螯合劑對龍葵修復(fù)成都平原Cd污染土壤的影響

黎詩宏，梁斌*，李忠惠

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院地質(zhì)工程系，四川綿陽621010；2.四川省地質(zhì)調(diào)查院，成都610081）

螯合劑對龍葵修復(fù)成都平原Cd污染土壤的影響

黎詩宏1，2，梁斌1，2*，李忠惠2

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院地質(zhì)工程系，四川綿陽621010；2.四川省地質(zhì)調(diào)查院，成都610081）

在成都平原綿竹地區(qū)選取兩種污染程度和酸堿性程度不同的土壤，采用盆栽試驗(yàn)研究了兩種螯合劑（檸檬酸和EDTA）對龍葵（Solanum nigrum L.）修復(fù)Cd污染土壤和改變土壤pH的影響。結(jié)果表明：隨著檸檬酸濃度的增加，Cd含量為1.29 mg·kg-1的高污染土壤（MZT-01）上的植株的生物量均有下降趨勢；Cd含量為0.89 mg·kg-1的低污染土壤（MZT-02）上的植株的生物量則有明顯的上升趨勢，并在5 mmol·kg-1時達(dá)到最大。在檸檬酸為5 mmol·kg-1時，龍葵在兩種土壤中Cd脅迫下的含量、吸收總量和富集系數(shù)均達(dá)到最大，植物修復(fù)效果最好；濃度為1 mmol·kg-1的EDTA對龍葵產(chǎn)生了毒害作用，吸收效果低于對照組。螯合劑對中性土壤pH影響較大，pH值從6.35降到5.57，而對酸性土壤基本沒有影響。

鎘；pH；龍葵；螯合劑；植物修復(fù)；成都平原

隨著成都經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，部分地區(qū)Cd污染已相當(dāng)嚴(yán)重［1］。近年來，在成都平原相繼開展的1∶25萬區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)以及“金土地”工程農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，由于受高Cd地質(zhì)背景及工業(yè)生產(chǎn)等因素的影響，在成都平原局部地區(qū)農(nóng)田土壤受到不同程度的鎘污染［2-3］。水稻作為成都平原主要農(nóng)作物之一，其局部地區(qū)水稻中Cd含量明顯偏高，極可能加大Cd對該區(qū)域人群健康的危害風(fēng)險(xiǎn)［3-4］。因此，對成都平原地區(qū)Cd污染土壤修復(fù)顯得十分重要。

在眾多土壤修復(fù)方法中超積累植物修復(fù)具有較好的應(yīng)用前景，因?yàn)樵擁?xiàng)技術(shù)具有修復(fù)效果好、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等優(yōu)勢［5-7］。在目前已發(fā)現(xiàn)的400多種超積累植

物中［8］，龍葵是我國學(xué)者發(fā)現(xiàn)的一種Cd超積累植物，具有生物量大、耐受性強(qiáng)、繁殖能力強(qiáng)和富集能力強(qiáng)等優(yōu)勢［9］。檸檬酸和EDTA是目前應(yīng)用較為普遍的螯合劑，它們可改變重金屬Cd的形態(tài)并促進(jìn)其釋放，進(jìn)而加強(qiáng)植物吸收和積累土壤中的Cd，因此常用于強(qiáng)化Cd污染土壤的植物修復(fù)［10-13］。Zaheer等［14］利用費(fèi)薩爾油菜修復(fù)Cu污染土壤，發(fā)現(xiàn)檸檬酸可顯著增加植物生物量、葉綠素含量，并且還能增加對Cu的吸收；劉萍等［15］將檸檬酸用在Cd-Pb復(fù)合污染的土壤上，對植物生長起到了一定的促進(jìn)作用，并且龍葵對Cd的富集系數(shù)可達(dá)到3.59；張玉芬等［16］研究檸檬酸和EDTA對蓖麻修復(fù)土壤時發(fā)現(xiàn)，檸檬酸與EDTA聯(lián)用使蓖麻單株總Cd富集量達(dá)到74.59 μg，是對照組的2.98倍；劉金等［17］研究苧麻在鎘鉛混合污染下螯合劑對其吸收重金屬的影響，得出EDTA的施加極大地促進(jìn)了苧麻各部位對Cd和Pb的吸收；王坤等［18］研究發(fā)現(xiàn)龍葵在土壤Cd含量相同的情況下，地上部分植物吸收Cd量以EDTA處理最大。然而眾多植物修復(fù)試驗(yàn)中針對實(shí)際污染地區(qū)土壤特征的植物修復(fù)報(bào)道較少［19］。以往大多采用向自然土壤中投加CdCl2或者Cd（NO3）的形式達(dá)到模擬污染的目的，且通常設(shè)計(jì)的污染濃度都較高［15-16，20-21］，并不符合實(shí)際污染區(qū)污染程度以及土壤的性質(zhì)特征［2-3，22］。

