钛在土壤中的形态分布及其对油葵生长的影响

夏焕焕，丁艳萍，谢芳芳，李 玲

(新疆大学 化学化工学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

钛在土壤中的形态分布及其对油葵生长的影响

夏焕焕，丁艳萍，谢芳芳，李 玲*

(新疆大学 化学化工学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

采用Tessier连续提取法和室内盆栽试验，研究不同外源钛(Ti)浓度对其在土壤中形态分布及油葵生长和Ti吸收量的影响。结果表明：钛在土壤中的形态分布特征为残渣态>有机质结合态>铁锰氧化物结合态>可交换态>碳酸盐结合态，且主要以残渣态存在。随着外源钛浓度增加，土壤中各形态Ti含量和油葵地下、地上部分Ti含量均增加。土壤中钛的生物活性低，生物可利用性系数和迁移系数都较小，仅有万分之几，油葵对钛的富集系数和转运系数也较小。高浓度的外源钛抑制油葵生长，当添加量为6 000 mg·kg-1时，油葵受到毒害。油葵各部分干质量与土壤中各形态Ti含量及全量均呈负相关。对油葵地下、地上部分Ti吸收量贡献最大的分别是碳酸盐结合态和有机质结合态Ti。

化学形态；生物活性；油葵；Tessier法

重金属污染现已成为全世界关注的生态环境问题。它不仅导致粮食减产，而且影响人体健康[1-2]。目前，有关土壤重金属污染的研究相对较多，然而钛由于在土壤中可溶性含量较低，通常被认为毒性较低，因此并不被重点关注。但既有研究显示，在液体培养下，当钛浓度达到4～5 mg(Ti)·kg-1时，甘蓝、西红柿和矮菜豆等植株就会表现出受毒症状[3]。一般而言，土壤中重金属元素对环境的危害随着土壤中重金属含量的增大而增大[4]。目前，我国土壤中全钛含量已经达到2.5～10 g(TiO2)·kg-1[5]，而且近年来干旱地区多有采用石化企业处理的污水灌溉周边农田的现象[6]，其中残留的重金属也会随之在土壤中富集，其活性和生物毒性也会随之增加，因此对土壤Ti污染亦须给予一定的关注。

研究发现，重金属的存在形态较其总量更能有效评价其活性、生物毒性和迁移特征[7]。重金属在土壤中的存在形态相对复杂，很多学者对形态提取法做了大量的研究[8-9]，其中有一定代表性且比较成熟的是Tessier法[10]。目前，关于钛在土壤中的化学形态分布及其对环境危害的研究相对较少。为此，本研究拟采用Tessier连续提取法分析不同浓度的外源钛进入土壤后的化学形态分布，探讨Ti在土壤中的生物活性特征，并结合室内盆栽实验，考查钛对油葵生长的影响以及油葵对钛的吸收规律，探讨钛的生物毒性和迁移特征，进而为土壤中钛的生态风险评价及其污染与防治提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验土壤

供试土壤采自新疆乌鲁木齐周边农田(0～20 cm表层土)，采用棋盘式布点法，取出的土壤均匀混合，自然风干，过40目筛，去除杂物(石块、草根等)。土壤理化性质采用常规法测定[11]。其主要理化性质为：pH值7.97，呈弱碱性，土壤有机质含量9.08 g·kg-1。土壤中钛的背景值采用H2SO4-H3PO4-HNO3消解，用紫外可见分光光度计测定其含量为3 859 mg·kg-1。

1.2 试验设计

分别称取1.0 kg风干土壤于12 cm(直径)×16.5 cm(高)的塑料花盆中，Ti以草酸钛钾溶液的形式，分别按0、500、1 500、3 000、4 500、6 000 mg·kg-1处理水平加入土壤中，每个处理3次重复。陈化3周后，每盆取出少量土壤，风干至恒定质量后，过100目筛，留存备用。同时向盆中播入油葵籽，出苗后每盆定苗长势相同的3株，放置室内正常培养，90 d后收获。

1.3 形态分析与植物处理

分别准确称取过100目筛的备用土2.0 g，按照Tessier形态连续提取法测定各形态Ti含量：加入MgCl2，pH 7.0，(25±1)℃连续振荡1 h得可交换态(EX)；加入NaOAc，pH 5.0，(25±1)℃连续振荡5 h得碳酸盐结合态(CARM)；加入NH4OH·HCl、HOAc，(96±3)℃连续振荡6 h得铁锰氧化物结合态(Fe-Mn)；加入HNO3、H2O2，pH=2，(85±2)℃下适当搅拌2 h，加入H2O2，pH=2，(85±2)℃下适当搅拌3 h，再加入NH4OAc、HNO3，室温搅拌30 min，得有机质结合态(OM)；残渣用H2SO4-H3PO4-HNO3消解，测定含量得残渣态(RF)。油葵收获时，分别测定地下、地上部分长度后用去离子水洗净，置于120 ℃杀青30 min，然后65 ℃烘干至恒定质量，测定其干质量，并采用干灰化—HNO3溶解—二安替比林甲烷比色法[12]测定其各部分Ti含量。

