在目前对环境重金属污染防治研究中，针对土壤酸化对土壤中重金属的生物有效性影响的研究相对较少。而近20多年来，由于人为活动的影响，土壤的酸化进程大大加快^[1]，其中工业废水、酸沉降和不当的农田施肥措施是土壤酸化加快的主要原因^[2]。随着工业的快速发展，我国南方地区酸沉降污染相当严重，我国已是继欧洲、北美之后，在世界上出现的第三大酸雨区，以湖南、江西和贵州部分地区为代表的华中酸雨区现已成为我国酸雨污染最严重的地区。目前，年平均降水pH值低于5.6的酸雨覆盖面积已占我国国土面积的40％左右^{[3, 4]}。土壤酸化程度的加剧，致使土壤中铝离子和重金属离子活化度不断提高，土壤中活性重金属离子含量的增加，致使重金属进入土壤-植物的食物链进而产生危害的风险增大^{[5, 6]}。此外，活性重金属离子浓度的增加还可能随土壤水下渗而使地下水源遭受污染。

随着工业“三废”、城市垃圾等随意排放以及含铜杀菌剂、杀虫剂、化肥等不合理使用，使得土壤铜污染日益严重^{[7, 8]}。据环保部最新统计显示，我国土壤Cu污染点位超标率为2.1%^[9]。土壤Cu含量超标不仅对作物产生毒害，也对人体健康构成威胁。本文采用人工模拟工业废水（硫酸直接酸化）、施肥（硫酸铵酸化）和人工模拟酸雨三种不同土壤酸化过程，研究不同酸化后土壤中Cu的形态和植物有效性变化，Cu的有效形态变化与植物Cu吸收间的相关关系，探明不同酸化措施对土壤中重金属形态及有效性变化的影响。

供试土壤样品采自于山东寿光有机肥处理的菜园土和湖北某冶炼厂周边铜污染土壤，用五点取样法采集表层（0～20 cm）土壤，风干，全部过2 mm尼龙筛备用。取部分土样过0.25 mm尼龙筛，用于土壤基本理化性质和全Cu浓度的测定（表 1）。土壤理化性质测定参照常规分析法^[10]。

表 1 供试土壤的基本理化性质 Table 1 Chemical and physical properties of tested soils

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供试植物为芥蓝（Brassica oleracea L.），十字花科芸苔属甘蓝类蔬菜，芥蓝种子购于北京市特种蔬菜种苗公司。

上述土壤采用三种不同方式进行酸化处理：直接酸化（硫酸、T1）、模拟施肥（硫酸铵酸化、T2）和模拟人工酸雨（T3）。根据预实验结果得出的不同酸化措施中土壤pH下降的线性关系：Y_pH=aX+b（Y为需要调节土壤的pH值，X为不同酸化措施所需要添加酸化物质量，mmol）。向土壤中分别添加0.05 mol·L^-1硫酸溶液（T1）、硫酸铵（T2）、模拟酸雨（T3）进行酸化，人工模拟酸雨按照文献方法配制稀酸溶液^[9]：n（CaSO₄）∶n[（NH₄）2SO₄]∶n（MgSO₄）∶n（NaNO₃）∶n（NH₄Cl）∶n（NaCl）∶n（KCl）=33∶22∶5∶15∶15∶6∶8（pH约为6.05），用n（SO₂-4）∶n（NO₃^-）= 4∶1的酸溶液和去离子水调节溶液pH为3.0。每种土壤设计5个酸化水平，黄棕壤pH设置为7.1、6.8、6.5、6.3、5.9，潮土pH设置为6.9、6.6、6.3、6.0、5.7。为了防止由于土壤缓冲性能对土壤设置pH的影响，不同酸化土壤需平衡6个月，其间测定土壤pH，直至土壤pH稳定在上述水平。 试验用10 cm×7 cm塑料盆，每盆装过2 mm尼龙筛的风干土300 g，3次重复。播种后，每盆定苗3株，30 d后收获，试验在中国农业科学院日光温室内进行，试验温室温度控制在（25±2）℃，日照时间与自然日照时间一致。

收获后的盆栽土壤经风干后，过0.25 mm尼龙筛。土壤中Cu的形态测定采用改进的Tessier连续提取法测定^[11]。用国家标准物质[GBW-07403（GSS-3）和GBW-07405（GSS-5）]进行测定结果校正，土壤中Cu全量的回收率范围为100%±12%。

