土壤中砷的植物有效性研究进展
湖南农业科学2011.(3):52~56Hunan
A鲥cultural
Sciences
土壤中砷的植物有效性研究进展
林志灵1,张杨珠1,曾希柏2,李莲芳2
(1.湖南农业大学资源环境学院,湖南长沙410128;
2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京100081)
摘
要:土壤中砷的植物有效性研究是开展污染诊断、评估环境健康风险及开展砷污染土壤修复的重要依据。土壤中砷的危害
一方面与其在土壤中的含最、有效性和结合形态有关,另一方面与植物对砷的富集能力有关。土壤中砷对植物的有效性主要与有效态砷的含最相关。土壤有效态砷的数昔是土壤中砷污染状况的真实反映;富集系数是植物中砷含域与土壤中砷含量的比值,它可大致反映植物在相同土壤砷浓度条件下对砷的吸收能力。高砷风险区宜选种对砷富集能力较差的作物品种。
关键词:有效砷;土壤;植物有效性;富集系数中图分类号:S153.6
文献标识码:A
文章编号:1006-060X(2011)03—0052-05
StudyAdvancesinPhyto—availabilityofArsenicinSoil
LINZhi—lin91,ZHANGYang—zhul,ZENGXi-bai2,LILian-fan92(1.CollegeofResourcesandEnvironment,HNAU。Changsha410128,PRC:
2.Institute
ofEnvironinent
on
andSustainableDevelopmentinAgriculture,CAAS,Beijing100081,PR0
Abstract:Thestudyphyto-availabilityofarsenicinsoil
is
a
foundationforpollutiondiagnosis,riskassessmentof
environmentalhealthandtheremediationofarsenic—contaminated
soil.Thearsenicdamage
to
not
only
relatestothe
concentration,theavailabilityandthecombinationformsofarsenicinsoil,butalsorelateofplant
to
thebioaccumulationability
arsenic.Arsenicphyto-availabilitymainlyrelates
to
availablearsenicconcentrationinsoil,andtheavailable
arsenicconcentrationinsoildirectlyreflectsarseniccontaminationstatusofsoil.Theaccumulationindexistheratioofarsenicconcentrationinplant
to
arsenicconcentrationin
soil,whichgenerallyreflectstheadsorptioncapacityofdifferent
plants
toto
arsenicatthe:samearsenicconcentration
condition.Plantswithloweraccumulationcapacityofarsenicare
suitable
plantinhigh—arsenicriskarea.
Keywords:availablearsenic;soil;phyto-availability;accumulationindex
砷是一种具有较强毒性的类金属元素,也是常说的重金属之一。砷作为环境中的污染物之一,对
物一般含砷量较高甚至超标,过量的砷会阻滞植物的正常生长发育或使砷在其可食部分累积,进而通
生态环境及人体健康有显著的影响。采矿、冶炼、污
灌、施肥、使用杀虫剂和木材防腐剂等人类活动,均会引起土壤中砷含量的增加川。近些年来,土壤、水体等环境的砷污染已成为国内外非常突出且亟待
过食物链对人类产生危害191。由于土壤本身的复杂
性,砷在不同土壤中的存在状态也有所差异,但土壤中砷对植物的有效性主要与有效态砷的含量相关,因此,在评定土壤受砷污染的状况时,应主要考虑土壤有效态砷的数量110I。
由于土壤中的砷不易清除,通过研究土壤砷与植物吸收砷的关系,一方面可以优选植物品种从而有效降低砷的危害,另一方面可为进一步完善土壤环境质量标准提供科学依据。
