铜污染土壤添加有机物质的生物效应Ⅰ对黑麦草生物量的影响.doc

Vol.9 No.3 陈世俭：铜污染土壤添加有机物质的生物效应 185文章编号：1008-181X（2000）03-0183-03铜污染土壤添加有机物质的生物效应. 对黑麦草生物量的影响陈世俭（中国科学院测量与地球物理研究所, 湖北 武汉 430077）摘要：试验研究了泥炭和堆肥对铜污染土壤盆栽黑麦草生物量的影响。结果表明，在未添加有机物质的情况下，随着污染土壤铜含量的增加，黑麦草生物量呈明显减少的趋势（呈显著负相关），地下部分对铜毒害的反应比地上部分更敏感；导致黑麦草生物量减产20%的土壤铜含量在200400 mg/kg之间。添加有机物质能显著促进黑麦草尤其是其地下部分的生长，使中度、重度铜污染土壤上的三茬黑麦草生物量平均增加80%200%，并提高了导致黑麦草严重减产的土壤铜临界浓度。堆肥的增产效果好于泥炭。在试验的9个月内，有机物质仍能维持对受铜污染的土壤上的黑麦草生长的促进作用。关键词：铜污染；有机物质；生物效应中图分类号：S153；X53 文献标识码：AEffects of Organic Substances on Plant Growth in Copper Contaminated Soils. Yield of RyegrassCHEN Shi-jian( Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077, China )Abstact: The study on effects of two organic matters (peat and compost) on growth of ryegrass in five copper contaminated soils was conducted by pot experiment in greenhouse. The experiment was divided into three kinds of organic treatments with 0, 5% peat and 5% compost in five soils with each copper contents as 63, 184, 379, 635, 925 mg/kg. In the treatments without organic matter added, the yield of ryegrass decreases sharply with the increasing of copper content and shows significant negative relation between them. The soil copper content that leads to 20% reduction of ryegrass yield is between 200 to 400 mg/kg. With organic matter added, the ryegrass yield increases sharply in the soils with the copper contents over 200 mg/kg, and the increase range of the underground part is larger than that of the upper part of ryegrass. In the experiment period, the effect of compost is better than that of peat, and the promoting effect of the two organic matters on ryegrass growth in copper contaminated soils can be kept during 9 months. Key words: heavy metal pollution; organic matter; effect on plant growth 由于重金属在土壤中的难移动性和污染危害的长期性，有关重金属在土壤中化学行为的研究受到了重视1。重金属铜在土壤环境中既有植物营养问题，又有土壤污染问题1，2。