所有试验数据采用Excel2010和SPSS18.0分析，采用Duncan法进行不同处理间的显著性（P<0.05）方差分析。利用OriginPro8.5作图。

表 2是不同酸化处理土壤中芥蓝地上部分生物量变化情况。总体而言，在两种不同性质土壤中，随着土壤的酸化，植物的地上部生物量呈现下降趋势。在pH=5.7潮土中，三种不同酸化措施芥蓝生物量降低31.9%～34.5%，不同酸化措施间的影响差异并不明显。在pH=5.9湖北的黄棕壤中，三种不同酸化措施芥蓝生物量降低47.6%～52.4%。相比而言，在潮土中，土壤酸化对芥蓝地上部生物量的影响较小，而在黄棕壤中生物量变化较为显著。这可能与黄棕壤中Cu的植物毒性有关，黄棕壤中Cu含量远超过我国土壤环境二级标准值，植物生物量显著降低可能与土壤酸化导致Cu植物毒害有关。

表 2 不同酸化条件下的芥蓝生物量（g·盆^-1，干重） Table 2 Kale biomass in different acidification treatments（g·pot^-1）

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两种不同土壤中不同酸化处理后芥蓝茎叶中Cu的含量见图 1。在不同的酸化处理后，随着土壤pH的降低，芥蓝植株内的Cu浓度呈增加趋势，尤其在潮土中。潮土中芥蓝地上部Cu浓度为10.52～17.02 mg·kg^-1，最大增加61.8%；黄棕壤中芥蓝地上部Cu浓度范围为70.68～106.14 mg·kg^-1，最大增加50.2%。这主要是随着土壤pH的降低，土壤中Cu的有效态含量增加引起的。在两种不同土壤中，即使在相同pH条件下，不同土壤酸化处理对芥蓝植株吸收Cu也存在显著差异。总体而言，在相同pH条件下，不同酸化措施的芥蓝茎叶中Cu含量最大的为模拟人工酸雨（T3），其次为模拟施肥（T2）和直接酸化（T1）。在不同酸化处理的相同pH条件下，山东潮土芥蓝地上部的Cu浓度差异变化范围为11.80%～31.30%，如在pH5.7时，T3处理下芥蓝地上部Cu浓度是T1处理下的1.31倍，是T2处理下的1.22倍；在湖北黄棕壤中，不同酸化处理的相同pH条件下芥蓝地上部的Cu浓度差异变化范围为4.49%~24.92%。

相同酸化处理中，不同小写字母表示在0.05水平下差异显著。下同 Different lowercase letters over the same type of columns indicate significant differences（P<0.05）. The same below 图 1 不同pH酸化处理后芥蓝植株内的Cu含量 Figure 1 Copper concentrations in shoot of Brassica oleracea L. in different acidification treatments

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土壤中重金属的含量、形态、有效性、植物的种类、环境条件等因子影响着植物对重金属的吸收和积累^{[12, 13, 14, 15]}。土壤中重金属的含量水平是影响植物体内重金属含量的重要因子，而在土壤重金属含量相同的条件下，同一植物在不同土壤中重金属的含量也存在差异。这是由于土壤的理化性质不同，使土壤中重金属的形态分布不同，从而造成土壤中重金属的有效性存在较大差异。研究表明，土壤pH值、有机质含量、阳离子交换量、粘粒含量等是影响Cu在土壤中有效性的主要因子，其中pH值是主要影响因子^{[16, 17, 18, 19]}。

重金属对植物的毒害程度不仅与其重金属的数量有关，而且与重金属的赋存形态有关。土壤中重金属易被粘土矿物、铁锰氧化物吸附或以沉淀化合物等形式存在，而pH值影响土壤重金属的有效性，降低土壤pH可以增加土壤重金属的有效性^[20]。从图 2中可以看出，不同酸化处理土壤中，交换态Cu含量随着土壤pH值的降低而显著增加（P<0.05）。潮土中，随着pH降低，交换态铜含量最大增加10.7%，增加了451.5%；在黄棕壤中，随着不同酸化土壤中pH的降低，土壤中可交换态Cu含量从2.33%增加到12.07%，增加了418.0%，可见，在不同土壤中，土壤pH的变化均可显著影响可交换态Cu含量的变化，并随pH的降低可交换态Cu含量增加。从图 2中可见，在不同土壤中，在相同pH条件下，土壤中Cu有效态含量的变化趋势总体为T3>T2>T1，可见酸雨较其他土壤酸化方式更能促进土壤中可交换态Cu含量的增加。

图 2 不同酸化处理土壤中可交换态Cu含量 Figure 2 Exchangeable Cu content in different acidification treatments

