混合淋洗劑對污染土壤中重金屬的去除及植物生長的影響

郭曉方，韓 瑋，趙國慧，張桂香，何秋生

隨著采礦、冶煉活動、廢水灌溉、化肥施用和污水污泥的應用，土壤重金屬污染問題日趨嚴重，且重金屬在土壤中滯留時間長、易積累，不能被微生物降解[1]，對生態系統和糧食安全構成了潛在風險[2-3]。

目前修復重金屬污染土壤的技術有固化/穩定化[4-5]、淋洗修復、植物修復[6]、電化學修復[7]等。其中，化學螯合劑淋洗土壤是一種操作時間短、效率高能徹底去除重金屬的實用方法。乙二胺四乙酸（EDTA）對多種重金屬有較強的螯合能力，可以作為多種重金屬污染土壤的淋洗劑。然而，EDTA 是一種生物穩定的螯合劑，未經馴化的微生物很難將其降解，因此，EDTA 淋洗土壤后會在土壤鐵氧化物等礦物表面吸附，在土壤中會殘留金屬-EDTA 絡合物[8-9]。此外，在淋洗過程中土壤性質、結構、養分和金屬含量、形態等也會發生變化[10-12]。Zupanc 等[13]研究表明，相較于原始土壤，EDTA 淋洗后的土壤砂土含量降低，但增加了黏土含量、pH、堿飽和度，減少了除Na+以外的陽離子和可交換態鉀的含量。同時，淋洗劑還會進一步影響植物的種植和農業生產。Jelusic 等[14-15]研究表明，淋洗后金屬-EDTA 絡合物對植物有毒性作用，微量金屬元素不足以及土壤理化性質的改變等導致淋洗后種植植物產量有所下降。

因此，減少土壤淋洗對土壤的破壞越來越重要。現在常用可生物降解的螯合劑來代替EDTA，如谷氨酸二乙酸四鈉（GLDA）、檸檬酸等都對重金屬有較強的絡合能力[16-17]。同時，已有學者開始對復合淋洗劑進行研究。Guo 等[18-19]研究表明，在多種重金屬污染土壤中，混合淋洗劑（EDTA、GLDA、檸檬酸）比相同劑量單一EDTA 淋洗劑能夠去除更多的重金屬，并且混合淋洗劑對土壤酶活性及理化性質等影響較小。然而，關于混合淋洗劑對多次淋洗土壤及淋洗后土壤農用的相關研究還很有限。

故本文選取重金屬污染土壤作為供試土壤，研究了EDTA 和混合淋洗劑MC（EDTA、GLDA、檸檬酸）多次淋洗后對土壤理化性質、重金屬含量及其形態分布的影響，研究了淋洗對小白菜和玉米產量、重金屬積累以及種植植物對土壤中有效態重金屬的影響，并對混合試劑淋洗重金屬污染土壤的生態效應和淋洗后土壤的農用價值進行了評價。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自廣東省韶關市（24°31′N，113°43′E）重金屬污染水稻田的表層土。受大寶山礦區（褐鐵礦體、銅-硫-鉛鋅礦體等）的影響，導致了該地土壤重金屬污染。土壤樣品采集后，去除根莖及其他碎屑，過5 mm篩，用于淋洗實驗；取部分土樣過20目和100目尼龍篩用于土壤樣品分析，供試土壤基本性質見表1。

表1 供試土壤重金屬含量及基本理化性質Table 1 The basic physiochemical properties and heavy metal contents of materials

供試淋洗劑選用0.1 mol·L-1的乙二胺四乙酸二鈉（Na2-EDTA，以下簡稱EDTA）溶液和混合溶液（以下簡稱MC），MC 由谷氨酸二乙酸四鈉（GLDA）、EDTA和檸檬酸以摩爾比1∶1∶3的比例混合而成[18-19]，兩種淋洗劑pH采用0.1 mol·L-1的NaOH和HNO3調至3.50，采用去離子水作為對照。Na2-EDTA、檸檬酸（分析純）均購自國藥控股化學試劑有限公司。GLDA 購自阿克蘇諾貝爾化工有限公司，相對分子質量351.1，固含量＞47%，密度1.400 g·cm-3。

供試植物選用綠幫小白菜和玉米云石5 號，玉米品種屬于重金屬低累積品種[20]。

1.2 實驗方法

1.2.1 土壤淋洗實驗

采用盆栽實驗，將尼龍網（200 目）和石英砂鋪墊于實驗花盆（高12.5 cm，直徑9.5 cm）底部，取過5 mm篩的風干土樣1.1 kg 裝盆。加水飽和一周后，在實驗花盆上方放置淋洗裝置，以1 mL·min-1的流速滴加550 mL 淋洗劑為單元進行淋洗，并在實驗花盆下方放置淋出液收集裝置。

