活化劑結(jié)合套種對青葙修復(fù)重金屬污染土壤影響的研究

林曉燕，熊云武，李 樹，梁 鵬，李詩剛，許建新，王月玲

(深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518040)

植物提取技術(shù)因其主要采用植物進(jìn)行修復(fù)，成本低、操作簡單，且可獲得景觀效果，是目前重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)中最具前途的修復(fù)技術(shù)之一。其修復(fù)效果與植物提取重金屬量相關(guān)，而植物提取重金屬量可用單位面積的生物量與植物地上部重金屬含量的乘積表示[1]。單純的植物提取技術(shù)一般采用的超富集植物生物量均較小，部分生物量大的植物雖能富集重金屬，但植物吸收富集的重金屬仍較少，導(dǎo)致植物提取的效果有限。因此，研究可強(qiáng)化植物提取的措施至關(guān)重要。

研究表明，向土壤中施加適量的活化劑，可以利用活化劑促進(jìn)植物對重金屬的吸收和富集，或促進(jìn)植物生長，從而提高植物對重金屬的提取效率[2-4]。檸檬酸作為一種天然螯合劑，是一種高效的重金屬活化劑[5]，可對植物產(chǎn)生生長刺激作用，促進(jìn)植物生長[6]，增加植物對Pb和Cd的吸收和轉(zhuǎn)運能力[7]。GLDA(谷氨酸N，N-二乙酸)可促進(jìn)超富集東南景天生長，顯著提高東南景天地上部的Zn和Cd含量[8]，也可提高龍葵提取Cu、Zn、Cd量[9]。皂苷是一種天然非離子表面活性劑，從山茶科植物的種子中提取獲得，具有增溶、易降解、無毒等特性，將其施用于土壤中，可有效活化土壤中的重金屬，顯著增加巨菌草體內(nèi)Pb和Cd含量[10]。IDS(亞氨基二琥珀酸)作為一種肥料增效劑，可活化土壤中的金屬離子，滿足植物生長過程中對多種微量元素的需求，促進(jìn)植物生長[11]，且IDS對Zn和Mn的螯合能力僅略低于EDTA[12]。但單一活化劑對重金屬的活化存在成本高、活化能力有限等問題。目前，已有將活化劑按一定比例聯(lián)合應(yīng)用于重金屬淋洗的研究，并表明，將檸檬酸與皂苷組配對土壤中Pb、Zn的活化去除效果優(yōu)于檸檬酸、皂苷單獨使用[13-15]。通過調(diào)整農(nóng)藝措施，也可促進(jìn)植物對重金屬的提取，如采用間套種技術(shù)，可促進(jìn)超富集植物土荊芥吸收Pb和Cd，降低農(nóng)作物玉米/蠶豆吸收Pb和Zn[16]；促進(jìn)超富集植物小花南芥吸收Pb，降低土壤Pb含量[17]。

青葙作為一種Mn超富集植物，可超富集土壤中的Mn，對土壤Pb和Zn也具有較強(qiáng)的耐性[18]，但針對青葙采用活化劑或者與其他植物進(jìn)行套種是否會促進(jìn)青葙提取土壤中的重金屬的研究鮮見報道。因此，本研究通過種植青葙，并采用棉葉膏桐與青葙進(jìn)行套種，將檸檬酸、GLDA、IDS、皂苷進(jìn)行組配，在植物種植2、3個月時，施加組配活化劑，研究了組配活化劑和套種處理對植物生長、富集重金屬的影響和對土壤重金屬去除的影響以期為采用青葙修復(fù)重金屬污染土壤提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 試驗區(qū)概況 試驗區(qū)位于廣東某錳化廠，屬亞熱帶氣候，受東南季風(fēng)影響明顯，且處于低緯度地區(qū)，太陽輻射強(qiáng)，冬短夏長，日照充足，溫和潮濕。年平均降雨量為1410 mm，無霜期350 d；年平均最高氣溫21.8 ℃，最低氣溫20.5 ℃。工廠歷史悠久，在生產(chǎn)過程中，由于未能采取有效的環(huán)保措施控制有害廢物的排放，導(dǎo)致了嚴(yán)重的重金屬泄露。試驗區(qū)土壤理化性質(zhì)見表1，從表1中可知，土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量較低，因此，在植物種植前先施加改良劑對土壤進(jìn)行改良，使土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量符合綠化種植土壤標(biāo)準(zhǔn)(CJ/T 340—2016)。

表1 供試土壤的主要理化性質(zhì)

