不同螯合劑處理下楊樹對土壤中Cd的吸收和富集效應

雒煥章 ,南忠仁 *,胡亞虎,金 誠 ,王 寧

(1.蘭州大學環境科學系,甘肅 蘭州 730000；2.西部環境教育部重點實驗室,甘肅 蘭州 730000)

隨著我國工業化進程的推進,土壤 Cd污染問題顯得日益突出.據統計,我國 Cd污染耕地面積已經超過了1.2萬hm2,涉及11個灌區[1].進入土壤中的 Cd,不僅會影響農作物的品質,還可以通過食物鏈進入人體,對人體健康造成危害[2].傳統的修復方法不僅費用昂貴,而且對土壤的物理化學性質造成了破壞[3].相比較而言,植物修復是一種原位修復技術,對土壤結構和微生物影響較小,而且比較經濟,在修復重金屬污染土壤時被越來越多的采用[4-5].

木本植物由于其擁有生物量大,根系發達和不進入食物鏈等優勢,在植物修復的研究中逐漸得到重視.目前國內的一些研究[6-9]都表明,相較于其他木本植物,楊樹對 Cd的耐性較強,并且對土壤中的 Cd有明顯的吸收和積累作用.黃會一等[10]發現楊樹將吸收的大部分 Cd積累在根部,運轉到地上部的較少.這影響了楊樹對 Cd污染土壤的修復效率.如何通過人為強化措施來提高楊樹地上部對 Cd的富集能力就顯得非常重要.而針對西北干旱區,這方面研究還比較少.螯合劑能夠有效活化土壤中的重金屬,進而促進植物對重金屬的富集,因此被廣泛用于強化植物對土壤中重金屬的提取修復[11].本試驗以西北干旱區農作土壤作為供試土壤,該地區的重要造林樹種新疆楊(Populus boleanaLauche)作為供試植物,通過投加不同螯合劑來研究楊樹在人為強化的條件下對重金屬 Cd的吸收和富集效應,以期能為該區域Cd污染土壤的植物修復提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

甘肅省白銀市自1958年以來利用東大溝的污水對農田進行灌溉,污灌導致農田土壤長期受到 Cd、Cu、Pb和 Zn等重金屬的污染,尤其是Cd的污染較為嚴重[12].供試土壤采自該地區污灌旱作農田 0～20cm 表層土,基本理化性質見表1.供試植物為新疆楊.螯合劑共選擇了 3種,分別是EDTA、EGTA和檸檬酸(CA).

1.2 試驗方法

將采回的土壤自然風干,過10mm尼龍篩,充分混勻后每盆裝土 7.5kg,并施加一定量的化肥為底肥,氮肥的施加水平為100mgN/kg,磷肥的施加水平為0.16gP/kg.每盆栽入大小一致的一年生新疆楊幼苗兩棵,根據植物生長情況正常澆水.在植物收獲前 25d將螯合劑以溶液的形式一次性施入土壤,試驗設置了 1個不投加螯合劑的對照處理(CK),3個螯合劑投加處理,其中 EDTA、EGTA和 CA均分別設置了 3個投加水平,即1,3,9mmol/kg, 每個處理重復 3次.螯合劑投加1d,4d,8d,15d,25d后分別采取適量盆栽土壤用于測定土壤中水提態Cd含量.螯合劑投加25d后將楊樹分根、樹干和樹葉 3部分加以收獲,楊樹的整個生長期是 5個月.收獲的植物樣品用蒸餾水清洗3次,105℃殺青30min,75℃下烘干48h至恒重,稱量各部位干重.植物樣品用粉碎機粉碎后采用 HNO3/HClO4法(V：V=4：1)消解.收獲后的土壤經自然風干后混勻,過2mm篩,采用水提法(土水比 1：2.5)提取土壤中水提態 Cd.濾液用火焰原子吸收分光光度計(Thermo Fishier, SOLAAR M6)測定.采用國家標準物質(植物：GBW 07603(GSV-2);土壤：GBW 07401(GSS-1))進行質量控制,元素回收率分別為87%～105%和95%～103%.

