地膜中酞酸酯類化合物對土壤-大豆污染的研究

于立河，王 鵬，于立紅

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江大慶163319)

農(nóng)用地膜的使用能夠提高地溫，促進(jìn)作物根系生長，保持土壤水分，提高肥料利用率，改善土壤理化結(jié)構(gòu)等，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但是近年來地膜污染問題越來越受到關(guān)注。地膜在生產(chǎn)過程中要加入一種改性添加劑-鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)(PAEs)，用于增加塑料的可塑性和提高塑料的強(qiáng)度，其含量為聚體本身的40 %～60 %［1］。鄰苯二甲酸酯(亦稱酞酸酯)是苯二甲酸酐與醇類酯化反應(yīng)生成的化合物，有鄰位、對位和間位3 種異構(gòu)體，從二甲基酯到十三烷基酯共20 多種化合物。我國塑料添加劑中最常用的是鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和鄰苯二甲酸二(2-乙基已基)酯(DEHP)。在大量使用地膜過程中會造成土壤PAEs 的污染，進(jìn)而導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量惡化，嚴(yán)重影響作物生產(chǎn)水平和食物鏈安全，直接威脅人類健康［2］。研究表明DBP 和DEHP 具有致突、致畸、致癌性和遺傳毒性，能夠干擾動物和人體的內(nèi)分泌系統(tǒng)，對人和動物的生殖系統(tǒng)造成較大的危害［3－6］。因此酞酸酯類化合物污染越來越受到人們的重視，已被列入重點污染物行列。

對于酞酸酯類化合物，其在土壤中的遷移、降解的研究較多［7－10］。PAEs 對植物的污染主要集中在對蔬菜的累積研究［11］，對于PAEs 在土壤-大豆體系污染的研究國內(nèi)外鮮見報道。采用盆栽和田間實驗，研究大豆各生育時期不同地膜殘留量，土壤和植株中DBP、DEHP 含量的差異性，為農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

田間實驗設(shè)在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)實驗基地(大慶)，大豆品種綏農(nóng)14，土壤類型為鹽化草甸土。耕層(0～ 20 cm)土壤基礎(chǔ)肥力為有機(jī)質(zhì)31.48 g·kg－1，堿解氮124.3 mg·kg－1，速效磷 (P2O5)11.5 mg·kg－1，速效鉀(K2O)161.6 mg·kg－1，土壤pH 7.8。土壤中PAEs 含量為DBP 0.08 mg·kg－1、DEHP 0.54 mg. kg－1。供試地膜寬50 cm，厚0.008 mm，PAEs 含量為DBP 1.04 mg·kg－1、DEHP 30.96 mg·kg－1，主要成分為聚乙烯、抗氧化劑、增塑劑等，由大慶市第五塑料廠提供。

盆栽實驗地點設(shè)在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校區(qū)內(nèi)，大豆品種綏農(nóng)14，盆栽土壤取自大田土壤，供試地膜與大田實驗相同。實驗用盆為直徑15 cm，高20 cm 的瓦盆。

1.2 實驗設(shè)計

1.2.1 實驗方法。田間小區(qū)實驗是將邊長0.05 m 的地膜小塊，攪拌于大豆耕層內(nèi)0.2 m，然后播種大豆。大豆栽培密度為:190 570 株·hm－2，行距為0.7 m，株距0.05 m，人工逐個擺種。小區(qū)面積為17.5 m2(3.5 m×5 m)，5 行區(qū)。大豆施肥量按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)用量，田間管理按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。

盆栽實驗是將邊長為0.05 m 的地膜小塊，均勻攪拌于10 kg 的盆栽土壤中，然后一起裝入盆中，人工逐個擺種，出苗后每盆定植5 株。每盆施用尿素1.13 g，磷酸二銨0.05 g，硫酸鉀0.02 g。人工除草，定期澆水，田間持水量保持在60 %左右，定期觀察作物長勢。

1.2.2 實驗設(shè)計。田間小區(qū)實驗，實驗設(shè)3 個處理，分別為CK (0 kg·hm－2)、1 倍(65.9 kg·hm－2)、3倍(197.7 kg·hm－2)地膜殘留量。3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。取樣時間為播種后的30 d、60 d、90 d、120 d。

盆栽實驗處理與田間小區(qū)實驗相同，每個處理12 盆，取樣時間與田間小區(qū)實驗相同，每次各取3 個盆栽樣品。取樣及測定的所有過程均不接觸塑料制品。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理。采用Excel 2003 和DPS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.3 采樣及檢測

1.3.1 土壤與植株取樣方法。田間小區(qū)實驗取0～20 cm 耕層土壤樣品1 kg，植株樣品取地上部分。土壤樣品自然風(fēng)干，研磨前去除根系和雜質(zhì)，過100 目尼龍篩保存。植株樣品于105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干稱質(zhì)量粉碎。

