復合螯合劑對籽粒莧修復鎘污染農田的影響

關鍵詞：復合螯合劑；籽粒莧；土壤修復；鎘污染農田

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0509

中圖分類號：S156；X53 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2023）12018609

農田土壤重金屬污染是當今最受關注的環境問題之一，其主要是由沉積、巖漿、農業及工業生產等地質和人類活動造成[1-3]。鎘（Cd）作為我國農田土壤的主要污染物，對農業經濟及人體健康已產生嚴重威脅。據報道，湖南省長株潭等地區因受工礦業等影響，耕地Cd污染問題較為突出，有相當數量耕地呈現輕中度污染特征[4]。因此，探尋適宜于輕中度Cd污染農田土壤的修復方式、實現重金屬污染耕地的安全利用至關重要[5]。

植物提取修復技術是利用富集或超富集植物吸收和轉運重金屬，并將其累積在植物地上部，然后通過收獲物移除土壤中的重金屬，具有成本低廉、環境友好等優點[6]，該技術應用廣泛，適用于修復大面積、輕中度重金屬污染土壤[7]。選擇針對特定土壤條件的富集植物是實現土壤修復的關鍵[8]，籽粒莧（Amaranthus hypochondriacus L.）因具有生物量較大、Cd積累能力較強、經濟效益高及修復效果好等特點，在實現Cd污染農田土壤邊生產邊修復上具有廣闊前景[9]。然而，植物提取重金屬耗時較長，而且農業土壤重金屬形態較為穩定，傳統植物修復技術存在局限性。近年來，在植物修復基礎上通過螯合劑強化提取污染土壤中重金屬已成為較有前景的修復方式[10]，然而，傳統螯合劑如乙二胺四乙酸（ethylenediaminetetraaceticacid， EDTA）、乙二醇雙（2- 氨基乙基醚）四乙酸[glycol-bis- （2-aminoethylether） -N， N， N′， N′-tetraacetic acid， EGTA]等可能存在二次污染風險，相比于傳統螯合劑，更具應用前景的可降解螯合劑逐漸成為近年來的熱門話題。谷氨酸二乙酸四鈉（[N， N]-bis glutamic acid， GLDA）作為一種典型的綠色螯合劑，其86% 的碳源來自于綠色碳源，因具有高分解性及較好的分散性而備受關注[1112]。此外，次氮基三乙酸（nitrilotriacetic acid，NTA）具有較強的電解質子的能力，能使土壤維持在酸性環境從而促進重金屬的溶出。Guo等[13]研究發現，NTA對Cd的提取效果較好，能淋洗土壤中65%的重金屬Cd。因此，GLDA和NTA在Cd污染土壤強化修復方面具有較好的應用前景。

然而，單一螯合劑對土壤重金屬離子的活化能力往往受到限制[14]。對GLDA及NTA應用的研究多集中于單一螯合劑或搭配其他種類螯合劑聯合植物修復[15-18]，且多集中于高Cd含量土壤[1920]，關于GLDA、NTA 及GLDA-NTA 復合條件下強化植物修復輕中度Cd污染農田土壤的綜合實際應用鮮見報道，其影響機理亦不明確。因此，本文將GLDA、NTA 及GLDA-NTA 復合螯合劑結合籽粒莧開展輕中度Cd污染農田土壤修復的田間小區試驗，探究不同螯合劑處理對籽粒莧地上部生物量、地上部及根系Cd含量、Cd富集與轉運系數、地上部Cd提取量、耕層土壤pH及Cd含量變化、根際土Cd形態分布等的綜合影響，明確其效果，以期為我國南方輕中度Cd污染農田的防控與治理提供理論支撐與方法參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試驗地概況

供試植物為籽粒莧（Amaranthus hypochondriacusL.），GLDA、NTA螯合劑均購于酷爾化學科技（北京）有限公司。試驗于2020年5—9月在湖南省株洲市株洲縣南洲鎮大壩橋村大屋組（27.73°N、113.32°E）進行，該地屬湖南省典型輕中度Cd污染農田區，籽粒莧播種前耕層土壤（0—20 cm）基本情況為：pH 6.80，有機質含量48.10 g·kg^-1，全氮含量2.11 g·kg^-1，速效氮含量195.00 mg·kg^-1，有效磷含量7.00 mg·kg^-1，總Cd含量1.70 mg·kg^-1，二乙烯三胺五乙酸（diethylenetriamine pentaacetic acid，DTPA）所提取鎘（DTPA-Cd）含量0.45 mg·kg^-1，土壤類型為河流沖積物發育的河沙泥。

