湖北襄陽土壤Cd、Pb污染植物修復技術研究

張元培, 吳 穎, 石 仲

(湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056)

湖北襄陽土壤Cd、Pb污染植物修復技術研究

張元培, 吳 穎, 石 仲

(湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056)

本次研究在開放的環(huán)境下采用植物修復技術對研究區(qū)受Cd、Pb污染的土壤開展修復實驗。選取玉米為研究對象,配合超富集植物三葉鬼針草間作,同時輔以螯合劑EDDS使土壤中重金屬活化,以提升植物的誘導吸收效應。多組實驗結(jié)果表明:①玉米套種三葉鬼針草同時施用EDDS,污染地塊土壤中Cd、Pb提取率最優(yōu);②三葉鬼針草對污染土壤中的Cd有強烈富集作用,對Pb富集作用不明顯;③采用玉米與三葉鬼針草間作的種植方式,三葉鬼針草能有效抑制玉米對土壤中Cd的吸收,對Pb吸收的抑制作用不明顯。

玉米;三葉鬼針草;鎘;鉛;EDDS;土壤修復

中國人口多、土地資源相對緊缺,隨著工業(yè)化的發(fā)展,農(nóng)用地污染也在不斷加劇,嚴重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全,更是威脅到當?shù)鼐用竦纳眢w健康[1-2]。因此加大土地質(zhì)量調(diào)查及土壤修復技術研究刻不容緩。目前基于農(nóng)田的土壤修復技術以生物修復為主,生物修復是指通過植物系統(tǒng)及其根系移去、揮發(fā)或穩(wěn)定土壤環(huán)境中的重金屬污染物,或降低污染物中的重金屬毒性,以期達到清除污染、修復或治理土壤目的的一種技術[3-5]。植物修復一般利用超積累植物來吸收污染土壤中的重金屬,并在植物地上部積累,通過對植物地上部分的收割達到去除污染物的目的,主要分為兩大類:一類是持續(xù)型植物萃取,直接選用超富集植物吸收積累土壤中的重金屬[6];另一類是誘導性植物提取,在種植超積累植物的同時添加某些可以活化土壤重金屬的物質(zhì),提高植物萃取重金屬的效率[7]。植物修復的成本低、操作簡單,并且綠色環(huán)保,不造成二次污染,同時可以提升土壤肥力,有利于后期土壤的利用,能夠維持地表穩(wěn)定和永久性減少土壤中重金屬的絕對含量[8-11]。

1 研究區(qū)背景

在《湖北省多目標區(qū)域地球化學調(diào)查(襄陽—隨州地區(qū))》成果的基礎上選擇一處具有代表性的污染場地作為土壤重金屬污染修復研究區(qū)域,該區(qū)域位于襄陽市襄城區(qū)余家湖農(nóng)業(yè)種植區(qū),土壤類型為潮土,土壤pH值為8.3,實驗種植區(qū)面積為8 m×15 m。種植區(qū)緊鄰襄陽火電廠和水泥廠區(qū),工業(yè)污染較重。種植情況見圖1。

圖1 土壤修復試驗田種植情況Fig.1 Planting situation of soil restoration test field

2 土壤修復實驗技術路線與方法

2.1 實驗技術路線

本次工作主要選擇襄陽典型Cd、Pb污染地塊,在開放農(nóng)田中選取玉米為研究作物,配合超富集植物三葉鬼針草間作,同時輔以螯合劑EDDS,使土壤中重金屬活化并提升植物的誘導吸收效應。研究土壤中Cd、Pb的消減情況,同時研究玉米、三葉鬼針草對土壤Cd和Pb的富集能力。

2.2 實驗方法

2.2.1 實驗對象

本次研究在湖北省襄陽市樊城區(qū)城郊調(diào)查選定農(nóng)用地污染地塊一處,土壤中的Cd含量達0.82 mg/kg,表層土壤中Pb含量為71.58 mg/kg。

2.2.2 實驗設計

試驗共設3個處理,分別為玉米間作三葉鬼針草、玉米間作三葉鬼針草同時施用EDDS和空白對照,每個處理重復兩次?？偣卜譃榱鶄€地塊,每個地塊長8 m、寬2.5 m,共20 m2。所有地塊之間設置寬約20 cm、深約15 cm的溝,兩塊添加EDDS的地塊與其他地塊之間設置寬約20 cm、高約15 cm的田壟(圖2)。