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芥蓝植株体内的Cu浓度不仅与土壤中Cu的总浓度有关，而且也与土壤中Cu的赋存形态有直接关系。植物一般直接吸收的Cu是土壤溶液中可溶态的Cu。通过SPSS相关分析得到土壤中交换态Cu浓度与芥蓝植株内Cu浓度之间的Pearson相关系数见表 3。芥蓝植株内的Cu浓度与土壤pH呈显著的负相关关系，相关系数达-0.878以上，与交换态Cu相关系数达到0.800以上，与碳酸盐结合态Cu的相关系数也在-0.753以上，可见植株对土壤Cu的吸收与土壤pH、Cu的形态有显著的相关性。这也可能由于土壤pH的降低促进了土壤中碳酸盐态Cu的降低，增加了交换态Cu的含量，从而使芥蓝植株内的Cu浓度随pH的降低和交换态Cu浓度的增加而增加（表 4）。

表 3 芥蓝植株Cu含量与土壤pH和不同形态含量间的相关关系（n=15） Table 3 Correlations between Cu concentrations of Brassica oleracea L. and soil pH or Cu forms（n=15）

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表 4 交换态Cu与土壤pH和土壤Cu形态间的相关关系（n=15） Table 4 Correlations between exchangeable Cu form and soil pH or other Cu forms（n=15）

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表 5列出了芥蓝植株地上部Cu含量与可交换态Cu、土壤可交换态Cu与土壤pH值间的相关关系，可见，土壤中Cu的有效性与可交换态Cu之间具有明显正相关关系，而土壤酸化引起的pH下降导致了土壤中可交换态Cu的显著增加。芥蓝植株地上部Cu浓度和土壤中交换态Cu浓度具有较好的相关关系，通过SPSS线性回归分析，得到土壤中交换态Cu与芥蓝植株地上部Cu浓度及交换态Cu与土壤pH的线性关系（表 5）。在两种不同土壤中，三种酸化措施处理芥蓝植株地上部Cu浓度与交换态Cu的决定系数（R2）为0.763、0.845、0.907。同时，土壤交换态Cu的含量与土壤pH值的相关系数也达到了0.884以上，说明土壤pH的降低引起了土壤交换态Cu的增加，进而导致芥蓝植株地上部Cu含量增加。从表 5中也发现，在三种不同酸化处理土壤中，降低相同pH条件下，T3处理土壤中可交换态Cu的释放效果要大于T2和T1处理，说明酸雨酸化导致的土壤酸化对土壤中Cu的生态风险比其他两种处理更严重。土壤酸化将会导致土壤酸度的下降、元素的淋失等，使土壤贫瘠化，同时还会使土壤中稳定态重金属活化，增强了重金属的生物有效性，进而增加了土壤重金属的危害性。本试验结果表明，随着土壤pH的降低，芥蓝的生物量显著减少，同时芥蓝植株地上部Cu浓度逐渐增加。这和成杰民等^[8]和Spurgeon等^[14]的研究结果相似。土壤pH降低，则土壤H⁺含量增加，H⁺开始交换吸附性的Cu²⁺，使土壤溶液中的Cu²⁺浓度增加，进而增强了Cu的毒性。徐莉等^[15]研究也发现，土壤pH降低，可以使土壤重金属的活性提高，Cu的0.1 mol·L^-1HCl提取率达到了50.8%。可见，土壤pH的变化对土壤重金属的活性变化有显著的作用。

表 5 芥蓝植株地上部Cu含量与可交换态Cu及可交换态Cu与土壤pH值间的相关分析 Table 5 Regression between plant Cu concentrations and exchangeable Cu and between exchangeable Cu and soil pH

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土壤酸化会加速土壤盐基阳离子的淋失和物理结构的破坏^[21]，使得铁离子、铝离子等活化及土壤中重金属释放，从而增加重金属的生物有效性^{[22, 23, 24]}。有研究表明，表层土壤长期酸化可以使土壤的阳离子交换量（CEC）显著减小。这是由于土壤酸化使得土壤2∶1型粘土矿物质量分数减少而1∶1型粘土矿物高岭石质量分数增加导致的，或是因土壤酸化中形成的无定型羟基铝覆盖在粘土矿物表面而掩盖了部分土壤永久负电荷^{[25, 26, 27]}。CEC的减少也削弱了土壤对土壤中Cu的吸附固定，进而加重了Cu的毒害。徐明岗等^[23]研究也发现，随pH升高Cu²⁺的吸附量降低，Cu²⁺分配系数的对数则与pH呈极显著正相关关系；研究结果还表明，砖红壤和黄棕壤对Cu²⁺的吸附以专性吸附为主，且砖红壤吸附一个Cu²⁺释放H⁺平均数为1.19，说明随着pH升高，H⁺与Cu²⁺竞争吸附位点越激烈，Cu²⁺则会在土壤溶液中逐渐增多，从而使Cu毒害加重。王存龙等^[24]研究表明，土壤pH较低时，土壤中存在较高浓度的H⁺会与土壤溶液中的重金属阳离子发生竞争吸附关系，使得土壤中粘土矿物对重金属的吸附能力降低，从而增加了土壤溶液中的重金属浓度；随着pH的升高，H⁺浓度降低，土壤中的粘土矿物对重金属元素的吸附能力加强，从而降低了土壤溶液中的水溶态重金属含量；当pH继续升高，则重金属元素就与氢氧根等结合形成难溶的氢氧化物或与粘土矿物共沉淀，从而使重金属毒性降低。