1.2 試驗設計

待試驗田翻耕后，劃分出12個小區，每小區面積30 m²（4.0 m×7.5 m），試驗共設置4個處理，即種植籽粒莧，不施加任何螯合劑（T1）；種植籽粒莧，施加GLDA（T2）；種植籽粒莧，施加NTA（T3）；種植籽粒莧，施加GLDA-NTA（GN）復合螯合劑（T4）；每個處理3次重復。籽粒莧采用育苗移栽，待小區均勻撒施復合肥（氮磷鉀配比為18∶10∶12，總養分≥40%）1.5 kg 后，耙細整平即可移栽，移栽密度為272穴·小區^-1（8行×34穴·行^-1）。螯合劑于籽粒莧移栽65 d后統一澆濕于土面，基于前期螯合劑用量試驗，GLDA 和NTA 施加量分別設置為1 200 和450 kg·hm^-2，即T2、T3 和T4 處理每小區施加量分別為3.55 kg GLDA、1.29 kg NTA 和3.55 kgGLDA+1.22 kg NTA。在作物移栽后，追施尿素0.75 kg·小區^-1，追肥采用穴施或兌水淋施法進行。

1.3 采樣與測定方法

試驗前每個小區取土樣1 kg，測定土壤的pH、有機質、重金屬總鎘及有效態鎘含量。在螯合劑添加前（移栽后65 d），采集根際土壤并分析根際土Cd形態分布；在收獲前（移栽后90 d），采集耕層土、根際土及籽粒莧樣品，分析耕層土pH及Cd 含量、根際土Cd 形態分布、籽粒莧地上部生物量、地上部及根系Cd 含量。待籽粒莧收獲時，每小區采用5 點取樣法取植株5 株，測定地上部鮮重及干重，每小區籽粒莧產量通過田間實測獲取。其中，土壤pH、有機質測定方法均參照《土壤農化分析》[21]；土壤、植株總鎘采用HJ 803—2016《土壤和沉積物12種金屬元素的測定 王水提取-電感耦合等離子體質譜法》進行測定[22]；土壤有效態鎘采用GB/T 23739—2009《土壤質量 有效態鉛和鎘的測定 原子吸收法》進行測定[23]；根際土Cd 形態采用改進的BCR 方法進行分析[20]；籽粒莧生物量采用烘干法稱重測定；根際土壤采用抖根法[24]進行采集。用于指標測定的試驗容器于使用前用10%硝酸溶液進行浸泡，并采用試劑空白、平行樣及標準物開展全過程分析質量控制。其中，平行測定相對誤差均lt;10%，標準物回收率在96.75%～103.85%。相關計算公式如下。

富集系數（bioconcentration factor， BCF）=地上部重金屬總Cd含量（mg·kg^-1）/土壤總Cd含量（mg·kg^-1） （1）

轉運系數（translocation factor， TF）=地上部重金屬總Cd含量（mg·kg^-1）/根部總Cd含量（mg·kg^-1） （2）

地上部Cd提取量=地上部重金屬總Cd含量（mg·kg^-1）×地上部干重（kg·hm^-2）×10^-3" （3）

1.4 數據分析

本研究利用Excel 2013 及SPSS Statistics 20對數據進行統計分析，并用SigmaPlot 14.0對數據作圖。不同處理間的顯著性檢驗（Plt;0.05）采用Duncan新復極差法。

2 結果與分析

2.1 不同螯合劑處理對籽粒莧生物量的影響

生物量是表征植物耐受性的關鍵指標，不同螯合劑處理下籽粒莧地上部生物量（干重）如圖1所示。與T1相比，施用螯合劑處理的T2、T3及T4籽粒莧地上部生物量變化均不明顯，各處理間差異不顯著。

2.2 不同螯合劑處理對籽粒莧鎘的吸收、富集及轉運的影響

由表1可知，施加螯合劑對籽粒莧各部位鎘含量產生了不同程度的影響，但地上部鎘含量均高于地下部。與T1相比，T2和T3處理地上部鎘含量并無明顯變化，而T4處理籽粒莧地上部Cd含量顯著提升了46.35%；不同螯合劑處理地下部Cd含量與T1處理相比均無顯著性變化，而T2和T4處理顯著高于T3處理?？偟膩砜矗琓4處理籽粒莧地上部及地下部鎘含量均為最高，呈現出更好的吸鎘效果。