在試驗田內(nèi),每平米內(nèi)種植玉米5株,并且在種植三葉鬼針草的試驗田內(nèi),每株玉米周邊種植2株三葉鬼針草。在空白組內(nèi),兩塊地塊共種植200株玉米,玉米間作三葉鬼針草的試驗地塊共種植200株玉米和400株三葉鬼針草。

圖2 試驗田劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental plots

2.2.3 實驗過程

于2015年8月,將玉米和三葉鬼針草按實驗設計種下,定期澆水保持田間持水量。玉米和三葉鬼針草生長期間,對其生長情況進行記錄。

待玉米近成熟時,于2015年11月14日在相應地塊施用EDDS溶液,施用濃度為5 mmol/kg(EDDS購買自Sigma Aldrich公司)。施用EDDS時,首先將35%質(zhì)量濃度的EDDS試劑通過吸管、攪拌棒、漏斗、玻璃量杯等器材配置成5 mmol/kg的水溶液,然后對相應地塊的玉米和三葉鬼針草植株進行澆灌。每顆植株施用1 L 5 mmol/kg EDDS水溶液,均施用在靠近根系處。其余地塊植物以同樣方法施用1 L自來水。

于2015年11月20日對6個地塊分別進行采樣。土壤樣采用S型采樣法采取深20～30 cm根層土壤樣,且盡量靠近植物根系,每個地塊六件單點樣品組合為一件測試樣品,每塊地塊送四件測試樣品;由于植物樣品的特殊性,即單株植物的質(zhì)量可能不能滿足樣品分析測試的量,所以每個地塊隨機采集四株玉米和六株三葉鬼針草樣品,每個地塊送兩件玉米樣品和兩件三葉鬼針草樣品供實驗室分析。

2.2.4 測試方法

所采樣品送至華中農(nóng)業(yè)大學實驗室,土壤表層樣全量分析Cd和Pb2項指標。按單點作實驗室分析,土壤樣采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法,生物樣微波消解后采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法分析,分析測試精度符合規(guī)范要求。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 土壤重金屬含量變化

玉米、三葉鬼針草種植以及EDDS施用前后土壤重金屬含量和不同處理下植物對土壤中重金屬提取率見表1。

表1 土壤重金屬Cd和Pb含量變化及提取率(mg/kg)Table 1 Variation and extraction rate of Cd and Pb in soil

注:數(shù)據(jù)為相應地塊數(shù)據(jù)平均值±標準誤差;重金屬減少量=種植前土壤重金屬含量-種植后土壤重金屬含量;重金屬提取率=種植后土壤重金屬的減少量÷種植前土壤重金屬含量。

表1可見,作物種植后土壤中總Cd、總Pb含量均有明顯降低,說明所種植作物能夠富集土壤中的Cd和Pb,可以起到修復受Cd和Pb污染土壤的作用。土壤中無論是Cd還是Pb,其含量變化趨勢均為種植玉米+三葉鬼針草+EDDS地塊>種植玉米+三葉鬼針草地塊>種植玉米地塊(圖3)。

不同處理下植物對土壤中重金屬提取率是同時種植玉米+三葉鬼針草并施用EDDS對重金屬Cd和Pb提取率表現(xiàn)最為優(yōu)良,分別為31.3%和44.99%,其次為種植玉米+三葉鬼針草,分別為26.63%和41.30%,僅種植玉米地塊的提取率最低,分別為19.51%和39.94%。由此可知,種植三葉鬼針草和施加EDDS對吸收土壤中Cd和Pb具有一定的效果。

通過對比發(fā)現(xiàn),僅種植玉米時玉米對Pb的提取率高于對Cd的提取率,同時間作三葉鬼針草后,作物對Cd的提取率有明顯提高(提高7.12%),而對Pb的提取率只有1.36%的提高,間接反映了三葉鬼針草對Cd有著一定的提取作用。

圖3 土壤中重金屬含量及不同處理下的重金屬提取率Fig.3 Heavy metal content in soil and the extraction rate of heavy metals under different treatmentA.玉米;B.玉米+三葉鬼針草;C.玉米+三葉鬼針草+EDDS;D.作物未種植前。

