全 文 ：外源二甲基砷对油菜生长及土壤中
砷生物有效性的影响*
白玲玉1 摇 曾希柏1**摇 胡留杰1,2 摇 李莲芳1 摇 和秋红1
( 1 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 /农业部农业环境与气候变化重点开放实验室, 北京 100081; 2 重庆市农业
科学院茶叶研究所, 重庆永川, 402160)
摘摇 要摇 通过盆栽试验研究了土壤中添加外源二甲基砷(DMA)对油菜(Brassica campestris)
生长及土壤中砷生物有效性的影响.结果表明:随着外源 DMA 添加量的增加,油菜的出苗率
和生物量均在一定程度上表现出了低浓度促进而高浓度抑制的现象.当外源 DMA 添加量达
到 90 mg·kg-1时,第 2 季盆栽油菜的出苗率和生物量与对照相比分别下降了 9郾 5% 和
57郾 0% ,表明 DMA对油菜生长的影响具有长期性;随着外源 DMA浓度的增加,土壤中有效态
砷及油菜体内的砷含量均表现出增加的趋势,相关性分析表明,该三者间具有极显著相关关
系;添加入土壤中的 DMA主要发生去甲基化作用,产物主要为 As(V)及少量的 As( III),且随
着外源 DMA添加量的增加,As(V)和 As( III)的浓度均表现出增加的趋势.
关键词摇 二甲基砷摇 油菜摇 生物有效性摇 去甲基化
文章编号摇 1001-9332(2011)02-0437-05摇 中图分类号摇 X53摇 文献标识码摇 A
Effects of exogenous dimethylarsinic acid on Brassica campestris growth and soil arsenic bio鄄
availability. BAI Ling鄄yu1, ZENG Xi鄄bai1, HU Liu鄄jie1,2, LI Lian鄄fang1, HE Qiu鄄hong1
( 1Ministry of Agriculture Key Laboratory of Agro鄄Environment & Climate Change, Institute of Envi鄄
ronment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Bei鄄
jing 100081, China; 2Tea Research Institute, Chongqing Academy of Agricultural Sciences, Yong鄄
chuan 402160, Chongqing, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(2): 437-441.
Abstract: A pot experiment was conducted to study the effects of exogenous dimethylarsinic acid
(DMA) on the growth of Brassica campestris and the bioavailability of soil arsenic (As). With the
increasing concentration of applied DMA, the emergence rate and biomass of B. campestris in鄄
creased at low concentration DMA, but decreased at high concentration DMA. When the DMA con鄄
centration reached 90 mg·kg-1, the emergence rate and biomass of B. campestris in the second
cropping decreased by 9郾 5% and 57郾 0% , respectively, compared with those in the control, indi鄄
cating that exogenous DMA had longer term effects on the growth of B. campestris. The soil availa鄄
ble As and the As uptake by B. campestris all increased with increasing concentration of exogenous
DMA, and there existed significant correlations among them. After applied into soil, the exogenous
DMA demethylated, with As(V) as the main product and lesser amount of As (III), and the concen鄄
trations of soil As(V) and As(III) increased with increasing application rate of exogenous DMA.
Key words: dimethylarsinic acid; Brassica campestris; bioavailability; demethylation.
* 国 家 “ 十 一 五 冶 科 技 支 撑 计 划 项 目 ( 2007BAD89B03,
2006BAD05B01)和国家自然科学基金项目(40871102)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zengxb@ ieda. org. cn
2010鄄05鄄30 收稿,2010鄄10鄄24 接受.
摇 摇 砷(As)元素在元素周期表中位于第 V族,由于
其物理性质类似于金属,容易传热导电且具有光泽,
因此称为类金属(metalloid). 砷在化合物中一般以
+5、+3、-3 价等价态存在,以+3 价形成的 As2O3 在
水中溶解时,可生成 As(OH) 3 或 H3AsO3 .砷在环境
中主要有无机和有机两种形态,常见的有机态砷有
一甲基砷(monomethylarsonic acid,MMA)、二甲基砷
(dimethylarsinic acid,DMA)和三甲基砷( trimethyl鄄
arsine oxide,TMAO)等,无机态砷则包括三氧化二
砷、五氧化二砷以及一些砷酸和亚砷酸盐类等[1-2] .
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 2 月摇 第 22 卷摇 第 2 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Feb. 2011,22(2): 437-441
砷是最常见且危害最严重的致癌元素之一,各种含
砷的污染物都可以不同程度地引起急性、亚急性和
慢性砷中毒,进而诱发各种癌症,如皮肤癌、肺癌和
膀胱癌等.目前,砷对人类健康的危害已经引起了国
内外研究者广泛的关注[3-5] .
