施用螯合劑對(duì)重金屬污染土壤中籽粒莧鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

張 燕，葛 燚，劉曉月，劉能斌，劉衛(wèi)國(guó)

（航天凱天環(huán)保科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，開(kāi)礦、冶煉、施肥等人類活動(dòng)導(dǎo)致土壌中重金屬含量明顯上升[1-2]，環(huán)境污染問(wèn)題日趨加重，污染土壤修復(fù)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[3]。植物修復(fù)是一種常見(jiàn)的重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)，即：將具有一定重金屬富集能力的植物種植于污染土壤中，生長(zhǎng)成熟后將植物地上部或整株收獲并集中處理[4]，多次種植后，土壤重金屬含量能降低到可接受水平[5]。有研究報(bào)道，寶山堇菜（Viola baoshangensisL.）[6]、印度芥菜（Brassica juniceaL.）[7-8]、龍葵（Solanum nigrumL.）[9]等植物為Cd超富集植物。但上述這些超富集植物存在生物量小或地域性強(qiáng)等不足，不適宜大面積污染土壤的修復(fù)。籽粒莧（Amaranthus hypochondriacusL.）是一種生物量大，且對(duì)鎘脅迫的耐受性及鎘富集能力均強(qiáng)的植物[10-12]。李凝玉等[11]研究發(fā)現(xiàn)，籽粒莧具有很強(qiáng)的Cd富集能力，在土壤Cd濃度為3 mg/kg時(shí)，地上部分Cd含量可高達(dá)50.96 mg/kg。因此，將籽粒莧作為鎘富集植物進(jìn)行土壤修復(fù)具有一定的可行性。

采用富集植物進(jìn)行土壤修復(fù)時(shí)，植物僅能吸收利用呈溶解態(tài)、交換態(tài)及部分碳酸鹽態(tài)的土壤重金屬[13]，然而事實(shí)上土壤中重金屬大部分是以殘?jiān)鼞B(tài)存在，難以被植物吸收利用[14]。這使得植物修復(fù)技術(shù)的修復(fù)效率受到制約[15]。因此，有學(xué)者認(rèn)為，在土壤中加入螯合劑，改變重金屬的形態(tài)，使其成為易被植物吸收的狀態(tài)，便能解決上述問(wèn)題。研究表明，螯合劑施入土壌后，它可與土壤中的重金屬通過(guò)螯合作用形成水溶性的金屬-螯合劑絡(luò)合物，從而改變重金屬難于被修復(fù)植物吸收利用的狀態(tài)，提高重金屬的生物有效性[16]。筆者以籽粒莧為富集植物，通過(guò)田間試驗(yàn)研究了螯合劑類型（EDDS、NTA、EDTA及檸檬酸）、施用量（0.1%、0.2%）及施用時(shí)間（播種后60、75 d）對(duì)籽粒莧生物量及其重金屬吸收轉(zhuǎn)運(yùn)以及土壤鎘含量的影響，以期為螯合劑輔助植物修復(fù)技術(shù)在重金屬鎘污染土壤修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在湘潭市湘潭縣及醴陵市左權(quán)鎮(zhèn)進(jìn)行，供試土壤為水稻土，屬第四季紅壤，土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。供試植物為籽粒莧，品種為K112。供試螯合劑為EDDS、NTA、EDTA及檸檬酸。基肥為氮磷鉀復(fù)合肥、尿素。供試農(nóng)藥為啶蟲脒。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)設(shè)置16個(gè)處理和2個(gè)對(duì)照，詳見(jiàn)表2。每個(gè)處理（含對(duì)照）種植面積0.20 hm2（包括3次重復(fù)）。對(duì)照CK-1：翻耕后休耕處理，不施用螯合劑；對(duì)照CK-2：翻耕后種植超富集植物籽粒莧，也不施用螯合劑。于2018年3月下旬播種籽粒莧，分別在籽粒莧種植后60、75 d施加EDDS、NTA、EDTA及檸檬酸4種螯合劑，螯合劑施用量分別為0.1%、0.2%。種植120 d后于8月下旬進(jìn)行第一次收割，10月中旬進(jìn)行第二次收割。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

籽粒莧生長(zhǎng)成熟后，選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株，以1.5 m×1.5 m方格分別采集植株和根際泥土樣品。將采集的籽粒莧植株樣品沖洗干凈，去除表面吸附的重金屬離子后再用吸水紙把表面水吸干，測(cè)定鮮重、株高、根長(zhǎng)；然后殺青、烘干后將植物樣品用陶瓷研缽研磨成細(xì)粉并用1 mm尼龍篩過(guò)濾待用。土壤樣品經(jīng)室內(nèi)自然風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)篩后保存。