解决的环境问题刚。中国是受砷污染最为严重的国
家之一,存在砷的工业型污染、燃煤型污染和饮水型污染[5-61。
准确评价和识别污染物的污染状况及环境风险,是土壤环境保护与污染土壤修复的基础和前提m。砷对环境的影响程度受土壤类型、砷形态、植物种类等诸多因素的制约I剐,在砷污染区生长的植
1土壤中的砷
1.1砷在土壤中的存在形态及毒性
在土壤中,砷的存在形态不仅决定其在土壤中
投稿日期:2010--07—21
基金项目:陶家“十一五”科技支撑计划(2008BADA7802)作者简介:林志灵(1986一).女,山东新泰市人,在读博士。研
究方向为{:壤化学与污染环境治理。
的移动性和生物有效性,也是反映其生物毒性的重要指标,其研究有助于正确评价土壤中砷的有效性及其环境风险”卜131。
Pongratzllll和Sadiqtl41等研究表明,土壤中的砷
通讯作者:张杨珠
万方数据
第3期林志灵等:t壤tp砷的植物有效性研究进展53
元素大多以无机形态存在,主要以带负电荷的砷氧
阴离子(HAs04},H2As04一,H2As03一,HAs032一)的形式
存在,化合价分别为+3[As(III)]和+5价lAs(V)】。有
机态砷占土壤总砷的比率极低,主要以一甲基砷(MMA)和二甲基砷酸(DMA)等形态存在陋用。无机砷的毒性大于有机砷,且所有形态中As(III)的毒性最大,其他几种砷的毒性约相当于As(III)的l%;而有机砷囚其在土壤中的含量很低,在砷污染治理的实践中常被忽略¨8-201。
砷进入土壤后,一部分留在土壤溶液中,一部
分吸附在土壤胶体上,大部分转化为复杂的难溶性
砷化物。因此,砷在土壤中的结合形态可分3类:(1)溶解在土壤溶液中的砷(水溶态砷):水溶态砷在土壤中含量常低于1mg/kg。谢正苗121I通过对14种不同土壤水溶态砷含量及其与土壤性质的关系
研究发现,水溶态砷占土壤总砷的比例在0.47%~
7.39%,平均为2.0%。(2)吸附在土壤粘粒和其他金属难溶盐表面的砷(交换态砷):这种交换态砷可释放出来,它与水溶性砷两者的总和称为可给态砷,
可供植物吸收。(3)形成难溶性的砷酸盐(难溶态砷):Williams等将土壤中难溶态砷化物的形态分
为4种:铝型砷(Al—As)、铁型砷(Fe—As)、钙型砷(Ca—As)和闭蓄型砷(0一As)。铝型砷、铁型砷、钙型砷可利用适当的提取液提取,而闭蓄型砷难以用提取液提取,被闭蓄在矿物品格中,这部分砷占土壤
总砷的比例较高;且酸性土壤中以Fe—As占优势,碱性土壤则以Ca—As占优势l筮瑚。
土壤对砷有强烈的固定作用,砷在土壤中的移动性较差,通常集中在表土层10cm左右,土壤中
粘土矿物类型及阳离子组成对砷的吸附有较大的影响,砷被土壤吸附主要是以阴离子的形式与土壤
中带正电荷的质点相互作用。但不同理化性质的土
壤对砷的固定能力不同,中困科学院南京土壤研究
所l驯对我国不同土壤进行测定,其吸附量的顺序
为:红壤>砖红壤>黄棕壤>黑钙土>碱土>黄土。
1.2土壤有效砷含量的影响因素及其测定方法的选择
水溶态As和交换态As是土壤中可溶性砷或
吸附在土壤颗粒表面的砷,两者合称有效砷。有效
砷在土壤中占总砷量的比例一般小于3%f硼。研究
表明,土壤中有效态砷的含量与土壤砷全量之间没有显著的相关性,而受土壤pH、Eh、Fe、Al含量和
根际环境等的影响陬刎。由于砷主要以阴离子的
形态存在,在较低pH范围内,H2AsOg、HAs042一等能
万方数据
被带正电荷的氢氧化铁等迅速吸附。随着pH的增加,吸附剂表面负电荷增高,促使含砷阴离子向溶
液中解吸。土壤溶液中As(III)和As(V)增多,土壤对砷的吸附能力减弱l批捌。在Eh较低的条件下,As(V)可被还原成As(IlI),但随着高价铁还原为亚铁,含铁氧氧化物的溶解度随之增加,从而导致原来被吸附的砷释放出来.溶解性砷的浓度增加四’3“。
由此可见,升高pH或降低Eh都可能使有效砷的
浓度增加㈣。
测定土壤有效砷含量对判断土壤砷的生物有效性和土壤砷环境风险评价具有十分萤要的意义。土壤污染元素有效量测定的关键在于浸提剂的选择和浸提条件的确定圈。有关土壤有效砷提取方法的研究较少。Woolson等I珥认为,在pH<6.5的土壤上,用0.05mol/L的HCl作为浸提荆较好。而在pH较高的土壤上则以0.5mol/L的NaHCO,为佳。涂从等133l在比较了0.5mol/L的NaHC03(pH值8.5),1.0mol/L的NH。C1和0.1mol/L的HCI对紫色土和黄壤有效砷的提取效果后,认为3种提取剂都可以作为土壤有效砷的浸提剂,但以0.5mol/L的NaHCO,