我国是砷矿开采大国,砷矿主要分布在我国的
湖南、云南、广西和广东等省区. 砷矿开采过程中产
生的废气及矿渣等,常会导致周边地区土壤和水体
中砷含量的增加,危及附近居民的身体健康[6] . 另
外,含砷的化肥、农药、杀虫剂及树木防腐剂等的使
用也在一定程度上增加了农田土壤中砷累积的风
险[7] .目前,许多学者对外源砷在土壤中的环境行
为以及对作物生长的影响展开了研究,较多的研究
集中在无机砷在土壤中的环境行为方面[8],研究的
作物也主要以水稻、小麦等为主[9-10],而对于有机砷
在土壤中的环境行为以及对蔬菜生长影响的研究还
相对较少.因此,本文以砷矿区附近广泛种植的油菜
(Brassica campestris) “五月慢冶为供试作物,研究了
添加外源 DMA对土壤中砷生物有效性及油菜生长
的影响,以期为进一步探讨砷在土壤中的环境化学
行为,并最终保障矿区蔬菜的安全生产提供依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 供试材料
试验用土采集自中国农业科学院试验田的耕层
土壤,成土母质为潮土,主要理化性质为:pH 7郾 50、
有机质 15郾 69 g·kg-1、全氮 9郾 08 g·kg-1、全磷 1郾 72
g·kg-1、全钾 4郾 99 g·kg-1、全砷 11郾 45 mg·kg-1 .
土样经均匀混合、自然风干后,过 2 mm 筛备用;供
试作物为油菜“五月慢冶;试验用 DMA 为二甲基砷
酸钠[(CH3) 2AsO2Na·3H2O],按照化合物中砷元
素的含量配制所需浓度的砷溶液备用.
1郾 2摇 试验设计
采用盆栽试验,通过加入外源 DMA 的方法来
模拟外源有机态砷进入土壤,试验共设置 7 种 DMA
添加水平,添加量分别为 0、10、15、30、50、70 和 90
mg·kg-1 .加入外源砷的土壤经再次风干且过 2 mm
筛后,装入高 25 cm、上表面直径 20 cm的塑料盆中,
每盆装土量为 1郾 5 kg. 按 N 颐 P2O5 颐 K2O = 0郾 15 颐
0郾 18 颐 0郾 12 g·kg-1用量加入尿素、磷酸二氢钾、硫
酸钾肥料,混合均匀后保持含水量为田间持水量的
70% ,平衡 30 d.试验中每盆播种油菜种子 30 粒,出
苗后通过每盆中的出苗数 /播种数计算油菜的出苗
率.待两片叶时,间苗至每盆 3 株,油菜生长 45 d 后
收获油菜并采集土样作为第 1 季盆栽的样品. 试验
结束后,进行第 2 季油菜的种植,先将盆钵内各
DMA添加水平下的土壤各自均匀混合,含水量仍然
保持为田间持水量的 70% .然后按相同的方法种植
油菜及计算油菜出苗率,45 d 后采集油菜植株样与
土样.收获后的油菜先用自来水和去离子水冲洗干
净,再用滤纸吸干植物表面的水分,称鲜质量后分别
于 85 益下杀青和 65 益下烘干,样品经磨碎后进行
总砷含量分析.对采集的土壤样品进行土壤有效态
砷及各形态砷含量测定. 两季盆栽中的各处理均设
4 次重复.
1郾 3摇 样品分析
植物样中总砷含量的测定:称取 1 g 烘干植物
样品放于 50 ml三角瓶中,加入少量水润湿,再加入
7郾 5 ml浓硝酸于 150 益下消煮,待黄色烟雾消散后,
取下冷却.加入 2郾 5 ml高氯酸,加热至溶液为白色,
冷却后过滤、定容. 总砷含量测定采用氢化物发生鄄
原子荧光仪(HG鄄AFS,型号 9120,北京吉天)进行,
并以国家标准植株样(GBW 10014,GBW 10015)进
行全程质量控制.