淋洗實驗共淋洗7 次（表2），其中第1、2、5 次淋洗時EDTA 處理和MC 處理分別采用0.55 L 0.1 mol·L-1的EDTA 和MC 溶液進行淋洗，對照處理采用0.55 L蒸餾水進行淋洗。第3、4、6、7次淋洗時所有處理均采用0.55 L 蒸餾水進行淋洗。每次淋洗都收集各處理的淋洗液，淋洗后采集土壤樣品。

表2 淋洗實驗設計Table 2 Washing times design

1.2.2 植物盆栽實驗

將改良劑CaCO3和雞糞按照添加量為0.2%和2%與淋洗后的土樣均勻混合。實驗共種植植物三季：第一季種植小白菜，撒入10顆小白菜種子，保持固定的田間持水量，并觀察生長情況。兩周后間苗，留下3顆小白菜幼苗，并繼續生長7周，收獲各盆內小白菜；第二季種植玉米，每個實驗花盆里撒入5顆玉米種子，兩周后間苗，留下3顆玉米幼苗，并繼續生長1個月，收獲各盆內玉米；第三季種植玉米，同第二季。

1.2.3 土壤與植物樣品的采集

實驗結束后收獲一季小白菜和兩季玉米，分別測定小白菜與兩季玉米干質量、鮮質量，而后將其用蒸餾水洗凈，置于105 ℃烘箱中殺青30 min，降溫至65 ℃繼續烘干至恒質量。植物樣粉碎后用于測定Cd、Pb、Cu、Zn 4 種重金屬含量。同時每次種植后采集土樣，風干后分別過20 目尼龍篩，用于測定土壤有效態重金屬含量。

1.3 樣品分析

土壤pH 以電位測定法測定，水土比2.5∶1；土壤有機質（OM）采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤陽離子交換量（CEC）采用醋酸銨浸提-火焰原子吸收法測定；土壤總氮（TN）采用半微量開氏法測定；土壤總磷（TP）采用NaOH 熔融-鉬銻抗比色法測定；土壤總鉀（TK）采用NaOH 熔融-火焰光度法測定；土壤堿解氮（AN）采用堿解擴散法測定；土壤速效磷（AP）采用0.5 mol·L-1HCl-0.025 mol·L-1（1/2 H2SO4）法測定；土壤速效鉀（AK）采用醋酸銨提取法測定[21]。土壤中重金屬的全量采用HF-HClO4-HNO3-HCl 消解法測定，土壤樣品的重金屬分析過程中加入國家標準土壤樣品（GSS-4）進行質量控制，4 種重金屬測定的準確度均在允許范圍內；采用Tessier 五步連續提取法對土壤中各重金屬賦存形態進行分析測定；土壤中重金屬有效態含量采用1 mol·L-1乙酸銨（NH4Ac）以固液比為1∶8 浸提，提取液中重金屬含量均采用火焰原子吸收分光光度計（AAS，Hitachi Z-2300，日本）進行測定，Cd、Pb、Cu、Zn 各元素的檢出限分別為0.005、0.02、0.005、0.006 mg·L-1。

植物樣品中重金屬含量的分析測定采用微波消解-火焰原子吸收法進行。稱取植物樣品0.5 g（0.1 g植物地下部分）至消解罐中，加入5 mL HNO3浸泡過夜，再加入2 mL H2O2后放入微波消解儀中進行消解，消解完成后，用火焰原子吸收分光光度計（Z2300）測定，植物樣品的重金屬分析過程中加入國家標準植物樣品（GSV-1）進行質量控制，4 種重金屬的準確度均在允許范圍內。

1.4 統計與分析

實驗數據主要使用WPS Excel 軟件進行整理計算分析，使用SPSS 22.0進行單因素方差分析（Duncan檢驗確定各處理間的統計學差異）和統計學分析，使用Origin 2018作圖。

