植物铝毒害的产生及防治研究进展

植物铝毒害的产生及防治研究进展

韩官运1,邓先保2,蒋　诚2,辜夕容3

(11重庆市巫山县林业局,重庆巫山404700;21重庆缙云山国家级自然保护区,

重庆北碚400700;31西南大学资源环境学院,重庆北碚400716)

摘要:土壤中的活性铝积累到一定程度时,即对植物产生毒害。土壤酸化是引起活性铝浓度增加的主要原因。土壤的酸度、富铝化程度、阳离子交换量、有机质含量、微生物种群和数量等因素都会影响到土壤中活性铝的释放,而增加钙的供应、施入有机质、增施磷肥或硅酸、种植牧草和绿肥、接种菌根菌剂、选育和种植耐铝植物等可防治铝对植物的毒害。关键词:铝毒害;土壤酸化;菌根

中图分类号:S43213 文献标识码:A 文章编号:1002-7351(2007)02-0174-06

The research progress on the cause and control of Aluminum toxicity to plants

HAN G u an 2yun 1,DENG Xian 2b ao 2,JIANG Cheng 2,GU Xi 2rong 3

(1.Forestry Burea u of Wushan County ,Wushan ,Chongqing 404700,China ;

2.Administrative Burea u of J inyun Mountain National Nature Reserve ,Beibei ,Chongqing 400700,China ;

3.College of Natural Resources and Environment ,Southwest University ,Beibei ,Chongqing 400716,China )

Abstract :Active Aluminum accumulated to some extent in soil would be toxic to plant.S oil acidification was the major factor of in 2creasing the concentration of active Aluminum.The active Aluminum release could be affected by the factors of soil acidification ,accumulated Aluminum degree ,positive ion exchange capacity ,organism contents ,microorganism populations and quantity ,etc.Aluminum toxicity could be controlled by the supply of calcium ,organism ,phosphorus or silicic acid ,pasture and green manure ,inoculated mycorrhizal fungi ,breeding and Aluminum 2tolerance plants ,etc.

K ey w ords :Aluminum toxicity ;soil acidification ;mycorrhiza

铝广泛而大量地存在于自然界,在地壳中的含量仅次于氧和硅,约占地壳重量的711%。岩石含铝量为412～100g ・kg -1,各类岩石含铝量因种类不同而异,如火成岩含铝量超过80g ・kg -1,页岩80g ・kg -1,砂岩25g ・kg -1,而石灰岩一般只有412g ・kg -1[1]。在岩石风化成土过程中,原生矿物风化释放出铝,形成次生矿物,如次生铝硅酸盐—高岭石、蒙脱石、伊利石和蛭石等,以及其它铝的次生矿物。在原生矿物和次生矿物中铝以铝氧八面体存在。在土壤风化过程中,由于硅比铝更容易迁移,因此常可以形成富铝化土壤,表现出比其母质高的土壤含铝量,如砖红壤的铝含量为290g ・kg -1,赤红壤为265g ・kg -1,红壤为200g ・kg -1[2]。土壤中的含铝矿物有长石类、层状硅酸盐、链状硅酸盐以及铝的氢氧化物和偏氧化物。在水合H +作用下,含铝矿物酸解,释放出铝进入土壤溶液中。

一般情况下,土壤中的铝无毒性,但环境条件改变可引起铝活化。当活化的铝积累到一定程度时即对植物产生毒害。野外调查表明(国家林业局,2003),铝毒害使马尾松和冷杉等林木成片衰亡,给我国带来巨大损失,仅南方11省直接损失就达44亿元,由于森林的生态价值是其经济价值的4～8倍,因此,其间接损失更是无法估计。更甚的是,从现有资料看,铝毒害面积目前还有扩大的趋势[3]。为此,弄清土壤铝产生毒害的原因,探索防治铝毒害的途径,对提高我国农林业生产的产量和质量显得尤为迫切和必要。1　铝的毒性形态

铝在土壤溶液中主要存在以下几种形态:①沉淀态铝;②聚合态铝[如AlC 4Al 12(OH )24(H 2O )127+];　收稿日期:2006-11-09;修回日期:2007-01-15

　基金项目:西南大学博士基金(2005博01)资助

　作者简介:韩官运(1967-),男,重庆巫山人,重庆市巫山县林业局工程师,从事森林培育工作。

第34卷第2期

2007年6月福建林业科技Jour of Fujian Forestry Sci and Tech

Vol 134　No 12J un 1,2007

③低分子量和高分子量的有机复合态铝(如柠檬酸铝、胡敏酸铝);④无机复合态铝(如AlSO +4、AlF 3);⑤无机铝单体[Al 3+、Al (OH )2+及Al (OH )+2]。土壤静电吸附的交换性铝的主要形态是无机铝单体。