土壤中有效态砷及各形态砷含量的测定:土壤
中有效态砷用 0郾 1 mol·L-1NH4Cl 浸提,HG鄄AFS 测
定. 按照 AFNORX31鄄210 法[11],称取 1 g 新鲜土样
于 50 ml离心管中,加入 10 ml 超纯水后于 30 益下
超声提取 30 min,然后于转速 5000 r·min-1下离心
15 min;提取液经 0郾 22 滋m滤膜连续过滤 2 次后,采
用高效液相鄄氢化物发生鄄原子荧光仪 (HPLC鄄HG鄄
AFS,型号 SA鄄10,北京吉天)对提取液中砷形态进行
分析.总砷及各砷形态标准物质购买自中国计量科
学院,其中总砷及砷酸根[As(V)]、亚砷酸根[As
(III )]、 MMA 和 DMA 的国标号分别为: GBW
08611、 GBW 08667、 GBW 08666、 GBW 08668 和
GBW 08669.
1郾 4摇 数据处理
采用 Excel 2003 及 DPS 6郾 55 进行数据处理,采
用 Tukey HSD法对数据进行多重比较.
2摇 结果与讨论
2郾 1摇 外源 DMA对油菜出苗率的影响
由表 1 可以看出,随着外源 DMA 浓度的增加,
两季油菜的出苗率均在一定程度上表现出先增加后
降低的趋势. 对照中油菜的出苗率为 87郾 5% ,当外
源 DMA添加量为 15 mg·kg-1时,两季油菜的出苗
率均达到 91郾 7% ,与对照相比增加了 4郾 2% ,可见低
834 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
表 1摇 外源 DMA对油菜出苗率的影响
Table 1摇 Effects of exogenous DMA on the emergence rate
of Brassica campestris
外源砷浓度
Concentration of
exogenous DMA
(mg·kg-1)
油菜出苗率
Emergence rate of Brassica campestris (% )
第 1 季
The first cropping
第 2 季
The second cropping
0 87郾 5依1郾 7abc 87郾 5依1郾 7abc
10 90郾 0依2郾 7ab 90郾 0依2郾 7ab
15 91郾 7依1郾 9a 91郾 7依1郾 9a
30 90郾 0依2郾 7ab 90郾 8依1郾 7ab
50 85郾 8依1郾 7bc 86郾 7依0郾 0bc
70 84郾 2依1郾 7c 85郾 0依1郾 9c
90 78郾 3依1郾 9d 79郾 2依3郾 2d
同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0郾 05) Different small
letters in the same column meant significant difference at 0郾 05 level.
浓度的砷在一定程度上有利于油菜出苗率的增加.
当外源 DMA浓度>15 mg·kg-1时,油菜的出苗率表
现出下降的趋势,且当外源 DMA 添加量达到
90 mg·kg-1时,两季油菜的出苗率分别为 78郾 3%和
79郾 2% ,均显著低于对照(P <0郾 05),降幅分别为
10郾 5%和 9郾 5% .有研究表明,低含量砷能促进种子
萌发时的呼吸作用,抑制植物光呼吸,同时还可能提
高植物叶片中叶绿素的含量,进而表现为刺激植物
的生长[12-13];而当环境中砷浓度较高时,除了能抑
制植物的水分代谢[14]、呼吸作用[15]、光合作用[13]等
过程外,还可能会干扰细胞的磷酸化和有关酶的作
用,最终抑制植物的生长. 此外,本研究中加入的外
源 DMA经过一段时间的培养后,对第 2 季油菜出苗
率依然具有较大的影响,说明 DMA 对油菜种子发
芽的影响具有长期性.
2郾 2摇 外源 DMA对油菜生物量的影响
添加外源 DMA 不仅影响油菜出苗率,而且对
油菜生物量也有较大影响.从图 1 可以看出,随着外
源 DMA添加量的增加,第 1 季盆栽中的油菜生物量
表现出逐渐降低的趋势. 当土壤中 DMA 添加量逸
50 mg·kg-1时,油菜出苗后一周死亡,故油菜生物
量为零.可见,土壤中的 DMA 添加量逸50 mg·kg-1
时对油菜的生长有较大的毒害作用,这可能是由于
DMA加入土壤初期,主要以有效态存在,易于被油
菜吸收利用,从而表现出较大的毒害作用. 另外,油
菜在苗期时对富砷环境的适应与抵抗能力相对较
弱,这可能也是造成以上结果的原因.
与第 1 季相比,第 2 季盆栽中的油菜生物量均
有所增加 (图 1 ), 特别是当外源 DMA 浓度
逸50 mg·kg-1时,油菜依然可较好地生长. 这可能
是因为经过一段时间的培养后,一部分外源 DMA
及其转化产物可能被土壤胶体吸附,另外第1季油
图 1摇 土壤 DMA添加量对油菜生物量的影响
Fig. 1摇 Effects of exogenous DMA on the fresh biomass of Bras鄄
sica campestris.
