富里酸促進印度芥菜-棉花輪作對汞污染農田土壤修復的研究

范占煌 孫佳峰 陸永明 孫達 徐燦燦 劉銳

摘要 [目的]提高汞污染農田土壤的修復效率。[方法]在汞污染農田土壤中投加富里酸（投加量為0、0.075、0.150、0.225kg/m2），并在試驗結束后分析植物生物量和組織內汞含量及土壤總汞、有效汞含量，研究富里酸促進印度芥菜-棉花輪作對土壤汞的修復效果。[結果]投加富里酸可促進印度芥菜、棉花植株生長，但差異不顯著，投加富里酸能提高印度芥菜、棉花中總汞的含量，促進印度芥菜、棉花根部汞向地上部分轉運以及土壤總汞和有效汞的降低。每個種植季都投加富里酸，且富里酸投加量為0.075kg/m2促進效果最好，修復后，土壤總汞含量由（0.56±0.05）mg/kg降低至（0.32±0.04）mg/kg，土壤有效汞含量由（2.13±0.04）μg/kg降低至（0.48±0.05）μg/kg。[結論]投加富里酸可作為促進印度芥菜-棉花輪作修復汞污染農田土壤的潛在修復技術。

關鍵詞 汞污染農田土壤;富里酸;印度芥菜;棉花;輪作;修復

中圖分類號 X.53文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2021）07-0085-04

Abstract[Objective]Inordertoimprovetheremediationefficiencyofmercurycontaminatedfarmlandsoil.[Method]Fulvicacid（dosage：0，0.075，0.150，0.225kg/m2）wasaddedtothemercurycontaminatedfarmlandsoil.Aftertheexperiment，theplantbiomass，themercurycontentinthetissue，thetotalmercuryandtheeffectivemercurycontentinthesoilwereanalyzed，andtheenrichmentofmercuryinBrassicajunceacottonrotationwerestudied.[Result]TheadditionoffulvicacidhadnosignificanteffectonthebiomassofBrassicajunceaandcottonplants，butcouldincreasethecontentoftotalmercuryinplants，promotethetransportofmercuryfromplantrootstoabovegroundpartsandreducethetotalandeffectivemercuryinsoil.Whenthefulvicaciddosagewas0.075kg/m2，andeachplantingseasonwasaddedwithfulvicacid，thepromotioneffectwasthebest.Afterrestoration，thetotalmercurycontentofsoildecreasedfrom（0.56±0.05）mg/kgto（0.32±0.04）mg/kg，andtheeffectivemercurycontentofsoildecreasedfrom（2.13±0.04）μg/kgto（0.48±0.05）μg/kg.[Conclusion]TheadditionoffulvicacidcanbeusedasapotentialremediationtechnologytopromotetheremediationofmercurycontaminatedfarmlandsoilbyBrassicajunceacottonrotation.

KeywordsMercurycontaminatedfarmlandsoil;Fulvicacid;Brassicajuncea;Cotton;Rotation;Remediation

作者簡介 范占煌（1980—），男，福建永定人，高級工程師，碩士，從事環境污染修復技術研究。*通信作者，高級工程師，碩士，從事環境污染修復技術研究。

2014年生態環境部公布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國土壤環境狀況總體不容樂觀，耕地土壤環境質量堪憂。全國土壤總的點位超標率為16.1%，以無機類型污染為主，汞污染點位超標率達1.6%[1]。汞是一種人體非必需的重金屬元素，汞及其化合物是具有很強的致癌致畸作用、神經毒性持久性、遺傳毒性和生物積累效應的最危險的環境污染物之一[2-4]，由于其危害巨大，汞被國際衛生組織列為優先控制污染物[5]。我國在1980—2012年汞的排放量大增，被認為是最大的汞排放國[6]。而排放的汞又會通過大氣沉降、固廢堆積等方式污染土壤。土壤中的汞又可以通過食物鏈在人體中富集，所以受汞污染的土壤被認為是全球環境和人類健康風險的主要來源之一[7]。土壤汞污染的治理迫在眉睫。