1.3.1 土壤分析及測(cè)定方法（1）pH值：采用電位法[17]測(cè)定。將去離子水加熱煮沸幾分鐘后，去除水中的CO2，用保鮮膜蓋住待水冷卻到常溫，稱取（10.0±0.1）g土壤樣品，置于50 mL的燒杯中，采用比為2.5∶1的水土比，加入制備好的去離子水，用恒溫振蕩器振蕩30 min，再靜置30 min，然后測(cè)定。（2）土壤重金屬含量：土壤樣品采用HCl-HNO3-HClO4濕法消解，然后采用石墨爐原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定溶液中鎘含量[15]。（3）有效態(tài)鎘含量測(cè)定：稱取10.0 g土壤樣品于100 mL塑料廣口瓶中，加入25 mL DTPA提取劑[18]，在25℃時(shí)用振蕩器振蕩10 min，過(guò)濾，濾液用于測(cè)定有效態(tài)鎘含量。

1.3.2 植物樣品分析及測(cè)定方法（1）植物地上部分鮮重指標(biāo)測(cè)定：植物成熟收割時(shí)，選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的地塊，以1.5 m×1.5 m方格取樣，計(jì)算籽粒莧生物量。（2）植物樣品鎘含量分析：植株樣品清洗晾干后采用HNO3-HClO4體系[19]進(jìn)行消解，然后采用石墨爐原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定溶液中鎘含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用SPSS Statistics 21和Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與圖表制作。

2 結(jié)果與討論

2.1 螯合劑處理對(duì)籽粒莧生物量的影響

植物修復(fù)過(guò)程中施加螯合劑能夠活化土壤中的重金屬，提高重金屬的生物有效性，因此對(duì)植物造成了重金屬脅迫，抑制了植物的生長(zhǎng)[20-22]。螯合劑EDDS、NTA、EDTA及檸檬酸對(duì)籽粒莧生物量影響如圖1所示，施加不同螯合劑籽粒莧生物量與CK-2相比無(wú)顯著差異；且螯合劑不同施用量、不同施用時(shí)間對(duì)籽粒莧生物量的影響均無(wú)顯著差異；對(duì)比湘潭縣和醴陵市2地籽粒莧的生長(zhǎng)情況發(fā)現(xiàn)，湘潭地區(qū)的籽粒莧較醴陵地區(qū)長(zhǎng)勢(shì)好，這與2地土壤性質(zhì)有關(guān)，湘潭地區(qū)土壤pH值較高，土壤總Cd含量較低。上述結(jié)果表明，在待修復(fù)土壤中施加螯合劑，籽粒莧均能正常生長(zhǎng)，不會(huì)受到明顯抑制，生物量與空白對(duì)照沒(méi)有顯著差異，即：將螯合劑施入試驗(yàn)所選鎘污染土壤中時(shí)，土壤中活化的鎘含量還不足以抑制籽粒莧的正常生長(zhǎng)。

圖1 各處理籽粒莧生物量的比較

2.2 螯合劑處理對(duì)籽粒莧鎘吸收的影響

2.2.1 螯合劑對(duì)籽粒莧各部位鎘含量的影響有研究表明，螯合劑可以活化土壤中的重金屬，提高重金屬的生物有效性，增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的提取效率[23]。由表3可知，該研究中4種螯合劑均能顯著增強(qiáng)籽粒莧對(duì)鎘的吸收。施用EDDS、NTA、EDTA及檸檬酸4種螯合劑，籽粒莧根系對(duì)鎘的吸收（每種螯合劑8點(diǎn)次平均）相比CK-2（2點(diǎn)平均）增加了12.96%～55.37%，籽粒莧地上部分對(duì)鎘的吸收（每種螯合劑8點(diǎn)次平均）比CK-2（2點(diǎn)平均）增加了19.77%～49.67%，這與羅艷等[24]的研究結(jié)果一致。從處理后籽粒莧對(duì)鎘的吸收量來(lái)看，4種螯合劑促進(jìn)植株鎘吸收能力的大小依次為NTA＞EDDS＞EDTA＞檸檬酸。

從表3中還可以看出，隨著螯合劑施用量的增加，籽粒莧對(duì)鎘的吸收量亦隨之增加，施加0.2%EDDS（T3、T4）較施加0.1%EDDS（T1、T2）植物根系及地上部分鎘含量增加分別為7.81%和 19.15%；施加0.2%NTA（T7、T8）較施加0.1%NTA（T5、T6）植物根系及地上部分鎘含量增加分別為16.45%和13.45%；施加0.2%EDTA（T11、T12）較施加0.1%EDTA（T9、T10）植物根系及地上部分鎘含量增加分別為9.16%和7.27%；施加0.2%檸檬酸（T15、T16）較施加0.1%檸檬酸（T13、T14）植物根系及地上部分鎘含量增加分別為14.04%和17.53%。

