60%；硼肥为硼砂。按照常规水肥进行日常管理，定期观察监测并记录植物的生长状况。

1.2.1 土壤样品的处理

油菜成熟时采集根际土壤样品，置于阴凉通风处风干，用小木槌敲击弄碎，去掉其中的岩石块和植株根部，分别过1 mm和0.149 mm筛备用。

1.2.2 植株样品的处理

取样保证整株油菜无损失，保存于事先准备好的保湿容器之中。在对油菜进行相关指标分析之前，先用软湿布擦净油菜表面的泥土，将样品置于烘箱中，在105 ℃下杀青30 min，杀青之后控制烘箱温度于75 ℃烘干至恒重，记录干重，粉碎，过0.149 mm筛备用。

1.2.3 样品测定指标与方法

土壤pH值的测定：按照土液体积比1∶2.5混合，充分振荡，使用pH计测量。

土壤、油菜各部分中砷的提取：0.5 g的植物样品，加入5 mL HNO3和1 mL H2O2，1.0 g土样中，加入15 mL HNO3和1 mL HClO4，依次放入微波消解仪中进行消解，定容到50 mL，待测。

土壤有效态砷的提取：配制0.1 mol·L-1的盐酸，称取5 g土壤样品置于离心管中，移取25 mL配制的盐酸至土壤样品中，在室温(25 ℃ ± 2 ℃)下振荡后，离心10 min (3 000 r/min)，将上清液过滤至50 mL三角瓶中，待测。

待测液通过原子荧光光度计测定植物和土壤中砷元素含量。

其他土壤基本理化性质按照《土壤农业化学分析方法》进行测定[16]。

1.2.4 数据分析

通过Excel 2010软件对各种数据的平均值及标准差进行前期汇总和制图。利用SPSS 19.0应用软件对数据结果加以分析，使用单因素方差分析对不同处理数据间的差异性进行检验，利用Pearson相关分析法对植物体内砷与土壤砷有效态之间的关系进行分析,利用Origin 2017软件作图。

2 结果分析

2.1 腐殖酸粉对油菜生长状况的影响

在油菜生长过程中，不同腐殖酸粉添加量处理的油菜生长成熟期形态较对照组有明显差异：添加腐殖酸粉的油菜长势较好，其株高、地上部分生物量等都高于未添加腐殖酸粉处理的油菜。

2.1.1 腐殖酸粉对油菜株高的影响

不同腐殖酸粉添加量对油菜株高的影响如图1所示。由图1看出，腐殖酸可以影响油菜株高生长状况。添加不同量腐殖酸粉处理组(T1～T6)油菜的株高与对照组(T0)相比分别增加了2.62%、14.04%、16.26%、18.56%、22.19%和19.82%，T2、T3、T4、T5、T6组油菜株高与T0组皆达显著差异水平(P<0.05)，T0组和T1组未达到显著差异水平。当处理浓度达到20 g·kg-1(T5)时，油菜高度最高；然而，当处理浓度达到24 g·kg-1(T6)时会抑制油菜生长。这说明腐殖酸浓度为20 g·kg-1时，效果较好，超过20 g·kg-1会对油菜生长产生胁迫作用。

注：不同小写字母表示数据差异显著(P<0.05)图1 不同处理对油菜株高的影响

2.1.2 腐殖酸粉对油菜地上部分生物量的影响

不同腐殖酸粉添加量对油菜地上部分生物量的影响如表1所示。由表1可以看出，施用腐殖酸粉可增加油菜茎叶、荚壳、籽粒的干重。不同腐殖酸粉添加量处理的油菜地上部分生物量比对照均有增加，且各处理组与T0相比均有显著差异(P<0.05)。T0未施用腐殖酸粉处理的油菜地上部分生物量最低，T4处理油菜荚壳干重最大，是T0处理的1.48倍，T5处理油菜茎叶、籽粒的干重最大，分别是T0处理的1.6倍和1.59倍，但浓度到达24 g·kg-1(T6)时，油菜地上部分生物量会相对降低。这表明，施用适量浓度的腐殖酸粉可以促进油菜地上生物量增加，施用腐殖酸粉浓度20 g·kg-1(T5)时油菜地上部分生物量增产效果最为明显。

