鈦在土壤中的形態分布及其對油葵生長的影響

夏煥煥，丁艷萍，謝芳芳，李 玲

(新疆大學 化學化工學院，新疆 烏魯木齊 830046)

鈦在土壤中的形態分布及其對油葵生長的影響

夏煥煥，丁艷萍，謝芳芳，李 玲*

(新疆大學 化學化工學院，新疆 烏魯木齊 830046)

采用Tessier連續提取法和室內盆栽試驗，研究不同外源鈦(Ti)濃度對其在土壤中形態分布及油葵生長和Ti吸收量的影響。結果表明：鈦在土壤中的形態分布特征為殘渣態>有機質結合態>鐵錳氧化物結合態>可交換態>碳酸鹽結合態，且主要以殘渣態存在。隨著外源鈦濃度增加，土壤中各形態Ti含量和油葵地下、地上部分Ti含量均增加。土壤中鈦的生物活性低，生物可利用性系數和遷移系數都較小，僅有萬分之幾，油葵對鈦的富集系數和轉運系數也較小。高濃度的外源鈦抑制油葵生長，當添加量為6 000 mg·kg-1時，油葵受到毒害。油葵各部分干質量與土壤中各形態Ti含量及全量均呈負相關。對油葵地下、地上部分Ti吸收量貢獻最大的分別是碳酸鹽結合態和有機質結合態Ti。

化學形態；生物活性；油葵；Tessier法

重金屬污染現已成為全世界關注的生態環境問題。它不僅導致糧食減產，而且影響人體健康[1-2]。目前，有關土壤重金屬污染的研究相對較多，然而鈦由于在土壤中可溶性含量較低，通常被認為毒性較低，因此并不被重點關注。但既有研究顯示，在液體培養下，當鈦濃度達到4～5 mg(Ti)·kg-1時，甘藍、西紅柿和矮菜豆等植株就會表現出受毒癥狀[3]。一般而言，土壤中重金屬元素對環境的危害隨著土壤中重金屬含量的增大而增大[4]。目前，我國土壤中全鈦含量已經達到2.5～10 g(TiO2)·kg-1[5]，而且近年來干旱地區多有采用石化企業處理的污水灌溉周邊農田的現象[6]，其中殘留的重金屬也會隨之在土壤中富集，其活性和生物毒性也會隨之增加，因此對土壤Ti污染亦須給予一定的關注。

研究發現，重金屬的存在形態較其總量更能有效評價其活性、生物毒性和遷移特征[7]。重金屬在土壤中的存在形態相對復雜，很多學者對形態提取法做了大量的研究[8-9]，其中有一定代表性且比較成熟的是Tessier法[10]。目前，關于鈦在土壤中的化學形態分布及其對環境危害的研究相對較少。為此，本研究擬采用Tessier連續提取法分析不同濃度的外源鈦進入土壤后的化學形態分布，探討Ti在土壤中的生物活性特征，并結合室內盆栽實驗，考查鈦對油葵生長的影響以及油葵對鈦的吸收規律，探討鈦的生物毒性和遷移特征，進而為土壤中鈦的生態風險評價及其污染與防治提供依據.

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

供試土壤采自新疆烏魯木齊周邊農田(0～20 cm表層土)，采用棋盤式布點法，取出的土壤均勻混合，自然風干，過40目篩，去除雜物(石塊、草根等)。土壤理化性質采用常規法測定[11]。其主要理化性質為：pH值7.97，呈弱堿性，土壤有機質含量9.08 g·kg-1。土壤中鈦的背景值采用H2SO4-H3PO4-HNO3消解，用紫外可見分光光度計測定其含量為3 859 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

分別稱取1.0 kg風干土壤于12 cm(直徑)×16.5 cm(高)的塑料花盆中，Ti以草酸鈦鉀溶液的形式，分別按0、500、1 500、3 000、4 500、6 000 mg·kg-1處理水平加入土壤中，每個處理3次重復。陳化3周后，每盆取出少量土壤，風干至恒定質量后，過100目篩，留存備用。同時向盆中播入油葵籽，出苗后每盆定苗長勢相同的3株，放置室內正常培養，90 d后收獲。

1.3 形態分析與植物處理

分別準確稱取過100目篩的備用土2.0 g，按照Tessier形態連續提取法測定各形態Ti含量：加入MgCl2，pH 7.0，(25±1)℃連續振蕩1 h得可交換態(EX)；加入NaOAc，pH 5.0，(25±1)℃連續振蕩5 h得碳酸鹽結合態(CARM)；加入NH4OH·HCl、HOAc，(96±3)℃連續振蕩6 h得鐵錳氧化物結合態(Fe-Mn)；加入HNO3、H2O2，pH=2，(85±2)℃下適當攪拌2 h，加入H2O2，pH=2，(85±2)℃下適當攪拌3 h，再加入NH4OAc、HNO3，室溫攪拌30 min，得有機質結合態(OM)；殘渣用H2SO4-H3PO4-HNO3消解，測定含量得殘渣態(RF)。油葵收獲時，分別測定地下、地上部分長度后用去離子水洗凈，置于120 ℃殺青30 min，然后65 ℃烘干至恒定質量，測定其干質量，并采用干灰化—HNO3溶解—二安替比林甲烷比色法[12]測定其各部分Ti含量。