植物修復屬于安全、成本低、環境友好型的重金屬污染治理措施[8-9]，適合中、低濃度污染土壤的治理。目前，通常采用的植物修復技術主要分2類[10]：一類是采用超富集植物修復重金屬污染土壤，但是截至目前，尚無研究發現汞的超富集植物;另一類是采用不具備超富集重金屬而生物量大的植物修復污染的土壤。印度芥菜具有大量積累多種重金屬能力[11];棉花生物量大，對多種重金屬有較強的富集能力，是常見的重要經濟作物[12]。這2種作物在一年中可以分不同的種植季種植。輪作作為傳統的種植模式之一，可以有效提高土地利用率和生產效率[13]。目前利用作物輪作方式修復土壤重金屬主要研究集中在鎘[13-14]，而對汞的研究相對較少。此外，土壤中大部分汞都是以惰性形態存在的，生物可利用態汞的含量普遍偏低[15-16]。因此，植物修復汞污染的土壤，需提高土壤中汞的生物有效性，從而提高植物修復的效率。

腐殖酸普遍存在于環境中，其對土壤中汞的環境遷移活性兼具抑制與活化的雙重效應，其中有文獻報道富里酸可表現出顯著的促進效應[16]。因此，富里酸可作為植物吸收汞的促進劑。該研究以印度芥菜、棉花為修復植物，采用印度芥菜-棉花輪作種植模式，探究在大田環境下，添加富里酸對輪作模式下植物富集農田土壤汞的影響以及土壤汞有效態的變化特征，以期為汞污染農田土壤的強化植物修復提供參考。

1材料與方法

1.1試驗設計

田間試驗位于嘉興市南湖區某農田（原種植模式為稻麥輪作），在小型熱電廠附近。試驗田土壤基本理化性質為有機質含量38.2g/kg、全氮含量2.5g/kg、全磷含量0.8g/kg、水解性氮含量175.1mg/kg、有效磷含量20.9mg/kg、速效鉀含量139.6mg/kg、陽離子交換量20.2cmol（+）/kg、土壤總汞含量0.56mg/kg、有效汞含量2.13μg/kg、土壤pH6.3。土壤總汞含量超過我國《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618—2018）中農用地土壤污染風險篩選值。

按單獨印度芥菜，富里酸投加量分別為0、0.075、0.150、0.225kg/m2進行處理，設置小區，除富里酸投加量0.075kg/m2處理設置6個重復外，其他每個處理3個重復，小區隨機排列，共15個小區，每個試驗小區面積為3.0m×11.1m。印度芥菜先播種，經過40d生長后，移栽到各小區，每個小區移栽量為300株。在移栽前，按小區各自設定撒入富里酸，撒入后進行人工翻土20cm左右，然后移栽印度芥菜，澆水，移栽后，對試驗農田定期澆水并進行統一管理。移栽后，植物生長期為6個月。

印度芥菜連根收獲后，在原先種植印度芥菜的小區上，種植棉花。種植印度芥菜時富里酸投加量為0.075kg/m2的6個重復小區，隨機選取3個小區不再投加富里酸外，其余處理的小區均延續印度芥菜時的處理，棉花播種量為每個小區100株。在播種前，按試驗設置撒入富里酸，撒入后進行翻土，翻土深度為20cm左右，然后進行播種，澆水，后期對試驗農田定期澆水并進行統一管理。棉花生長期為6個月。

種植棉花后，實際處理方式為：印度芥菜-棉花輪作（對照，不加富里酸），1年之中僅在種植印度芥菜時投加1次0.075kg/m2富里酸，種植棉花時不加（記為1年投1次）;印度芥菜-棉花輪作+0.075kg/m2富里酸，種植印度芥菜、棉花時都投加0.075kg/m2富里酸（記為1年投2次）;印度芥菜-棉花輪作+0.150kg/m2富里酸，種植印度芥菜、棉花時富里酸都投加;印度芥菜-棉花輪作+0.225kg/m2富里酸，種植印度芥菜、棉花時富里酸都投加。

1.2樣品采集與分析

印度芥菜、棉花收獲時，在每個小區采用5點采樣法采集5穴植物樣（連根）。同時，在采集每穴植物樣時收集該穴植物根部的土壤，5穴土樣混合均勻后采用四分法分樣，每小區最后獲得1kg新鮮土壤樣品。將土壤樣品置于密封樣品袋中帶回試驗室，自然風干后過100目篩。