3.2 植物重金屬含量及富集能力對比

3.2.1 玉米中重金屬含量

由表2和圖4可以看到不同處理下玉米中重金屬含量的變化,空白對照組玉米中重金屬Cd的含量最高,平均值為0.35 mg/kg,而玉米+三葉鬼針草組中玉米的重金屬Cd含量平均值為0.19 mg/kg,如前所述,這可能與三葉鬼針草對土壤中Cd的高效吸收有關,從而明顯抑制了玉米對Cd的吸收量,但在添加EDDS后,玉米對Cd的吸收量略有回升但并不明顯。對于不同處理下玉米中重金屬Pb含量,對照組玉米中重金屬Pb的含量最低,平均值為7.93 mg/kg,而玉米+三葉鬼針草組中玉米的重金屬Pb含量平均值為9.60 mg/kg,無明顯的抑制作用。添加EDDS后,玉米對Pb的吸收量又進一步提升,其含量達到10.30 mg/kg。

表2 玉米和三葉鬼針草重金屬含量(mg/kg)Table 2 Corn and trifoliate needles of heavy metal content

由此可見,在玉米和三葉鬼針草套種模式下三葉鬼針草明顯抑制玉米對土壤Cd的吸收,而對Pb的抑制作用不明顯。

3.2.2 三葉鬼針草中重金屬含量

由于EDDS的促進作用,三葉鬼針草中的重金屬含量在逐漸增大,不論是Cd還是Pb都呈增長的趨勢。表明EDDS能夠很好地促進三葉鬼針草對重金屬的吸收。

三葉鬼針草地上部分對土壤中Cd具有強勢的富集作用,其富集系數(shù)分別達到1.91和2.19,但其對Pb

圖4 玉米及三葉鬼針草中重金屬的富集系數(shù)Fig.4 Accumulation coefficient of heavy metals in maize and trifoliumA.玉米;B.玉米+三葉鬼針草;C.玉米+三葉鬼針草+EDDS。

的富集能力基本與玉米持平,表明三葉鬼針草相對于玉米,其地上部分對土壤中的Cd有良好的富集效果,而對土壤中的Pb的富集效果欠佳。

4 結(jié)論

(1) 玉米配合三葉鬼針草輔以螯合劑EDDS的組合,對土壤中Cd、Pb的提取率達到31.3%、44.99%,能夠更有效地吸收受污染土壤中的重金屬,并且避免土壤的二次污染,起到修復土壤的作用。

(2) 三葉鬼針草地上部分對土壤中的Cd有良好的富集效果,而對土壤中的Pb的富集效果欠佳。

(3) 螯合劑EDDS能夠有效地促進玉米和三葉鬼針草對Cd、Pb吸收,其中Cd相對于Pb更容易被玉米和三葉鬼針草的地上部分吸收,而Pb是難于被地上部分吸收。

(4) 玉米和三葉鬼針草套種明顯降低了玉米對Cd的吸收能力,保障了玉米產(chǎn)出的安全性。

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Study on Cd and Pb Pollution of Soil in Xiangyang,Hubei Province

ZHANG Yuanpei, WU Ying, SHI Zhong

(HubeiInstituteofGeophysicalExploration,Wuhan,Hubei430056)

The study was conducted in an open environment with the use of plant repair techniques to carry out repair experiments in soils contaminated with Cd and Pb.The maize research object was selected to coordinate the intercropping of three leaves of the superrich plant,and it was supplemented with the chelating agent EDDS to promote the activation of heavy metals in the soil to promote the induced absorption effect of plants.Experimental results showed:①the maize interplanting of Bidens pilosa L and the application of EDDS in Cd and Pb pollution soil had optimal extraction rate.②Bidens pilosa L has a strong effect on the enrichment of Cd in the soil,no obvious enrichment of Pb.③The corn and Bidens intercropping cultivation,Bidens pilosa L effectively inhibit the absorption of soil Cd in maize.The inhibitory effect on Pb absorption was not obvious.

corn; Bidens pilosa L; cadmium; lead; EDDS; soil restoration

X53

A

1671-1211(2017)06-0713-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.06.009

2017-08-21;改回日期2017-10-11

湖北省國土資源廳科研項目資助(項目編碼:ETZ2015A08)。

張元培(1981-),男,工程師,碩士,地球化學專業(yè),從事勘查地球化學和環(huán)境地球化學工作。E-mail:25389681@qq.com

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20171026.0845.028.html數(shù)字出版日期2017-10-26 08:45

于繼紅)