1.4 数据处理与分析

生物可利用性系数(K)=(可交换态Ti+碳酸盐结合态Ti)/Ti全量；

迁移系数(M)=可交换态Ti/Ti全量；

富集系数(BCF)=油葵中Ti含量/土壤中Ti含量；

转运系数1(TF1)=油葵地下部分Ti含量/土壤中Ti含量；

转运系数2(TF2)=油葵地上部分Ti含量/油葵地下部分Ti含量。

用IBM SPSS 20进行相关性分析和逐步回归分析。用Origin 9.0绘制所有图形。

2 结果与分析

2.1 钛在土壤中的形态分布特征

随着外源Ti浓度增加，土壤中各形态Ti含量均增加，其中，有机质结合态和残渣态增幅较大。由各形态Ti占全量的百分比分析得知(图1)，Ti在土壤中各形态的分布特征为残渣态>有机质结合态>铁锰氧化物结合态>可交换态>碳酸盐结合态。随着Ti投加量的增多，EX和RF所占百分比呈递减趋势，OM所占百分比呈递增趋势。CARM(0.021%～0.026%)和Fe-Mn(0.18%～0.24%)所占百分比并未表现出明显的变化规律。在各浓度处理中：未投加外源钛时EX和RF所占百分比最高，分别为0.051%和98.790%，OM所占百分比最低，为0.896%；当外源钛投加量为6 000 mg·kg-1时，OM所占百分比最高，为16.953%，而EX和RF所占百分比却最低，分别为0.036%和82.804%。可见，Ti在土壤中的主要存在形态是残渣态，这与陈岩等[13]的研究结果一致。

图1 土壤中Ti的形态分布Fig.1 Distribution of Ti forms in soil

2.2 土壤中钛的生物可利用性和迁移能力

土壤中重金属的生物活性可用生物可利用性和迁移能力来表征。金属可利用态(EX和CARM)含量越高，生物可利用性系数K越大，被生物利用的概率就越大，可作为衡量重金属对土壤毒害程度的指标[14]。迁移系数M的大小反映了重金属在土壤中的迁移能力[15]。由表1可知，随外源钛含量增多，土壤中钛的可利用态含量增多，但其生物可利用性系数和迁移系数都较小，仅有万分之几，且呈减小趋势。

2.3 钛对油葵生物性状的影响

由图2知，在Ti处理浓度为500和1 500 mg·kg-1时，油葵地下、地上部分的长度、干物质和未投加钛时差别都不大，即在低处理水平下油葵并没有表现出生长抑制或者毒害症状。当钛的投加量在3 000～6 000 mg·kg-1时，油葵地下、地上部分的干物质质量呈现下降趋势，这说明高浓度的外源钛对油葵的生长产生抑制，过高的钛含量破坏了油葵体内的生理特性，从而使油葵的生长发育受阻，导致生物量减少。当Ti投加量为6 000 mg·kg-1时，无论是干质量还是长度都明显减小，油葵地下、地上部分干物质质量比未投加外源钛时分别减少71.19%和83.52%，油葵的生长受到严重抑制。同时试验发现，在此浓度下油葵已出现黑根现象。

表1 土壤中钛的生物活性分析

Table 1 Biological activity analysis of Ti in soil

外源钛浓度ExternalconcentrationsofTi/(mg·kg-1)可利用态含量Contentofavailableform/(mg·kg-1)K/(×10-4)M/(×10-4)02.967.415.115003.356.904.5815004.156.914.2930005.316.454.2945005.646.364.0060006.085.933.55

2.4 不同浓度的外源钛对油葵吸收Ti的影响

由图3可知，油葵地下、地上部分Ti含量都随外源钛投加量的增多而增多，而且地下部分钛含量及增幅大于地上部分。有学者提出，植物对重金属的适应机制有2种：根系吸收并转移到地上部，或根系分泌特殊物促进土壤中重金属溶解和根系吸收[16]。油葵地下部分Ti含量明显高于地上部，可能是油葵在Ti的作用下改变了根系分泌物的量和成分，使得根系土壤微环境发生变化(如酸化)，进而使得Ti在土壤中溶解度增高，然后根系细胞壁中的大量交换位点固定了钛离子，从而阻止其向地上部分转移[17]。

