朱 俠，李連禎，涂 晨，駱永明

不同性質(zhì)農(nóng)田土壤中銅的可提取性與生物有效性及毒性①

朱 俠1, 2，李連禎1，涂 晨1，駱永明2, 3*

(1 中國科學院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復重點實驗室(煙臺海岸帶研究所)，山東煙臺 264003；2 中國科學院大學，北京 100049；3 中國科學院土壤環(huán)境與污染修復重點實驗室(南京土壤研究所)，南京 210008)

以重金屬總量為基礎的土壤環(huán)境質(zhì)量標準已不適用于當前土壤管理的需求，基于重金屬生物有效性的生態(tài)風險評估和環(huán)境閾值研究對土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量標準的修訂具有重要的指導意義。本研究選取黑土、潮褐土和脫潛水稻土3種不同性質(zhì)的農(nóng)田土壤，開展模擬銅(Cu)污染的生物毒性試驗，采用HNO3、EDTA-Na2、NH4OAc和CaCl24種不同浸提能力的化學試劑進行土壤有效態(tài)Cu提取，探討Cu可提取性與生物有效性及毒性的關系；并通過敏感性生態(tài)物種生菜和赤子愛勝蚓的Cu暴露試驗，推導基于化學提取有效態(tài)的土壤Cu生態(tài)毒性閾值。研究結(jié)果表明：HNO3(41.4%)和EDTA-Na2(56.8%)對3種土壤中Cu的平均提取效率顯著高于NH4OAc(0.12%)和CaCl2(8.70%)。CaCl2提取態(tài)Cu含量與生菜Cu富集量和毒性效應之間存在顯著或極顯著相關，HNO3提取態(tài)Cu含量則能很好地指示蚯蚓Cu富集量和30 d死亡率。不同生態(tài)受體毒性終點對土壤可提取態(tài)Cu的敏感性存在差異，選用物種最敏感指標推導3種土壤中Cu的有效態(tài)毒性閾值EC20和EC50，結(jié)果顯示，基于不同化學提取態(tài)Cu含量的生菜毒性閾值EC20范圍分別是90.5 ~ 170 mg/kg(HNO3)、103 ~ 195 mg/kg(EDTA-Na2)、3.97 ~ 20.1 mg/kg(NH4OAc)和0.21 ~ 8.68 mg/kg(CaCl2)，EC50范圍分別是110 ~ 188 mg/kg(HNO3)、119 ~ 230 mg/kg(EDTA-Na2)、5.69 ~ 32.2 mg/kg(NH4OAc)和0.26 ~ 9.62 mg/kg(CaCl2)；基于不同化學提取態(tài)Cu含量的赤子愛勝蚓死亡率毒性閾值EC20范圍分別是138 ~ 193 mg/kg(HNO3)、108 ~ 226 mg/kg(EDTA-Na2)、8.92 ~ 11.6 mg/kg(NH4OAc)和0.36 ~ 10.6 mg/kg(CaCl2)，EC50范圍分別是183 ~ 221 mg/kg(HNO3)、180 ~ 331 mg/kg(EDTA-Na2)、13.1 ~ 18.3 mg/kg(NH4OAc)和0.54 ~ 13.2 mg/kg(CaCl2)。研究結(jié)果可為我國農(nóng)田土壤重金屬有效態(tài)化學提取方法的比選與優(yōu)化提供科學依據(jù)，同時對基于生物有效性的土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量基準與標準的研究和制定具有重要意義。

土壤；銅；可提取性；生物有效性；生物毒性；閾值

我國土壤重金屬污染問題不容忽視[1]。土壤中重金屬的總量可在一定程度上反映其污染程度，但僅有部分形態(tài)的重金屬可溶解到土壤溶液中，并通過溶液對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害[2]。重金屬的毒性和生物可利用性更大程度上取決于其生物有效態(tài)，以總量評價土壤重金屬的污染程度往往會高估其污染水平。在研究中常用化學提取劑對重金屬生物有效性進行表征，不同提取劑對不同類型土壤重金屬的提取效果不同[3-6]，有機質(zhì)、pH、黏粒含量等因子通過影響重金屬在土壤中的分布與形態(tài)，進而影響其有效性和毒性[7-8]?？紤]到土壤理化性質(zhì)對重金屬生物有效性的影響，許多國家和地區(qū)基于土壤理化性質(zhì)的差異分區(qū)域建立了重金屬環(huán)境質(zhì)量標準，但我國土壤重金屬環(huán)境標準制定仍以總量為限值，難以準確反映重金屬對生物的毒害效應[9-10]。因此，篩選適合的有效態(tài)提取劑，探索以有效態(tài)為基礎的土壤重金屬生態(tài)毒性閾值，對研究制定基于生物有效性的土壤環(huán)境質(zhì)量基準及標準具有重要意義[11]。

