三種提取劑對鳳丹根際土壤重金屬提取效率的影響

張永蘭，徐 夏，王友保

(1.安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物環(huán)境與生態(tài)安全安徽省高校重點實驗室，安徽蕪湖241000;2.池州職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林系，安徽池州247000)

銅陵是我國重要的產(chǎn)銅地區(qū)之一，也是我國最大的鳳丹（Paeonia ostii)生產(chǎn)基地。鳳丹的根皮即丹皮具有鎮(zhèn)痛、解熱、抗過敏、消炎、免疫等功效，被用于心血管疾病、過敏性疾病等的防治，市場需求量大。然而近年來大規(guī)模的銅礦開采和冶煉，大量土地受到重金屬Cu、Pb等嚴(yán)重污染[1-2]，不僅影響鳳丹植株的生長和丹皮的藥用價值，也會對人體健康造成危害，故亟需對鳳丹種植地土壤重金屬污染進行生態(tài)污染評價，并研究其治理措施。土壤中有效態(tài)重金屬作為評價污染的強度指標(biāo)能有效地反映土壤實際污染狀況及其對植物的危害，是重金屬污染修復(fù)、治理的理論基礎(chǔ)[3]。根際是土壤中受植物根系及其生長活動顯著影響的微域環(huán)境，是植物吸收最活躍的部分，該區(qū)域重金屬有效態(tài)直接影響其生物毒性[4]。土壤重金屬有效態(tài)含量檢測包括直接檢測的物理分析、化學(xué)浸提和間接的生物檢測等方法[5]。用物理方法如擴散原理的DGT技術(shù)分析土壤中重金屬形態(tài)是一種原位分析技術(shù)，操作簡單，不受土壤理化性質(zhì)的影響，定量準(zhǔn)確，但由于是模擬生物吸收，其結(jié)果在確定生物有效性方面不夠準(zhǔn)確，也不能全面包含植物生長中受到的各種影響因素。生物檢測是一種間接檢測，是利用生物對土壤重金屬污染所產(chǎn)生的反應(yīng)，從生物學(xué)的角度對土壤污染情況進行檢測，目前利用植物、微生物及動物進行檢測的研究，大多是進行定性分析，對土壤的污染程度進行評價[5]。化學(xué)試劑提取法屬于異位分析，包括單獨提取法和連續(xù)提取法，試驗所需要的時間比較長，但因操作簡單、設(shè)備要求相對低、精確度高而有廣泛應(yīng)用，其中單獨提取法所提取的重金屬形態(tài)是指植物可利用的重金屬所有形態(tài)，此種方法所提取的重金屬含量與植物的相關(guān)性較好[6]，可用來評價重金屬的短期或中期存在的危害，實際研究中采用較多。EDTA-2Na（乙二胺四乙酸二鈉）、DTPA（二乙基三胺五乙酸）和HCl（鹽酸）是單獨提取法中應(yīng)用最廣的提取劑[7-9]。本研究采用人工外源添加方式配置單一重金屬污染土壤樣品，應(yīng)用EDTA-2Na、DTPA和HCl這3種提取劑，對風(fēng)丹根際土壤中重金屬有效態(tài)及其影響因素進行分析，為鳳丹種植地的管理與鳳丹的安全栽培提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與設(shè)計

供試幼苗是從安徽省銅陵市鳳凰山鳳丹種植基地采集生長情況大致相同、根系豐富的一年生鳳丹幼苗，并于實驗溫室內(nèi)進行穩(wěn)苗栽培2周。供試土壤系采用安徽師范大學(xué)后山的園田土。按土壤農(nóng)化分析常規(guī)方法測定土壤基本理化性質(zhì)[9]，見表1。

