| 单词 | 土壤中的钴及其对植物的影响 |
| 释义 | 【土壤中的钴及其对植物的影响】 钴是周期表中八副族(VⅢB)的过渡元素，常见的氧化态为+2、+3价，并可形成复合阴离子Co(OH)3－；常见的盐类有CoSL4·7H2O，CoCL2·6H2O等；其主要矿石有硫钴矿(Co3S4)、辉砷钴矿(CoAsS)、砷钴矿(CoAs3－2等。现已发现钴具有生物活性，这和它是很好的配位化合物形成体密切相关的。 钴广泛存在于岩石、土壤、水及动植物体中。20世纪20年代初，人们对钴在动植物体生长发育中的作用开始进行研究，50年代初期才开始研究其在植物营养中的作用。土壤中的钴1．土壤钴的来源。土壤中的钴主要来源于各种岩石，其含量随岩石性质而变化。钴在地壳及岩石圈内平均含量分别为40和30μg／g左右，在陆地和海洋沉积物内的含量随地壳内的平均含量而上下变动，总平均为10μg／g，与土壤钴的平均含量相符合。2．不同土壤中钴的全量及其有效性。(1)土壤钴的全量。Kabata-Pendias提出土壤钴的全量变化很大，一般为1～40μg／g，多数为3～15μg／g，世界土壤含钴平均值是8．5μg／g。Vinogradov等分别提出其平均值为8，15和10μg／g。土壤全钴量一方面与其母岩含钴量有关。另一方面也与土壤类型有关，Aubert等总结土壤全钴含量时指出：含钴最丰富的土壤是腐殖质含量最高的土壤及微碱性土壤。另外，全钴含量的变动逐与宏观地理带有关，因土壤特性与气候条件有关。如温带和寒温带地区的土壤全钴量为0．05～200μg／g；干旱和半干旱地区的土壤全钴量高于温带和寒温带地区的土壤，为3～300μg／g；热带湿润地区的土壤全钴量则接近于温带和寒温带地区的土壤全钴量。(2)有效态钴的含量。土壤的有效态钴含量是指能被植物吸收和利用的钴的含量。不同土壤、不同环境条件及不同的浸提方法所得的土壤有效钴含量不同。土壤有效钴一般有2．5%HOAc；0．05molEDTA；1mol NH4OAc；0．1mol HCL等浸提剂提取。一般为0．05～1μg／g。(3)影响土壤钴有效性的因素。成土母质：何电源等人研究指出，稀酸溶性钴的含量与土壤成土母质中钴的含量呈显著相关，酸性母质上发育的土壤含稀酸溶性钴都较低，一般为0．14～1．4μg／g，玄武岩母质上发育的土壤含稀酸溶性钴较高，一般为0．5～6．6μg／g。土壤质地：质地粗的土壤一般缺钴。沈碧贞等测定了中国不同质地的近代河流冲积物土壤表层元素含量，得出砂质、壤质和粘质的土壤钴含量分别为8．4，9．3和12．9μg／g。影响土壤钴有效性的自然因素还有土壤的类型、土壤的成土过程H+浓度、氧化还原电位、土壤含水量等。土壤有效钴含量与土壤含水量的关系尚无确切结论。此外，浸提剂也有影响，Alban用4种酸［2．5%HOAc(H+浓度3．16mmol／1)，1molNH4OAc(H+浓度100nmol／1)，40%柠檬酸胺(H+浓度3．16nmol／l)，0．1mol HCl］加双硫腙进行试验，发现强酸性土壤用HOAc较用其他3种浸提剂能提出更多的钴，证实了Brady的结果；用柠檬酸胺对石灰性土壤进行提取，钴含量较高；而用2．5%HOAc对酸性土壤提取的钴较多。3．土壤中钴的迁移。土壤中诸多因素阻碍了钴的迁移。首先是铁、锰氧化物对钴的吸附。Kubota曾提出土壤全钴量随全铁量的增加而增加。然而，在风化过程中，钴的迁移转化及钴在沉积岩和土壤剖面中的分布均决定于MnO形态。在不同的H+浓度下，锰的氧化物晶体对钴的吸附机制是明显不同的，对钴的吸附量随H+浓度的下降而明显增加。其次，钴还经常与镍矿伴生以及以硫化物形式浓集于富含有机质的腐泥中，从而降低钴的活性。另外，某些植物从土壤胶体中吸收钴的顺序是：伊利石＞高岭土＞沉积泥炭土＞蒙脱石。