图2 钛对油葵生长的影响Fig.2 Influence of Ti on growth of oil sunflower

图3 不同浓度的外源钛对油葵吸收钛的影响Fig.3 Influence of different external Ti contents on Ti absorption in either aboveground or underground part of oil sunflower

重金属在植物体内的富集和转移因植物种类差异而不同，并且不同部位对重金属吸收的能力也不一致，因此可以用富集系数和转运系数定量衡量Ti在土壤-油葵和油葵各部分的迁移性能。参考前人的研究结果[18]，采用BCF表示Ti在土壤-油葵间的迁移性能；TF1表示Ti在土壤-油葵地下部的迁移性能；TF2表示Ti在油葵地下部到地上部的迁移性能。油葵的BCF(0.022～0.032)<1，TF1范围为0.016～0.026，TF2范围

为0.171～0.341(表2)，可见Ti在土壤-油葵和油葵各部分的迁移能力都较小。

2.5 相关性分析

由表3可见，油葵各部分干物质质量与土壤全Ti以及各形态Ti含量均呈负相关，油葵各部分Ti含量与土壤全Ti以及各形态Ti含量均呈正相关。油葵地上部干质量、地下部Ti含量与土壤全Ti及各形态Ti含量的相关性均达显著水平(P<0.05)，然而油葵地下部长度与土壤全Ti及各形态Ti含量的相关性未达显著水平。

一般而言，重金属的可交换态(EX)是植物直接吸收的形态，与其他形态处于动态平衡，当EX被植物吸收而减少时，可能就要从其他形态来补充[19]。CARM、Fe-Mn和OM具有较强的潜在生物可利用性，一定条件下可以被植物吸收。为确切地找出哪种形态的Ti对油葵吸收的影响最大，将油葵地下、地上部分Ti吸收量与各形态Ti含量做逐步回归分析。结果显示，对油葵地下、地上部分Ti吸收量(y1、y2)贡献最大的形态分别是碳酸盐结合态(x1)和有机质结合态(x2)，拟合的回归方程分别为：y1=124.559x1-46.571(R=0.993)；y2=0.022x2+20.966(R=0.941)。

表2 油葵对钛的富集系数和转运系数

Table 2 Enrichment coefficients and transfer coefficients of oil sunflower to Ti

外源Ti浓度ExternalconcentrationsofTi/(mg·kg-1)BCFTF1TF200.0220.0160.3415000.0260.0200.30615000.0300.0250.17130000.0260.0220.18245000.0270.0220.22160000.0320.0260.239

表3 油葵各部分长度、干物质质量、Ti含量与土壤全Ti以及各形态Ti含量的相关性

Table 3 Relations among total Ti content， Ti content of different forms in soil and length， biomass， Ti content in different parts of oil sunflower

形态Form长度Length地下部Underground地上部Aboveground干质量Drybiomass地下部Underground地上部Aboveground油葵Ti含量Ticontentofoilsun-flower地下部Underground地上部AbovegroundEX0.243-0.787-0.686-0.846*0.921**0.769CARM-0.027-0.865*-0.816*-0.919**0.993**0.887*Fe-Mn0.048-0.777-0.709-0.836*0.967**0.765OM-0.184-0.950**-0.921**-0.978**0.980**0.941**RF0.159-0.844*-0.759-0.898*0.962**0.845*Ti0.071-0.881*-0.811-0.929**0.978**0.880*

*与**分别表示在0.05、0.01水平(双侧)上显著相关。

* and ** referred to significant correlation at 0.05， 0.01 level， respectively.

3 讨论

本研究显示，钛在土壤中的生物可利用性系数和迁移系数极低，仅有万分之几，据此可知钛在土壤中较稳定，生物可利用性小，迁移能力弱，土壤中钛的活性较低。根据BAC生态风险评价方法[2](EX和CARM之和占总含量的百分比，数值上等于K，本研究中计算结果<1%)得知，土壤中的钛无生态风险。这可能与钛本身性质有关。钛在土壤中各形态的分布特征为残渣态>有机质结合态>铁锰氧化物结合态>可交换态>碳酸盐结合态，且主要以残渣态存在。当钛进入土壤后多以稳定的氧化物或硅酸盐的形式存在，被结合在土壤矿物中，对土壤中Ti的生物可利用性和迁移能力贡献不大[20]。根据植物模拟实验，在钛的低浓度处理水平下油葵没有表现出生长抑制或者毒害症状，但高浓度的外源钛对油葵的生长已产生抑制。当钛的投加量在3 000～6 000 mg·kg-1时，油葵地下、地上部分的干质量呈现下降趋势。在外源钛浓度为6 000 mg·kg-1时，油葵各部分钛含量明显增加，表现出毒害症状。这与土壤中钛的生物活性低的结论有一定的相左之处，这可能是由于土壤中Ti的背景值过大。对土壤中可利用态Ti含量与全Ti含量进行相关性分析可知，其相关系数达到0.995(在0.01水平上显著相关)，随着外源钛含量的增多(譬如污水灌溉)，土壤中可利用态钛含量也相应增加，因此可被植物吸收的量也增多。但由于较大的土壤背景含量，即使可利用态Ti的含量已达到毒害水平，其计算占比也较小。所以仅根据Ti在土壤中的生物活性来评价其生态风险是不全面的，应结合植物进行具体分析。至于钛对植物的致害浓度等，由于不同植物的耐性不同，因此还有待进一步深入研究。

