P、Fe及水分对土壤砷有效性和小麦吸收的影响开题报告

本课题的意义、国内外研究概况、应用前景等（列出主要参考文献）

1 本课题研究意义

砷污染是目前主要的环境问题之一。砷在农作物中的积累可导致砷通过食物链向人体迁移，土壤中砷的可利用性是影响农作物中砷积累的主要因素，减少农作物中砷的积累，是降低农作物中砷积累的主要策略之一。本项目通过外源添加不同的化学物质，分析土壤中砷形态变化，并研究其对植物中砷积累的影响。本研究可为降低农作物中砷含量，提高农作物的质量提供一定的理论基础。

2 国内外研究概况

2．1 土壤砷污染现状

砷是在自然界环境中广泛存在的一种类金属，含砷物质常被用作一些工农业生产原料，但与此同时，砷的污染净化问题也逐步受到整个社会的高度重视^[1]。许多工农业大规模生产周边的土壤都受到砷的重大污染，由于大工业的兴起，使砷及其化合物经由一些金属矿石的开采、冶炼和大量化学燃料的焚烧进入周围环境，造成一些局部环境的砷污染^[2]。并且农田中广泛施用的肥料中都含有一定量的砷，因而用含砷的肥水施肥或含砷废水灌溉也是会造成土壤的砷污染。在中国因混含在肥料中招致土壤污染的指标中，砷位居第五^[3]。

土壤是衔接大气圈、水圈和岩石圈的生态系统中的重要组成环节，其他各生态环境中的污染，均可经由系统中的连带作用以各种媒介传播进入土壤。土壤既是砷积累的场所也是一定程度净化的场所，部分土壤砷转变为气态逸出土壤进入大气，从而降低土壤砷污染，部分土壤砷转化为甲基砷，甲基砷毒性弱，从而降低土壤毒性^[4]。砷可以通过自然风化作用和人类的生产活动进入土壤系统，而因风化作用进入土壤的砷一般不会构成土壤污染，一般所说的砷污染大多来源于人类生产活动^[5]。

尽管土壤对积聚的金属元素有一定净化作用，但由于土壤环境容量不是无限的，所以当含砷污染物进入土壤后，经常会因为砷在土壤中不能得以充分净化而积累，造成土壤砷污染。并且随着现在重、轻工业的普遍应用，需求有与之相应的大规模工业操作，这些生产环节所产生的废气、废渣等会携带砷并散落在土壤中，进而造成土壤砷污染^[6]。

2．2 植物与砷的互作

2．2．1 植物对砷的吸收

植物体内的砷含量、有效形态与植物的某些生理特性和所生长土壤的砷含量，砷的不同形态有明显的关系^[7]。与氮、磷、钾和铜这类植物正常生长代谢所必需的元素不同，砷对植物而言是一种没有生理功能的非必需元素，但对植物却有显著的毒害作用，其最高浓度在植物的根部和块茎部。因此，植物的不同部位砷积累能力强弱一般为根茎叶籽粒、果实，呈现出自下而上逐渐减少的规律^[8]。过量摄入砷不仅会毒害植物，使植物正常生理代谢受影响，而且易在植物的可食用部位积累并由此经过食物链进入人体，对人身健康构成威胁。正常完全生长在土壤中的植物的地上可食用部分一般砷积累量不会特别的高，但是如果是像水稻和马铃薯这种部分生长在土壤中的农作物，却能够积累较高浓度的砷，从而对人体安康造成重大损伤^[9]。

因植物本身特性，如植物种类、根系表面积以及根系分泌物等要素的不同，植物对砷的吸收的多少和吸收形态也存在较大差异。除部分沉水植物(如篦齿眼子菜等)能够通过叶片从外界水体环境中吸收砷外，植物一般通过根系吸收砷。因为在根系分泌物中有一些低分子量有机酸，这些物质对金属离子间的互作效应，各种金属离子和营养元素的迁移起到重要作用。土壤中的砷经过植物根际活化后吸附在植物的根系表面，进而通过短距离横向运输进入植物根内部^[10]。植物对砷的吸收，在从土壤中吸附到根表面后首先从根表面进入细胞间隙以及细胞壁间隙进行质外体运输，但由于根部内皮层可能会有阻碍质外体途径的凯氏带结构，砷只能通过共质体途径经由胞浆和胞间连丝进行跨质膜转运和木质部装载，之后在根压和蒸腾拉力的共同作用下向地上部运输^[11]。

