酸铝与铅复合污染对大豆幼苗生长的影响

裴新梅，许中坚

(湖南科技大学 化学化工学院，湖南 湘潭 411201)

酸铝与铅复合污染对大豆幼苗生长的影响

裴新梅，许中坚*

(湖南科技大学 化学化工学院，湖南 湘潭 411201)

通过盆栽试验研究了酸铝和铅的复合污染对大豆幼苗生长的影响及其交互作用.结果表明，不同酸和铅处理对大豆种子萌发和长势产生明显影响；酸铝和铅均使大豆须根减少，须根变得粗而短，颜色变深.酸铝与铅对大豆幼苗生长的影响具有复杂交互作用，交互作用在不同的水平组合及不同植物器官上具有不同的特点.影响株高因素的主次顺序为：酸>铅>酸×铅，影响根长因素的主次顺序为：酸>铅≈酸×铅.随着酸化程度的提高，交换性铝的含量显著提高，吸附态羟基铝整体呈下降趋势.当酸化程度相同时，交换态铝随外源铅的增多而减小，吸附态羟基铝呈上升之势.外源铅进入土壤后，主要以活性较高的水溶态、可交换态、碳酸盐结合态和Fe-Mn 氧化物结合态存在.酸铝和铅的交互作用可能与铅的加入影响土壤铝的形态有关.图8,表3,参15.

红壤；铝毒；铅污染；大豆；交互作用

土壤酸化而导致的酸害铝毒(简称酸铝)被认为是许多地区农作物和牧草生产的重要限制因子[1].土壤酸化问题可以与土俱来，即其根源来自内源性铝，是在热带、亚热带湿热气候条件下土壤高度风化和强烈淋溶的结果；而不当的耕作措施和酸雨等的影响则加速了环境的酸化[2-3].事实上，在我国南方酸性红壤地区同时因采矿、污灌及施肥用药等造成的土壤环境重金属污染问题[4]，也就是说在我国南方酸性红壤地区普遍存在酸害铝毒和重金属复合污染问题.

到目前为止，人们对酸铝[5-7]和重金属[8]的植物效应及机理进行了大量的探索，获得了许多研究成果，但是有关这方面的工作多偏向于单一污染研究.事实上，环境中单一污染的情况比较少，而多种污染物(或因素)共存于同一环境而形成的复合污染却普遍存在，研究复合污染或多污染因素的联合作用对污染控制更具有实际意义[9].然而，到目前为止，对土壤环境系统中内源性酸害铝毒与外源性重金属污染的复合作用关系还了解甚少.为此，该文以大豆作为受试作物，考察红壤中酸害铝毒和重金属铅对植物生长的复合作用，为全面研究内源性酸铝和外源性重金属的复合环境行为以及污染控制提供基础资料和依据.

1 材料与方法

1.1 供试土壤及种子

实验供试土壤取自湖南科技大学新校区内的小山坡红壤，曾经为菜园用地，已闲置4～5 a.采样深度0～40 cm，土样取回后于通风良好的室内铺在牛皮纸上，自然风干，过3 mm的筛，待用.其基本理化性质见表1.受试大豆种子(黄豆和黑豆)购自湘潭市种子公司，均为常规种子.

表1 供试土壤基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

1.2 盆栽试验

土壤用H2SO4溶液酸化，设3个水平，H2SO4浓度分别为0，20，40 mmol/L，按0.6 L/kg土加入，即每千克土加入0，12，24 mmol H2SO4,3个水平酸处理由低至高分别表示为Ac1、Ac2和Ac3.铅设3水平处理，每千克土加入0，100，600 mg，以Pb(NO3)2溶液形式加入,3个水平铅处理由低至高分别表示为Pb1、Pb2和Pb3.试验采用2因素3水平全面设计方案，土壤酸化及铅处理如表2所示.

表2 土壤酸化及铅处理设计Tab.2 Soil acidification and lead processing design

首先，将土壤于室内在PVC材质盆内酸化15 d，自然风干，过3 mm筛，然后以Pb(NO3)2溶液形式加入铅，充分拌匀后将土样装于直径13 cm，高15 cm的塑料盆，每个处理3个重复.室内陈化7 d后，播种.出苗1～2 d后，每盆4株.6 d后收获，测定地上部分株高和主根长.