研究土壤铜的形态区分与转化、作物吸收积累和反应规律，有利于确定土壤铜的环境容量和铜污染土壤的改良方法1，3，7。由于铜与土壤有机质之间存在着特殊的亲和力，研究添加外源有机物质对土壤铜形态与活性的影响作用1，4，有利于揭示有机物质对污染土壤铜作用的规律，为指导铜污染土壤的改良提供依据。本文针对冶炼厂附近受铜污染的土壤的改良问题，通过盆栽试验，研究泥炭和堆肥两种有机物质对铜污染土壤种植黑麦草的生物效应的影响，为选择合适的有机物质改良剂提供依据。1 材料与方法1.1 材料 供试铜污染土壤取自湖北大冶有色金属公司冶炼厂以南的地方，该地区土壤母质主要为第四纪红色粘土，部分为红砂岩及沉积物等，地带性土壤以红壤为主。土壤铜背景值为32.6 mg/kg。铜来自60年代初建立的铜冶炼厂废水、废气；70年代末、80年代初污染源得到初步治理，但污染土壤含铜量可高达2000 mg/kg。供试土壤主要理化性状见表。 供试有机材料为泥炭、堆肥、紫云英和稻草。其中，泥炭源于黑龙江佳木斯市，含铜8.9 mg/kg；堆肥为稻草与鹌鹑粪堆腐而成，含铜23.4 mg/kg。1.2 试验方法盆栽试验。将上述5种不同铜含量的土壤划分为3种铜污染水平：轻度污染（CK）、中度污染（A、B）和重度污染（C、D）。设置添加土重的0%（处理代号下标为0）、5%泥炭（处理代号下标为1）、5%堆肥（处理代号下标为2）等3种处理，3次重复。对未添加有机物质的处理，按每千克土施用化学肥料N 0.15 g、P2O5 0.10 g、K2O 0.15 g计算，分别施尿素0.325 g、磷酸二氢钾0.192g、氯化钾0.132 g。在5%泥炭处理中补加氯化钾0.10 g/kg。表1 供试土壤的理化性状代号土壤类型全铜pH有机质无定型氧化铁晶型氧化铁/(mgkg-1)/(mgg-1)CK红壤637.3813.30.514.1A水稻土1845.1428.32.214.6B水稻土3795.1324.61.717.5C水稻土6357.2529.85.820.0D水稻土9255.5918.43.515.6 盆钵系用17 cm高的塑料桶，装土3 kg，将有机物质或化学肥料按设计方案与土壤混匀，加去离子水6001000 ml，让土壤充分湿润后移栽黑麦草（育苗1周）。栽后二三周内间苗，最后留苗25株/盆。浇灌全用去离子水。第二、第三茬黑麦草栽种前，同一处理3次重复的土壤充分混匀后再均分装盆，按上述施用化肥方案配肥。三茬黑麦草的栽收日期分别为5月31日至7月28日、9月5日至11月26日、11月27日至次年2月24日。植株按地上、地下部分分别收集，洗檫干净后，60 杀青、烘干、称重。2 结果与讨论2.1 有机物质对黑麦草生长和生物量的影响 2.1.1 未添加有机物质的污染土壤上所种植黑麦草的耐铜水平未添加有机物质污染土壤上所种植的三茬黑麦草生物量结果（表2）表明，随着污染土壤铜含量的增加，生物量呈明显减少的趋势（两者呈显著负相关）。与轻度污染水平（CK）相比较，当土壤全铜含量接近200 mg/kg （A）时，虽然黑麦草地下部分有所减产，而地上生物量仍略有增加，且黑麦草生长正常；当土壤全铜含量接近400 mg/kg （B）时，黑麦草地上与地下部的生物量已大幅度减产，减幅达65%；重污染水平（C、D）黑麦草减产更严重，所种植的黑麦草也表现出死苗、僵苗、根系生长受阻等铜毒害症状。由此可以推测，导致黑麦草20%减产的土壤铜临界浓度在200至400 mg/kg之间。表2 未施有机物的三茬黑麦草生物量均值及其与对照的相对百分数污染水平轻度中度重度处理代号CK0A0B0C0D0地上部 干质量(g盆-1)9.439.853.342.891.72 相对百分数/%100104353119地下部 干质量(g盆-1)3.132.320.920.910.54 相对百分数/%10074292917植株 干质量(g盆-1)12.5612.174.263.802.26 相对百分数/%10097343018 另一方面，黑麦草地上部分与地下部分出现减产的先后次序有所不同。地上部分生长正常时，地下部分却表现出生物量减少的迹象（如A处理）；且随土壤污染水平的继续提高，地下部分生物量下降的百分数都大于地上部分。可见，黑麦草地下部分对铜毒害的反应比地上部分更敏感。2.1.2 添加有机物质对黑麦草生长的影响添加有机物质后（表3），与轻度铜污染水平相比，中、重度污染土壤三茬黑麦草生物量平均值的相对百分数明显增大。