土壤重金属活化能力不仅和土壤中重金属的总量相关，而且和土壤中重金属的赋存形态及土壤的物理化学性质相关^{[28, 29]}。土壤酸化不仅会破坏土壤结构，使土壤板结，更重要的是有利于土壤中的重金属向水溶态、交换态转化^[21]。在本研究中也发现了随着土壤pH的降低，土壤中交换态Cu的浓度增加，潮土交换态Cu由2.37%增加到13.07%，黄棕壤交换态Cu所占比例由2.33%增加到12.06%。相关分析表明芥蓝植株内Cu浓度和土壤中交换态Cu、碳酸盐结合态Cu呈极显著的相关关系，与交换态Cu相关系数达到0.763以上，而交换态Cu含量与土壤pH的相关系数也在-0.884以上。可见，pH值对土壤中Cu的形态变化有显著影响。黄游等^[27]在研究中也发现，随土壤pH的下降，土壤中交换态重金属显著增加，而碳酸盐结合态重金属逐渐下降，随酸雨的进入，土壤中H⁺增加，以碳酸盐结合态存在的重金属向交换态转化，而当pH值升高时，交换态的重金属离子会再次和CO2-3、HCO-3结合，使碳酸盐结合态重金属含量增加。酸雨对土壤中Cu形态的影响主要是交换态和碳酸盐结合态，只有在强酸性条件下才会影响到铁锰氧化物结合态，研究发现黑麦草吸收Cu的量分别与土壤中Cu的有效态和交换态呈显著和极显著的正相关关系。这与本研究中得出的芥蓝植株内Cu浓度与土壤交换态Cu呈显著正相关的结论一致。

本研究发现，经酸雨处理后的土壤中Cu的毒害作用要高于施用硫酸铵和硫酸处理。这可能是由于酸雨中存在大量阳离子，如Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、NH⁺4等，这些阳离子会与Cu²⁺竞争土壤中的吸附位点，减少土壤对Cu²⁺的吸附能力，进而增加了土壤中Cu的毒害。有研究表明，Ca²⁺、K+、NH⁺4与Cu²⁺存在竞争吸附^[28]，故酸雨处理下，会有更多的阳离子与Cu²⁺竞争吸附位点而增加Cu的毒害作用。在本研究中，芥蓝植株内Cu浓度与土壤交换态Cu浓度及交换态Cu浓度与pH的回归关系也存在差异，可能是由于两种土壤性质不同及土壤中Cu的浓度不同而引起。

（1）在污染土壤中，随着土壤酸化程度的加剧，土壤中Cu的植物毒性明显增加，表现为植株的生物量显著降低（P<0.05）；随着土壤酸化程度的加剧，植株茎叶中Cu含量显著增加，在潮土和黄棕壤中植株茎叶中Cu含量分别最大增加1.43倍和1.50倍。

（2）在两种土壤中，随土壤酸化程度增加和pH的下降，土壤中0.1 mol MgCl2可交换态Cu的含量显著增加。潮土中，随着pH降低，交换态铜含量最大增加10.7%，比对照增加了451.5%；黄棕壤中，可交换态Cu含量从2.33%增加到12.07%，比对照增加了418.0%。

（3）不同酸化措施土壤中Cu有效态含量与土壤pH呈显著的线性负相关[lg（EXC）=-alg（pH）+b]，方程的斜率在-0.314~-0.352之间，基于方程斜率可知，在降低相同pH值条件下，不同酸化措施对土壤中Cu的活化顺序为T3>T2>T1。由此可以推断，降低相同pH值条件下由酸雨导致的土壤中重金属的活化程度大于施肥和工业废水的酸化作用。