1.3 测定方法

1)土壤基本理化性质测定.土壤基本理化性质采用常规方法测定[10].其中，土壤pH值用电位法测定(土液比为1∶2.5，水为无CO2的去离子水，KCl的浓度为1 mol/L)；交换性酸用氯化钾交换—中和滴定法测定；土壤阳离子交换量(CEC)用交换性阳

离子(交换性盐基离子+交换性酸)加和法测定，其中交换性盐基离子用中性1 mol/L的乙酸铵浸提-中和滴定法测定；土壤有机质(SOM)用低温外热重铬酸钾氧化-比色法测定；粘粒(Clay)用简易比重计法测定；土壤铅采用HCl-HNO3-HClO4消解，原子吸收分光光度法测定.

2)铝和铅形态测定.本实验只测定高活性的交换态铝和一定活性的吸附态羟基铝，提取方法按邵宗臣等提出的改进方法[11]，提取的不同形态铝采用铝试剂分光光度法测定.

重金属形态采用1993年欧共体物质标准局提出的BCR逐级提取法[12].提取的铅采用原子吸收分光光度法测定.

2 结果与分析

2.1 土壤酸化情况

基于酸雨对土壤酸化作用的认识，本实验通过向受试土壤中添加H2SO4来获得内源性铝毒.图1是添加不同水平H2SO4酸化15 d后土壤pH和交换性酸的变化情况.从图1可以看出，加入12和24 mmol/kg的H2SO4，土壤pH值由原土的pH5.17分别下降到pH4.15和pH3.36，由酸性土壤变到极强酸性土壤.土壤pH值主要反映土壤的活性酸度，酸化不仅表现为土壤pH值的降低，同时更重要的是导致土壤潜性酸度的提高.在交换性酸中，无论是交换性氢还是交换性铝，都随酸加入量的增加而显著提高，交换性量分别提高了1.99倍和4.48倍.酸化到pH4.15时，交换性铝在交换性总酸中所占的比率变化不大，但酸化到pH3.36时，交换性铝所占交换性酸的比率明显增大.

通常条件下，土壤铝主要以铝硅酸盐矿物和氧化物等形态存在于土壤固相部分.当土壤发生酸化时，铝会从固相释放进入土壤溶液或以交换性铝吸附于土壤表面的阳离子交换位上，使土壤铝的活性增加.

图1 土壤酸化后pH值和交换性酸的变化情况Fig.1 Change of pH value and exchangeable acid after soil acidification

2.2 酸铝与铅复合作用对大豆幼苗生长的影响

1)大豆幼苗生长情况.盆栽试验过程中，不同处理对大豆种子萌发和长势产生明显影响，这种影响在不同污染水平组合、不同品种之间具有不同特点.图2是不同处理黄豆发育长势情况，图3是大豆株高和根长变化情况，图4是根系发育情况.从图2～图4可以看出，在试验考察的污染水平范围内，无论是酸铝还是铅，均对大豆的生长发育产生明显影响，且酸铝对大豆生长发育的影响比铅更严重.

当铅污染水平相同时(铅处理相同的共有3组：CT-1，CT-4，CT-7为一组；CT-2，CT-5，CT-8为一组；CT-3，CT-6，CT-9为一组)，无论是株高还是根长，都随土壤酸化的加重而明显减小，且这种抑制存在品种之间的差异，在黄豆上表现得更为突出.如添加24 mmol/kg H2SO4导致的酸铝(CT-7，CT-8，CT-9)，黄豆萌发几乎完全抑制(图2)，而黑豆萌发虽受严重抑制，但还能出土缓慢生长(图4-黑豆).当土壤酸化水平相同时(酸处理相同的共有3组：CT-1，CT-2，CT-3为一组；CT-4，CT-5，CT-6为一组；CT-7，CT-8，CT-9为一组)，整体上看，随着铅污染的加重，株高和根长抑制越严重；但在未加酸的土壤上，轻度铅污染(外加铅100 mg/kg)时，黑豆株高和黄豆根长，较之对照反而增大，这说明适度的铅在一定的条件下可以促进大豆生长.

图2 黄豆盆栽照片Fig.2 Soybean pot photos

图3 不同处理大豆株高和根长变化情况Fig.3 Soybean plant height and root length changesafter different processing

图4 不同处理大豆根系发育情况Fig.4 Soybean root system development situations after different processing

从图3可以明显看出，无论是黄豆还是黑豆，12 mmol/kg酸处理(CT-4，CT-5，CT-6)的株高和根长都大于处理CT-3，此条件下酸铝能减缓高浓度铅污染对大豆生长的影响.这直观说明酸铝和铅污染对大豆生长的影响之间存在交互作用.但两者之间的交互作用的性质比较复杂，显然与不同浓度水平之间的组合有关，也存在品种基因差异.