盆栽實驗取下地上植株樣品后，將盆內(nèi)土壤全部倒出，挑出植株根系后將土壤均勻混合，采用四分法取1 kg 土樣。樣品處理同田間小區(qū)實驗。

1.3.2 DBP 和DEHP 檢測。

樣品提取:用分析天平稱取1.00 g 樣品，放入50 mL 的三角瓶中，加30 mL 正己烷，浸泡過夜。震蕩4 h，提取3 次，混合濾液轉(zhuǎn)入裝有100 mL 硫酸鈉溶液的500 mL 分液漏斗中，振蕩5 min 后，靜止30 min，充分分層，棄去水相。有機(jī)相過無水硫酸鈉，放入KD 瓶濃縮至1 mL。樣品凈化∶過活化的florisil柱。用丙酮∶正己烷(1∶9)做淋洗液淋洗。淋洗液轉(zhuǎn)入KD 瓶濃縮至1 mL。

采用氣相色譜測定，氣相色譜儀為Agilent 6890N，配置火焰離子化檢測器(FID) (Made in USA)，色譜柱采用DP－5 毛細(xì)管柱。氣相色譜分析條件:進(jìn)樣口溫度:300 ℃，分流進(jìn)樣;柱箱采用程序升溫方式升溫;檢測器溫度320 ℃，H2:40 mL·min－1，空氣:400 mL·min－1，N2:40 mL·min－1，分別測定DBP 和DEHP。

2 結(jié)果與分析

2.1 各生育時期不同地膜殘留量處理土壤中DBP 含量

圖1 中A、B 分別為盆栽和田間小區(qū)大豆各生育時期，不同地膜殘留量處理土壤中DBP 含量比較。各生育時期各處理土壤中DBP 含量在0.02 mg·kg－1～0.47 mg·kg－1，高倍地膜殘留量處理DBP 含量均高于低倍殘留量，差異達(dá)顯著水平，表明增加地膜殘留量土壤中DBP 含量有增加趨勢。與CK 相比，盆栽大豆播種后30 d 1 倍和3 倍地膜殘留量處理土壤中DBP 含量分別提高了1.75 和2.75 倍;大豆播種后60 d 土壤中DBP 含量分別提高了2.67 和4.00 倍;90 d 分別提高了6.18 和6.46 倍;120 d 分別提高了17.75 和19.67 倍。田間小區(qū)實驗大豆播種后30 d 1 倍和3 倍地膜殘留量土壤中DBP 含量分別提高了1.67 和2.13倍;60 d 土壤中DBP 含量分別提高了2.17 和2.84 倍;90 d 分別提高了3.43 和4.91 倍;120 d 分別提高了9.46 和14.92 倍。

隨著生育周期延長CK 處理土壤中DBP 含量顯著降低，資料顯示土壤中DBP 不易被降解［11－12］，表明大豆對DBP 有顯著吸收作用。1 倍和3 倍地膜殘留量處理盆栽和田間小區(qū)土壤中DBP 含量都隨著生育進(jìn)程而增加，其中盆栽實驗1 倍和3 倍地膜殘留量處理，土壤中DBP 含量分別從播種后30 d 的0.14 mg·kg－1和0.22 mg·kg－1增加到大豆播種后120 d 的0.42 mg·kg－1和0.47 mg·kg－1;田間小區(qū)實驗1倍和3 倍地膜殘留量處理，土壤中DBP 含量分別從播種后30 d 的0.13 mg·kg－1和0.17 mg·kg－1增加到大豆播種后120 d 的0.25 mg·kg－1和0.39 mg·kg－1。實驗結(jié)果表明地膜中DBP 是緩慢釋放的，釋放量逐漸增加，釋放速度大于作物的吸收速度。盆栽和小區(qū)實驗土壤中DBP 含量無顯著性差異。

圖1 大豆各生育時期各處理土壤中DBP 含量比較Fig.1 Comparison of DBP concentration of soil among three treatments in various growth stages of soybean

2.2 不同地膜殘留量處理土壤中DEHP 含量差異

圖2 中A、B 分別為盆栽和田間小區(qū)實驗大豆不同時期，不同地膜殘留量處理土壤中DEHP 含量比較。各生育時期各處理土壤中DEHP 含量在0.25 mg·kg－1～6.13 mg·kg－1，各個生育時期，高倍地膜殘留量土壤中DEHP 含量均高于低倍用量，差異達(dá)到顯著水平，表明增加地膜殘留量土壤中DEHP 含量也有增加趨勢。與CK 相比，盆栽大豆播種后30 d 1 倍和3 倍地膜殘留量土壤中DEHP 含量分別提高了5.56 和9.56 倍;60 d 分別提高了6.98 和11.93 倍;90 d 分別提高了11.76 和23.53 倍;大豆播種后120 d 分別提高了11.95 和22.03。田間小區(qū)實驗大豆播種后30 d 1 倍和3 倍地膜殘留量土壤中DEHP 含量分別提高了2.02 和6.48 倍;60 d 分別提高了2.91 和9.44 倍;90 d 分別提高了5.25 和18.86 倍;120 d 分別提高了5.78 和20.33 倍。