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。下同。

1.1.2 供試植物 棉葉膏桐采用大小一致、株高約50 cm、無冠幅的裸根苗種植，株行距60 cm×60 cm；青葙采用種子撒播，播種密度為1.0 g/m2。

1.1.3 供試改良劑 包括蘑菇渣肥和氧化鈣，其中，蘑菇渣肥采購于深圳旭能生物技術(shù)有限公司，氧化鈣為分析純。

1.1.4 供試活化劑 為檸檬酸、IDS、GLDA、皂苷按質(zhì)量分?jǐn)?shù)3∶2∶2∶3混合而成，分別在種植2、3個月時施加，每次施用量為0.75 g/kg，施用時將活化劑溶解于水中后灑施于土壤表面。

1.1.5 供試復(fù)合肥 好苗子復(fù)合肥，硫酸鉀型(15/15/15)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置4個處理，分別為：單種青葙(只撒播青葙種子，無施加活化劑)、單種棉葉膏桐(只移栽棉葉膏桐裸根苗，無施加活化劑)、青葙+活化劑(撒播青葙種子，并在種植2、3個月時施加活化劑)、套種+活化劑(棉葉膏桐裸根苗移栽后，在棉葉膏桐間撒播青葙種子，并在種植2、3個月時施加活化劑)，每個處理設(shè)3個重復(fù)。

在試驗開始時，選擇陽光均一、污染均勻、面積約14.50 m×10.50 m的試驗場地，將場地分為12個面積為3.50 m×1.50 m的試驗小區(qū)，每個小區(qū)間距0.75 m，試驗處理小區(qū)隨機(jī)排列。將蘑菇渣肥和氧化鈣分別按體積分?jǐn)?shù)25%、0.35%的施加量施加于土壤中，與土壤表層充分混勻，澆水養(yǎng)護(hù)7 d后種植植物，并澆足水分。按常規(guī)方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理。在植物種植2、3個月時施加活化劑，種植2個月時施加復(fù)合肥，施肥量為30 g/m2。試驗時間為2017年4～8月。

1.3 樣品采集與分析測定

植物樣品采集與分析測定：在種植4個月后，調(diào)查青葙株高和棉葉膏桐存活率、株高、冠幅與地徑，并分別按植物組織調(diào)查植物生物量，并按植物組織分別采樣，用自來水和去離子水洗凈，吸水紙吸干表面水，將樣品置于烘箱內(nèi)105 ℃殺青30 min，然后85 ℃、48 h烘干。干樣用萬能粉碎機(jī)磨細(xì)，過0.25 mm的尼龍篩，備測重金屬含量。植物重金屬含量測定采用HNO3-HClO4聯(lián)合消煮(GB /T 5009. 12-14—2003)，且用原子吸收光譜法測定Zn、Pb、Mn濃度。

土壤樣品采集與分析測定：分別于添加改良劑前、種植4個月后采集土壤樣品，將樣品置于室內(nèi)風(fēng)干，去除石塊、植物根系和凋落物等，并研磨過20、100目尼龍篩，包裝登記后保存?zhèn)錅y。pH參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[19]，Zn、Pb、Mn全量采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收光譜法(GB/T 17138—1997)測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)用Excel 2010處理，采用SAS 9.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對植物生長的影響

通過調(diào)查種植4個月青葙的株高和地上部生物量(干重)可知(表2)，與單種青葙處理相比，青葙+活化劑處理青葙的株高和地上部生物量均顯著高于單種青葙處理，較單種青葙處理分別增加41.71%、8.43%。而套種+活化劑處理青葙的株高較單種青葙處理高，但低于青葙+活化劑處理，且套種+活化劑處理青葙地上部生物量是這3個處理中最低的，與單種青葙處理和青葙+活化劑處理的差異均達(dá)顯著性水平，地上部生物量較單種青葙處理低48.09%，較青葙+活化劑處理低52.12%。這表明，施加活化劑可以促進(jìn)青葙生長，但與棉葉膏桐套種時，因青葙是采用種子播種繁殖，而棉葉膏桐采用無冠幅的裸根苗移栽，棉葉膏桐生長較快，種植4個月冠幅迅速增長，影響了青葙的光合作用，從而導(dǎo)致了青葙地上部生物量降低。

對種植4個月的棉葉膏桐調(diào)查存活率可知，施加活化劑并不會影響棉葉膏桐的存活率，套種+活化劑處理和單種棉葉膏桐處理棉葉膏桐的存活率均達(dá)100%。對種植4個月的棉葉膏桐調(diào)查測量株高、冠幅、地徑、地上部生物量可知(表3)，套種+活化劑處理棉葉膏桐株高、冠幅、地徑、地上部生物量較單種棉葉膏桐處理的低，但差異不明顯，這可能是因為套種+活化劑處理中青葙的高度與棉葉膏桐相當(dāng)，與棉葉膏桐競爭光照明顯，影響了棉葉膏桐的生長，但影響不具有顯著性。

表2 種植4個月青葙的生長指標(biāo)