植物重金屬的富集系數是判定其修復土壤重金屬能力的重要指標。由表1可知，未施加螯合劑時籽粒莧的富集系數為7.69，施加螯合劑處理富集系數在8.41～10.83；與此同時，未施加螯合劑時籽粒莧的轉運系數為1.40，施加螯合劑處理轉運系數在1.49～1.61。與T1相比，T4處理呈現顯著增長趨勢，富集及轉運系數分別提高40.83%及15.00%，T2 和T3 處理變化不顯著。綜合來看，3種螯合劑處理均對Cd的富集與轉運產生了不同程度的影響，且T4處理提升效果最為顯著。

2.3 不同螯合劑處理對籽粒莧地上部Cd 提取量的影響

污染土壤中重金屬的提取量是評價植物修復重金屬污染土壤潛力的重要指標。由圖2可知，與T1處理相比， T2和T4處理籽粒莧地上部Cd提取量呈現顯著性增長，較T1 處理分別提高143.55% 和179.67%，且T4 處理呈現出最佳的提取潛力，而T3處理變化不明顯。

2.4 不同螯合劑處理對耕層土pH、總Cd 及DTPA-Cd 含量的影響

土壤pH 是影響Cd 生物可利用性的重要因素。由圖3可知，T1處理的pH為4.84，與之相比，T4處理顯著提升了0.65個單位，T2和T3處理變化不明顯。

由圖4 可知，施用螯合劑后土壤總Cd 含量均低于T1 處理，其中T4 處理降鎘效果最為明顯。與此同時，T1 處理DTPA-Cd 含量為0.578 mg·kg^-1，施加螯合劑處理的DTPA-Cd含量較T1均有所提高，其中T4處理提升效果最為明顯。以上結果說明，施用螯合劑可在一定程度上活化溶出土壤中Cd元素，進而促進植物對Cd的有效吸收與積累。土壤理化性質與地上部生物量及Cd 吸收累積的相關性分析表明（表2），pH 與DTPA-Cd含量并無顯著相關，說明在螯合劑外源作用下，土壤pH對Cd活化并非起主導作用。

2.5 不同螯合劑處理對根際土Cd 賦存形態的影響

土壤中Cd的不同形態具有不同的生物有效性及遷移能力。螯合劑添加前后根際土Cd形態分布情況如圖5所示，T1處理鎘的形態以酸溶態為主，占Cd總含量的50.31%，水溶態僅占1.52%；螯合劑添加后，T2、T3和T4處理水溶態及酸溶態鎘均呈現出不同程度的增加趨勢，可還原態及可氧化態鎘則呈現出不同程度的下降趨勢，殘渣態鎘除T4處理出現略微上升外，T2和T3處理變化不大。其中，T4處理鎘形態變化最為明顯，酸溶態鎘占比較T1 處理增加了22.09%，可還原態鎘占比較T1處理降低了26.28%。綜合來看，T4處理最大限度地提升了Cd的生物有效性。

3 討論

3.1 復合螯合劑影響土壤pH 及Cd 生物有效性

本研究結果表明，施用螯合劑（GLDA、NTA及GN）均能提高土壤pH，其中以GN處理最為明顯，與不施螯合劑相比pH 顯著提高了0.65個單位，這可能與螯合劑GLDA和NTA在土壤中的水解過程有關，GLDA和NTA是具有羧基結構的可降解綠色螯合劑，其水解過程可引起OH^?增加，進而導致土壤pH提高[25]。有研究表明，土壤pH是影響重金屬在土壤中釋放的主要因素[2627]。然而，螯合劑對植物吸收提取重金屬的強化效應與pH關系并不大，螯合劑并非通過改變植物根際土壤pH來提高重金屬離子的溶解性[2829]。

此外，施用螯合劑（GLDA、NTA 及GN）后土壤總Cd含量均有所降低，DTPA-Cd含量均有所提高，說明施用螯合劑可在一定程度上活化溶出土壤中Cd元素，進而促進植物對Cd的有效吸收與積累。究其原因，主要是由于螯合劑與重金屬離子形成了更加穩定的螯合結構，實現了離子與土壤的分離[30]，這與覃建軍等[31]研究結果類似。