同一季盆栽中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0郾 05) Differ鄄
ent small letters in the same cropping meant significant difference at 0郾 05
level.
菜的收获也可能携带走了一部分砷,从而在一定程
度上降低了土壤中砷的毒性. 从第 2 季油菜生物量
变化来看,随着外源 DMA 添加量的增加油菜生物
量表现出低浓度促进而高浓度抑制的现象.当 DMA
浓度为 10 mg·kg-1时,油菜生物量显著高于对照
(P<0郾 05),表现出一定的低浓度促进作用;之后则
表现出明显的降低趋势,当 DMA 浓度逸50 mg·
kg-1时,油菜生物量显著低于对照(P<0郾 05),DMA
浓度达到 90 mg·kg-1时,油菜生物量与对照相比下
降了 57郾 0% ,可见外源 DMA 对油菜生长的影响具
有长期性.
2郾 3摇 外源 DMA对土壤中砷生物有效性的影响
从表 2 可以看出,随着外源 DMA 浓度的增加,
两季盆栽中土壤有效态砷与油菜体内砷含量均表现
出增加的趋势,且与对照相比各处理均有显著性增
加.两季盆栽比较来看,第 2 季盆栽中土壤有效态砷
浓度均比第 1 季有较大幅度的下降,降幅为 44郾 5%
~70郾 4% .这可能是因为在培养期间,外源 DMA 及
其转化产物与土壤胶体发生了吸附固定,另外由于
第 1 季油菜的收获携带走了一部分砷,最终造成土
壤有效态砷浓度的下降;油菜体内砷含量比较来看,
第 2 季油菜体内砷含量略有下降,当外源 DMA浓度
为 10 mg·kg-1和 30 mg·kg-1时,油菜体内的砷含
量比第 1 季时分别下降了 14郾 3%和 18郾 9% ,而当外
源 DMA浓度为 15 mg·kg-1时,两季盆栽中油菜体
内的砷含量均为 0郾 65 mg·kg-1 .
进一步对外源 DMA 添加量、土壤有效态砷含
量及油菜含砷量分析表明,三者相互间均呈显著正
相关关系.其中,第 1、2 季盆栽土壤有效态砷浓度与
9342 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 白玲玉等: 外源二甲基砷对油菜生长及土壤中砷生物有效性的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 添加外源 DMA对土壤有效态砷油菜含砷量的影响
Table 2摇 Effects of exogenous DMA on available As concentration in soil and As concentration in Brassica campestris
外源 DMA浓度
Concentration of
exogenous DMA
(mg·kg-1)
土壤有效态砷浓度
Available As concentration in soil (mg·kg-1)
第 1 季
The first cropping
第 2 季
The second cropping
油菜含砷量
As concentration of B. campestris (mg·kg-1)
第 1 季
The first cropping
第 2 季
The second cropping
0 0郾 27依0郾 04 0郾 08依0郾 02 0郾 22依0郾 01 0郾 23依0郾 03
10 1郾 02依0郾 11 0郾 53依0郾 08 0郾 63依0郾 05 0郾 54依0郾 03
15 1郾 64依0郾 23 0郾 91依0郾 14 0郾 65依0郾 08 0郾 65依0郾 18
30 4郾 12依0郾 14 1郾 92依0郾 23 1郾 32依0郾 19 1郾 07依0郾 53
50 9郾 61依0郾 61 3郾 09依0郾 67 - 1郾 72依0郾 28
70 14郾 25依0郾 96 4郾 34依0郾 30 - 2郾 60依0郾 11
90 16郾 88依0郾 51 5郾 34依0郾 36 - 3郾 30依0郾 37
外源 DMA添加量的关系可分别用方程 y = 0郾 2012x
-0郾 7886(P<0郾 01,R2 = 0郾 985,n = 7)及 y = 0郾 06x+
0郾 0431(P<0郾 01,R2 = 0郾 998,n = 7)表示;x 为外源
DMA添加量(mg·kg-1 ),y 为土壤有效态砷含量
(mg·kg-1);第 1、2 季盆栽中油菜含砷量与土壤有
效态砷浓度的关系可分别用方程 y = 0郾 2677x+
0郾 2331(P<0郾 01,R2 = 0郾 962,n = 4)及 y = 0郾 5694x+
0郾 1256(P<0郾 01,R2 = 0郾 989,n = 7) 表示;其中 x 为
土壤中有效态砷浓度(mg·kg-1),y 为油菜含砷量
(mg·kg-1);另外,第 1、2 季盆栽中油菜含砷量与外
源 DMA 添加量的关系可分别用方程 y = 0郾 036x +
0郾 21(P < 0郾 01,R2 = 0郾 976,n = 4)及 y = 0郾 0343x +
0郾 1461(P<0郾 01,R2 = 0郾 994,n = 7)表示,式中 x 为
外源 DMA 添加量 ( mg·kg-1 ), y 为油菜含砷量
(mg·kg-1).有研究认为,作物对砷的吸收可能属
于被动过程,作物体内砷的含量与土壤砷含量水平
呈显著正相关[16] .该结果与本文对土壤中 DMA 的
添加量与油菜体内砷含量的相关性分析结果相一
致.综上所述,随着外源 DMA 浓度的增加,在很大
程度上增加了土壤中砷的生物有效性,最终使得油
菜体内砷含量增加,加剧了油菜砷污染的风险.