[1] ISLAM E U， YANG X E， HE Z L， et al. Assessing potential dietary toxicity of heavy metals in selected vegetables and food crops[J].JournalofZhejiangUniversity-ScienceB， 2007， 8(1):1-13.

[2] 宋波， 曾炜铨. 外源铅在不同类型土壤的形态转化[J]. 环境工程学报， 2016， 10(1):410-414. SONG B， ZENG W Q. Transform and stablization characteristics of external lead added in different types of soils[J].ChineseJournalofEnvironmentalEngineering， 2016， 10(1): 410-414. (in Chinese with English abstract)

[3] 徐新宇， 张玉梅. 钛的农用研究与应用的进展[J]. 农业资源与环境学报， 1994 (1): 18-22. XU X Y， ZHANG Y M. Progress of titanium research and application in agricultural production[J].JournalofAgriculturalResourcesandEnvironment， 1994 (1): 18-22. (in Chinese)

[4] SALAMA Z A， EL BAZ F K， FL FOULY M M. Changes in contents of some heavy metals in common vegetables from local markets over 13 years[J].InternationalJournalofVegetableScience， 2014， 21(5):482-490.

[5] 邢光熹，朱建国. 土壤微量元素和稀土元素化学[M]. 北京：科学出版社， 2003.

[6] 段晴枫， 李晓萍， 任丽娟， 等. 新疆某石化企业污水库周边土壤对钴的吸附行为研究[J]. 安全与环境学报， 2015(3):256-260. DUAN Q F， LI X P， REN L J， et al. Adsorption behavior features of cobalt to the surrounding soil of a petrochemical sewage pool in Xinjiang[J].JournalofSafetyandEnvironment， 2015 (3): 256-260. (in Chinese with English abstract)

[7] DABIOCH M， KITA A， ZERZUCHA P， et al. Assessment of elemental contamination in the bottom sediments from a dam reservoir using a sequential extraction technique and chemometric analysis[J].CentralEuropeanJournalofChemistry， 2013， 11(12):1981-1995.

[8] 关天霞， 何红波， 张旭东，等. 土壤中重金属元素形态分析方法及形态分布的影响因素[J]. 土壤通报， 2011， 42(2):503-512. GUAN T X， HE H B， ZHANG X D， et al. The methodology of fractionation analysis and the factors affecting the species of heavy metals in soil[J].ChineseJournalofSoilScience， 2011， 42(2):503-512. (in Chinese with English abstract)

[9] FENG M H， SHAN X Q， ZHANG S， et al. A comparison of the rhizosphere-based method with DTPA， EDTA， CaCl2， and NaNO3extraction methods for prediction of bioavailability of metals in soil to barley[J].EnvironmentalPollution， 2005， 137(2):231-240.

[10] TESSIER A， CAMPBELL P G C， BISSON M. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals[J].AnalyticalChemistry， 1979， 51(7):844-851.

[11] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京:中国农业科技出版社， 2000: 12-68.

[12] 银洪. 二安替比林甲烷比色法测定土壤中钛含量[J]. 四川林业科技， 1993， 14(1):56-60. YIN H. Determination of titanium content in soil by colorimetric method of diartipyrylmethane[J].SichuanForestryScienceandTechnology， 1993，14(1): 57-60. (in Chinese with English abstract)

[13] 陈岩， 季宏兵， 朱先芳， 等. 北京市得田沟金矿和崎峰茶金矿周边土壤重金属形态分析和潜在风险评价[J]. 农业环境科学学报， 2012， 31(11):2142-2151. CHEN Y， JI H B， ZHU X F， et al. Fraction distribution and risk assessment of heavy metals in soils around the gold mine of Detiangou-Qifengcha， Beijing City， China[J].JournalofAgro-EnvironmentScience， 2012， 31(11):2142-2151. (in Chinese with English abstract)

[14] NANNONI F， PROTANO G. Chemical and biological methods to evaluate the availability of heavy metals in soils of the Siena urban area (Italy)[J].ScienceoftheTotalEnvironment， 2016， 568:1-10.