1.4 數據處理與分析

生物可利用性系數(K)=(可交換態Ti+碳酸鹽結合態Ti)/Ti全量；

遷移系數(M)=可交換態Ti/Ti全量；

富集系數(BCF)=油葵中Ti含量/土壤中Ti含量；

轉運系數1(TF1)=油葵地下部分Ti含量/土壤中Ti含量；

轉運系數2(TF2)=油葵地上部分Ti含量/油葵地下部分Ti含量。

用IBM SPSS 20進行相關性分析和逐步回歸分析。用Origin 9.0繪制所有圖形。

2 結果與分析

2.1 鈦在土壤中的形態分布特征

隨著外源Ti濃度增加，土壤中各形態Ti含量均增加，其中，有機質結合態和殘渣態增幅較大。由各形態Ti占全量的百分比分析得知(圖1)，Ti在土壤中各形態的分布特征為殘渣態>有機質結合態>鐵錳氧化物結合態>可交換態>碳酸鹽結合態。隨著Ti投加量的增多，EX和RF所占百分比呈遞減趨勢，OM所占百分比呈遞增趨勢。CARM(0.021%～0.026%)和Fe-Mn(0.18%～0.24%)所占百分比并未表現出明顯的變化規律。在各濃度處理中：未投加外源鈦時EX和RF所占百分比最高，分別為0.051%和98.790%，OM所占百分比最低，為0.896%；當外源鈦投加量為6 000 mg·kg-1時，OM所占百分比最高，為16.953%，而EX和RF所占百分比卻最低，分別為0.036%和82.804%。可見，Ti在土壤中的主要存在形態是殘渣態，這與陳巖等[13]的研究結果一致。

圖1 土壤中Ti的形態分布Fig.1 Distribution of Ti forms in soil

2.2 土壤中鈦的生物可利用性和遷移能力

土壤中重金屬的生物活性可用生物可利用性和遷移能力來表征。金屬可利用態(EX和CARM)含量越高，生物可利用性系數K越大，被生物利用的概率就越大，可作為衡量重金屬對土壤毒害程度的指標[14]。遷移系數M的大小反映了重金屬在土壤中的遷移能力[15]。由表1可知，隨外源鈦含量增多，土壤中鈦的可利用態含量增多，但其生物可利用性系數和遷移系數都較小，僅有萬分之幾，且呈減小趨勢。

2.3 鈦對油葵生物性狀的影響

由圖2知，在Ti處理濃度為500和1 500 mg·kg-1時，油葵地下、地上部分的長度、干物質和未投加鈦時差別都不大，即在低處理水平下油葵并沒有表現出生長抑制或者毒害癥狀。當鈦的投加量在3 000～6 000 mg·kg-1時，油葵地下、地上部分的干物質質量呈現下降趨勢，這說明高濃度的外源鈦對油葵的生長產生抑制，過高的鈦含量破壞了油葵體內的生理特性，從而使油葵的生長發育受阻，導致生物量減少。當Ti投加量為6 000 mg·kg-1時，無論是干質量還是長度都明顯減小，油葵地下、地上部分干物質質量比未投加外源鈦時分別減少71.19%和83.52%，油葵的生長受到嚴重抑制。同時試驗發現，在此濃度下油葵已出現黑根現象。

表1 土壤中鈦的生物活性分析

Table 1 Biological activity analysis of Ti in soil

外源鈦濃度ExternalconcentrationsofTi/(mg·kg-1)可利用態含量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 不同濃度的外源鈦對油葵吸收Ti的影響

由圖3可知，油葵地下、地上部分Ti含量都隨外源鈦投加量的增多而增多，而且地下部分鈦含量及增幅大于地上部分。有學者提出，植物對重金屬的適應機制有2種：根系吸收并轉移到地上部，或根系分泌特殊物促進土壤中重金屬溶解和根系吸收[16]。油葵地下部分Ti含量明顯高于地上部，可能是油葵在Ti的作用下改變了根系分泌物的量和成分，使得根系土壤微環境發生變化(如酸化)，進而使得Ti在土壤中溶解度增高，然后根系細胞壁中的大量交換位點固定了鈦離子，從而阻止其向地上部分轉移[17]。

圖2 鈦對油葵生長的影響Fig.2 Influence of Ti on growth of oil sunflower

圖3 不同濃度的外源鈦對油葵吸收鈦的影響Fig.3 Influence of different external Ti contents on Ti absorption in either aboveground or underground part of oil sunflower