(pH值8.5)为最佳。肖玲等1341的研究认为0.5
mol/L
的NaHCO,(pH值8.5)作为石灰性土壤有效砷的提取剂比较合适。Peryeal3sl的研究表明,苹果叶片和果
实中砷含量与0.5mol/L的NaHCO,或TCLP提取的
砷有较好的相关性。黄瑞卿等132研究表明0.5
mol/L
的NaH:PO。作为福建省酸性水稻土和酸性菜地有
效砷的浸提剂最佳。
2土壤砷与植物
砷不是植物的必需元素,但植物在其生长过程中从外界环境主动或被动吸收砷136J。研究表明例:土
壤中微鼍砷可刺激植物的生长发育,有利于植物正常生长。但土壤中过量的砷会危害植物的生长发
育,且最终通过食物链危及人类健康。
2.1植物吸收砷与土壤砷全量、有效砷含量之间的关系
一般而言,水溶态砷、交换态砷等松散结合的
砷其有效性较高,易被植物吸收,因而危害性较大;Fe—As、闭蓄型砷不易被生物吸收和进入水体,其危
害性相对较低㈣;Sadiqt’4J研究发现,植物对土壤中各形态砷的吸收能力为:水溶性砷>业砷酸钙一亚砷酸铝>亚砷酸铁。
目前有关砷在土壤—植物系统中的迁移和累
积的研究已有很多报道。Klockd珊究了土壤砷对
湖南农业科学
第3期
植物和植物可食部分积累砷的关系认为,土壤砷浓度小于20mg/kg才能保证植物和植物可食部分砷含量不超过人体最大允许日摄取量(ADIo若以中国国家标准中食品砷含量小于0.7mg,kg为限,不同类型和质地中,砷对作物的毒害临界值不同,砂壤水稻土中砷对水稻的毒害临界值为22.3mg/l【gI蚓,灰钙土中砷对小麦毒害的临界值为25.7mg/kgt291,砖红壤对花生的砷安全临界值为28.6mg/kg【捌,酸性
轻粘水稻土中对水稻毒害的临界值为30
mg/k∥。
张毅f4lJ研究结果表明,在我国华南赤红壤、红壤地区,水稻、花生等的吸砷量与土壤含砷量存在
直线性、指数性、幂指数性3种类型的相关关系。黄
丽玫等|9l测定某砷污染区土壤及其种植作物砷含量的研究发现:同种植物所在的土壤总砷含量越高,植物含砷量也越高。蔡保松等【42J对湖南郴州砷污染
区的土壤和蔬菜砷含量的研究表明:随土壤中总砷
含量的增加,蔬菜可食部分砷含量也增加,但土壤总砷浓度与土壤蔬菜砷浓度之间的相关性不显著。
陈同斌等143J人对北京市蔬菜和菜地土壤砷含量状
况调查发现:蔬菜砷含量与土壤总砷含量没有显著
相关性。这与杨志军等俐检测淮安各乡镇土壤及其
生产的蔬菜中的含砷量与其生长土壤中的砷不呈相关关系的结果一致,可能是因为土壤pH较高,土壤有效砷含量低。李伟145l、陈同斌1461、谢正苗1471、许嘉林等1291通过大量研究证明,土壤中和农作物中砷含量存在正相关性,对不同农作物,其相关性的程度不同,砷含量越高的土壤和作物,该规律越明显,个别特殊农作物在砷含量较低的土壤中可能出现负相关的情况。WoolsonEm、张国祥等俐则指出土壤中水溶性砷浓度与植物有效性的相关性极高,而与总砷的含量似无相关性。
由此可见,植物吸收砷与土壤砷总量之间的关系并不唯一,受土壤类型、砷的种类与形态的影响,植物对砷的吸收有相当大的差异。砷污染对植物的效应差异主要由有效砷含量决定,而土壤全砷含量对于衡量土壤砷的生物有效性和生物毒性意义有限。
2.2不同植物对土壤砷的吸收特征及转运规律差异
2.2.1
植物对砷的富集特点不同植物对砷的敏感性不同,因此同一砷污染区,不同植物品种对砷的富集程度差异很大。在全缘凤尾蕨、蜈蚣草等对砷有特别富集作用的植物中,砷含量异常高l舶-Sol。生长在冶炼厂附近的植物中,花椰菜叶片含砷量仅为
万方数据
5.5
rag/ks,而草本植物叶片含砷量竞高达396
mr,/
kg,两者相差70多倍1361。在北方砷含量高达100mg/kg的土壤中,小麦籽粒的含砷量仍未超过食品卫生标准;而水稻生长在砷含量为12mg/kg的土壤中,糙米的含砷量就可超过食品卫生标准。一般来说,作物耐砷能力的大小顺序为:小麦>玉米>蔬菜>大豆>水稻129,51l,其中,早稻>水稻152I。蒋彬等‘531对239份水稻品种的砷含量测定表明,不同水稻基因型中,稻米含砷量为0.08~49.14mg,I(g,变异系数为
51.8
mgCkg。对不同品种的绒毛草进行的耐砷性比
较研究表明,耐砷品种体内砷的累积量远低于敏感品种1541。夏。、Z江f8J、黄丽玫f9】、常思敏123l、李伟14.51等的研究也有类似的结果:不同作物中砷含量的分布规律
一般为根菜类>豆荚类>叶菜类>茎菜类>果实类>
籽粒类。