銅(Cu)是農(nóng)田土壤的主要重金屬污染物之一，Cu過量會對土壤中動植物的生理生化功能產(chǎn)生毒害作用[12-14]。Cu通常以Cu2+形態(tài)進入土壤，以可溶性有機物的形態(tài)存在于土壤孔隙水中，易絡合在鐵鋁氧化物表面，或吸附于黏土礦物，其形態(tài)和生物有效性受土壤理化性質(zhì)影響顯著[7-8]。本研究以Cu為例，選取我國3種代表性的農(nóng)田土壤，通過HNO3、EDTA-Na2、NH4OAc和CaCl24種化學提取劑對模擬Cu污染土壤的有效態(tài)Cu進行分析，以敏感生態(tài)物種生菜和赤子愛勝蚓為受試生物進行毒性暴露試驗，研究基于化學提取有效態(tài)Cu含量的生態(tài)毒性響應，推導基于有效態(tài)的土壤Cu生態(tài)毒性閾值，以期為我國農(nóng)田土壤重金屬有效態(tài)化學提取方法的比選、優(yōu)化和基于生物有效性的土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量標準的制定提供方法和思路。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試的3種農(nóng)田土壤分別采自黑龍江海倫(47°25′N，126°47′E)、河北保定(38°31′N，115°25′E)和浙江嘉興(30°51′N，120°41′E)。采集0 ~ 20 cm表層土壤，自然風干，過10目篩和100目尼龍篩后，裝自封袋保存和測定。3種土壤的理化性質(zhì)及重金屬全量見表1。

根據(jù)土壤pH的不同，添加不同量的CuSO4·5H2O制成不同Cu含量污染土壤，具體添加量為：pH<6.5 土壤，Cu添加量分別為0、100、200、400、800、1 000 mg/kg；pH>6.5土壤，Cu添加量分別為0、200、400、800、1 600、2 000 mg/kg。所有土壤樣品制備5 kg，保持田間最大持水量的70%，充分混合均勻后，室溫培養(yǎng)30 d，老化后的土壤經(jīng)自然風干后，過10目尼龍篩備用。

1.2 土壤重金屬有效態(tài)測定

稱取過10目尼龍篩的風干土壤樣品1.000 0 g(± 0.000 5 g)于50 ml塑料離心管中，分別加入10 ml 不同的提取劑，置于振蕩箱中按照表2所述條件進行恒溫振蕩后，1 000離心10 min，取上清液過0.45 μm濾膜后，用ICP-MS(電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，ELAN DRC II，PerkinElmer)測上清液中提取態(tài)Cu的含量。每組重復3次。

1.3 植物毒性試驗

以生菜作為受試生物，選取生菜的根長、株高和生物量作為生菜的毒性效應指標，檢測不同農(nóng)田土壤中Cu的植物毒害。農(nóng)田土壤Cu的植物毒害試驗參考ISO的標準方法[15-16]進行。稱取200 g風干土壤于塑料盆中，加去離子水至田間最大持水量的70%，并平衡24 h；選擇飽滿、均一的生菜種子，用1% NaClO溶液浸泡15 ~ 20 min，消毒滅菌后用去離子水洗凈，放入裝有2 層濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中，在25℃培養(yǎng)箱里催芽24 h；選擇發(fā)芽的種子移栽在事先平衡好的盆栽土壤中，每盆移栽9棵，在人工氣候培養(yǎng)室中(25℃)中生長60 d，利用稱重法保持整個過程中土壤水分含量為田間最大持水量的70%；60 d后小心采集整株植株，避免采集過程中植物根系的損傷，用去離子水沖洗干凈，并測量生菜株高、根長和生物量。

表1 供試土壤的理化性質(zhì)