酸铝和铅对大豆幼苗生长的影响还明显表现在对根系影响上，如图4所示，与对照相比，酸铝和铅均使大豆须根减少，且须根变得粗而短，颜色变深.

2)酸铝和铅污染对大豆幼苗生长影响的交互作用.表2是试验因素极差计算结果.从表3各因素的极差可以看出，除了酸铝和铅两因素的影响之外，还存在较大的交互作用.影响株高因素的主次顺序表现为：酸>铅>酸×铅，影响根长因素的主次顺序表现为：酸>铅≈酸×铅.说明在试验所涉浓度范围内，主要因素是酸铝，其次是铅，而酸与铅交互作用的影响近似于铅.这种影响次序在黄豆和黑豆上表现一致；相对而言，交互作用对根长的影响比对株高的影响更重要些.

表3 试验结果分析Tab.3 Test results analysis

图5和图6分别是酸铝与铅对黄豆和黑豆生长影响的交互作用.从图5和图6可以看出，交互作用的类型(正交互作用、负交互作用、无交互作用)呈现出比较复杂的情形.在Ac1→Ac2范围内，Pb1→Pb2，具有抑制株高(根长)的正交互作用；Pb2→Pb3，首先具有抑制株高(根长)的负交互作用，然后具有抑制株高(根长)的正交互作用.在Ac2→Ac3范围内(图6)，Pb1→Pb2，具有抑制株高(根长)的负交互作用；而Pb2→Pb3，则表现为无明显交互作用.

图5 酸铝与铅对黄豆生长影响的交互作用Fig.5 Interactions influence of acid aluminum and lead on growth of soybean

图6 酸铝与铅对黑豆生长影响的交互作用Fig.6 Interactions influence of acid aluminum and lead on growth of black beans

2.3 铝和铅形态分布

实验考察了高活性的交换态铝(ExAl)和一定活性的吸附态羟基铝(HyAl)，经不同处理后这2种铝形态变化如图7所示.随着酸化程度的提高：(CT-1，CT-2，CT-3)→(CT-4，CT-5，CT-6)→(CT-7，CT-8，CT-9)，交换性铝的含量显著提高，而吸附态羟基铝整体呈下降趋势，但期间有波动.当酸化程度相同时，交换态铝随加入铅的增多而减小，而吸附态羟基铝却呈上升之势.这可能是由于交换性羟基铝离子参与了PbSO4等的共沉淀的结果.

图7 不同处理铝的形态变化Fig.7 Aluminum form changes after different processing

图8是不同处理土壤铅的形态变化情况.未加铅处理时，铅以B4(残渣态)占绝对优势(CT-1，CT-4，CT-7)，而B1(水溶态、可交换态、碳酸盐结合态)、B2(Fe-Mn 氧化物结合态)和B3(有机物及硫化物结合态)含量低或极低.当添加不同水平的铅处理后，B1态和B2态含量显著增加，而B3态和B4态无甚变化.说明外源铅进入土壤后，在一定的时间内，主要以活性较高的水溶态、可交换态、碳酸盐结合态和Fe-Mn 氧化物结合态存在.

图8 不同处理铅的形态变化Fig.8 Lead form changes after different processing

3 讨 论

酸铝对植物毒害作用最初和最明显的特征是抑制植物根尖伸长，进而妨碍植物对营养物质的吸收并抑制植株的生长[5].由图2～图4，本实验现象也说明了这一点.土壤溶液中，铝以多种离子状态存在，如Al3+，Al(OH)2+，Al(OH)2+，Al13[AlO4Al12(OH)24(H2O)127+]等.铝离子存在状态与土壤溶液pH密切相关，溶液pH<5.0时，铝离子以Al(H2O)63+形式存在(习惯上称为Al3+)，是主要的植物铝毒害离子.在pH4.5以下，Al3+随pH的降低显著增加，即酸化导致土壤的大量有毒活性铝的溶出.土壤固相铝以不同形态存在，可以区分为交换态铝、吸附态羟基铝、有机络合态铝、氧化铁结合态铝、层间铝和非晶态铝[11].其中交换态铝(土壤粘粒表面以静电引力吸附又能被中性盐提取的铝)是对植物有害的一种铝形态.土壤酸碱性对土壤铝形态尤其是交换态铝有重要影响，土壤交换态铝与土壤pH呈负相关.图1说明，由于酸化，土壤pH下降，从而大大提高了土壤交换态铝的含量(图7).交换态铝在土壤溶液中极易转化可溶性的有害的Al3+离子.结果，对大豆幼苗的生长产生严重毒害作用，且这种影响随着酸化程度的提高而加重，甚至可以完全使生长停止(图2).