[15] 雷鸣， 廖柏寒， 秦普丰， 等. 矿区污染土壤Pb、Cd、Cu和Zn的形态分布及其生物活性的研究[J]. 生态环境学报， 2007， 16(3):807-811. LEI M， LIAO B H， QIN P F， et al. Fraction distributions and availability of Pb， Cd， Cu， and Zn in contaminated soils around mine[J].EcologyandEnvironment， 2007， 16(3): 807-811. (in Chinese with English abstract)

[16] 方其仙， 李元， 祖艳群，等. 圆叶无心菜对Pb的吸收累积特征研究[J]. 环境科学与技术， 2012， 35(5):121-126. FANG Q X， LI Y， ZU Y Q， et al. Accumulation characteristics ofArenariarotumdifoliaBieberstein to Pb[J].EnvironmentalScience&Technology， 2012， 35(5): 121-126. (in Chinese with English abstract)

[17] 杨文弢， 王英杰， 周航， 等. 水稻不同生育期根际及非根际土壤砷形态迁移转化规律[J]. 环境科学， 2015， 36(2):694-699. YANG W T， WANG Y J， ZHOU H， et al. Transformation and mobility of arsenic in the rhizosphere and non-rhizosphere soils at different growth stages of rice[J].EnviromentalScience， 2015， 36(2): 694-699. (in Chinese with English abstract)

[18] PACHURA P， OCIEPAKUBICKA A， SKOWRONGRABOWSKA B. Assessment of the availability of heavy metals to plants based on the translocation index and the bioaccumulation factor[J].Desalination&WaterTreatment， 2016， 57(3):1-9.

[19] 王友保， 燕傲蕾， 张旭情， 等. 吊兰生长对土壤镉形态分布与含量的影响[J]. 水土保持学报， 2010， 24(6):163-166. WANG Y B， YAN A L， ZHANG X Q， et al. Effect of the growth ofChlorophytumcomosumon Cd forms and content in soil[J].JournalofSoilandWaterConservation， 2010， 24(6): 163-166. (in Chinese with English abstract)

[20] FRENTIU T， PONTA M， LEVEI E， et al. Preliminary study on heavy metals contamination of soil using solid phase speciation and the influence on groundwater in Bozanta-Baia Mare Area， Romania[J].ChemicalSpeciation&Bioavailability， 2008， 20(2): 99-109.

(责任编辑 高 峻)

Distribution of Ti forms in soils and its effect on growth of oil sunflower

XIA Huanhuan， DING Yanping， XIE Fangfang， LI Ling*

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering，XinjiangUniversity，Urumqi830046，China)

The effects of different external concentrations of Ti on the distribution of Ti forms in soil and the oil sunflower growth as well as Ti uptake by oil sunflower were studied by using Tessier sequential extraction and pot culture experiments. The results showed that the distribution of Ti forms in soil decreased as residual>organic fraction>Fe-Mn oxide>exchangeable>carbonate fractions， and was mainly existed in residual state. With the increasing concentration of external Ti， there was a tendency of incrase in the contents of various Ti forms in soil and Ti content in each part of oil sunflower. The biological activity of Ti in soil was low， and biological availability coefficients and transfer coefficients were small. The enrichment factor and migration factor of Ti in oil sunflower were also small. High concentrations of external Ti inhibited the growth of oil sunflower. Oil sunflower had been poisoned with addition of 6 000 mg·kg-1Ti. Dry mass of oil sunflower was negatively correlated with the contents of all forms of Ti and total Ti in soil. Carbonate-bound form played an important role in Ti contents of underground part of oil sunflower， and organic fraction contributed the most to the absorption of Ti by aboveground part of oil sunflower.

chemical forms; biological activity; oil sunflower; Tessier method

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.03.18

2016-11-04

国家自然科学基金(21467029)

夏焕焕(1990—)，女，河南驻马店人，硕士研究生，主要从事重金属生物有效性研究。E-mail: 1106935490@qq.com

*通信作者，李玲，E-mail: llnwzd2@163.com

S153；S565.5

A

1004-1524(2017)03-0477-06

浙江农业学报ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(3): 477-482

http://www.zjnyxb.cn夏焕焕，丁艳萍，谢芳芳，等. 钛在土壤中的形态分布及其对油葵生长的影响[J]. 浙江农业学报，2017，29(3)： 477-482.