表2 不同化學提取劑的提取條件

生菜可食部位累積Cu含量測定采用HNO3消解法進行，具體操作為：將生菜根系移除后，取生菜地上部放在–80℃冰箱中冷凍12 h后，在冷凍干燥器凍干至恒重；稱量干重后，將生菜置于玻璃消解瓶中，加入5 ml濃HNO3消煮至近干(若消解不徹底，繼續(xù)加5 ml濃HNO3)，用去離子水定容至10 ml，作為待測液。過0.45 μm濾膜后，用ICP-MS測定植株地上可食部位Cu含量。

1.4 蚯蚓毒性試驗

農(nóng)田土壤Cu的蚯蚓毒性試驗參考ISO的標準方法[17]進行。稱取500 g風干土壤于有孔帶蓋塑料盒中，每個處理重復3次，加去離子水至田間最大持水量的70%，平衡24 h。將赤子愛勝蚓置于裝有2 層濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中，在25℃培養(yǎng)箱里清腸24 h后，選擇活性狀態(tài)良好、大小均一的赤子愛勝蚓清洗稱重后轉(zhuǎn)移至塑料盒中，每盒放置8條。蚯蚓在人工氣候培養(yǎng)室中(25℃)中培養(yǎng)30 d，利用稱重法保持整個過程中土壤水分含量為田間最大持水量的70%。在培養(yǎng)14 d 和30 d時，輕輕翻動土壤，將盒內(nèi)蚯蚓取出，記錄其死亡。30 d后用去離子水將蚯蚓沖洗干凈，置于裝有2 層濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中，在25℃培養(yǎng)箱里清腸48 h后，清洗稱重后于–80 ℃冰箱中冷凍12 h后，在冷凍干燥器中凍干至恒重，用濃硝酸消煮，定容至10 ml，用ICP-MS測定蚯蚓體內(nèi)Cu含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

土壤中重金屬含量和毒性效應關系曲線并無特定的擬合方法，常用的劑量–效應擬合曲線有Log- normal、Log-logistic和Weibull等，其中Log- logistic 函數(shù)因結(jié)果更具有實際性而被廣泛應用[18]。本研究選擇Log-logistic函數(shù)對土壤中不同提取態(tài)Cu含量與生菜、蚯蚓毒性效應進行擬合，計算其20% 抑制率(EC20)和半抑制率(EC50)的毒性閾值。計算方法如下：

式中：表示生菜株高、根長和生物量抑制率或蚯蚓死亡率，表示HNO3、EDTA-Na2、NH4OAc和CaCl2提取態(tài)Cu含量(mg/kg)，表示Log ECx(EC20、EC50)；0和b為模型擬合參數(shù)。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010 和Origin 9.0 進行分析和處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 農(nóng)田土壤中Cu的可提取性比較

4種化學提取劑對土壤中Cu的提取量存在較大差異。HNO3提取態(tài)Cu含量范圍為2.61 ~ 1 013 mg/kg，均值為328 mg/kg；EDTA-Na2提取態(tài)Cu含量范圍為2.17 ~ 1 044 mg/kg，均值為336 mg/kg；NH4OAc提取態(tài)Cu含量范圍為0.03 ~ 317 mg/kg，均值為62.4 mg/kg；CaCl2提取態(tài)Cu含量范圍為0.03 ~ 265 mg/kg，均值為28.2 mg/kg；4種提取劑對土壤Cu的提取量大小為EDTA-Na2>HNO3>NH4OAc>CaCl2。整體來看，EDTA-Na2和HNO3對土壤中Cu的提取能力較強，NH4OAc和CaCl2對Cu的提取能力較弱。

本研究采用提取態(tài)Cu占土壤總Cu含量的百分數(shù)表示不同提取劑對土壤中Cu的提取率，由表3可知，不同土壤中HNO3、EDTA-Na2和NH4OAc對Cu的提取率大小均為潮褐土>黑土>脫潛水稻土，而CaCl2則相反。同種土壤中，不同提取劑的提取率也存在顯著差異：黑土中，提取率大小為EDTA-Na2> HNO3>CaCl2>NH4OAc；潮褐土中，提取率大小為HNO3>EDTA-Na2>NH4OAc>CaCl2；脫潛水稻土中，提取率大小為EDTA-Na2>HNO3>NH4OAc>CaCl2。綜合來看，EDTA-Na2和HNO3對3種不同土壤中Cu提取率均達到40% 以上，NH4OAc和CaCl2對Cu的提取率低于10%，而CaCl2對潮褐土中的Cu提取率最弱，平均提取率僅為0.12%。