3.2 復合螯合劑提取效率與土壤中重金屬形態的關系

傳統修復法多關注重金屬提取量及效率，往往忽略了土壤重金屬生物有效性對方法本身的反饋[32]。螯合劑的添加促使了水溶性金屬螯合物的形成，增加了有效態重金屬含量，進而提升了植物根系吸收及轉運效率[33]。改良的BCR 連續提取法將土壤中重金屬分為水溶態、酸溶態、可還原態、可氧化態及殘渣態，其穩定性排序依次為殘渣態gt;可氧化態gt;可還原態gt;酸溶態gt;水溶態。其中，水溶態及酸溶態重金屬對環境條件變化相對敏感，在土壤環境中不穩定[34]。陳春樂等[35]采用BCR連續提取法分析了淋洗前后土壤重金屬形態變化，發現土壤中活性較高的酸溶態及可還原態重金屬可被有效去除，且可生物降解螯合劑亞氨基二琥珀酸（Iminodisuccinic acid， IDS）及GLDA 淋洗可有效減少土壤重金屬的環境風險。陳雅慧等[36]通過盆栽試驗，研究了外源鉛（15 000 mg·kg^-1）污染土壤下NTA、三聚磷酸鈉（sodium tripolyphosphate，STPP）、GLDA 及聚天冬氨酸（polyaspartic acid，PASP）與EDTA 在不同復配比例（1∶1，2∶1）聯合施用下對鋪地竹鉛富集的影響，結果表明施加螯合劑能顯著提高鉛生物有效性，進而提升植物提取效率。Wang等[37]研究也表明，螯合劑的添加促進了酸溶態Cd及部分氧化還原態Cd的釋放，提高了植物對Cd的吸收與積累。與之相比，本研究在施加螯合劑后，Cd賦存形態總體呈現出水溶態及酸溶態占比增加、可還原態及可氧化態占比降低及殘渣態變化不大的整體趨勢，且以GN處理變幅最大，水溶態、酸溶態、可還原態、可氧化態及殘渣態相比于不施螯合劑處理變幅分別為3.28%、22.09%、-26.28%、-1.33% 及2.24%。重金屬去除率與其賦存形態存在密切關聯，自然狀態下老化效應會促使大多數水溶態及酸溶態Cd向還原態及殘留態等穩定態轉變，本研究中復合螯合劑（GN）能夠有效活化土壤中難遷移轉化的可還原態及可氧化態Cd，促進了水溶態及酸溶態Cd 的增加及植物吸收，對相對穩定的殘渣態Cd 則影響有限。因此，復合螯合劑（GN）可有效增加土壤重金屬Cd的生物有效性，從而提高螯合劑強化植物吸收的修復效率。此外，由于本試驗使用的螯合劑均為可降解螯合劑，降解產物多為NH₃，這也對改善土壤肥力、增加土壤微生物數量及提高土壤酶活性產生積極影響。

3.3 影響螯合劑強化植物修復效率的因素

螯合強化主要是通過螯合劑與重金屬間螯合作用，促使金屬-螯合劑絡合物形成，最終提升重金屬的植物修復效率[38]?；趩我换驈秃向蟿娀参镄迯?，是一種高效的環境友好型土壤修復方法，在保證修復效率的同時，亦能兼顧環境及經濟因素。在實際應用層面，單一螯合劑往往存在諸多局限性，通過對螯合劑進行復合可以進一步提高螯合劑對土壤重金屬離子的活化效率[39]。本研究表明，可降解螯合劑GLDA與NTA復合聯用時，籽粒莧地上部生物量、地上部及根系Cd含量、富集系數與轉運系數、地上部Cd提取量均高于單獨施用處理，這與王凱等[40]研究結論類似。宋波等[41]研究發現，在田間試驗中添加活化劑（乙二胺四乙酸及檸檬酸）后籽粒莧根、莖及葉各器官Cd含量相比對照處理均顯著提高（Plt;0.05），說明外源活化劑促進了籽粒莧對土壤中Cd的吸收，提升了修復效率。景琪[42]研究也表明，盆栽試驗中乙二胺四乙酸與檸檬酸的混合添加可避免高水平乙二胺四乙酸對植物的毒害，同時對促進2種植物吸收土壤中Cd及Cu均顯示出了良好效果，說明將螯合劑混合添加可促進超富集植物對重金屬污染土壤的修復效果，同時還能減小螯合劑添加所帶來的潛在風險。螯合劑種類與施用量、添加方式、土壤條件、富集植物種類等因素均對植物修復效果強化存在一定影響[43-48]。鑒于土壤環境具有復雜多變性，在輕中度Cd污染農田背景下，目前關于GLDA-NTA 復合螯合劑強化植物修復的綜合實際應用尤其是機理性的研究甚少，本文就復合螯合劑對籽粒莧修復鎘污染農田的綜合影響作了初步探討，機理性的探析尚待進一步研究。

（責任編輯：胡立霞）