注：根據(jù)Duncan氏檢驗(P<0.05)，同一列中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著，n=3。下同。

2.2 不同處理對植物重金屬含量的影響

通過采集種植4個月的青葙進(jìn)行重金屬含量分析測定可知(表4)，與單種青葙處理相比，青葙+活化劑處理和套種+活化劑處理青葙地上部和根部Zn、Pb、Mn含量均顯著高于單種青葙處理，且套種+活化劑處理青葙地上部和根部Zn、Mn含量均較青葙+活化劑處理高，且差異達(dá)顯著水平，而套種+活化劑處理青葙地上部和根部Pb含量均較青葙+活化劑處理低。從表6也可知，向土壤中施加活化劑可以明顯促進(jìn)青葙富集土壤中的Zn、Pb、Mn，但與棉葉膏桐套種，青葙對土壤中Pb的吸收轉(zhuǎn)運能力下降。

通過采集種植4個月的棉葉膏桐進(jìn)行重金屬含量分析測定可知(表5)，套種+活化劑處理除棉葉膏桐莖Pb含量，根Zn、Pb、Mn含量低于單種棉葉膏桐處理，且根Zn、Pb含量在這兩個處理間的差異達(dá)顯著性水平外，套種+活化劑處理棉葉膏桐莖、葉Zn、Pb、Mn含量均顯著高于單種棉葉膏桐處理。從表6也可知，套種+活化劑處理可提高棉葉膏桐對Zn、Pb、Mn的吸收轉(zhuǎn)運能力，該處理棉葉膏桐對Zn、Pb、Mn的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)均高于單種棉葉膏桐處理。

2.3 不同處理對植物提取重金屬的影響

通過計算青葙和棉葉膏桐地上部提取重金屬量可知(表7)，青葙+活化劑處理青葙地上部提取Zn、Pb、Mn量顯著高于單種青葙處理，較單種青葙處理分別增加59.74%、48.95%、76.16%，而套種+活化劑處理青葙地上部提取Zn、Pb、Mn量則顯著低于單種青葙處理和青葙+活化劑處理，較單種青葙處理分別低20.21%、33.03%、14.46%，較青葙+活化劑處理分別低50.05%、55.04%、51.44%，這表明，向土壤中施加活化劑可以明顯增強(qiáng)青葙提取Zn、Pb、Mn量，但與棉葉膏桐套種，反而降低了青葙提取Zn、Pb、Mn量。這主要是由于處理間青葙地上部生物量的差異大，從而導(dǎo)致處理間提取Zn、Pb、Mn量差異大。

表3 種植4個月棉葉膏桐的生長指標(biāo)

表4 種植4個月青葙重金屬含量mg/kg

表5 種植4個月棉葉膏桐的重金屬含量 (mg/kg)

表6 種植4個月植物對重金屬的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)

注：數(shù)據(jù)為平均值；富集系數(shù)=植物地上部(或葉)重金屬含量/土壤重金屬含量，轉(zhuǎn)運系數(shù)=植物地上部(或葉)重金屬含量/植物根部重金屬含量。

從表7也可知，套種+活化劑處理可以提高棉葉膏桐地上部提取Zn、Pb、Mn量，尤其是Zn、Mn含量套種+活化劑處理明顯高于單種棉葉膏桐處理，對Zn、Mn提取增強(qiáng)效果可分別達(dá)54.91%和47.01%，提取增強(qiáng)效果明顯。

表7 種植4個月青葙和棉葉膏桐地上部提取重金屬量 mg/m2

注：提取量為莖、葉(或地上部)的生物量與該部位重金屬含量的乘積和。

2.4 不同處理對土壤重金屬全量的影響

對種植4個月植物樣品采集時采集土壤樣品進(jìn)行重金屬全量分析測定可知(表8)，4個處理土壤Zn、Pb、Mn含量從低到高均為：青葙+活化劑處理、套種+活化劑處理、單種青葙處理、單種棉葉膏桐處理。與種植前土壤重金屬含量相比，種植青葙對土壤重金屬的去除效果明顯高于種植棉葉膏桐，單種棉葉膏桐處理土壤Zn、Pb、Mn去除率分別為6.78%、7.67%、4.57%，3個種植青葙的處理土壤Zn、Pb、Mn去除率分別為14.08%～19.70%、11.89%～20.21%、15.20%～22.46%，其中，青葙+活化劑處理土壤Zn、Pb、Mn去除率最高，分別為19.70%、20.21%、22.46%。這表明，土壤中種植青葙有利于去除土壤中Zn、Pb、Mn，且向土壤中施加活化劑可使土壤中的Zn、Pb、Mn去除率升高，但與棉葉膏桐套種影響了土壤Zn、Pb、Mn去除率。