每個小區先采的5穴植物樣，采集棉花時每個小區先采完棉絮，余下的連根整株植物帶回實驗室，采集印度芥菜時整株植物連根帶回實驗室，棉花、印度芥菜植株用自來水反復沖洗干凈在烘箱中50℃烘干，各自捆成一捆，每個小區內剩余的植株同樣進行以上操作，然后和先采集的5穴植株一起，每個小區整株植物稱重，植物干重（kg）除以小區面積（33.3m2）即為每個小區植株的生物量（kg/m2）。稱重后，每個小區采集的5穴植株，分根部和地上部分，經植物粉碎機粉碎后待測總汞[4]，采集的棉絮也單獨進行總汞測試。

土壤基本理化性質測定將采用常規分析法[7]。土壤有機質測定采用容量法;全氮測定采用開氏法;pH測定采用電位法，土水比例確定為1∶2.5;陽離子交換量測定采用醋酸銨浸提火焰分光光度計;速效磷測定采用NH4F-HCl法;速效鉀測定采用醋酸銨-火焰光度計法。總汞測定采用原子熒光譜儀（科創海光AFS-9700）[7]，土壤有效汞用0.1mol/L鹽酸浸提后再測定[17]。

1.3數據分析

采用SPSS24.0軟件對試驗數據進行顯著性分析，其中投加富里酸小區與對照組的差異性分析，P<0.05表示差異顯著，P<0.01表示差異極顯著。

2結果與分析

2.1印度芥菜-棉花輪作植株生物量從表1可以看出，富里酸投加量為0.075、0.150、0.225kg/m2的小區印度芥菜植株生物量均比對照有所增加，但差異均不顯著。隨著富里酸投加量的增加，印度芥菜植株生物量逐漸增加，表明投加量為0.075～0.225kg/m2的富里酸能促進印度芥菜生長，但不顯著。

印度芥菜收獲后，輪作棉花。富里酸投加量為0.075、0.150、0.225kg/m2的小區棉花植株生物量均比對照有所增加，但差異均不顯著。隨著富里酸投加量的增加，棉花植株生物量逐漸增加，表明投加量為0.075～0.225kg/m2的富里酸能促進棉花生長，但不顯著。

在印度芥菜種植時，一次投入0.075kg/m2富里酸的小區，印度芥菜收獲后，直接種植棉花，也即印度芥菜-棉花輪作，1年1次投入0.075kg/m2富里酸，棉花生物量為（0.80±0.09）kg/m2，比單種棉花的小區植株生物量有所增加，但差異不顯著，比每個種植季都投加即1年投2次0.075kg/m2富里酸棉花生物量（0.82±0.08kg/m2）的低，但差異不顯著。

2.2印度芥菜-棉花輪作植株對汞的富集

由表2可見，對照處理的印度芥菜根部、地上部分總汞含量分別是（0.021±0.004）mg/kg、未檢出，表明不加富里酸，印度芥菜對汞的富集量較低，且富集在植株根部。富里酸投加量為0.075、0.150、0.225kg/m2的小區，印度芥菜根部總汞含量逐漸增高，且投加量為0.150、0.225kg/m2的小區均極顯著高于對照。投加富里酸，印度芥菜地上部分開始有總汞富集，且隨著投加量的增加，印度芥菜地上部分總汞含量逐漸降低。以上結果表明，與不加富里酸的對照相比，投加富里酸能促進印度芥菜對土壤汞的吸收，且促進根系部分的汞向地上部分轉運，而低投加的富里酸促進效果更好。總體而言，富里酸可促進土壤汞在印度芥菜中富集。

印度芥菜收獲后，輪作棉花，對照處理的棉花根部、地上部分總汞含量分別是（0.016±0.003）mg/kg、未檢出，表明不加富里酸，棉花對汞的富集量較低，且富集在植株根部。富里酸投加量為0.075、0.150、0.225kg/m2的小區，棉花根部總汞含量逐漸增高，投加量為0.225kg/m2的小區顯著高于對照。與種植印度芥菜一樣，投加富里酸，輪作棉花地上部分開始有總汞富集，且隨著投加量的增加，棉花地上部分總汞含量逐漸降低。以上結果表明，與不加富里酸的對照相比，投加富里酸能促進棉花對土壤汞的吸收，且促進根系部分的汞向地上部分轉運，而低投加的富里酸促進效果較好。總體而言，富里酸可促進土壤汞在棉花中富集。