表1 供試土壤的基本性質Table 1 Properties of the soil used in the experiment

1.3 數據處理

本文數據用SPSS16.0統計軟件進行方差分析,并用最小顯著差數(LSD)法進行多重比較,顯著性差異水平為P=0.05.

2 結果與討論

2.1 不同螯合劑處理下土壤中水提態 Cd含量的變化

由圖1可見,各處理的土壤水提態Cd含量與對照(CK)相比都有了顯著(P＜0.05)提高.為對照(CK)的4.27～249.12倍.這是因為重金屬進入土壤后,一部分與土壤固相結合在一起,相對穩定,很難被植物所吸收.螯合劑施入后,可以與這部分重金屬結合,形成絡合物,使其進入土壤溶液,達到提高土壤溶液重金屬含量的目的[13-14].但不同螯合劑的活化效果不盡相同.總體上,EGTA活化效果最好,最高達32.41mg/kg.EDTA次之,各處理是CK的10.77～136.9倍.CA最差,最高為 10.46mg/kg.這與不同螯合劑和不同金屬的絡合物穩定常數不同有關.EGTA對Cd選擇性高,且 Cd-EGTA絡合物穩定[15].EDTA對Pb活化效果最好,對Cd較差[16-17],所以效果沒有EGTA試驗組效果好.而CA試驗組的活化效果較差,這與供試土壤呈堿性(pH=7.48)有關,只有當pH值小時,檸檬酸對Cd的活化效果較好[18].

對比不同螯合劑投加后土壤水提態Cd含量隨時間變化的情況可發現,EDTA和EGTA處理組的土壤水提態Cd含量需要數天后才能達到最大值,而 CA 處理組則僅需要 1d左右.這說明EDTA和EGTA在土壤環境中難降解,會加強土壤中重金屬的淋溶作用,造成潛在的環境風險[17].CA由于其易降解,在堿性土壤中絡合作用較差,環境風險也較小.

圖1 各處理的土壤水提態Cd含量隨時間的變化(mg/kg)Fig.1 Temporal changes of water-extractable Cd concentration in the soil after the addition of different doses of EDTA,EGTA and CA

2.2 不同螯合劑處理對楊樹生物量的影響

本試驗在植物收獲 25d前進行螯合劑投加處理,至收獲時,所有處理的楊樹均沒有表現出葉黃、枯萎、落葉等情況.生物量是衡量植物生長情況的重要指標.由圖2可看出,投加螯合劑后的楊樹干部生物量與未投加螯合劑的對照(CK)相比沒有顯著性(P＞0.05)差異.其中,除CA1生物量略有增加外,其余各處理均有所降低.

圖2 不同螯合劑處理下楊樹地上部生物量的變化Fig.2 Changes of stem and leaf biomass (expressed as dry weight) after the addition of different doses of EDTA,EGTA and CA

葉部的生物量變化與干部不同,除了EDTA9和 EGTA9相較于對照(CK)略有降低之外,其他各處理均有所增加.其中,EDTA3、CA3和 CA9更是有了顯著地(P＜0.05)提高.這表明,較低濃度的螯合劑對楊樹葉部的生長有一定的促進作用.這可能是因為EDTA和EGTA活化了土壤中Cd的同時,也活化了其他一些微量營養元素,并促進了楊樹對這些元素的吸收[19].同時,也說明新疆楊在投加螯合劑,土壤中的重金屬 Cd脅迫增強的情況下,生物量所受影響較小,生長情況依然保持正常.這為該地區 Cd污染土壤的植物強化修復提供了基礎.