夏增祿[19]最早對草甸褐土、草甸棕壤、紅壤性水稻土中重金屬的有效態(tài)提取劑進行了較為系統(tǒng)全面的研究，結(jié)果表明稀酸和絡合劑對土壤中重金屬的提取能力較強。李發(fā)生等[20]以湖南紅壤、重慶紫色土和河南潮土3種土壤及7種提取劑作為研究對象，對土壤中重金屬的有效態(tài)提取劑進行篩選，發(fā)現(xiàn)EDTA-Na2提取效果最為明顯。易磊等[21]對分別代表酸性、中性和堿性的水稻土、紫色土、潮土和土中的重金屬進行提取，發(fā)現(xiàn)EDTA-Na2對4種土壤中重金屬的提取能力最強。不同提取劑對土壤重金屬的提取能力差異與其提取機制有關，不同提取劑提取重金屬的形態(tài)不同：EDTA-Na2是一種絡合型提取劑，可以把碳酸鹽結(jié)合態(tài)和部分有機結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)中的Cu提取出來，其對土壤中重金屬的提取能力較強；HNO3是酸性較強的代換劑，其pH較低，可以將土壤中的一些非代換吸附態(tài)的重金屬也提取出來；而NH4OAc和CaCl2是中性鹽試劑，主要提取水溶態(tài)和交換態(tài)的Cu，提取率最低[22]。

表3 4種提取劑對不同土壤中Cu的平均提取率

2.2 農(nóng)田土壤中生菜生長狀況、可食部位Cu累積量與土壤提取態(tài)Cu含量的關系

在生菜盆栽試驗過程中，隨著土壤Cu總量的增加，不同土壤中生菜的生長狀況逐漸變差。生長初期，Cu高劑量組生菜發(fā)芽較晚，生長較為緩慢。隨著生長時間的延長，Cu高劑量組生菜出現(xiàn)明顯的毒性效應，主要癥狀表現(xiàn)為葉片發(fā)蔫，漸黃，逐漸出現(xiàn)干枯，部分甚至死亡。

生菜的Cu毒害效應在不同土壤中存在差異，除與土壤Cu總量有關外，更大程度上取決于Cu的化學形態(tài)和生物有效態(tài)含量[23]。圖1所示為黑土、潮褐土和脫潛水稻土中不同化學提取態(tài)Cu含量與生菜毒害效應的劑量–效應關系。隨著化學提取態(tài)Cu含量的增加，生菜株高、根長和生物量等呈下降趨勢。當化學提取態(tài)Cu含量較低時，土壤中Cu對生菜的毒害效應較小；在潮褐土和脫潛水稻土中，低含量的化學提取態(tài)Cu甚至出現(xiàn)了一定的刺激生長的作用。相同提取態(tài)Cu含量下，潮褐土中生菜的根長、株高和生物量均顯著高于黑土和脫潛水稻土，除有效態(tài)重金屬含量外，土壤本身理化性質(zhì)也會對其毒性效應產(chǎn)生影響。

通過Log-logistic函數(shù)分析了不同化學提取態(tài)Cu含量與生菜Cu富集和毒性效應的相關關系，其相關性系數(shù)如表4所示。不同提取態(tài)Cu含量與生菜株高抑制率均有顯著相關性(2>0.60，<0.05)，其相關性大小為CaCl2>EDTA-Na2>HNO3>NH4OAc。CaCl2和NH4OAc 提取態(tài)Cu含量與生菜根長抑制率相關性顯著高于EDTA-Na2和HNO3提取態(tài)Cu含量；其中CaCl2提取態(tài)Cu含量與生菜株高和根長抑制率相關性均達到極顯著水平。HNO3、EDTA-Na2和CaCl2提取態(tài)Cu含量與生菜生物量相關性顯著，相關性大小為CaCl2>EDTA-Na2>HNO3。NH4OAC和CaCl2提取態(tài)Cu含量與生菜累積Cu含量顯著相關。綜合來看，CaCl2提取態(tài)Cu含量與生菜Cu富集和毒性效應均具有最好的相關性。已有不少研究報道，CaCl2和NH4OAc提取能很好地表征農(nóng)田土壤中Cu的生物有效性。Zhang等[24]研究某鉛鋅礦區(qū)污染農(nóng)田土壤中水稻對Cu的累積與6種化學提取態(tài)Cu含量的相關性，結(jié)果表明NH4OAc和CaCl2在6種化學提取劑中相關性表現(xiàn)最好。Wang等[25]研究了中國西北綠洲土壤中小麥對Cu的累積與8種化學提取態(tài)Cu含量的相關性，發(fā)現(xiàn)NH4OAc和檸檬酸提取態(tài)Cu相關性最好。本研究則將生菜這一敏感生態(tài)受體的Cu富集和毒性效應相結(jié)合，通過不同化學提取劑的比較進一步證明CaCl2提取態(tài)Cu含量對土壤中Cu的植物有效性具有較好的指示。