從表8也可知，與單種棉葉膏桐處理相比，種植4個月單種青葙處理土壤Zn、Pb、Mn含量較單種棉葉膏桐處理分別降低7.82%、4.57%、11.14%，套種+活化劑處理可使土壤Zn、Pb、Mn含量較單種棉葉膏桐處理分別降低10.37%、6.98%、13.75%。與單種青葙處理相比，青葙+活化劑處理土壤Zn、Pb、Mn含量較單種青葙處理分別降低6.54%、9.45%、8.56%，套種+活化劑處理土壤Zn、Pb、Mn含量較單種青葙處理分別降低2.76%、2.53%、2.94%，青葙+活化劑處理土壤Zn、Pb、Mn含量較套種+活化劑處理分別低3.88%、7.10%、5.79%。

表8 種植4個月土壤重金屬全量 mg/kg

結(jié)合植物提取重金屬量(表7)可知，并不是植物提取重金屬量越高，種植植物后土壤重金屬含量越低，這主要是由于土壤中施加的活化劑，一方面可以促進(jìn)植物對重金屬的吸收提取，另一方面也會使土壤中的重金屬在活化劑的作用下遷移至深層土壤中，從而降低表層土壤重金屬含量。

2.5 不同處理對土壤pH的影響

從表9可知，青葙+活化劑處理土壤pH高于單種青葙處理和套種+活化劑處理，套種+活化劑處理土壤的pH不僅較青葙+活化劑處理低，且較單種青葙處理的低，這3個處理土壤pH的差異不具有顯著性，但均明顯高于單種棉葉膏桐處理，這表明，種植棉葉膏桐可降低土壤pH，而向土壤中施加活化劑對土壤pH無明顯影響。相關(guān)研究也表明活化劑強(qiáng)化植物提取土壤中重金屬并不取決于土壤pH的變化[20]，并不是土壤pH越低土壤重金屬去除率越高[13]。

表9 種植4個月土壤pH

3 討論

研究表明，污泥中施加檸檬酸可促進(jìn)污泥中的N、P釋放，增加有效N、有效P含量[21]；土壤中施加皂苷，能為植物和根際微生物提供一定的碳源與能源，促進(jìn)植物的生長[22]；土壤中施加IDS，不僅能活化土壤中的重金屬，也可活化土壤中植物生長所需的微量元素，有利于植物生長[11]。本研究中，施加活化劑處理的青葙長勢優(yōu)于無施加活化劑處理，這可能是由于土壤中的營養(yǎng)元素、微量元素在活化劑的作用下釋放的原因。另一方面，在活化劑的作用下，土壤中Mn的活性升高，在一定濃度范圍內(nèi)Mn含量的升高，可以刺激青葙生長，提高其地上部生物量[23]。同時，隨著土壤中重金屬活性的升高，青葙可吸收的重金屬量增加，青葙富集的重金屬量升高，從而增強(qiáng)青葙提取土壤中重金屬的能力。

選擇合適的植物進(jìn)行套種，可以利用植物間的根系作用提高超富集植物對土壤重金屬的富集，同時促進(jìn)超富集植物生長，提高植物修復(fù)效率[16]。采用青葙與棉葉膏桐套種，青葙地上部富集Zn、Mn能力較單種青葙高，但因兩種植物均屬陽生植物，且生長高度相當(dāng)，套種明顯影響了青葙的生長，導(dǎo)致套種+活化劑處理青葙的生物量僅為施加活化劑單種青葙時的47.88%。因此，在選擇植物進(jìn)行套種時，需選擇植物生長高度相差明顯的物種，且不能同時為陽生植物。

4 結(jié)論

向土壤施加活化劑可以促進(jìn)青葙生長，青葙株高和地上部生物量分別較單種青葙處理增加41.71%、8.43%，但與棉葉膏桐套種，套種明顯影響了青葙生長，套種+活化劑處理青葙地上部生物量較青葙+活化劑處理低52.12%。

向土壤中施加活化劑可以明顯促進(jìn)青葙富集土壤中的Zn、Pb、Mn，且明顯增強(qiáng)青葙提取土壤中的Zn、Pb、Mn。種植4個月后，青葙+活化劑處理青葙地上部提取Zn、Pb、Mn量較單種青葙處理分別增加59.74%、48.95%、76.16%，但與棉葉膏桐套種，青葙地上部提取Zn、Pb、Mn量下降，較青葙+活化劑處理分別降低50.05%、55.04%、51.44%。

種植青葙有利于去除土壤中Zn、Pb、Mn，且向土壤中施加活化劑可使土壤中的Zn、Pb、Mn去除率升高，但與棉葉膏桐套種影響了土壤Zn、Pb、Mn去除率；青葙+活化劑處理土壤Zn、Pb、Mn去除率最高，分別為19.70%、20.21%、22.46%。