这些土壤胶体吸附钴的顺序是：蒙脱石＞沉积泥炭土＞高岭土＞伊利石；吸附在蒙脱石上的钴可以被其它重金属，如铜所取代，但不能被钙、镁等离子取代；与钾、钙、镁相比，钴被粘粒吸附较牢固。Spencer等通过阳离子交换反应证明了钴在土壤中是以单位羟基钴离子(CoOH+)和二价钴离子Co2+形式被吸附在交换物上。4．土壤中钴的缺乏和过量。土壤中有效态钴不足，易导致所生长的植物含钴量低，从而引起牲畜缺锲症。近期，中国也发现了牛羊因缺钴而患缺钴症。已有报告提出土壤全钴量低于2～5μg／g即难以供给植物以动物所必需的钴，而美国有学者认为，对植物有效的钴含量应不低于0．02μg／g。国际粮农组织最新提出，下列土壤对植物有效的钴一般较低，可能出现缺钴：(1)H+浓度接近中性或碱性的土壤；(2)过渡淋溶的土壤；(3)自酸性火山岩形成的土壤；(4)全钴含量低于5μg／g的土壤。对于钴过量及其所造成的毒害等方面资料较少。含钴很高的土壤一方面与特殊的富集有关，如蛇纹岩上发育的土壤含钴可在这520μg／g；澳大利亚的铁铝土含钴达122μg／g；中非共和国的变性土含钴达300μg／g；发育于铁镁质岩石上的土壤含钴也很高。另有报导提出，钴矿区的土壤含钴可达800～1000μg／g。另一方面，土壤含钴高又与污染有关。如在许多国家中由于金属加工工业的污染而使表土的钴含量升高，加拿大为10～127μg／g，联邦德国18μg／g，挪威20～70μg／g，美国42～154μg／g。有资料表明，用过量的钴可使棉花产生中毒现象。Wallace指出，以可导致中毒量的硫酸钴置于盆钵中央与均匀混合于土壤中的相比较，前者未使谷物中毒，而后者易使幼苗中的钴浓度偏高。导致植物体内锌、磷含量及植物产量下降。如果过量微量元素不均匀分布于土壤中，则部分土壤可以免遭“污染”，而使植物不中毒。Wallace等人还就钴与锌、镉、镍在过量水平下的相互作用进行了研究，指出钴与其它微量元素在过量情况下发生协同作用是很普遍的。植物中的钴1．植物中钴的含量。用植物含钴量评价某一地区环境中的钴要比用土壤含钴量来评价更有价值。植物平均含钴为0．2μg／g(DW)，而不同种类植物的含钴量不同：陆生植物为0．1μg／g(DW)，海生植物为0．25μg／g(AW)，双子叶植物为0．18μg／g(DW)，草本植物为0．19μg／g(DW)，饲料植物为0．09μg／g(DW)。饲料含钴量也因饲料种类不同而异，一般而言，豆科植物含钴量高于禾本科植物，杂草类的含钴量居中。因此，在草地上间种豆科植物可以提高饲料含钴量，使混播牧草的平均含钴量达到0．11μg／g，可以防止动物的缺钴症。2．钴对植物的作用。钴参与酶的组成。微量元素金属酶分为2类：一类对金属具有明显特异性，金属和蛋白质牢固结合，不能分开；另一类对金属的特异性不明显，金属易与蛋白质分离，在活泼的络合物中。该金属可被其他金属替代。含钴金属酶均属第2类。VB12是钴胜(缩氨酸)络合物，钴是合成VB12的主要成分。对植物中的VB12虽研究很少，但已知VB12参与蛋氨酸、丝氨酸、嘌呤、嘧啶及其衍生物的合成，参与对氨基苯甲酸和叶酸的利用。另外，钴还是很多酶的活化剂。钴可以改变植物体内营养物质的含量，促进植物离体部分的生长过程。Co2+表现有促进生长素和细胞分裂素形成及抑制乙烯的产生的作用。生长素和细胞分裂素能刺激植物组织产生乙烯，所产生的乙烯反过来又阻断生长素和细胞分裂素的作用，而Co2+控制这一反馈系统。钴能使植物增产，且后效相当明显。Bolle-Jones等人曾证明少量的钴即可显著加速橡树和蕃茄的生长及增加干重；瓦热宁等人发现在生草灰化土上施钴可使马铃薯增产；Mamedov用0．025%Co(NO3)2浸种，加速了棉花生长，增加了棉铃数，产量提高9%～21%。钴对植物繁殖器官的作用比营养器官大。钴还能提高植物的耐旱性、对多种病害的免疫性及抗高、低温的能力。钴对植物固氮具促进作用。1954年O．Holm-Hansen等人就已证明钴是蓝绿藻生长的必需元素，同时，还证明VB12可代替钴起同样作用。