本文在成都平原綿竹地區(qū)選取了兩個鎘污染程度不同的區(qū)域采集表層土，利用室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，將檸檬酸和EDTA作為螯合劑應(yīng)用到龍葵修復(fù)Cd污染土壤的試驗(yàn)中，探求不同濃度下螯合劑對龍葵修復(fù)成都平原中Cd污染土壤和對土壤酸堿性變化的影響，以期為龍葵在螯合劑的作用下修復(fù)成都平原地區(qū)受Cd污染的土壤提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土樣采自綿竹市某區(qū)域內(nèi)污染程度不同的兩種土壤，質(zhì)地為潴育水稻土，田間持水量21%。該區(qū)內(nèi)MZT-01土壤基本性質(zhì)為：pH 7.09，有機(jī)質(zhì)57.5 g·kg-1，水解性氮171 mg·kg-1，有效磷59.9 mg·kg-1，速效鉀123 mg·kg-1，CEC（陽離子交換量）11.1 cmol·kg-1，總鎘1.29 mg·kg-1，超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量（GB 15618—1995）的三級標(biāo)準(zhǔn)；MZT-02土壤基本性質(zhì)為：pH 6.16，有機(jī)質(zhì)40.6 g·kg-1，水解性氮166 mg·kg-1、有效磷31.9 mg·kg-1，速效鉀117 mg·kg-1，CEC 12.4 cmol·kg-1，總鎘0.89 mg·kg-1，超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量（GB 15618—1995）的二級標(biāo)準(zhǔn)。龍葵種子購于網(wǎng)上農(nóng)資專賣店。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 裝盆及場地選擇

將3 kg污染土壤樣品與20 g復(fù)合肥均勻混合，并裝入已編號的塑料盆（直徑25 cm、高25 cm）中，調(diào)節(jié)土壤含水量到田間持水量。試驗(yàn)場地為西南科技大學(xué)西三實(shí)驗(yàn)樓后的空地，周圍無污染來源。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)5個處理（CK、A、B、C、D），3次重復(fù)。具體處理：CK組為不添加螯合劑，A組添加檸檬酸濃度為1 mmol·kg-1，B組添加檸檬酸濃度為5 mmol·kg-1，C組添加檸檬酸濃度為10 mmol·kg-1，D組添加EDTA濃度為1 mmol·kg-1。選取成熟飽滿的龍葵種子經(jīng)消毒后，用去離子水浸泡24 h。在25℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培育發(fā)芽；7 d后，選擇兩株長勢良好、大小一致的幼苗移栽于塑料盆中，并將塑料盆移至露天培養(yǎng)，去離子水進(jìn)行澆灌保持田間水量；12 d后，只留1株長勢最好的龍葵。在移栽25 d后，根據(jù)幼苗發(fā)育程度適當(dāng)追施5 g復(fù)合肥；在移栽后第15、22、30 d時分別進(jìn)行螯合劑處理。

1.2.3 試驗(yàn)植物收割及測試

當(dāng)植物成熟收獲后（76 d），將植物地上部分用自來水沖洗后再用去離子水洗凈，105℃殺青30 min，然后在70℃下烘至恒重，稱量干物質(zhì)重量，烘干并密封保存；根系土裝入專用布袋，并于自然光下晾干，研磨過20目篩并裝入信封送至成都綜合巖礦測試中心，測定樣品中的Cd含量和根系土pH值。樣品采用HNO3-HClO4（體積比4∶1）消解法，電感藕合等離子質(zhì)譜法（X SeriesⅡICP-MS）測定Cd含量；采用pH計(jì)測試土壤pH值。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010和SPSS 20對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和方差分析，顯著性差異水平取0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 螯合劑對龍葵生物量的影響

檸檬酸和EDTA對龍葵生長量的影響如表1所示。隨著檸檬酸濃度的增加，兩種土壤中的生物量表現(xiàn)出不同的變化趨勢。在MZT-01的植株中，添加了螯合劑的生物量比CK組下降了19.21%～56%，但只有CK與D處理之間表現(xiàn)出顯著差異，可能是因?yàn)镋DTA的毒性嚴(yán)重影響到龍葵的生長。在MZT-02的