砷被植物根系吸收进入体内，在体内经由长、短距离运输并经过一系列的代谢反

应后，常以不同的化学形态分布于各组织。不同形态的砷在跨质膜转运过程中往往需要不同的运输路径和转运体系以及依赖的酶和转运蛋白，所以生物对不同形态砷的吸收利用程度不同^[12]。植物对土壤中各种形态砷的吸收能力以水溶性砷最强，亚砷酸铁最弱。四价砷与三价砷相比，对土壤附着能力更强，不易移动相对固定，毒性就相对较小^[13]。

2．2．2 土壤砷形态与植物吸收的关系

砷作为一种有毒有害元素，在土壤中的毒性与全砷的相关性往往较差，因此人们越来越重视研究土壤中砷的有效形态^[14]。按不同标准给砷进行分类，从价态上可分为单质砷、三价砷和五价砷；从化合物组成上可分为有机态砷和无机态砷。土壤中砷大多以无机态存在，无机态砷又以五价砷为主，主要表现为带负电荷的砷氧阴离子^[15]。土壤中的五价砷和三价砷之间能够经由氧化还原反应从而互换，进而保持两者之间含量的动态平衡。砷的价态、化合物构成不同通常所带毒性不同，单质砷不溶于水和强酸等常用溶剂，不易被人体吸收，因此对人体的伤害极低^[16]。在所有砷存在形态中以三价砷的毒性最大，其他几种形态的砷的毒性约相当于三价砷的1%。无机砷的毒性比有机砷大，有机砷在土壤中的含量极低，在砷污染的测定及治理的实践中常被忽略，人们主要倾向于研究无机态砷。

砷进入土壤后，一小部分溶解在土壤溶液中，一部分吸附在土壤胶体上，大部分转化为难溶性砷化物。因此，砷在土壤中的结合形态可分 3 类：

（1）溶解在土壤溶液中的砷（水溶态砷）：水溶态砷在土壤中含量很少，常低于 1 mg/kg。通过研究不同土壤水溶态砷含量及其与土壤性质的关系，发现水溶态砷占土壤总砷的比例也不大，平均为 2.0%。（2）吸附在土壤粘粒和其他金属难溶盐表面的砷（交换态砷）：这种交换态砷可与根系上的离子进行交换从而被吸附到根系表面上或与土壤中其他离子作用被释放到土壤溶液中。（3）形成难溶性的砷酸盐（难溶态砷）：分为铝型砷（Al-As）、铁型砷（Fe-As）、钙型砷（Ca-As）和闭蓄型砷（O-As）四种。其中前两种形态砷对植物的毒性较小。前三种形态砷可利用适当的提取液提取，而第四种形态砷由于难溶性难以提取，占土壤总砷的比例较高。酸性土壤中以铁型砷占优势，碱性土壤则以钙型砷占优势^[17]。

在三种土壤砷结合形态中，前两种结合形态的砷即水溶性砷和吸附性砷，生物有效性相对较高，易被根系吸收，所以总称为可给态砷或有效态砷，为土壤活性砷。而第三种难溶态砷因其难溶性则不易被生物吸收。在土壤砷污染很严重的情况下，也可能存在着砷的甲基化作用^[18]。

大量研究表明，土壤环境因子如土壤pH及无机元素的改变，可导致砷在环境中的积累量及有效态的改变。不仅如此，在农业生产中施含砷肥或无意引入砷元素也可对土壤砷的生物有效性及田地作物吸收积累砷产生重要影响^[19]。土壤理化指标测定方法如用电极法测定土壤pH；土壤有机质的测定方法如重铬酸钾容量法、乙酸铵法。当前测定土壤砷有效态的常规方法即用原子吸收分光光度法和原子荧光分光光度法测定土壤浸提液中砷的浓度，这也是国标常规的测定方法^[20]。

3 应用前景

研究土壤砷的有效态及其植物吸收如今已成为当前各国政府和民众关注的焦点，全面了解规律后有利于我们展开对土壤砷的测定和降解的实验研究。这对于提出作物优化施肥技术，降低砷吸收，进而降低土壤砷对人体造成的健康危害具有重要的现实意义。

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