1959年，Ahmed等证明了钴是大豆植物在共生条件下生长的一个必需元素。Lowe等证明了钴是根瘤菌所必需的，且不能为其它元素所代替；1960～1961年，许多学者都从不同角度证明了钴能仲进固氮作用。Wilson等发现含0．01μg／g钴的营养液就足够紫花苜蓿生长用Ozanne等进一步在田间做试验以获得地三叶草对钴的需求量，他们发现在高氮存在时，用钴无效，且具有中毒现象；而在低氮情况下，施钴使干物量增加约30%。3．植物中钴的缺乏。对植物缺钴的研究主要是从反刍动物的营养需求而进行的，反刍动物饲料中的临界钴含量约为0．08～0．1μg／g(DW)，而大多数植物的干物质含钴量低于1μg／g。1988年，国际粮农组织规定，以牧草干物质为基础，饲料中钴的阈值为0．08μg／g，并就植物缺钴得出：典型缺钴症状表现为植物生长受抑制、失绿，特别是幼嫩叶片的绿色消褪。钴肥 牲畜的缺钴可通过加钴制剂于饲料中以补充钴的不足，也可以通过施钴肥以增加饲料作物的含钴量。在未证实钴是植物的必需元素时，施钴的目的在于增加饲料钴含量。50年代后期的研究证明了钴对农作物有增产作用。因此，有人提出，当牧草本身缺钴而又影响产量时，对牧草施钴就更为有效。随着钴的功能的不断发现，钴肥的生产与施用也日益增加。一般矿肥仅含少量的钴，不能依靠它来补充土壤缺钴，氮肥和钾肥含钴都在0～1μg／g，比磷肥(0～5μg／g)要低。农家肥含钴约0．2～0．6μg／g(DW)，而新鲜液体农家肥含钴约0．001～0．02μg／g。硫酸钴和氯化钴都可用作钴肥，最好用于种子处理。钴还存在于镍矿和砷钴矿内，农业上所供应的钴有一部分就是镍矿渣和黄铁矿渣加工后制成的盐类。另一些工业废弃物中亦含有钴，如锰矿渣、硫铁矿渣等都可用作钴肥或制造钴肥的原料，还有蛇纹石粉和含钴石灰岩。施钴肥可采用3种方法：土施、喷施及种子处理。土施钴肥需在播种前或植物移栽前施于土中。3种方法可配合作用，因为植物可能有一个或几个需钴时期。Russiter等人曾报告施钴肥的残效。Adams等的实验表明，在腐殖灰壤上施钴的有效期可维持2年，而在其它土壤上其后效仅有1年，草原土和红壤施钴的效果最低。国际粮农组织提出在牧场撒施钴，施量为0．06～0．24kg钴／公顷，施用1次可维持1～5年。地表施钴肥的效果及施钴肥的数量和次数均决定于土壤的缺钴程度、土壤类型及作物栽培的技术措施，特别是与其它肥料的相互关系。在强碱性土壤及高锰土壤上施钴都是无效的，其上植物对钴的摄入量太低。另经查明，磷肥能提高植物中钴的含量，故Snook主张在缺钴区施用富钴的过磷酸盐(0．2kg／hm2)；英、澳、新西兰等国通常用硫酸钴与过磷酸钙混合制成钴肥。施钴肥不可过量，以免中毒。不同的土壤，钴的全量变化很大，但对植物有效的钴的含量常常是不足的。土壤中有效钴含量受多方面因素的影响，最主要的因素是母岩。由于钴对植物的生长发育具有促进作用，且又能增加植物中钴的含量以防止动物患缺钴症，故研究土壤及植物中的钴和钴肥有重要意义。虽然国内外学者对钴进行了大量研究，但仍有许多问题尚需深入研究：(1)应研究复杂的生物地球化学条件，建立系统的资料体系，包括不同类型土壤及植物的钴水平，钴的施用量及施用方法。(2)研究钴促进作物生长、提高产量的生理机制。(3)研究钴提高植物抗旱性及抗病的免疫性机理。(4)研究钴积累植物的生理机能及生物指示作用。(5)进一步探索钴促进豆科作物共生固氮的机制，利用提高固氮率而使豆科作物增产。近年来，开拓非豆科作物固氮能力的研究日益受到国内外的重视，在打破豆科寄主专一性，用人工诱导根瘤进入非豆科作物的情况下，钴是否仍起作用，其有效程度和机制如何，均有待进一步研究。(中科院生态环境研究中心刘雪华撰) |
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