(A：黑土；B：潮褐土；C：脫潛水稻土)

表4 不同化學提取態(tài)Cu含量與生菜Cu吸收和毒性效應的相關性

注：“*”表示顯著相關(< 0.05)；“**”表示極顯著相關(< 0.01)；下同。

2.3 農(nóng)田土壤中基于土壤可提取態(tài)Cu的生菜毒性閾值

以不同提取劑提取的Cu含量作為劑量，生菜根伸長、株高和生物量作為效應，根據(jù)劑量–效應方程(Log-logistic方程)擬合得到生菜根伸長、株高和生物量20% 抑制率(EC20)和半抑制率(EC50)的毒性閾值(表5)，結(jié)果顯示，在同種土壤中，生菜不同毒性終點的敏感性存在較大差異。在黑土和潮褐土中，敏感性順序均為生物量>株高>根伸長，生物量是最敏感的評價指標；而在脫潛水稻土中則相反，敏感性順序為根伸長>株高>生物量，根伸長是最敏感的評價指標。根據(jù)同一物種不同毒性指標的多個毒理數(shù)據(jù)選擇最低值的毒性數(shù)據(jù)的篩選原則[26]，黑土和潮褐土以基于生物量的毒性數(shù)據(jù)為生菜毒性閾值，脫潛水稻土以基于根伸長的毒性數(shù)據(jù)為生菜毒性閾值?；?種不同提取態(tài)Cu含量對生菜敏感指標的毒性閾值EC20范圍分別是90.5 ~ 170 mg/kg(HNO3)、103 ~ 195 mg/kg (EDTA-Na2)、3.97 ~ 20.1 mg/kg(NH4OAc)和0.21 ~ 8.68 mg/kg(CaCl2)；EC50范圍分別是110 ~ 188 mg/kg (HNO3)、119 ~ 230 mg/kg(EDTA-Na2)、5.69 ~ 32.2 mg/kg (NH4OAc)和0.26 ~ 9.62 mg/kg(CaCl2)。

在不同土壤類型中，基于同種有效態(tài)Cu含量的毒性閥值EC20 和EC50因提取劑提取能力差異而不同。HNO3和EDTA-Na2提取態(tài)Cu的毒性閾值明顯高于NH4OAc和CaCl2，這與前文所述EDTA-Na2和HNO3對3種土壤中Cu的提取能力較強的結(jié)果一致。其中，潮褐土中基于有效態(tài)Cu含量的生菜毒性EC20和EC50顯著低于其他土壤，這可能是由于潮褐土較高的pH造成的。Lin 等[27]通過陸生生物配體模型(t-BLM)研究土壤溶液中共存陽離子對Cu的大麥根伸長EC50的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤溶液中的陽離子如H+、Ca2+和Mg2+可以減輕Cu2+的毒性。

表5 基于不同提取態(tài)Cu含量的土壤中Cu生菜毒性閾值(mg/kg)

2.4 農(nóng)田土壤中蚯蚓死亡率、Cu累積量與土壤提取態(tài)Cu含量的關系

赤子愛勝蚓的急性毒性試驗表明，當土壤中Cu含量較低時，蚯蚓的生長狀態(tài)良好，未出現(xiàn)死亡或明顯的中毒現(xiàn)象。隨著Cu含量的增加，赤子愛勝蚓出現(xiàn)明顯的回避反應，身體劇烈扭動或順著塑料盒內(nèi)壁外逃，之后蠕動遲緩，蚯蚓出現(xiàn)明顯中毒癥狀，表現(xiàn)為身體變軟，體色漸白，環(huán)帶充血腫大，并伴有分泌的黃色體液；嚴重時有斷節(jié)現(xiàn)象，并伴有血跡，甚至死亡。暴露時間30 d后，Cu低劑量組赤子愛勝蚓也逐漸中毒死亡，未死亡的蚯蚓活性明顯下降，蠕動變緩。Cu的長期毒性需要一定的時間才可以表現(xiàn)出來。