表1 供試土壤的主要理化性質(zhì)及重金屬含量

實驗設(shè)計與處理：供試土壤經(jīng)室溫自然風(fēng)干后過2 mm尼龍篩，分別添加一定濃度的Cu(CH3OO)2·H2O、Pb(CH3OO)2·3H2O或Cd(CH3OO)2·2H2O水溶液，并充分混勻，使土壤中Cu2+濃度分別為50、100、200、400、800、1 200、1 600 mg·kg-1，Pb2+濃度分別為50、200、500、800、1 200、1 600、2 000 mg·kg-1，Cd2+濃度分別為 1、10、100、200、400、600、800 mg·kg-1的處理組各 7組（分別標(biāo)記為處理組 1～7），以不加Cu(CH3OO)2·H2O、Pb(CH3OO)2·H2O或Cd(CH3OO)2·2H2O的土壤為對照(CK)。以上各組在自然條件下穩(wěn)定10 d后，參照Steen（1991）等的網(wǎng)袋法制作根際環(huán)境，將上述土壤分別裝進塑料花盆，每盆裝土2 kg，其中800 g裝在一個300目的尼龍網(wǎng)袋并埋進花盆；穩(wěn)定15 d后，將鳳丹幼苗栽入花盆內(nèi)的尼龍網(wǎng)袋中。每盆栽培2株鳳丹；培養(yǎng)3個月后，取根際土壤進行試驗。實驗設(shè)3組重復(fù)。

1.2 測試指標(biāo)與方法

(1)土壤全銅、全鉛和全鎘含量的測定。將鳳丹根際土壤取出，風(fēng)干，過0.1 mm篩后備用。取土樣經(jīng)鹽酸—硝酸—高氯酸消解后，使用AA-6800型原子吸收分光光度計測定[10-11]。

(2)土壤銅、鉛和鎘有效態(tài)含量的測定。 分別采用0.005mol·L-1DTPA-0.1mol·L-1TEA-0.01mol·L-1CaCl2(pH 7.30)、0.1 mol·L-1HCl和0.05 mol·L-1EDTA-2Na(pH 7.00)提取土壤銅、鉛和鎘有效態(tài)。提取時，液土比為5∶1；提取后，使用AA-6800型原子吸收分光光度計測定[12]。

(3)數(shù)據(jù)分析方法。土壤重金屬有效態(tài)的提取率(%)是指土壤重金屬有效態(tài)提取量與土壤中該重金屬總量比值的百分?jǐn)?shù)[12]。采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件對實驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，即在平均值(N=3)比較基礎(chǔ)上，采用Duncan方法，在P=0.05水平進行數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗，以比較不同提取劑對各重金屬有效態(tài)提取量的差異顯著性，同時利用Person(two-tailed)法進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果及分析

2.1 3種提取劑對鳳丹根際土壤重金屬有效態(tài)含量的影響

3種提取劑對鳳丹根際土壤重金屬Cu、Pb和Cd不同污染濃度下有效態(tài)含量見表2。由表2可知，在鳳丹根際環(huán)境下，隨Cu、Pb和Cd濃度的升高，3種提取劑下Cu、Pb和Cd有效態(tài)含量持續(xù)升高，并在處理組7中達(dá)到峰值。其含量分別為EDTA-2Na提取量范圍為Cu 8.21～431.57 mg·kg-1、Pb 23.56～494.95 mg·kg-1、Cd 0.29～326.67 mg·kg-1，HCl提取量范圍為 Cu 7.19～322.83 mg·kg-1、Pb 14.86～ 316.33 mg·kg-1、Cd 0.27～309.37 mg·kg-1，DTPA提取量范圍為Cu 4.99～229.87 mg·kg-1、Pb 8.26～176.40 mg·kg-1、Cd 0.24～303.20 mg·kg-1。分析表明，鳳丹根際環(huán)境下，3種提取劑對Cu、Pb和Cd的提取量由大到小依次為EDTA-2Na、HCl、DTPA。

表2 3種提取劑下鳳丹根際土壤中重金屬的有效態(tài)含量(mg·kg-1)