植株中，低濃度螯合劑A、B、D處理時，與CK比較，生物量雖未有顯著性增加，但在平均生物量基礎(chǔ)上增加了近1倍；而當(dāng)高濃度檸檬酸C處理時，生物量卻略有下降。

2.2 螯合劑對龍葵吸收Cd的影響

2.2.1 螯合劑對龍葵莖葉中Cd含量的影響

不同螯合劑加入土壤后，龍葵莖葉Cd含量的變化如圖1所示。A處理后，兩種土壤中龍葵Cd含量均有升高，并且MZT-02龍葵的Cd含量顯著升高；B處理后，兩種土壤中龍葵Cd含量繼續(xù)上升，但上升趨勢已減緩；C處理后，兩種土壤中龍葵Cd含量均比B處理后的低，其中MZT-02龍葵中Cd的含量發(fā)生了驟降，但仍比CK中龍葵Cd含量高。在試驗(yàn)中A、B、C處理與CK比較，龍葵Cd含量均有升高，并且在B處理時達(dá)到峰值。不同螯合劑對兩種土壤中龍葵Cd含量的方差分析結(jié)果表明（圖1），無論對于MZT-01或者M(jìn)ZT-02，不同的螯合劑添加后，龍葵中Cd的含量與CK相比變化不顯著（P＞0.05），各螯合劑處理之間龍葵中Cd含量差異也不明顯（P＞0.05），只是MZT-02中添加EDTA處理與其余螯合劑處理相比變化顯著（P＜0.05），說明試驗(yàn)所用螯合劑對龍葵吸收兩種土壤中的Cd沒有顯著的促進(jìn)作用。

2.2.2 螯合劑對龍葵莖葉中Cd吸收量的影響

螯合劑對龍葵莖葉Cd吸收量的影響如圖2所示。龍葵地面以上部分的吸收量是莖葉Cd含量與地面以上龍葵生物量的積，能非常直觀地反映植物修復(fù)效果。龍葵對Cd的吸收量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在兩種土壤中龍葵的吸收量均在B處理達(dá)到最大，且吸收量相當(dāng)，其中MZT-01較空白上升了26.54%，MZT-02較空白上升了179.74%。兩組的CK相對比，MZT-01中龍葵的吸收量明顯高于MZT-02。由此說明，不用螯合劑處理的情況下，龍葵對高污染土壤中的Cd吸收效果更好；在螯合劑處理的情況下，龍葵對低污染土壤中的Cd吸收效果更為顯著，并且在B處理的條件下達(dá)到132.99 μg·株-1的最大值，明顯高于檸檬酸和EDTA強(qiáng)化蓖麻對高Cd供試土壤中Cd的積累量（32.85 μg·株-1）［16］。

表1 檸檬酸和EDTA對龍葵生物量、富集系數(shù)和根系土pH的影響Table 1 Effects of citric acid and EDTA on the biomass and bioconcentration factors of Solanum nigrum L.and pH in root soil

圖1 螯合劑對龍葵莖葉Cd含量的影響Figure 1 Effects of chelator on content of Cd in stem and leaf of Solanum nigrum L.

圖2 螯合劑對龍葵莖葉Cd吸收量的影響Figure 2 Effects of chelator on absorptive amount of Cd in stem and leaf of Solanum nigrum L.

從表1和圖1可以看到，兩種土壤30件樣品中

莖葉生物總量與相應(yīng)樣品Cd含量之間并沒有顯著的相關(guān)性，說明龍葵莖葉中Cd的含量并不嚴(yán)格地受龍葵長勢的影響。因此，在植物中Cd含量變化不明顯的情況下，應(yīng)主要考慮龍葵生物量的最大化，以保證最終達(dá)到修復(fù)效果的顯著化。

2.3 螯合劑對土壤pH的影響

從表1可以看出，在添加螯合劑后，MZT-01中龍葵根系土的pH呈現(xiàn)下降的趨勢，并且變化幅度較大，MZT-02中龍葵根系土的pH變化幅度較小，且呈現(xiàn)微弱的上升趨勢，但仍遠(yuǎn)低于中性土的下限值（pH為6.5），說明龍葵的根際環(huán)境應(yīng)為酸性。方差分析結(jié)果表明（表1），兩個CK組的pH較原土均有下降。在MZT-01土壤中，不同的螯合劑添加后根系土pH與CK組相比變化顯著（P＜0.05），但MZT-02中沒有顯著變化。這可能是因?yàn)辇埧当旧矸置诹舜罅康挠袡C(jī)酸類物質(zhì)，使根際環(huán)境產(chǎn)生了明顯的酸化，活化了重金屬并促進(jìn)其吸收進(jìn)入龍葵體內(nèi)，其中中性土壤影響根系分泌有機(jī)酸的作用較弱，從而表現(xiàn)出添加螯合劑后土壤pH明顯降低；而酸性土壤影響根系分泌有機(jī)酸的作用較強(qiáng)，雖然加入的外源螯合劑對pH略有影響，但與根系分泌的有機(jī)酸相比其作用仍十分有限。