在印度芥菜種植時，一次投入0.075kg/m2富里酸的小區，印度芥菜收獲后，直接種植棉花，也即印度芥菜-棉花輪作，1年1次投入0.075kg/m2富里酸，棉花植株根部、地上部分總汞含量分別為（0.022±0.006）、（0.015±0.004）mg/kg。與印度芥菜-棉花輪作，種植印度芥菜、棉花都投入0.075kg/m2富里酸，即1年投2次富里酸，棉花植株根部、地上部分總汞含量分別為（0.018±0.004）、（0.045±0.003）mg/kg;1年投1次小區，棉花根部總汞與1年投2次的小區相比沒有顯著差異，但是地上部分與1年投2次的小區相比極顯著降低。表明印度芥菜-棉花輪作修復汞污染農田土壤，富里酸1年投2次比1年投1次促進植物富集總汞效果更好。

對所有小區進行棉絮總汞檢測，結果顯示總汞含量為未檢出，表明棉絮中沒有汞的積累。由此棉花植株中其他部分富集汞，而可利用部分的棉絮沒有富集汞，有利于利用印度芥菜-棉花輪作實現邊生產邊修復土壤汞的目的。

2.3土壤中總汞、有效汞含量

由表3可見，印度芥菜修復后，與修復前土壤中總汞含量（0.56±0.05mg/kg）相比，對照小區土壤中總汞含量為（0.53±0.04）mg/kg，略有降低，但差異不顯著。3種投加量富里酸處理小區土壤中總汞含量除了投加量為0.225kg/m2的小區外均顯著低于對照。可見，投加富里酸有利于印度芥菜對土壤中汞的吸收以及土壤中總汞的降低。投加量為0.075～0.225kg/m2，隨著富里酸投加量的增加，土壤中總汞含量的降低量減少，表明低投加量的富里酸更有利于促進印度芥菜對土壤總汞的修復。

印度芥菜修復后，與修復前土壤中有效汞含量（2.13±0.04μg/kg）相比，對照小區土壤中有效汞含量顯著降低，為（1.39±0.07）μg/kg，表明印度芥菜本身能吸收一定量的有效汞。3種投加量富里酸處理小區土壤中有效汞含量均顯著低于對照和修復前，可見投加富里酸不僅能使土壤中總汞降低，也能促進印度芥菜對土壤中有效汞的吸收。投加量為0.075～0.225kg/m2，隨著富里酸投加量的增加，這種促進作用減弱，低投加量的富里酸促進效果更好。投加富里酸，土壤中有效汞降低的趨勢與土壤中總汞的降低趨勢相同。

印度芥菜收獲后，輪作棉花，單種棉花小區，土壤中總汞含量為（0.49±0.04）mg/kg，比單種植印度芥菜收獲后，土壤中總汞又有降低，但差異不顯著。3種投加量富里酸處理小區土壤中總汞含量除了投加量為0.075kg/m2的小區土壤中總汞顯著低于對照外，其余的與對照相比差異不顯著。與種植印度芥菜相比，輪作棉花后，土壤中總汞含量繼續降低，其中富里酸投加量為0.075kg/m2的小區有顯著降低，其余小區差異不顯著。

印度芥菜-棉花輪作，單種棉花小區，土壤中有效汞含量為（0.76±0.07）μg/kg，比單種植印度芥菜收獲后，土壤中有效汞又有降低，差異顯著。3種投加量富里酸處理小區土壤中有效汞含量均顯著低于對照。與種植印度芥菜相比，輪作棉花后，土壤中有效汞含量繼續降低，且差異均顯著。