2.2 3種提取劑對鳳丹根際土壤重金屬有效態(tài)提取率的影響

3種提取劑對鳳丹根際土壤Cu、Pb和Cd提取率見表3。3種提取劑對Pb和Cd的提取率均呈現(xiàn)先增后減的趨勢，峰值集中出現(xiàn)在處理組4和處理組5中。HCl和DTPA對Cu的提取率也呈現(xiàn)先增后減的趨勢，峰值出現(xiàn)在處理組4中；EDTA-2Na對Cu的提取率隨Cu濃度的升高而升高，峰值出現(xiàn)在處理組7中。提取率的變化，說明了重金屬在根際土壤環(huán)境下，形態(tài)可能發(fā)生變化。通過根系生長，影響了根系土壤pH、微生物及土壤酶。在一定濃度范圍內(nèi)對金屬離子產(chǎn)生絡(luò)合、吸附、鰲合等作用，促進了重金屬的轉(zhuǎn)化與遷移。當(dāng)濃度過高時，由于重金屬的脅迫抑制了鳳丹根系的生長，進而影響到重金屬的轉(zhuǎn)化和遷移，導(dǎo)致提取率下降[13]。結(jié)果顯示，EDTA-2Na提取率范圍為Cu 31.17%～41.07%、Pb 53.30%～57.82%、Cd 53.80%～54.11%，HCl提取率范圍為Cu 27.30%～31.51%、Pb 33.62%～37.14%、Cd 50.37%～51.09%，DTPA提取率范圍為Cu 18.92%～22.22%、Pb 18.69%～20.85%、Cd 44.79%～52.53%。EDTA-2Na提取率均值為Cu 35.98%、Pb 56.50%、Cd 53.95%，HCl提取率均值為Cu 30.04%、Pb 35.97%、Cd 50.94%，DTPA提取率均值為Cu 21.05%、Pb 20.12%、Cd 49.04%。分析表明，3種提取劑對鳳丹根際土壤Cu、Pb和Cd的提取率從大到小依次為EDTA-2Na、HCl、DTPA。

對比3種提取劑下同一重金屬的提取率，結(jié)果表明，鳳丹根際土壤有效態(tài)Pb的比例因提取劑不同而變化較大，其次為Cu，而Cd變化相對較小。對于Pb，EDTA-2Na的平均提取率是HCl的1.57倍，是DTPA的2.81倍；對Cu而言，EDTA-2Na的平均提取率是HCl的1.20倍，是DTPA的1.71倍；而對于Cd，EDTA-2Na的平均提取率是HCl的1.06倍，是DTPA的1.10倍?？梢婙P丹根際土壤中Pb有效態(tài)含量對提取劑較為敏感，因提取劑不同，差異較大；3種提取劑對Cd的提取效果均較好。這種基于提取劑不同的提取機理及根際環(huán)境中pH等因素的影響而表現(xiàn)出來的提取能力上的差異，與李亮亮等的研究結(jié)論一致[14]。3種重金屬在根際環(huán)Cd境及外源添加的影響下形態(tài)發(fā)生了變化，如Pb和Cu可能由殘渣態(tài)為主變成氧化物結(jié)合態(tài)，Cd由有機結(jié)合態(tài)為主轉(zhuǎn)變?yōu)闅堅鼞B(tài)和交換態(tài)為主，從而導(dǎo)致出提取效果上的差異[15]。

對比鳳丹根際環(huán)境下不同重金屬對同一提取劑的提取率均值，EDTA-2Na下提取率均值為Cu 35.98%、Pb 56.50%、Cd 53.95%，從大到小為 Pb、Cd、Cu；HCl下提取率均值為Cu 30.04%、Pb 35.97%、Cd 50.94%，從大到小為Cd、Pb、Cu；DTPA下提取率均值為Cu 21.05%、Pb 20.12%、Cd 49.04%，從大到小為Cd、Cu、Pb。這說明鳳丹根際環(huán)境下，EDTA-2Na對Pb的提取效果較好；HCl和DTPA對Cd的提取效果較好。相較于Pb和Cd，EDTA-2Na和HCl對Cu的提取效果并不理想，DTPA對Cu的提取效果僅次于Cd。鳳丹根際土壤中，EDTA-2Na的提取效果為Pb＞Cd＞Cu；HCl的提取效果為Cd＞Pb＞Cu；DTPA的提取效果為Cd＞Cu＞Pb，且這種差異性在不同重金屬之間均表現(xiàn)為顯著（p＜0.05，如表3所示）。由提取率和差異性顯著分析得出，EDTA-2Na適合對鳳丹根際土壤Pb的提取，HCl和DTPA適合對Cd的提取，EDTA-2Na次之，DTPA較適合對鳳丹根際土壤Cu的提取。

表3 3種提取劑下鳳丹根際土壤中重金屬有效態(tài)的提取率(%)

3 結(jié)論

針對產(chǎn)銅地區(qū)鳳丹種植地土壤重金屬污染問題，研究了鳳丹根際環(huán)境下，3種提取劑對重金屬Cu、Pb和Cd的提取量及提取率從大到小依次為EDTA-2Na、HCl、DTPA。就3種提取劑下，不同重金屬的有效態(tài)含量及其提取率而言，EDTA-2Na適合對鳳丹根際土壤Pb的提取，HCl和DTPA適合對Cd的提取，EDTA-2Na次之，DTPA較適合對鳳丹根際土壤Cu的提取。