2 結果與討論

2.1 混合淋洗劑多次淋洗對土壤中重金屬的去除

不同的淋洗次數對土壤中重金屬的去除效果略有差異，EDTA 和混合試劑MC 對土壤中Cd、Pb、Cu、Zn 的去除效率如圖1 所示。與對照相比，7 次淋洗后EDTA 和MC 均表現出對Cd、Pb、Cu 和Zn 4 種重金屬較高的去除率，EDTA 的總去除率分別為51.93%、38.41%、35.90%和14.27%，MC 的總去除率分別為44.30%、28.78%、26.44%和11.49%。第1 次淋洗對重金屬的去除率低于第2 次淋洗，可能是因為土壤處于飽和狀態，滴入淋洗劑后，飽和水分隨著淋洗劑的下滲進入淋出液中，而部分淋洗劑保持在土壤中，致使第1次土壤淋出液中重金屬含量較低。第2次淋洗去除效果較高，歸因于淋洗劑對土壤中重金屬的活化作用及重金屬絡合物的生成。第3 次采用蒸餾水淋洗對土壤中的重金屬仍保持較高的去除率，這主要與殘留在土壤中的淋洗劑對重金屬起到活化作用有關。而后隨著淋洗次數的增加，重金屬的去除效率持續降低。第5 次采用EDTA 和MC 淋洗，重金屬的去除率也顯著降低，說明土壤中可被淋洗去除的重金屬基本去除完畢。

不同的淋洗劑對土壤中不同重金屬的去除效果略有差異，EDTA 在7 次淋洗中對土壤重金屬的去除效率均略高于MC。這是EDTA 對穩定態重金屬的活化能力較高所致，由于EDTA 在土壤中難以被降解，可以穩定存在，而混合試劑MC 中GLDA 和檸檬酸均可被生物降解，所以其活化能力會有所降低。另外，EDTA 與MC 對土壤中Cd 的去除率略高于Pb、Cu 和Zn。Shaheen 等[22]研究顯示，Cd 具有較強的活性，與Pb、Cu、Zn 等重金屬相比，其在土壤中是最弱的吸附物。此外，pH 也會影響Cd 的去除率，土壤pH 較低可以促進Cd的去除[23]。同時土壤中的Pb、Cu和Zn主要以殘渣態形式存在（圖2），去除難度較大。

圖1 不同淋洗劑對土壤中Cd、Pb、Cu和Zn的去除率Figure 1 Effect of different treatments on the removal rates of Cd，Pb，Cu and Zn in contaminated soil

2.2 土壤淋洗后土壤理化性質和重金屬形態的變化

土壤淋洗會破壞土壤結構，改變土壤性質，從而影響其農業利用。表1 匯總了淋洗前后土壤的理化性質。EDTA 和MC 淋洗后土壤pH 略有升高，這與淋洗劑的殘留有關。化學淋洗對土壤中有機質、總磷和總鉀含量影響不大。EDTA 和MC 淋洗后土壤中速效鉀含量均顯著減少了26%，這是由于在淋洗劑去除土壤中重金屬的同時，會有部分淋洗劑與K+結合而將其去除。EDTA 和MC 處理土壤中總氮和有效氮含量均升高，其中有效氮含量分別升高了68%和83%，這是由于EDTA 和GLDA 中含有氮元素，其在土壤殘留會增加氮含量[24]。MC 淋洗增加了土壤速效磷的含量，淋洗劑的殘留使礦物中的磷溶解并轉化為速效態[19]。淋洗過程會降低土壤中可交換態金屬（如Ca、Mg、K）的含量，但是EDTA 以鈉鹽形式加入，會帶入土壤Na+，因此土壤CEC 并沒有顯著降低。綜上，淋洗會在不同程度上對土壤理化性質產生影響，從而影響土壤后續的農用，但是相對EDTA 而言，MC 淋洗對土壤性質影響較小，能保留大部分土壤養分，是一種較為溫和的淋洗劑。

圖2 不同淋洗劑對土壤中各形態Pb、Cu和Zn含量的影響Figure 2 Effect of different treatment on various fraction contents of Pb，Cu and Zn in soil

土壤淋洗也改變了土壤中重金屬的形態含量分布（圖2），重金屬在土壤中的形態會對其在土壤中的遷移轉化能力產生影響。在原污染土壤中，殘渣態重金屬占有較大比例，碳酸鹽結合態含量較少。與對照相比，淋洗過程均不同程度地降低了土壤中Pb、Cu和Zn各形態的含量。EDTA和MC淋洗有效降低了可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態和殘渣態的Pb 和Cu，分別降低了12%～60%、25%～59%的Pb 和2%～57%、3%～46%的Cu。由于Pb、Cu、Zn 的殘渣態含量在土壤Pb、Cu、Zn 的總量中所占的百分比較大，EDTA 與MC 淋洗對其去除率也分別達到了43%、24%、20%和27%、22%、15%，這表明EDTA和MC 對Pb、Cu、Zn 的殘渣態具有較強的活化作用，雷鳴[25]和杜蕾[26]也有類似的結論。