重金屬在植物體內的富集和轉移因植物種類差異而不同，并且不同部位對重金屬吸收的能力也不一致，因此可以用富集系數和轉運系數定量衡量Ti在土壤-油葵和油葵各部分的遷移性能。參考前人的研究結果[18]，采用BCF表示Ti在土壤-油葵間的遷移性能；TF1表示Ti在土壤-油葵地下部的遷移性能；TF2表示Ti在油葵地下部到地上部的遷移性能。油葵的BCF(0.022～0.032)<1，TF1范圍為0.016～0.026，TF2范圍

為0.171～0.341(表2)，可見Ti在土壤-油葵和油葵各部分的遷移能力都較小。

2.5 相關性分析

由表3可見，油葵各部分干物質質量與土壤全Ti以及各形態Ti含量均呈負相關，油葵各部分Ti含量與土壤全Ti以及各形態Ti含量均呈正相關。油葵地上部干質量、地下部Ti含量與土壤全Ti及各形態Ti含量的相關性均達顯著水平(P<0.05)，然而油葵地下部長度與土壤全Ti及各形態Ti含量的相關性未達顯著水平。

一般而言，重金屬的可交換態(EX)是植物直接吸收的形態，與其他形態處于動態平衡，當EX被植物吸收而減少時，可能就要從其他形態來補充[19]。CARM、Fe-Mn和OM具有較強的潛在生物可利用性，一定條件下可以被植物吸收。為確切地找出哪種形態的Ti對油葵吸收的影響最大，將油葵地下、地上部分Ti吸收量與各形態Ti含量做逐步回歸分析。結果顯示，對油葵地下、地上部分Ti吸收量(y1、y2)貢獻最大的形態分別是碳酸鹽結合態(x1)和有機質結合態(x2)，擬合的回歸方程分別為：y1=124.559x1-46.571(R=0.993)；y2=0.022x2+20.966(R=0.941)。

表2 油葵對鈦的富集系數和轉運系數

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

外源Ti濃度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 油葵各部分長度、干物質質量、Ti含量與土壤全Ti以及各形態Ti含量的相關性

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

形態Form長度Length地下部Underground地上部Aboveground干質量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*

*與**分別表示在0.05、0.01水平(雙側)上顯著相關。

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

3 討論

本研究顯示，鈦在土壤中的生物可利用性系數和遷移系數極低，僅有萬分之幾，據此可知鈦在土壤中較穩定，生物可利用性小，遷移能力弱，土壤中鈦的活性較低。根據BAC生態風險評價方法[2](EX和CARM之和占總含量的百分比，數值上等于K，本研究中計算結果<1%)得知，土壤中的鈦無生態風險。這可能與鈦本身性質有關。鈦在土壤中各形態的分布特征為殘渣態>有機質結合態>鐵錳氧化物結合態>可交換態>碳酸鹽結合態，且主要以殘渣態存在。當鈦進入土壤后多以穩定的氧化物或硅酸鹽的形式存在，被結合在土壤礦物中，對土壤中Ti的生物可利用性和遷移能力貢獻不大[20]。根據植物模擬實驗，在鈦的低濃度處理水平下油葵沒有表現出生長抑制或者毒害癥狀，但高濃度的外源鈦對油葵的生長已產生抑制。當鈦的投加量在3 000～6 000 mg·kg-1時，油葵地下、地上部分的干質量呈現下降趨勢。在外源鈦濃度為6 000 mg·kg-1時，油葵各部分鈦含量明顯增加，表現出毒害癥狀。這與土壤中鈦的生物活性低的結論有一定的相左之處，這可能是由于土壤中Ti的背景值過大。對土壤中可利用態Ti含量與全Ti含量進行相關性分析可知，其相關系數達到0.995(在0.01水平上顯著相關)，隨著外源鈦含量的增多(譬如污水灌溉)，土壤中可利用態鈦含量也相應增加，因此可被植物吸收的量也增多。但由于較大的土壤背景含量，即使可利用態Ti的含量已達到毒害水平，其計算占比也較小。所以僅根據Ti在土壤中的生物活性來評價其生態風險是不全面的，應結合植物進行具體分析。至于鈦對植物的致害濃度等，由于不同植物的耐性不同，因此還有待進一步深入研究。

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(責任編輯 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

國家自然科學基金(21467029)

夏煥煥(1990—)，女，河南駐馬店人，碩士研究生，主要從事重金屬生物有效性研究。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

浙江農業學報ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(3): 477-482

http://www.zjnyxb.cn夏煥煥，丁艷萍，謝芳芳，等. 鈦在土壤中的形態分布及其對油葵生長的影響[J]. 浙江農業學報，2017，29(3)： 477-482.