表1 不同处理对油菜地上部分生物量的影响

2.2 腐殖酸粉对油菜各个部位砷含量的影响

施用腐殖酸粉对油菜各部位砷含量的影响如图2所示。由图2所显示，添加了腐殖酸粉处理后的油菜植株不同部位中的砷均有不同程度的减少。对于油菜根部，T1～T6不同处理中重金属砷的含量分别为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，较T0处理依次降低了12.45%、17.27%、33.5%、59%、59.68%和23.36%，且与T0处理之间存在显著差异(P<0.05)。油菜茎叶部分添加腐殖酸处理的重金属砷含量分别为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，与T0处理之间存在显著差异(P<0.05)，下降了9.71%、12.23%、14.99%、23.14%、17.03%和15.11%。T1～T6处理油菜荚壳部分重金属砷含量分别为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，分别下降4.94%、17.41%、22.34%、14.02%、35.58%、33.25%，除T1外，其余处理都与T0存在显著差异(P<0.05)。油菜籽粒部分重金属含量分别为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，分别下降10.91%、10.91%、24.24%、46.06%、33.33%以及34.69%，且T3、T4、T5、T6与T0处理效果存在显著差异(P<0.05)。结果表明，施用16～20 g·kg-1的腐殖酸能有效降低油菜内砷的含量。

注：不同小写字母表示数据差异显著(P<0.05)图2 不同处理对油菜各个部位砷含量的影响

2.3 腐殖酸粉对土壤pH及有效态砷含量的影响

不同处理对土壤pH及有效态砷含量的影响如表2所示。由表2可知，施用腐殖酸粉能有降低土壤pH，且随腐殖酸粉施用量的增加，土壤pH下降效果明显，但除T4、T5、T6处理外，其余均未达显著水平，整体效果并不显著；T1～T6处理中有效态砷含量较T0处理均有所减少，分别减少了3.07%～21.54%，且除T3外其他处理较T0处理有显著差异(P<0.05)。土壤砷的有效态含量在T5处理时最少(0.51 mg·kg-1)，当腐殖酸施用量继续增加时，有效砷砷含量有所增加。

表2 不同处理对pH及有效态砷含量的影响

2.4 油菜各部位砷含量与土壤有效态砷间相关性分析

油菜各部位砷含量与土壤有效态砷含量如表3所示。油菜不同部位砷含量与土壤有效态砷含量呈正相关关系，根部与茎叶表现为显著相关，根部与荚壳以及油菜籽粒成极显著相关，油菜茎叶和籽粒中砷也表现出极显著相关关系。添加腐殖酸粉对除荚壳以外油菜其余部分并无显著相关，表明施用腐殖酸减少根部、茎叶、荚壳以及籽粒中的砷浓度可能并不是因为降低了土壤有效态砷含量，而是降低了砷元素的移动性，减少了油菜对砷的吸收[13]。

表3 土壤有效态砷含量与油菜各部位砷含量的相关性

3 讨 论

添加适宜浓度的腐殖酸粉能够提高油菜的生长发育能力，增加油菜地上部分生物量。这是因为腐殖酸中的多种活性基团能够促进油菜的根际发育，增强油菜根系活力，增强对养分的吸收，增加油菜的产量[17-19]。但是，当腐殖酸粉浓度大于20 g·kg-1后，油菜的地上部分生物量以及株高会受到抑制。这可能是因为施加过量的腐殖酸粉可能会降低土壤酶的活性，阻碍土壤与植株的物质与能量交换，导致油菜产量降低[20-22]。

砷在油菜不同部位的含量大小分布规律为根系>茎>果壳>籽粒，差异性明显；施用腐殖酸粉可以减少油菜对砷的吸附，施用16～20 g·kg-1腐殖酸粉减少油菜根部、茎叶、荚壳以及籽粒中的砷含量效果尤为明显；从食用角度考虑，满足《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)的要求(≤0.5 mg·kg-1)。腐殖酸粉钝化效果较好，因为腐殖酸分子结构上的配位氢键能有效螯合土壤中重金属[23]。

由于腐殖酸粉的施用，土壤pH有一定降低趋势。因为腐殖酸自身就呈现酸性，有助于调节土壤酸碱度，同时腐殖酸粉也增强了土壤中细菌的活力[24]。细菌在维持自身生长发育时需要持续向土壤中排放二氧化碳，形成某些有机酸类物质[25]，导致土壤中pH的降低。但T0到T4并未达到显著水平，再加上腐殖酸粉对除荚壳外油菜其余部分无显著相关，这可能是添加腐殖酸粉能够降低土壤中砷的移动性，弱化了油菜吸收砷的能力[11]。可见，添加腐殖酸粉能够有效增加油菜的产量，降低油菜中各个部位砷含量。

4 结 语

(1)腐殖酸粉能有效增加油菜产量，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，促进油菜生长发育。

(2)腐殖酸粉能够有效减少土壤中砷元素向油菜各个部位迁移，从而降低油菜中砷元素的积累。施用20 g·kg-1腐殖酸粉时，油菜根部砷含量降低59.68%；施用16 g·kg-1腐殖酸粉时茎叶部分砷元素含量降低23.14%；施用20 g·kg-1腐殖酸粉时荚壳部分砷含量降低35.58%；施用16 g·kg-1腐殖酸时籽粒部分砷含量最大降低率为46.06%。因此，加入16～20 g·kg-1腐殖酸粉效果最为明显。