此外，EDTA 和MC 淋洗后Zn 的鐵錳氧化物結合態、有機結合態和殘渣態分別降低了41%、32%、21%和32%、22%、14%，而EDTA 和MC 處理土壤中Zn 的可交換態濃度分別為11.33 mg·kg-1和8.43 mg·kg-1，分別是對照土壤的1.5 倍和1.1 倍，Zn 的碳酸鹽結合態濃度分別為10.88 mg·kg-1和5.92 mg·kg-1，分別是對照土壤的2.3 倍和1.3 倍。這可能是兩種原因造成的：一方面是因為淋洗劑可以將穩定態重金屬轉化為不穩定態，所以可交換態重金屬含量明顯升高；另一方面是淋洗后土壤pH 明顯升高，促進了碳酸鹽結合態的生成。Chen 等[27]和Guo 等[19]也有類似的結論。EDTA 與MC 對Pb、Cu、Zn 形態比例分布的影響可能與淋洗劑本身的性質有關。此外，土壤類型、無機和有機膠體含量等因素的差異均可影響重金屬在土壤中的化學行為[25]。

2.3 植物和土壤有效態重金屬含量

2.3.1 小白菜生物量及重金屬含量

不同淋洗劑淋洗酸性土壤后對小白菜中Cd、Pb、Cu 和Zn 含量有不同程度的影響（表3）。與對照相比，EDTA 和MC 處理對小白菜地上部、地下部的生物量有一定的影響，生物量分別減少了48.2%、54.5%和23.8%、27.3%。在淋洗過程中，EDTA 與MC一定程度上改變了土壤物理結構和化學性質，土壤中營養元素被淋洗，如EDTA 與MC 淋洗后土壤中有效鉀含量降低26%（表1），因此土壤淋洗過程造成土壤養分缺乏[10]。同時，EDTA 和MC 可以去除土壤中的Fe、Mn 等微量元素，從而導致土壤中微量元素的缺失[15]。

不同處理下小白菜中Cd、Pb、Cu 和Zn 的含量明顯高于對照，這是土壤在淋洗后殘留淋洗劑與重金屬的絡合物所致[28]。然而，不同處理中小白菜地上部Cd 含量均低于葉菜蔬菜Cd 含量標準0.2 mg·kg-1（GB 2762—2017）；EDTA 處理小白菜地上部Pb 含量顯著高于對照處理和MC處理，且高于葉菜蔬菜Pb含量標準0.3 mg·kg-1（GB 2762—2017）；EDTA 和MC 處理均顯著升高了小白菜地上部Cu 含量，相比于對照分別提高了99.7%和108.8%；EDTA 處理小白菜地上部Zn含量與對照相比提高了3.5 倍。就小白菜地下部而言，EDTA 和MC 處理均使小白菜地下部Pb、Cu 和Zn的含量明顯升高，與MC 相比，EDTA 處理后小白菜中重金屬含量更高，且與MC 處理存在顯著差異，說明淋洗后土壤EDTA 的殘留嚴重，活化了重金屬，同時EDTA 與重金屬絡合態更容易通過根系內皮層和凱氏帶的裂隙處進入植物中[29]，此外，殘留的EDTA 能夠破壞根系中共質體的生理屏障，進而導致植物重金屬含量增加[30]。以上結果分析表明，淋洗后土壤不宜種植葉菜類作物。

表3 土壤不同處理小白菜與玉米地上部和地下部產量（g·pot-1）及重金屬含量（mg·kg-1）Table 3 The yield（g·pot-1）of maize′s aboveground and underground part and heavy metal contents（mg·kg-1）by different treatment in soil

2.3.2 玉米生物量及重金屬含量

不同淋洗劑淋洗酸性土壤后對兩季玉米中Cd、Pb、Cu 和Zn 含量有不同程度的影響（表3）。與對照相比，EDTA 與MC 處理第一季玉米地上部的產量分別增加了17.1%和46.3%，第二季玉米地上部的產量分別降低了29.9%和23.0%，但處理間差異不顯著。玉米第二季收獲的產量是第一季收獲產量的2～3倍，這主要與玉米的生長季節有關。