圖2顯示了黑土、潮褐土和脫潛水稻土中提取態(tài)Cu含量與暴露14 d和30 d后蚯蚓死亡率的關系。當可提取態(tài)Cu含量較低時，3種土壤中蚯蚓死亡率均較低，蚯蚓對重金屬Cu污染有一定的耐受性。隨著可提取態(tài)Cu含量的增加，蚯蚓的死亡率和Cu累積量均顯著增加，3種土壤Cu添加最高量處理組中的蚯蚓幾乎全部死亡。不同土壤中蚯蚓死亡情況不同，相同提取態(tài)Cu含量下，黑土中蚯蚓死亡率最高，脫潛水稻土次之，潮褐土最低。

(A：黑土；B：潮褐土；C：脫潛水稻土)

通過Log-logistic分析了不同提取態(tài)Cu含量與蚯蚓吸收Cu含量和死亡率的劑量–效應關系，其相關性系數(shù)如表6所示。土壤CaCl2提取態(tài)Cu含量與蚯蚓的急性毒性死亡率(14 d)存在極顯著相關，表明蚯蚓的急性毒性主要與土壤溶液中直接有效性Cu含量有關。慢性暴露過程中更多的潛在有效態(tài)Cu被釋放出來，進一步對蚯蚓產(chǎn)生毒害。HNO3、EDTA-Na2和NH4OAc提取態(tài)Cu含量均與蚯蚓的慢性毒性死亡率(30 d)和Cu累積量存在較好的相關性，其中與蚯蚓死亡率的相關性大小為HNO3> NH4OAc> EDTA- Na2；與Cu累積量的相關性大小則為HNO3>EDTA- Na2>NH4OAc。綜合來看，CaCl2提取態(tài)Cu含量與蚯蚓的急性毒性效應相關性最好，HNO3提取態(tài)Cu含量則能很好地指示其蚯蚓Cu累積量和慢性毒性響應。

表6 不同提取態(tài)Cu含量與蚯蚓死亡率和Cu累積的相關性

2.5 農(nóng)田土壤中基于土壤可提取態(tài)Cu的蚯蚓毒性閾值

以不同提取劑提取Cu含量作為劑量，以蚯蚓暴露30 d后的死亡率作為效應，根據(jù)劑量–效應方程(Log-logistic方程)擬合得到蚯蚓死亡率的EC20和EC50毒性閾值(表7)，結(jié)果顯示，基于4種不同提取劑所測定的Cu對蚯蚓死亡率毒性閾值EC20范圍分別是138 ~ 193 mg/kg(HNO3)，108 ~ 226 mg/kg (EDTA-Na2)，8.92 ~ 11.6 mg/kg(NH4OAc)和0.36 ~ 10.6 mg/kg(CaCl2)；EC50范圍分別是183 ~ 221 mg/kg (HNO3)，180 ~ 331 mg/kg(EDTA-Na2)，13.1 ~ 18.3 mg/kg (NH4OAc)和0.54~13.2 mg/kg(CaCl2)。3種土壤中基于不同提取態(tài)Cu的毒性閾值不同，黑土有效態(tài)毒性閾值較高，而潮褐土的有效態(tài)毒性閾值則相對較低，這與生菜的毒性閾值結(jié)果一致。大量研究表明，土壤溶液中較高含量的H+濃度和可溶性有機碳(DOC)顯著抑制Cu對生物的毒性效應[28-32]。本研究中黑土有機質(zhì)含量明顯較高，基于有效態(tài)含量的Cu對蚯蚓的EC20 和EC50顯著高于潮土和水稻土，可能與高有機質(zhì)含量會在一定程度上緩解Cu對蚯蚓的毒性有關。因此，在進行毒性閾值研究時，在Cu有效態(tài)含量的基礎上還應考慮土壤pH和有機質(zhì)等性質(zhì)的影響。

表7 基于不同提取態(tài)Cu含量的土壤中Cu蚯蚓毒性閾值(mg/kg)