铅虽非植物必须元素，但有低浓度铅可以促进植物的生长，而高浓度的铅却严重影响植物种子的萌发、光合作用、水分代谢、矿质元素的吸收和酶功能，进而妨碍植株生长发育.土壤中重金属铅以各种形态存在，根据BCR逐级提取的各种形态的环境意义，重金属的4种形态的生物有效性由强到弱排列顺序为：B1>B2>B3>B4[13].由图7可以看出，外源污染物铅进入土壤环境后，铅主要以活性较高的水溶态、可交换态、碳酸盐结合态和Fe-Mn 氧化物结合态存在.这就是为什么当土壤酸化水平相同时，随着铅污染的加重，株高和根长抑制越严重.

影响元素之间交互作用的因素有土壤性质、植物吸收、陪伴离子和环境条件等[14].土壤性质的影响主要是通过影响元素的形态分布来达到的.酸铝和铅交互作用可能首先是由于铅的加入影响土壤铝的形态，如图7所示.铅进入土壤后，多被吸附或沉淀，而羟基铝离子可通过共沉淀暂时失活，从而减缓了对大豆生长的危害.其次，可能是由于Al3+和Pb2+竞争细胞表面负电荷结合位点所至.植物细胞壁在质外体空间提供大量负电荷表面[15]，因此，铝和铅会竞争细胞壁负电荷结合位点，而Al3+比Pb2+更容易与其结合，因此二者之间的竞争将影响大豆对铅的吸收运输，从而减轻了高铅对大豆生长的抑制程度.表4说明，对大豆生长的影响，酸铝和铅之间存在交互作用，而图5和图6说明，这种交互作用的类型不是单一的，在不同的污染水平组合及不同植物器官上具有不同的特点，要弄清这种交互作用的机理，还有待于进一步研究.

4 结 论

1)酸铝和铅对大豆种子萌发和长势产生明显影响，这种影响在不同污染水平组合、不同品种之间具有不同特点.酸铝和铅均使大豆须根减少，且须根变得粗而短，颜色变深.

2)酸铝和铅对大豆幼苗生长的影响存在较大的交互作用.影响株高因素的主次顺序为：酸>铅>酸×铅，影响根长因素的主次顺序为：酸>铅≈酸×铅.

3)酸铝与铅的交互作用呈现出比较复杂的情形，在不同的污染水平组合上以及不同植物器官上具有不同的特点.交互作用可能与外源铅的加入影响土壤铝的形态有关.

4)随着土壤酸化程度的提高，交换性铝的含量显著提高，而吸附态羟基铝整体呈下降趋势.当酸化程度相同时，交换态铝随外源铅的增多而减小，而吸附态羟基铝却呈上升之势.

5)外源铅进入土壤后，主要以活性较高的水溶态、可交换态、碳酸盐结合态和Fe-Mn 氧化物结合态存在.

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Biography：PEI Xin-mei,female,born in 1985,M.S.,Engaged in environmental pollution and remediation.

Effect of acid aluminum and lead compound pollution on growth of soybean seeding

PEI Xin-mei，XU Zhong-jian

(School of Chemistry and Chemical Engineering,Huan University of Science & Technology,Xiangtan 411201,China)

The effect of acid aluminum together with lead on the growth of soybean seeding was investigated by a pot experiment.The results show that the both of acid aluminum and lead obviously affect soybean germination and growth,reduce soybean fibrous roots,and make roots become thick short and dark.There is complex interaction in the effect of acid aluminum and lead on the growth of soybean,and the characteristic of the interaction depends on pollution level combination,soybean types and apparatus.The order of factors influencing the plant height is:acid>lead>acid × lead;The order of factors influencing the root length is:acid>lead≈acid×lead.With the severity of acidification degree，exchangeable aluminum content increases significantly,while the hydroxy aluminum is on the decline but not along;When the degree of acidification phase is at the same time,the exchange aluminum content decreases with the increase of lead,while the hydroxy aluminum content rises.Lead is at the state of water solubility,exchangeable state,car-bonate state,Fe-Mn oxide combination state.The interaction of acid aluminum and lead is probably related to that lead affects the existing form of aluminum.8figs.,3tabs.,15refs.

red soil;aluminum toxicity;lead pollution;soybean;interaction

2015-09-06

国家自然科学基金资助项目(编号：20577008)；湖南省自然科学基金资助项目(编号：05JJ30017)

裴新梅(1985-)，女，安徽淮北人，硕士，研究方向：生态环境污染与修复.*通讯作者，E-mail:xu67zj@126.com

2095-7300(2015)04-014-08

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