以上結果表明，投加富里酸有利于印度芥菜-棉花輪作對土壤汞的吸收以及土壤總汞、有效汞的降低，且低投加量的富里酸更有利于促進印度芥菜-棉花輪作對土壤汞的修復，尤其是富里酸投加量為0.075kg/m2，棉花收獲后，土壤中總汞、有效汞含量比印度芥菜收獲后進一步顯著降低。

印度芥菜-棉花輪作，0.075kg/m2富里酸1年投1次，棉花收獲后，土壤中總汞、有效汞含量分別為（0.43±0.03）mg/kg、（0.75±0.05）μg/kg，均顯著低于富里酸1年投2次棉花收獲后土壤中總汞（0.32±0.04mg/kg）、有效汞（0.48±0.05μg/kg）含量。表明富里酸1年投2次更有利于促進印度芥菜-棉花輪作修復汞污染農田土壤。

該研究中，從修復效果及經濟性考慮，投加量為0.075kg/m2的富里酸更適合用于印度芥菜-棉花輪作修復汞污染農田土壤。印度芥菜、棉花地上部分生物量大于根部，所以促進印度芥菜、棉花植株對汞的富集，尤其是植株根部汞向地上部分轉運，對于印度芥菜-棉花輪作修復汞污染農田土壤更具現實意義。

3結論與討論

為了提高汞污染農田土壤的修復效率，該試驗在汞污染農田土壤中投加富里酸，研究印度芥菜-棉花輪作對汞的富集情況。

結果表明，與只種印度芥菜、棉花不加富里酸的對照小區相比，投加0.075～0.225kg/m2富里酸，隨著投加量增加，印度芥菜、棉花生物量逐漸增加，但差異不顯著。投加富里酸能促進印度芥菜-棉花輪作對土壤汞的吸收，且促進印度芥菜、棉花根部汞向地上部分轉運。隨著富里酸投加量的增加，印度芥菜、棉花植株根部總汞富集量增加，地上部分總汞富集量減少。低投加量的富里酸更有利于促進印度芥菜-棉花輪作對土壤總汞的吸收，富里酸投加量為0.075kg/m2，修復后土壤總汞含量由（0.56±0.05）mg/kg降低至（0.32±0.04）mg/kg，土壤有效汞含量由（2.13±0.04）μg/kg降低至（0.48±0.05）μg/kg。印度芥菜-棉花輪作修復汞污染農田土壤，棉花植株中其他部分富集汞，而可利用部分的棉絮沒有汞檢出，這有利于利用印度芥菜-棉花輪作實現邊生產邊修復土壤汞的目的。

[16]姚愛軍，青長樂，牟樹森.腐殖酸對礦物結合汞環境遷移性的影響及其機制研究[J].生態學報，2004，24（2）：274-277.

[17]王建旭，張軍方，馮新斌，等.硫代硫酸銨添加對黃平大黃油菜富集土壤汞的影響-田間試驗[J].生態毒理學報，2014，9（5）：992-997.

[18]MAZRUINM，JONSSONS，THOTAS，etal.Enhancedavailabilityofmercuryboundtodissolvedorganicmatterformethylationinmarinesediments[J].Geochimicaetcosmochimicaacta，2016，194：153-162.

[19]WANGJ，FENGX，ANDERSONCW，etal.Implicationsofmercuryspeciationinthiosulfatetreatedplants[J].Environmentalscience&technology，2012，46（10）：5361-5368.

[20]徐燦燦，孫達，王根榮，等.富里酸結合葉面硒肥用于油菜修復低汞污染農田土壤[J].環境工程，2019，37（7）：199-203.

[21]WANGJ，FENGX，ANDERSONCW，etal.Implicationsofmercuryspeciationinthiosulfatetreatedplants[J].Environmentalscience&technology，2012，46（10）：5361-5368.

[22]樊揚帆，劉云國，龔小敏，等.外源螯合劑CA和NTA對苧麻修復鉛鎘復合污染土壤的影響[J].環境工程學報，2016，10（8）：4547-4552.

[23]JONESDL.OrganicacidsintherhizosphereAcriticalreview[J].Plantandsoil，1998，205（1）：25-44.

[24]常銀川，陳奕暄，竇源，等.黑豆-油菜與大豆-油菜輪作模式土壤鎘修復能力比較[J].作物研究，2020，34（2）：153-157，160.