2.3 不同螯合劑處理對楊樹不同部位 Cd含量的影響

由圖3可見,投加螯合劑后,各處理楊樹根部和干部(除EDTA1外)的Cd含量與對照(CK)相比均有所降低.相反,各處理楊樹葉部的 Cd含量與對照(CK)相比均有所提高. 其中,除CA3和CA9處理外,其余各處理均有了顯著(P＜0.05)提高.總體上,EGTA 處理組效果最明顯,為對照(CK)的1.73～2.90倍,其中EGTA9處理最高,葉部Cd含量為34.13mg/kg.EDTA處理組次之,為對照(CK)的1.91～2.46倍,最高為 EDTA1處理,達到了27.51mg/kg. CA 處理組較差,僅為對照(CK)的1.05～1.50倍.這也與螯合劑投加后各處理土壤中的水提態 Cd含量的變化情況基本一致.結果說明,螯合劑的投加,有效促進了楊樹根部和干部的Cd向楊樹葉部的轉移富集[20-21].這可能與螯合劑整體吸收是操縱強化吸取的主導機制有關[22].螯合劑投加后,與土壤固相結合在一起的重金屬與螯合劑結合成金屬絡合物進入到土壤溶液中[13-14],這些金屬絡合物可以從內皮層裂口處進入根內,并由蒸騰作用控制的被動過程運輸轉移到地上部[19,22].

圖3 不同螯合劑處理下楊樹各部位Cd含量的變化Fig.3 Changes of Cd concentration in poplar tissues after the addition of different doses of EDTA, EGTA and CA

2.4 不同螯合劑處理對楊樹不同部位 Cd積累量的影響

由圖 4可見,投加螯合劑后,各處理楊樹根部和干部(除EDTA1外)的Cd積累量與對照(CK)相比均有所降低.相反,各處理楊樹葉部的Cd積累量與對照(CK)相比,均有了顯著地(P＜0.05)提高,為對照(CK)的 1.42～2.77 倍.其中,EGTA9 處理最高,為 614.40μg/盆,CA3 處理最低,為 314.72μg/盆.總體上,各處理組楊樹葉部Cd積累量表現為EGTA＞EDTA＞CA,這與楊樹各部位Cd含量的變化情況基本一致.

圖4 不同螯合劑處理下楊樹各部位Cd積累量的變化Fig.4 Changes of Cd amount in poplar tissues after the addition of different doses of EDTA, EGTA and CA

在未投加螯合劑的對照(CK)的楊樹中,根部Cd積累量是楊樹總積累量的 66.78%,葉部僅占17.39%.這也與黃會一等[10]研究的結果基本一致.對于楊樹而言,葉部是其可循環部分.隨著楊樹的生長,葉部可以通過周期性的生長脫落達到修復Cd污染土壤的目的.通過在盆栽樹苗生長后期投加螯合劑,各處理楊樹葉部的 Cd積累量得到了顯著地(P＜0.05)提高,占總積累量的 27.83%～49.52%.只要在修復過程中,加強對落葉的收集工作,就可以有效地防止葉部的重金屬 Cd重新回到土壤中,提高其對該地區 Cd污染土壤的修復效率[19].

3 結論

3.1 EDTA、EGTA和CA的投加顯著(P＜0.05)提高了土壤中的水提態Cd含量.其中EGTA效果最好,EDTA次之,CA最差.但同時,EDTA和EGTA由于難降解,在植物修復的過程中,潛在的環境風險也較大.

3.2 新疆楊在投加了EDTA、EGTA和CA的情況下依然生長正常,沒有出現葉黃、枯萎、落葉等情況. 樹干部生物量(除CA1外)雖略有降低,但差異均不明顯.葉部生物量除 EDTA9和EGTA9略有降低之外,其他各處理還有所增加.說明新疆楊對土壤中Cd和螯合劑本身的毒性擁有較強的耐性.

3.3 EDTA、EGTA和CA的投加,有效地促進了楊樹根、干部的 Cd向楊樹葉部的轉移富集.楊樹葉部 Cd含量和積累量分別是對照(CK)的1.05～2.90倍和 1.42～2.77倍.

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