不同螯合劑處理下楊樹對土壤中Cd的吸收和富集效應(yīng)

雒煥章 ,南忠仁 *,胡亞虎,金 誠 ,王 寧

(1.蘭州大學(xué)環(huán)境科學(xué)系,甘肅 蘭州 730000；2.西部環(huán)境教育部重點實驗室,甘肅 蘭州 730000)

隨著我國工業(yè)化進程的推進,土壤 Cd污染問題顯得日益突出.據(jù)統(tǒng)計,我國 Cd污染耕地面積已經(jīng)超過了1.2萬hm2,涉及11個灌區(qū)[1].進入土壤中的 Cd,不僅會影響農(nóng)作物的品質(zhì),還可以通過食物鏈進入人體,對人體健康造成危害[2].傳統(tǒng)的修復(fù)方法不僅費用昂貴,而且對土壤的物理化學(xué)性質(zhì)造成了破壞[3].相比較而言,植物修復(fù)是一種原位修復(fù)技術(shù),對土壤結(jié)構(gòu)和微生物影響較小,而且比較經(jīng)濟,在修復(fù)重金屬污染土壤時被越來越多的采用[4-5].

木本植物由于其擁有生物量大,根系發(fā)達和不進入食物鏈等優(yōu)勢,在植物修復(fù)的研究中逐漸得到重視.目前國內(nèi)的一些研究[6-9]都表明,相較于其他木本植物,楊樹對 Cd的耐性較強,并且對土壤中的 Cd有明顯的吸收和積累作用.黃會一等[10]發(fā)現(xiàn)楊樹將吸收的大部分 Cd積累在根部,運轉(zhuǎn)到地上部的較少.這影響了楊樹對 Cd污染土壤的修復(fù)效率.如何通過人為強化措施來提高楊樹地上部對 Cd的富集能力就顯得非常重要.而針對西北干旱區(qū),這方面研究還比較少.螯合劑能夠有效活化土壤中的重金屬,進而促進植物對重金屬的富集,因此被廣泛用于強化植物對土壤中重金屬的提取修復(fù)[11].本試驗以西北干旱區(qū)農(nóng)作土壤作為供試土壤,該地區(qū)的重要造林樹種新疆楊(Populus boleanaLauche)作為供試植物,通過投加不同螯合劑來研究楊樹在人為強化的條件下對重金屬 Cd的吸收和富集效應(yīng),以期能為該區(qū)域Cd污染土壤的植物修復(fù)提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

甘肅省白銀市自1958年以來利用東大溝的污水對農(nóng)田進行灌溉,污灌導(dǎo)致農(nóng)田土壤長期受到 Cd、Cu、Pb和 Zn等重金屬的污染,尤其是Cd的污染較為嚴(yán)重[12].供試土壤采自該地區(qū)污灌旱作農(nóng)田 0～20cm 表層土,基本理化性質(zhì)見表1.供試植物為新疆楊.螯合劑共選擇了 3種,分別是EDTA、EGTA和檸檬酸(CA).

1.2 試驗方法

將采回的土壤自然風(fēng)干,過10mm尼龍篩,充分混勻后每盆裝土 7.5kg,并施加一定量的化肥為底肥,氮肥的施加水平為100mgN/kg,磷肥的施加水平為0.16gP/kg.每盆栽入大小一致的一年生新疆楊幼苗兩棵,根據(jù)植物生長情況正常澆水.在植物收獲前 25d將螯合劑以溶液的形式一次性施入土壤,試驗設(shè)置了 1個不投加螯合劑的對照處理(CK),3個螯合劑投加處理,其中 EDTA、EGTA和 CA均分別設(shè)置了 3個投加水平,即1,3,9mmol/kg, 每個處理重復(fù) 3次.螯合劑投加1d,4d,8d,15d,25d后分別采取適量盆栽土壤用于測定土壤中水提態(tài)Cd含量.螯合劑投加25d后將楊樹分根、樹干和樹葉 3部分加以收獲,楊樹的整個生長期是 5個月.收獲的植物樣品用蒸餾水清洗3次,105℃殺青30min,75℃下烘干48h至恒重,稱量各部位干重.植物樣品用粉碎機粉碎后采用 HNO3/HClO4法(V：V=4：1)消解.收獲后的土壤經(jīng)自然風(fēng)干后混勻,過2mm篩,采用水提法(土水比 1：2.5)提取土壤中水提態(tài) Cd.濾液用火焰原子吸收分光光度計(Thermo Fishier, SOLAAR M6)測定.采用國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(植物：GBW 07603(GSV-2);土壤：GBW 07401(GSS-1))進行質(zhì)量控制,元素回收率分別為87%～105%和95%～103%.