3 結(jié)論

化學提取劑對不同性質(zhì)土壤中Cu的提取能力存在顯著差異。HNO3和EDTA-Na2對土壤中Cu的提取率較高，NH4OAc和CaCl2對土壤中Cu的提取率較低。生菜Cu富集量和毒性與土壤CaCl2提取態(tài)Cu含量之間相關性較好，HNO3提取態(tài)Cu含量能很好地指示蚯蚓Cu富集量和死亡率。不同性質(zhì)土壤中基于化學提取有效態(tài)Cu含量的生物毒性閥值(EC20和EC50)存在較大差異，這與土壤pH和有機質(zhì)等性質(zhì)的影響有關。篩選對土壤重金屬具有普適性的化學提取劑對于以有效態(tài)為基礎的生態(tài)毒性閾值的制定具有重要意義，但對提取方法的優(yōu)化和標準化是以后研究的重點。

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Extractability, Bioavailability and Toxicity of Cu in Farmland Soils with Different Properties

ZHU Xia1,2,LI Lianzhen1, TU Chen1,LUO Yongming2,3*

(1 Key Laboratory of Coastal Environmental Processes and Ecological Remediation, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai, Shandong 264003, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Theenvironmental quality standards based on total contents of heavy metals can’t meet the requirements of current soil management, studies on risk assessment and toxicity threshold that considering the bioavailability of heavy metals have great significance for the revision of corresponding standards. In this study, three farmland soils with different properties, i.e, black soil, meadow cinnamon soil, unsubmerged paddy soil, were selected and biological toxicity tests were conducted by simulating Cu pollution, four chemical extractants with different extraction capacities, including HNO3, EDTA-Na2, NH4OAc and CaCl2, were used to extract bioavailable Cu, the relationship between Cu extractability, bioavailability and toxicity were analyzed, and the toxicity thresholds of Cu were deduced for lettuce and earthworm. The results showed that HNO3(41.4%) and EDTA-Na2(56.8%) had strong Cu extraction ability, but NH4OAc (0.12%) and CaCl2(8.70%) had weak ability. Cu extracted by CaCl2significantly correlated with Cu accumulated in lettuce, the toxic effect, and the acute mortality of earthworms, while Cu extracted by HNO3significantly correlated with the chronic toxicity and Cu accumulated in earthworms. Based on the effective concentration of different extractable Cu, the deduced EC20 for lettuce ranged from 90.5 mg/kg to 170 mg/kg based on HNO3, 103 mg/kg to 195 mg/kg based on EDTA-Na2, 3.97 mg/kg to 20.1 mg/kg based on NH4OAc and 0.21 mg/kg to 8.68 mg/kg based on CaCl2, while the deduced EC20 for earthwormranged from 138 mg/kg to 193 mg/kg based on HNO3, 108 mg/kg to 226 mg/kg based on EDTA-Na2, 8.92 mg/kg to 11.6 mg/kg based on NH4OAc and 0.36 mg/kg to 10.6 mg/kg based on CaCl2. The deduced EC50 for lettuce ranged from 110 mg/kg to 188 mg/kg based on HNO3, 119 mg/kg to 230 mg/kg based on EDTA-Na2, 5.69 mg/kg to 32.2 mg/kg based on NH4OAc and 0.26 mg/kg to 9.62 mg/kg based on CaCl2, while the deduced EC50 for earthwormranged from 183 mg/kg to 221 mg/kg based on HNO3, 180 mg/kg to 331 mg/kg based on EDTA-Na2, 13.1 mg/kg to 18.3 mg/kg based on NH4OAc and 0.54 mg/kg to 13.2 mg/kg based on CaCl2. The results have great significance for the selection and optimization of effective extraction methods of heavy metals in soils and the revision of environmental quality standards based on heavy metals bioavailability.

Soil; Cu; Extractability; Bioavailability; Toxicity; Threshold

X825

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.05.006

朱俠, 李連禎, 涂晨, 等. 不同性質(zhì)農(nóng)田土壤中銅的可提取性與生物有效性及毒性. 土壤, 2020, 52(5): 911–919.

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0800405、2016YFE0106400)和中國科學院STS項目(KFJ-STS-ZDTP-005)資助。

朱俠(1993—)，女，山東臨沂人，碩士研究生，主要研究方向為土壤重金屬的生物有效性與基準。E-mail：xzhu@yic.ac.cn