2郾 4摇 添加外源 DMA后土壤中砷形态变化
从图 2 可以看出,两季盆栽试验(150 d)后,土
壤中砷形态主要以 As(V)为主,同时伴有少量 As
(III),没有检测到 DMA. 可见,土壤中的外源 DMA
在该培养环境下已发生了以 As(V)为主要产物的
去甲基化过程. 此外,随着外源 DMA 浓度的增加,
土壤中 As(V)和 As( III)浓度均表现出增加的趋
势.当外源 DMA 浓度达 90 mg·kg-1时,土壤中 As
(V)浓度为 15郾 69 mg·kg-1,而 As( III)浓度仅为
0郾 68 mg·kg-1 .曾希柏等[17]对外源 DMA 进入土壤
后随时间的形态变化进行了研究,结果表明当土壤
含水量为田间最大持水量的70% ,培养时间约为
图 2摇 添加外源 DMA后土壤中砷形态变化
Fig. 2摇 Changes of As speciation in soil added exogenous DMA.
60 d时土壤中的 DMA 已全部转化为 As(V),土壤
中 DMA的去甲基化过程是相对快速的. 外源 DMA
及其转化产物很难被固定到土壤矿物的晶格中,而是
主要存在于土壤溶液中或与土壤中的铝、铁、钙等的
氧化物或氢氧化物等结合.而该部分结合态砷在土壤
环境条件发生改变时又可以被再次释放到土壤溶液
中,因此表现出相对较高的有效性[18] . 可见,外源
DMA进入土壤后明显增加了土壤中砷的有效性.
摇 摇 综上所述,外源 DMA 进入土壤后能相对较快
地转化为 As(V)和少量的 As( III),该部分砷除了
存在于土壤溶液中或与土壤胶体等进行吸附、固定
外,在短期内很难进入土壤矿物的晶格中形成难溶
性的且对作物生长相对无效的形态,因此在一定程
度上增加了土壤中砷的生物有效性,最终表现在油
菜出苗率及生物量的降低以及油菜体内砷含量的增
加. Montperrus等[11]研究认为,在一般的土壤条件
下,土壤中砷主要以无机态形式存在,其中 As(V)
含量占绝对优势.本文结果与该结论具有一定的相
似性,即相对好气的条件可能有利于 As(V)的形
成.另外,土壤微生物的作用可能是造成土壤中砷形
态转化的主要原因[19],微生物对土壤中砷形态转化
044 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
以及对砷生物有效性的影响将是今后研究的重点.
3摇 结摇 摇 论
土壤中添加外源 DMA 后,对油菜出苗率和生
物量的影响均为低浓度促进而高浓度抑制. 当外源
DMA添加浓度达到 90 mg·kg-1时,油菜的出苗率
和生物量与对照相比均显著降低,且外源 DMA 对
油菜生长的影响具有长期性.
随着外源 DMA 浓度的增加,土壤中有效态砷
含量及油菜体内砷含量均有所增加,且三者相互间
均表现出极显著正相关. 外源有机砷进入土壤后能
在一定程度上增加土壤中砷的生物有效性和植物体
内砷的含量,进而可能通过食物链给人类健康带来
风险.
培养一段时间后,外源 DMA 在土壤中主要转
化为 As(V)及少量的 As(III) .随着外源 DMA 添加
量的增加,As(V)和 As(III)浓度均表现出增加的趋
势.有机态砷在土壤中的转化及其对作物生长的影
响值得进一步关注.
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作者简介摇 白玲玉,女,1964 年生,副研究员.主要从事农业
环境演变与污染环境修复等研究,发表论文 49 篇. E鄄mail:
lingyubai@ hotmail. com
责任编辑摇 肖摇 红
1442 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 白玲玉等: 外源二甲基砷对油菜生长及土壤中砷生物有效性的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