表1 供試土壤的基本性質(zhì)Table 1 Properties of the soil used in the experiment

1.3 數(shù)據(jù)處理

本文數(shù)據(jù)用SPSS16.0統(tǒng)計軟件進行方差分析,并用最小顯著差數(shù)(LSD)法進行多重比較,顯著性差異水平為P=0.05.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同螯合劑處理下土壤中水提態(tài) Cd含量的變化

由圖1可見,各處理的土壤水提態(tài)Cd含量與對照(CK)相比都有了顯著(P＜0.05)提高.為對照(CK)的4.27～249.12倍.這是因為重金屬進入土壤后,一部分與土壤固相結(jié)合在一起,相對穩(wěn)定,很難被植物所吸收.螯合劑施入后,可以與這部分重金屬結(jié)合,形成絡(luò)合物,使其進入土壤溶液,達到提高土壤溶液重金屬含量的目的[13-14].但不同螯合劑的活化效果不盡相同.總體上,EGTA活化效果最好,最高達32.41mg/kg.EDTA次之,各處理是CK的10.77～136.9倍.CA最差,最高為 10.46mg/kg.這與不同螯合劑和不同金屬的絡(luò)合物穩(wěn)定常數(shù)不同有關(guān).EGTA對Cd選擇性高,且 Cd-EGTA絡(luò)合物穩(wěn)定[15].EDTA對Pb活化效果最好,對Cd較差[16-17],所以效果沒有EGTA試驗組效果好.而CA試驗組的活化效果較差,這與供試土壤呈堿性(pH=7.48)有關(guān),只有當(dāng)pH值小時,檸檬酸對Cd的活化效果較好[18].

對比不同螯合劑投加后土壤水提態(tài)Cd含量隨時間變化的情況可發(fā)現(xiàn),EDTA和EGTA處理組的土壤水提態(tài)Cd含量需要數(shù)天后才能達到最大值,而 CA 處理組則僅需要 1d左右.這說明EDTA和EGTA在土壤環(huán)境中難降解,會加強土壤中重金屬的淋溶作用,造成潛在的環(huán)境風(fēng)險[17].CA由于其易降解,在堿性土壤中絡(luò)合作用較差,環(huán)境風(fēng)險也較小.

圖1 各處理的土壤水提態(tài)Cd含量隨時間的變化(mg/kg)Fig.1 Temporal changes of water-extractable Cd concentration in the soil after the addition of different doses of EDTA,EGTA and CA

2.2 不同螯合劑處理對楊樹生物量的影響

本試驗在植物收獲 25d前進行螯合劑投加處理,至收獲時,所有處理的楊樹均沒有表現(xiàn)出葉黃、枯萎、落葉等情況.生物量是衡量植物生長情況的重要指標(biāo).由圖2可看出,投加螯合劑后的楊樹干部生物量與未投加螯合劑的對照(CK)相比沒有顯著性(P＞0.05)差異.其中,除CA1生物量略有增加外,其余各處理均有所降低.

圖2 不同螯合劑處理下楊樹地上部生物量的變化Fig.2 Changes of stem and leaf biomass (expressed as dry weight) after the addition of different doses of EDTA,EGTA and CA

葉部的生物量變化與干部不同,除了EDTA9和 EGTA9相較于對照(CK)略有降低之外,其他各處理均有所增加.其中,EDTA3、CA3和 CA9更是有了顯著地(P＜0.05)提高.這表明,較低濃度的螯合劑對楊樹葉部的生長有一定的促進作用.這可能是因為EDTA和EGTA活化了土壤中Cd的同時,也活化了其他一些微量營養(yǎng)元素,并促進了楊樹對這些元素的吸收[19].同時,也說明新疆楊在投加螯合劑,土壤中的重金屬 Cd脅迫增強的情況下,生物量所受影響較小,生長情況依然保持正常.這為該地區(qū) Cd污染土壤的植物強化修復(fù)提供了基礎(chǔ).