MC 和EDTA 處理顯著降低了玉米地上部Cd 的含量，且兩季玉米地上部Cd 含量均低于國家飼料衛生標準1 mg·kg-1（GB 13078—2017）。與對照相比，EDTA 與MC 處理后第一季玉米地上部Pb 含量分別降低了16.2%和62.7%，且Pb 含量遠低于國家飼料衛生標準30 mg·kg-1（GB 13078—2017）。EDTA 和MC處理對玉米地上部Cu 含量沒有明顯影響，而EDTA能夠顯著降低玉米地上部Zn的含量，降低了68.0%。

與對照相比，第二季玉米EDTA 處理地上部Cd和Zn 含量明顯降低，但同時Pb 和Cu 的含量顯著升高，表明殘留EDTA 對Pb和Cu有一定的活化作用；而MC 處理后玉米地上部Cd、Pb 和Zn 含量均明顯降低。EDTA 處理和MC 處理后兩季玉米地下部重金屬含量均顯著低于對照。

此外，植物地下部Cd、Pb、Cu 和Zn 的含量普遍高于地上部，這是由于重金屬能夠與植物根上的配體結合[28]，還能夠被根部細胞壁上帶負電的親重金屬物質所吸附和固定[31]，導致根部累積大量的重金屬。3 次種植后，EDTA 處理和MC 處理的植物地下部Pb、Cu和Zn的含量有顯著下降的趨勢。

2.3.3 種植植物對土壤中乙酸銨提取態重金屬的影響

植物對土壤重金屬吸收情況與土壤中重金屬有效態含量密切相關。不同淋洗劑處理土壤對植物生長和土壤中乙酸銨提取態重金屬含量會產生不同影響（圖3）。淋洗后土壤添加改良劑CaCO3和雞糞后，土壤中Cd、Pb、Cu 和Zn 乙酸銨提取態含量均有不同程度的變化。種植植物后，MC 處理和對照處理土壤中乙酸銨提取態Pb、Cu 和Zn 含量逐漸降低后趨于穩定。然而EDTA 處理土壤中Cd、Pb、Cu 和Zn 含量均處于較高水平，其中Pb、Cu 和Zn 含量顯著高于對照和MC處理，這主要是由于EDTA 在土壤中殘留，與重金屬形成的絡合物在酸性條件下被土壤吸附，當淋洗后土壤添加堿性改良劑后，土壤pH有所提高，從而使重金屬絡合物釋放出來[20]。

圖3 不同時期不同淋洗劑處理土壤乙酸銨提取態重金屬含量Figure 3 Effect of different treatments and times on NH4Ac-metal contents

EDTA 和MC 淋洗處理，小白菜Pb、Cu 和Zn 含量顯著高于對照處理。對小白菜重金屬含量和土壤中乙酸銨提取態重金屬含量進行相關性分析，相關性系數均在0.800 以上，其中Cu 相關性達到極顯著水平。然而，玉米除了第二季地上部Cu 含量與土壤中乙酸銨提取態含量相關系數為0.987 外，其他重金屬均沒有表現出很好的相關性。與對照相比，EDTA 和MC淋洗處理均降低了玉米中重金屬含量，尤其地下部，但土壤中乙酸銨提取態重金屬含量卻顯著高于對照處理，尤其EDTA處理。

3 結論

（1）混合試劑MC 對土壤中Cd、Pb、Cu 和Zn 去除率分別為44.30%、28.78%、26.44%和11.49%，EDTA對土壤中Cd、Pb、Cu 和Zn 去除率分別為51.93%、38.41%、35.90%和14.27%；MC 處理中第2 次淋洗土壤中重金屬去除率最高，EDTA 處理中第3 次蒸餾水淋洗土壤中重金屬去除率最高，說明EDTA 的殘留對重金屬有較強的活化作用；此后重金屬的去除率隨著淋洗次數的增加持續降低。

（2）淋洗過程會改變土壤理化性質以及重金屬在土壤中的賦存形態。淋洗劑的殘留促進重金屬由穩定形態向不穩定形態轉化。

（3）淋洗處理降低了小白菜生物量，提高了小白菜地上部和地下部重金屬含量，說明淋洗后土壤不宜種植葉菜類作物。與對照相比，淋洗處理的玉米生物量差異不顯著，然而玉米地上部Cd、Pb 和Zn 含量顯著降低，所有處理兩季玉米地上部重金屬含量均低于國家飼料衛生標準。

（4）與EDTA 處理相比，MC 處理土壤乙酸銨提取態重金屬含量較低，對植物生長影響較小，是一種修復多種重金屬污染土壤的較為溫和的淋洗劑。