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土壤钴的化学行为研究的基础知识

时间:2010-09-18  归属:当代科技精华地学卷

元素钴是动物和植物固氮的必需元素。钴在生命活动中起多种作用,但最主要的是作为维生素B12结构的中心原子所起的作用。反刍动物对钴有特殊的需要,它们不能利用食物中的维生素B12,只能依靠瘤胃中的微生物,利用无机钴合成维生素B12。当摄取的食物不能供给足够的钴时,反刍动物就会出现缺钴症状。缺钴症状主要表现为贫血和消瘦。早在18世纪,英国就有了反刍动物缺钴罹致贫血病的记录。由于不知道这种疾病的起因,美国新罕布什尔州Saco河流域的人们认为这是印第安酋长Chocorua为报复美国早期移民对他们的残害而加在这一地区的“祸根”。因为这种疾病的症状与缺铁症状相似,而且给患畜添加含铁片剂有时可以使症状得到缓解,所以新西兰人接受了缺铁理论。直至1935年,澳大利亚科学家Lines及Underwood和Filmer各自独立地证实缺钴是引起该疾病的原因,而且认识到用含铁片剂有时有效是因为含铁片剂中的杂质钴起了作用。

    人们很早就注意到反刍动物缺钴与土壤有关,从世界各地给这种疾病所起的名称中可以看出这一点。新西兰称这种疾病为灌木病(Bush Sickness),在澳大利亚称海岸病(Coast Disease),在拉脱维亚称为沼地病或干痨病等。在18世纪,虽然人们并不知道反刍动物的这种疾病是由于缺钴造成的,但已经知道转移牧场可以使病畜恢复健康。导致反刍动物缺钴的根本原因是由于土壤缺钴而导致生长在这种土壤上的牧草中钴的含量偏低,从而导致反刍动物从食物中摄取的钴不足。这是一种典型的“土壤—植物—动物”链中由于土壤中某一元素贫乏而导致的动物的地方病。如果将病畜转移到土壤含钴较高的牧场,钴的供给得到改善后,病畜有可能恢复健康。大量的研究表明,只有当牧草中钴的含量超过0.07~0.10μg/g时才能保证反刍动物对钴的需要。

    生物气候条件、形成土壤的母质及土壤发育的地形部位等的不同,土壤中钴的含量可以有几个数量级的差异。由蛇纹岩发育的土壤中钴的含量可高达1000μg/g,而一些强淋溶性的土壤中钴含量可能不足0.1μg/g。全世界土壤平均钴含量的估计尚不一致,但大致在8~15μg/g之间。在一般情况下,如果牧场土壤的钴含量低于5μg/g,牧草中钴的含量就有可能低于0.07~0.10μg/g的临界含量,反刍动物就很有可能因缺钴而不能正常生长发育,缺钴严重时导致死亡。因此,钴含量5μg/g被认为是土壤钴的临界含量。但是这只是一般概念,有些土壤钴含量远高于这一临界值,而牧草中的钴含量仍未达到满足反刍动物对钴需要的程度;相反,有些土壤中钴的含量虽低于这一临界值,而牧草中钴含量已足以满足反刍动物的需要。可见仅土壤全钴含量还不足以完全反映土壤钴的供给状况。

    土壤中可被植物吸收的钴称为有效钴,在一般情况下它更能反映土壤钴的供给状况。土壤有效钴是借助于提取剂测定的。一些酸、络合剂等试剂提取的土壤钴量与植物吸收的钴量有很好的相关性。这些试剂称为土壤有效钴的提取剂,它们所提取的钴称为土壤有效钴。常用的土壤有效钴提取剂有2.5%醋酸和乙二胺四乙酸(简称为EDTA),但前者只适用于土壤pH<0.6的土壤。土壤中有效钴的数量不仅决定于土壤中全钴的数量,还决定于土壤钴的有效性。影响土壤中钴有效性的因素可以区分为三类。一是植物对土壤中钴的吸收能力,不同种类的植物对钴的吸收能力是很不相同的。通常豆科植物吸收钴的能力较大,钴的含量也较高;禾本科植物对土壤中钴吸收能力弱,钴的含量较低。一些植物对钴有明显富集作用,如美国东南部的多花蓝果树(Nyssa sylvatica),其钴含量有时可高达1000μg/g,而且其含量与土壤中含量呈正相关,故而具有指示土壤中钴含量的作用而被称为土壤钴的指示植物。植物不同生长期对土壤中钴的吸收能力也有差异。二是土壤中钴的存在形态。土壤中钴的形态通常区分成水溶态、交换态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和矿物结合态(残余态)。各种形态钴的植物可利用性是很不相同的,其中水溶态最易被植物吸收,交换态次之,矿物结合态最难被植物吸收利用。三是土壤性质,如土壤pH,氧化还原电位(Eh)等。

    世界上广泛地存在着钴含量较低的土壤。土壤钴不足曾对澳大利亚、新西兰、拉脱维亚和美国东部等的畜牧业生产带来很大的影响。据联合国粮农组织(FAO)1973年的资料,由于微量元素缺乏而引起的家畜疾病中,钴缺乏所占的比重仅次于铜而占第二位。另一方面,钴作为重金属元素,土壤中过量钴的积累可能对农作物和动物等产生毒害作用。虽然尚无公认的对人畜安全的土壤钴的上限临界浓度,但是一般认为土壤钴含量50μg/g以下对人畜安全不构成威胁。我国有3.19×108hm2牧地(1987年资料),1989年畜牧业产值占农业总产值的21.3%。1988年,在我国四川的进口牛、羊中发现缺钴症状。随着生活水平的提高和食物结构的改善,我国人民对肉类和奶制品的需求量也将日益增加,土壤中钴的供给状况对畜牧业生产的重要性将会更加明显。故此,对我国土壤钴的供给状况及其钴的土壤化学行为进行研究是有实际意义的。另外,我国幅员辽阔,土壤类型众多,为研究土壤中钴的地带性分布规律及其化学行为提供了理想的研究材料。因此,在我国进行这项研究占有独特的优势。

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  • 关键词:基础知识土壤钴化学行为研究
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