隨著生育進(jìn)程CK 處理土壤中DEHP 含量顯著降低，表明大豆對DEHP 也有顯著吸收作用。1 倍和3倍地膜殘留量處理盆栽和田間小區(qū)土壤中DEHP 含量都隨著生育周期延長而增加，其中盆栽實驗1 倍和3倍地膜殘留量處理，土壤中DEHP 含量分別從播種后30 d 的2.89 mg·kg－1和4.98 mg·kg－1增加到大豆播種后120 d 的3.32 mg·kg－1和6.13 mg·kg－1;田間小區(qū)實驗1 倍和3 倍地膜殘留量處理，土壤中DEHP 含量分別從播種后30 d 的1.04 mg·kg－1和3.35 mg·kg－1增加到大豆播種后120 d 的1.71 mg·kg－1和6.02 mg·kg－1。DEHP 實驗結(jié)果進(jìn)一步證明地膜中酞酸酯類化合物是緩慢釋放的，釋放量隨生育時期延長而增加，釋放速度大于作物的吸收速度。

土壤中DEHP 含量明顯高于DBP 含量這與地膜中兩種化合物含量高低有關(guān)。盆栽和小區(qū)實驗土壤中DBP 含量結(jié)果無顯著性差異。

圖2 大豆各生育時期各處理土壤中DEHP 含量比較Fig.2 Comparison of DEHP concentrations of soil among three treatments in various growth stages of soybean

2.3 不同地膜殘留量處理植株體內(nèi)DBP 和DEHP 含量

圖3 中A、B 分別為盆栽和田間小區(qū)實驗大豆不同生育時期，不同地膜殘留量處理植株體內(nèi)DBP 含量比較。整個生育期各處理大豆植株中都能檢測到DBP。各生育時期各處理植株體內(nèi)DBP 含量在0.19 mg·kg－1～0.90 mg·kg－1。盆栽實驗1 倍和3 倍地膜殘留量處理，植株中DBP 含量分別從播種后30 d 的0.32 mg·kg－1和0.43 mg·kg－1增加到大豆播種后120 d 的0.59 mg·kg－1和0.90 mg·kg－1;田間小區(qū)實驗1倍和3 倍地膜殘留量處理，植株中DBP 含量分別從播種后30 d 的0.39 mg·kg－1和0.68 mg·kg－1增加到大豆播種后120 d 的0.83 mg·kg－1和0.90 mg·kg－1。

各個生育時期，高倍地膜殘留量植株中DBP 含量均高于低倍用量，差異達(dá)顯著水平。與CK 相比，盆栽大豆播種后30 d 1 倍和3 倍地膜殘留量植株中DBP 含量分別提高了1.44 和1.95 倍;60 d 植株中DBP含量分別提高了1.07 和1.53 倍;90 d 分別提高了1.18 和2.04 倍;120 d 分別提高了1.14 和1.75 倍。田間對比實驗，大豆播種后30 d 1 倍和3 倍地膜殘留量植株中DBP 含量分別提高了1.98 和3.25 倍;60 d植株中DBP 含量分別提高了2.01 和2.34 倍;90 d 分別提高了2.03 和2.28 倍;120 d 分別提高了1.80 和1.96 倍。盆栽和小區(qū)實驗植株中DBP 含量無顯著性差異。盆栽和田間實驗大豆各生育時期各處理植株體內(nèi)均未檢測出DEHP。

圖3 大豆各生育時期各處理植株體內(nèi)DBP 含量比較Fig.3 Comparison of DBP concentration of plants among three treatments in growth stages of soybean

3 討 論

地膜殘留量對土壤和植株中酞酸酯類化合物含量影響較大，隨著地膜殘留量的增加土壤和植株中酞酸酯類化合物含量表現(xiàn)出明顯增加的趨勢，差異達(dá)顯著水平。隨著生育周期延長地膜中酞酸酯類化合物緩慢釋放，釋放量逐漸增加，釋放速度大于作物的吸收速度。盆栽和小區(qū)實驗所得結(jié)論相同。

連年使用的塑料地膜如不及時清除長期殘留在土壤中，將增加土壤中和植物體內(nèi)PAEs 的含量。在實際生產(chǎn)中應(yīng)通過適時揭膜、使用優(yōu)質(zhì)農(nóng)膜、采用機(jī)械清膜等方法減少農(nóng)田殘膜，鼓勵施有機(jī)肥，增加土壤對重金屬的吸附能力等減少農(nóng)田重金屬含量，實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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