对中度污染水平（A、B）而言，地上部生物量在添加有机物质后增加40%以上；至重度污染水平土壤全铜含量高约600 mg/kg时，生物量的下降仍不足20%。就地下部分生物量而言，添加有机物质能明显降低生物量减少的幅度。因而，施用有机物质大幅度提高了导致黑麦草减产的土壤铜毒害临界浓度。表3 施用有机物质后三茬黑麦草生物量均值与相对百分数污染水平轻度中度重度处理代号CK1、CK2A1、A2B1、B2C1、C2D1、D2地上部干质量(g盆-1)6.108.749.095.203.90相对百分数/%1001431498564地下部干质量(g盆-1)3.613.292.801.821.44相对百分数/%10091785040植株干质量(g盆-1)9.7112.0311.897.025.34相对百分数/%1001241227255 干质量为泥炭和堆肥两种有机物质处理三茬黑麦草的平均值表4 施与不施有机物质处理三茬黑麦草生物量均值的相对值处理代号CKABCD地上部0.650.892.721.722.27地下部1.151.423.042.012.67植株0.770.992.791.852.36 相对值=施有机物质处理的生物量/不施有机物质处理的生物量 与未施用有机物质处理相比较（表4），从地上部看，虽然施用有机物质使轻、中度污染土壤（CK、A）三茬黑麦草平均生物量分别下降了35%和11%（可能与施用有机物质处理后两茬黑麦草土壤N、P、K养分不足有关）；但中、重度污染土壤（B、C、D）黑麦草生物量大幅度地提高了，增幅为79%172%，并以全铜近400 mg/kg的中度铜污染土壤（B）的增幅最大，增幅达172%。另一方面，施用有机物质皆使地下部生物量增加，且增加的幅度明显大于地上部分。由此可见，施用有机物质能明显促进铜污染土壤黑麦草的生长，提高黑麦草、尤其是其地下部分抗高铜的能力。添加有机物质明显提高黑麦草受毒害的土壤铜含量的试验结果，以及Mathur等7在有机土施用高铜而敏感作物菠菜并未表现出铜毒害症状的结果皆表明，有机物质与土壤铜的高亲和力缓解了高铜对作物的毒害。2.2 两种有机物质作用效果的差异与持续性2.2.1 泥炭与堆肥作用效果的比较 从泥炭、堆肥处理三茬黑麦草生物量的平均值与未添加有机物质处理的比值（表5）看，同一污染水平，无论地上部、地下部或植株，堆肥处理的比值皆大于泥炭。因而，在总体上堆肥对铜污染土壤黑麦草的增产效果好于泥炭。表5 泥炭、堆肥处理黑麦草生物量与相应对照的比值处理代号CKABCD均值施泥炭地上部0.590.752.580.931.941.35地下部0.941.252.741.261.111.46植株0.660.842.611.011.741.37施堆肥地上部0.721.032.852.652.591.97地下部1.371.593.342.764.202.65植株0.881.132.952.682.982.12 表6 盆栽黑麦草各茬的生物量 g盆-1植株部位处理第一茬第二茬第三茬生物量相对值生物量相对值生物量相对值地上部对照3.7619.8012.771施泥炭1.847.640.782.360.85施堆肥2.5211.911.221.720.62地下部对照0.5713.2610.851施泥炭2.843.431.051.261.48施堆肥4.041.721.561.84 生物量为同类处理5个土壤黑麦草生物量的平均值2.2.2 有机物质作用效果的持续性 三茬黑麦草生物量存在着明显的季节变化，这种变化反映出有机物质作用效果的持续性。 从不同污染水平有机物质同类处理平均的黑麦草生物量（表6）来看，与未施有机物质处理的平均值相比，无论地上部还是地下部，有机物质处理平均的生物量增幅都以第一茬为最高，随后两茬（如堆肥处理）有递减的趋势，表明有机物质在试验开始后的前几个月内的作用效果最好。以地上部生物量相比较，同类处理的最大生长量都在第二茬，最小生长量在第三茬，这可能与黑麦草的生长季节有关；与未施有机物质处理相比，有机物质处理第三茬地上部明显减产，则与有机物质处理中速效养分耗竭有关。但从地下部来看，有机物质处理的增产效果三茬黑麦草皆得以维持，进一步表明有机物质提高植物的抗高铜能力与其改善植物地下部的生长密切相关。参考文献：1 陈世俭, 胡霭堂. 土壤铜形态及有机物质的影响 J. 长江流域资源与环境, 1995, 4(4):3