2.3 不同螯合劑處理對楊樹不同部位 Cd含量的影響

由圖3可見,投加螯合劑后,各處理楊樹根部和干部(除EDTA1外)的Cd含量與對照(CK)相比均有所降低.相反,各處理楊樹葉部的 Cd含量與對照(CK)相比均有所提高. 其中,除CA3和CA9處理外,其余各處理均有了顯著(P＜0.05)提高.總體上,EGTA 處理組效果最明顯,為對照(CK)的1.73～2.90倍,其中EGTA9處理最高,葉部Cd含量為34.13mg/kg.EDTA處理組次之,為對照(CK)的1.91～2.46倍,最高為 EDTA1處理,達到了27.51mg/kg. CA 處理組較差,僅為對照(CK)的1.05～1.50倍.這也與螯合劑投加后各處理土壤中的水提態(tài) Cd含量的變化情況基本一致.結(jié)果說明,螯合劑的投加,有效促進了楊樹根部和干部的Cd向楊樹葉部的轉(zhuǎn)移富集[20-21].這可能與螯合劑整體吸收是操縱強化吸取的主導(dǎo)機制有關(guān)[22].螯合劑投加后,與土壤固相結(jié)合在一起的重金屬與螯合劑結(jié)合成金屬絡(luò)合物進入到土壤溶液中[13-14],這些金屬絡(luò)合物可以從內(nèi)皮層裂口處進入根內(nèi),并由蒸騰作用控制的被動過程運輸轉(zhuǎn)移到地上部[19,22].

圖3 不同螯合劑處理下楊樹各部位Cd含量的變化Fig.3 Changes of Cd concentration in poplar tissues after the addition of different doses of EDTA, EGTA and CA

2.4 不同螯合劑處理對楊樹不同部位 Cd積累量的影響

由圖 4可見,投加螯合劑后,各處理楊樹根部和干部(除EDTA1外)的Cd積累量與對照(CK)相比均有所降低.相反,各處理楊樹葉部的Cd積累量與對照(CK)相比,均有了顯著地(P＜0.05)提高,為對照(CK)的 1.42～2.77 倍.其中,EGTA9 處理最高,為 614.40μg/盆,CA3 處理最低,為 314.72μg/盆.總體上,各處理組楊樹葉部Cd積累量表現(xiàn)為EGTA＞EDTA＞CA,這與楊樹各部位Cd含量的變化情況基本一致.

圖4 不同螯合劑處理下楊樹各部位Cd積累量的變化Fig.4 Changes of Cd amount in poplar tissues after the addition of different doses of EDTA, EGTA and CA

在未投加螯合劑的對照(CK)的楊樹中,根部Cd積累量是楊樹總積累量的 66.78%,葉部僅占17.39%.這也與黃會一等[10]研究的結(jié)果基本一致.對于楊樹而言,葉部是其可循環(huán)部分.隨著楊樹的生長,葉部可以通過周期性的生長脫落達到修復(fù)Cd污染土壤的目的.通過在盆栽樹苗生長后期投加螯合劑,各處理楊樹葉部的 Cd積累量得到了顯著地(P＜0.05)提高,占總積累量的 27.83%～49.52%.只要在修復(fù)過程中,加強對落葉的收集工作,就可以有效地防止葉部的重金屬 Cd重新回到土壤中,提高其對該地區(qū) Cd污染土壤的修復(fù)效率[19].

3 結(jié)論

3.1 EDTA、EGTA和CA的投加顯著(P＜0.05)提高了土壤中的水提態(tài)Cd含量.其中EGTA效果最好,EDTA次之,CA最差.但同時,EDTA和EGTA由于難降解,在植物修復(fù)的過程中,潛在的環(huán)境風(fēng)險也較大.

3.2 新疆楊在投加了EDTA、EGTA和CA的情況下依然生長正常,沒有出現(xiàn)葉黃、枯萎、落葉等情況. 樹干部生物量(除CA1外)雖略有降低,但差異均不明顯.葉部生物量除 EDTA9和EGTA9略有降低之外,其他各處理還有所增加.說明新疆楊對土壤中Cd和螯合劑本身的毒性擁有較強的耐性.

3.3 EDTA、EGTA和CA的投加,有效地促進了楊樹根、干部的 Cd向楊樹葉部的轉(zhuǎn)移富集.楊樹葉部 Cd含量和積累量分別是對照(CK)的1.05～2.90倍和 1.42～2.77倍.

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