2.4 螯合劑對龍葵Cd富集系數(shù)的影響

植物對重金屬的富集系數(shù)是評價(jià)超積累植物的重要指標(biāo)之一［23］。由于EDTA的毒性影響了龍葵的正常生長，不能準(zhǔn)確反映龍葵對Cd的富集系數(shù)，本文并未討論加入EDTA后龍葵對Cd的富集系數(shù)。從表1可以看出，MZT-01土壤中龍葵對Cd的富集系數(shù)達(dá)到了5.26～8.53；MZT-02土壤中龍葵對Cd的富集系數(shù)達(dá)到了11.43～19.33，兩種土壤中龍葵的富集系數(shù)均遠(yuǎn)超富集系數(shù)為1的衡量標(biāo)準(zhǔn)［9］，說明龍葵對成都平原土壤中的Cd具有較強(qiáng)的吸收作用。通常情況下，土壤中重金屬的含量相對較低時，植物的富集系數(shù)就相對較高［9，15］，本試驗(yàn)同樣符合此規(guī)律，在添加檸檬酸的情況下，MZT-01龍葵對Cd的富集系數(shù)僅為MZT-02的42.05%～68.94%。

3 討論

外源有機(jī)酸在一定程度上也能夠通過活化作用而使土壤中重金屬活性提高，并釋放出來增加其遷移性而利于植物吸收［24-25］，但外源有機(jī)酸濃度過大時，又會降低植物修復(fù)的效率［26］。本試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，添加檸檬酸在一定程度上對龍葵吸收Cd起到了較為明顯的促進(jìn)作用，但添加濃度過高時，龍葵對Cd的吸收量開始降低。這可能是因?yàn)闄幟仕岬募尤胧雇寥乐锌山粨Q態(tài)Cd的含量減少的緣故［26］。

EDTA在促進(jìn)植物吸收重金屬的同時也可能因其具有一定毒性而影響植物生長。有研究表明，EDTA可在很大程度上增加土壤溶液中重金屬的含量［27］，甚至能提高植物對Cd的富集量，但因其具有一定毒性，當(dāng)濃度較高時會抑制植物的正常生長［3，28］，從而導(dǎo)致植物對Cd的富集量減少，最終造成修復(fù)成本的增大。劉金等［17］研究表明，施加不同濃度的EDTA均會減少苧麻地上部的生物量。吳秋玲等［29］的研究也表明EDTA可顯著提高黑麥草地上部的Pb濃度，但抑制了植物的生長，生物量顯著下降。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)EDTA加入高污染的MZT-01中，龍葵的生長狀況明顯弱于其余對照組，并且莖葉中的Cd含量和Cd吸收量也均低于其余各組；EDTA加入低污染的MZT-02中，龍葵的生物量雖不是最低，但莖葉中的Cd含量和Cd吸收量卻最低。而雒煥章等［30］研究螯合劑強(qiáng)化楊樹葉部對土壤中Cd的富集能力時認(rèn)為，添加EDTA的富集能力大于檸檬酸。這可能是因?yàn)闂顦鋵DTA的毒性適應(yīng)能力較強(qiáng)，并明顯強(qiáng)于龍葵。EDTA對植物生長造成的影響可能源于EDTA與土壤溶液中的重金屬離子絡(luò)合形成金屬螯合物，降低了土壤液相中重金屬離子的濃度［31］，其在植物轉(zhuǎn)移過程中破壞植物組織的細(xì)胞質(zhì)膜［17］，造成重金屬累積，對植物產(chǎn)生毒害。因此，可以排除利用濃度1 mmol·kg-1以上的EDTA作為螯合劑來強(qiáng)化龍葵修復(fù)土壤。