表3 各處理籽粒莧根系及地上部的鎘含量

從螯合劑的施用時(shí)間來(lái)看，與播種60 d后施加螯合劑的處理相比，播種75 d后施加螯合劑籽粒莧各部位對(duì)鎘的吸收量呈下降趨勢(shì)。這與羅艷等[24]的研究結(jié)果一致，表明螯合劑施加時(shí)間較晚，其活化重金屬的能力不能充分發(fā)揮，從而導(dǎo)致籽粒莧對(duì)鎘的提取效率較低。

2.2.2 鎘在籽粒莧各部位轉(zhuǎn)運(yùn)情況轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)用來(lái)評(píng)價(jià)重金屬含量從植物下端向上端的運(yùn)輸和富集能力，是植物上端某元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與下端元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比。用公式表示為R=S/L。式中，R為轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，S為某元素在籽粒莧地上部分含量（mg/kg），L為某元素在籽粒莧地下部分含量（mg/kg）。由表4可知，籽粒莧從土壤中吸收的鎘大部分鎘富集于根部，向上部轉(zhuǎn)移較少；根系富集的鎘含量超過(guò)了土壤中鎘含量或與土壤中鎘含量相當(dāng)。這可能是由于螯合劑的施用，改變了土壤中鎘的形態(tài)，促使可交換態(tài)鎘含量向植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)。

表4 不同處理下籽粒莧各部位的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

2.3 螯合劑處理對(duì)土壤pH值及Cd含量的影響

2.3.1 土壤pH值變化情況土壤pH值是影響鎘離子在土壤中遷動(dòng)轉(zhuǎn)移的重要因素之一。如圖2所示，試驗(yàn)地土壤偏酸性，但未影響籽粒莧的正常生長(zhǎng)；施加不同類型螯合劑后，土壤pH值并無(wú)顯著變化，螯合劑不同施用量及不同施用時(shí)間對(duì)土壤pH值亦無(wú)顯著影響。這說(shuō)明，施用螯合劑對(duì)土壤pH值影響并不明顯。

圖2 不同處理下土壤pH值的變化

2.3.2 土壤總鎘變化情況由圖3可知，與休耕處理（CK-1）相比，單獨(dú)種植籽粒莧（CK-2）及螯合劑輔助籽粒莧種植處理可顯著降低土壤中總鎘含量，降低量為0.05～0.26 mg/kg；螯合劑類型、用量及施用時(shí)間對(duì)植物修復(fù)效率的影響有一定的差異。對(duì)比4種螯合劑發(fā)現(xiàn)，可降解螯合劑NTA的降鎘效果較其他螯合劑好，且隨著施用量的增加，修復(fù)效率隨之提高；籽粒莧播種60 d后施加螯合劑的效果優(yōu)于播種75 d后的，這與之前的研究結(jié)果相一致。

圖3 不同處理下土壤中總鎘含量的變化

2.3.3 土壤有效態(tài)鎘含量變化情況由圖4可知，施加4種不同類型螯合劑可顯著增加土壤中有效態(tài)鎘含量，與空白對(duì)照（CK-1和CK-2）相比，土壤有效態(tài)鎘含量增加9.10%～120.83%；4種螯合劑均能顯著增加土壤有效態(tài)鎘含量，其效果依次為NTA＞EDDS＞EDTA＞檸檬酸。因此，相對(duì)于EDDS、EDTA和檸檬酸而言，NTA在輔助籽粒莧提取土壤鎘方面更具有潛力。隨著螯合劑施用量的增加，土壤中有效態(tài)鎘含量隨之增加，籽粒莧播種60 d后施加螯合劑的效果優(yōu)于播種75 d后的，這與之前關(guān)于籽粒莧吸收鎘的研究結(jié)果相似，進(jìn)一步表明螯合劑處理時(shí)間較早，其對(duì)重金屬的活化性能較強(qiáng)，促進(jìn)植株吸收鎘的作用較大。

3 結(jié) 論

試驗(yàn)結(jié)果表明，籽粒莧具有富集重金屬鎘的能力，重金屬主要富集于其根部；施加不同類型螯合劑后，顯著增強(qiáng)了籽粒莧對(duì)土壤重金屬鎘污染的修復(fù)效率。隨著螯合劑施用量的增加，籽粒莧對(duì)土壤重金屬鎘移除效果隨之提高；籽粒莧播種60 d后施用螯合劑的效果優(yōu)于播種75 d后的施用效果。綜合考慮螯合劑適應(yīng)性及成本，認(rèn)為可降解螯合劑NTA是一種較為理想的輔助籽粒莧修復(fù)土壤鎘污染的螯合劑。