植物吸收As主要通过根系,其最高浓度在植物的根部和块茎部。因此,植物的不同部位砷积累能力一般为根>茎叶>籽粒、果实,呈现出自下而上渐减的规律嗍。植物吸收的砷大多富集在根、豆荚和叶中,茎和果实(特别是树上的水果)含砷较低[a,923,,ISl。2.2.2植物对砷的富集系数富集系数是植物中砷含量与土壤中砷含量的比值,它可大致反映植物在相同土壤砷浓度条件下对砷的吸收能力150l。砷富集系数越小,表明植物吸收砷的能力越差,抗土壤砷污染的能力越强。
陈同斌等|43J研究了北京市蔬菜砷含量、蔬菜砷富集系数与土壤砷含量三者之间的关系后发现:蔬菜砷含量与土壤砷含量没有显著相关性,但与砷富集系数旱极显著正相关;蔬菜砷富集系数与蔬菜砷含量旱极显著的正相关关系,而与土壤砷含量呈显
著的负相关关系。这说明生物富集系数的变化可以
很好地反映蔬菜砷浓度的变化,这与蔡保松等1421人的研究结果相似。因此,在高砷风险区种植作物时,应根据土壤砷含量状况选择对砷富集能力较差的作物品种。
2.3控制土壤砷污染的环境标准
土壤中砷的平均含量一般认为是5mg/kg或6mg/kg。不同国家土壤的含砷量不同,中国土壤砷的背景值平均为9.2
mg/lcgl纠。
许多国家和地区已经对土壤砷污染控制制定了严格的标准。有代表性的包括荷兰的住房、空间规划及环境部(Ministry
ofHousing.SpatialPlanning
and
Environment)规定土壤中砷的修复介入值为55
mg/kg;在亚洲,日本2002年颁布的《土壤污染对策
第3期林志灵等:土壤中砷的植物有效性研究进展55
法》规定,土壤中的砷含量标准为150mg/kg,浸出标准为10g/L;中国台湾的《土壤和地卜.水污染整治法》规定的砷在土壤中的管制标准值和监测基准值分别为60me/ks及30mg/kg;中国《土壤环境质
量标准》(GBl5618—1995)中规定旱地砷的一级标
准为15mg/kg。但这些评价标准仅局限于土壤砷的全量规定。
3小结与讨论
越来越多的研究表明,土壤中有效砷含量l亏砷全量之间关系不明确,全量不能很好的反映植物的受害效应,起决定作用的是土壤中的有效砷。因此,现有的评价标准对于有效砷含量高的土壤具有一
定的代表作用,但对有效砷含量低的土壤则不能反
映其实际情况。近20a来,国内外对土壤砷的有效
态进行了大量研究,大多采用化学试剂提取法,但
由于有效砷的提取剂在不同土壤类型间所得的结果没有可比性,故现在的土壤环境质量标准还没有考虑到重金属形态的影响。因此,在今后的土壤环境质量标准制订中,如以土壤有效态砷量作为危害标准更符合实际155I。
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(责任编辑:卢红玲)
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调性较差,可用性较低。他处理的烟叶较Tl在田
间长势上较均匀,且烤后烟叶组织结构相对疏松。厚度、叶质重和密度相对较小,且与CKI(不套种,常规种烟,单垄单株,株距110
cmx50
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合优质烟叶的标准,在此基础上需要进一步对平衡
施肥技术等栽培技术进行深入研究,以期在脐橙果园套种烤烟模式下能生产出优质烟叶原料,增加农民收入。
果农主要以脐橙为主要经济来源,虽然脐橙果园行间套种烤烟影响到脐橙的产量和品质,同时烟叶的品质也不及常规生产的水平。但果园套种烤烟后的经济效益,不仅能弥补由此带来的损失,而且能增加果农的当年收益。
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(责任编辑:高国赋)
万方数据
土壤中砷的植物有效性研究进展
作者:作者单位:
林志灵, 张杨珠, 曾希柏, 李莲芳, LIN Zhi-ling, ZHANG Yang-zhu, ZENG Xi-bai, LI Lian-fang
林志灵,张杨珠,LIN Zhi-ling,ZHANG Yang-zhu(湖南农业大学资源环境学院,湖南,长沙,410128) , 曾希柏,李莲芳,ZENG Xi-bai,LI Lian-fang(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京,100081)湖南农业科学
HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES2011(3)
刊名:英文刊名:年,卷(期):
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