通常条件下土壤中的铝为土壤吸持或与磷酸结合而固定,可溶性铝一般不到1mg ・kg -1[1]。只有当p H 值降低到515以下时,土壤溶液中的可溶性铝才急剧增加,即土壤酸性的强弱决定土壤吸附态铝的形态和数量。当土壤p H 值为218～412时,Al 3+与水发生如下可逆反应:AlO -OH +3H +[Al 3++2H 2O [4],这导致了酸化土壤中的铝主要以Al 3+、Al (OH )2+、Al (OH )+2的无机形态存在。但若土壤中存在

F -、SO 2-4

等阴离子,则它们会络合Al 3+形成Al -F 、Al -SO 4,除这些无机阴离子外,许多天然的有机配位体如腐殖酸、多酚类也具有络合土壤中铝的作用。除无机单体形态铝外,其它形态铝无毒性或毒性很小。

在无机单体形态铝中哪种对植物的毒性更强,目前的研究结果还存在较大分歧。不过大多数研究者都认为[5-9],单体形态Al 3+比聚合羟基形态铝毒性大。溶液里的核磁共振分析也证明,毒性铝形态是Al 3+[10]。但也有认为铝的水解产物比Al 3+更有毒[4]。也有认为具有高正电荷的氢氧化铝多核复合物Al 13比单价低电荷铝毒性更强[11]。除此外,Alva 等(1986)[3]认为单子叶植物对Al 3+更敏感,而Al (OH )2+和Al (OH )+2对双子叶植物的毒性更大。

2　铝毒阈值

一般情况下,土壤中的铝对植物没有毒性,而且在低浓度时还对植物生长有促进作用[5,12]。只有在土壤中毒性形态的铝达到一定浓度时,它才表现出毒性。一般在土壤中单体铝浓度达到0104～0115mmol ・L -1时,许多植物的生长受到影响。

对不同的植物种类,铝表现毒性的浓度有差异,也即不同植物对铝的耐受程度不一样。如高粱(Sorghum v ul gare Pers 1)在0107mmol ・L -1,红三叶草(T rrif oli um pratense L 1)在0104mmol ・L -1,大豆(Glyci ne m ax (L 1)Merr 1)在0118mmol ・L -1时根系生长明显减弱,而小麦(T riticum aestiv nm L 1)和大麦(Hordeum v ul gare L 1)的耐铝品种在0137mmol ・L -1铝时才发生铝毒害[13];红云杉(Picea rubens )的生物量在铝浓度为0120～0125mmol ・L -1时降低显著[14];美国皂荚(Gleditsia t riacanthos )与火炬松(Pi nus taeda )分别在铝为0115mmol ・L -1和115mmol ・

L -1时生长即受抑制[15];美国五针松(Pi nus st robes )在铝浓度为019mmol ・L -1时就致死[10];使马尾松(Pi nus m assoniana Lamb 1)受害的铝阈值浓度小于0115mmol ・L -1,大于110mmol ・L -1的铝浓度严重危害其生长[5]。杂交杨(Popul us hybri d )和牛奶子(Elaeag 2nus um bellata )对低铝(0137mmol ・L -1)非常敏感,而加拿大黄桦(Bet ula alleghaniensis )、纸桦(Bet ula pa 2pyrif era )、白桦(Bet ula populif olia )、松树(Pi nus spp 1)和栎树(Q uercus spp 1)在高铝(2196～5193mmol ・L -1)时也能忍耐[16]。生长速率永久性降低的铝浓度欧洲云杉(Picea abies )为015～110mmol ・L -1,欧洲白桦(Bet ula pendula )为110～310mmol ・L -1,长白松(Pi nus sylvest ris )为310～510mmol ・L -1;使植物致死的铝浓度欧洲云杉(Picea abies )为610～10mmol ・L -1,欧洲白桦(Bet ula pendula )为10～12mmol ・L -1,长白松(Pi nus sylvest ris )为25～30mmol ・L -1[17]。

据研究,正常情况下,土壤溶液中铝浓度常在011mmol ・L -1左右,而干土中铝浓度最高值在0166～1101mmol ・L -1之间[18]。土壤溶液中铝浓度几乎都没超过015mmol ・L -1[16]。因此,一般而言,土壤中含有的活性铝还不能对植物的生长构成严重危害,但若环境中某些条件发生改变,则可能引起土壤活性铝增加到超出铝毒害阈值,从而使植物生长衰退甚至死亡。

3　影响土壤活性铝释放的因素

铝可以通过化学的和生物化学的风化过程从矿物中释放到土壤溶液和水体环境中。促进矿物释放铝的机理主要是H +对矿物的攻击和分解。而H +的来源有[28]:①酸雨;②三废排放中的酸类物质;③植物根系呼吸释放CO 2,产生碳酸,解离离子;④微生物代谢释放质子;⑤生物腐化的分解物质释放质子;⑥硫铁矿和硫磺的氧化产生硫酸解离质子;⑦酸性肥料转化释放质子。由此,土壤中活性铝释放量的多少取决于诸多因素。

・571・第2期韩官运,等:植物铝毒害的产生及防治研究进展