植物在重金屬的脅迫下，其分泌的有機(jī)酸會明顯增多，進(jìn)而導(dǎo)致重金屬活性顯著增強(qiáng)［32］。而本試驗(yàn)所用MZT-01（中性土壤）Cd含量明顯高于MZT-02（酸性土壤），但MZT-01中龍葵莖葉的Cd含量卻低于MZT-02。這說明土壤的酸性環(huán)境是增強(qiáng)重金屬Cd活性的主要因素，與郭智［33］研究土壤pH是一個調(diào)節(jié)金屬移動性和生物有效性的重要因素，許多重金屬在土壤酸性程度增強(qiáng)時，其移動性和生物有效性也相應(yīng)增強(qiáng)的結(jié)論一致。所以龍葵在土壤酸性條件下修復(fù)效果最好，但在采用有機(jī)酸螯合劑修復(fù)中性和堿性土壤時，又需注意修復(fù)后對土壤帶來較明顯的酸化影響。針對成都平原，土壤主要為中酸性，而且主要農(nóng)作物為水稻，水稻的Cd含量又與土壤的pH呈顯著負(fù)相關(guān)［34］，所以在修復(fù)時需要著重考慮螯合劑給中性土壤帶來的酸化作用影響。

4 結(jié)論

（1）龍葵對Cd具有很強(qiáng)的富集能力，并且添加檸檬酸的生長與CK組相比也未受到抑制，莖葉中Cd含量達(dá)到6.7～17.2 mg·kg-1，總吸收量達(dá)到51.11～132.99 μg，富集系數(shù)達(dá)到了5.26～19.33。在檸檬酸濃度為5 mmol·kg-1時，龍葵在兩種土壤Cd脅迫下的含量、吸收總量和富集系數(shù)均達(dá)到最大，并實(shí)現(xiàn)了高效率的修復(fù)目的。

（2）1 mmol·kg-1以上的EDTA對龍葵修復(fù)Cd污染土壤時，影響了龍葵的正常生長，導(dǎo)致吸收量很低，因此不適合用來強(qiáng)化龍葵修復(fù)成都平原受Cd污染的土壤。

（3）龍葵在土壤酸性條件下修復(fù)效果最好，但在采用有機(jī)酸螯合劑修復(fù)中性土壤時，需注意修復(fù)帶來的酸化影響。

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Effects of the chelator on Solanum nigrum L.remediation of cadmium Polluted soil in Chengdu Plain

LI Shi-hong1，2，LIANG Bin1，2*，LI Zhong-hui2
（1.School of Environment and Resource of Southwest University of Science and Technology，Geological Engineering，Mianyang 621010，China；2.Sichuan Geological Survey，Chengdu 610081，China）

Selected two kinds of soil about different cadmium pollution and different pH in Chengdu Plain Mianzhu Area.A pot culture experiment was designed to study the effects of two kinds of chelator（citric acid and EDTA）on Solanum nigrum L.remediation of cadmium polluted soil and the changes of soil pH.The results showed that with the increase of the concentration of the citric acid，the biomass of Solanum nigrum L.in high pollution soil（MZT-01），whose Cd content was 1.29 mg·kg-1，was declined；while the biomass in low pollution soil（MZT-02），whose Cd content was 0.89 mg·kg-1，was significantly risen and reached a maximum when the citric acid was 5 mmol·kg-1. When the citric acid was 5 mmol·kg-1，under the stress of Cd in two kinds of soil，the content，the absorptive amount and enrichment factors of Solanum nigrum L.could rise to the maximum，and the phytoremediation effect was the best.EDTA poisoned Solanum nigrum L.and the absorption effect was lower than the control group when EDTA was 1 mmol·kg-1.Chelator had a greater influence on pH of the neutral soil，pH from 6.35 to 5.57，but almost had no influence on pH of the acid soil.

cadmium；pH；Solanum nigrum L.；chelator；phytoremediation；Chengdu Plain

X53

A

1672-2043（2016）10-1917-06

10.11654/jaes.2016-0371

黎詩宏，梁斌，李忠惠.螯合劑對龍葵修復(fù)成都平原Cd污染土壤的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（10）：1917-1922.

LI Shi-hong，LIANG Bin，LI Zhong-hui.Effects of the chelator on Solanum nigrum L.remediation of cadmium polluted soil in Chengdu Plain題目［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（10）:1917-1922.

2016-03-21

四川省國土資源廳科技項(xiàng)目（KJ-2012-3）；四川省國土資源廳地勘基金項(xiàng)目（201402）

黎詩宏（1989—），男，碩士研究生，主要從事環(huán)境地球化學(xué)方面研究。E-mail：lishihongpfx@163.com

*通信作者：梁斌E-mail：earlliuh@163.com