施用螯合剂对重金属污染土壤中籽粒苋镉吸收转运的影响

张 燕，葛 燚，刘晓月，刘能斌，刘卫国

（航天凯天环保科技股份有限公司，湖南 长沙 410100）

随着我国经济社会和工农业生产的迅速发展，开矿、冶炼、施肥等人类活动导致土壌中重金属含量明显上升[1-2]，环境污染问题日趋加重，污染土壤修复技术的研发与应用逐渐成为人们关注的焦点[3]。植物修复是一种常见的重金属污染土壤修复技术，即：将具有一定重金属富集能力的植物种植于污染土壤中，生长成熟后将植物地上部或整株收获并集中处理[4]，多次种植后，土壤重金属含量能降低到可接受水平[5]。有研究报道，宝山堇菜（Viola baoshangensisL.）[6]、印度芥菜（Brassica juniceaL.）[7-8]、龙葵（Solanum nigrumL.）[9]等植物为Cd超富集植物。但上述这些超富集植物存在生物量小或地域性强等不足，不适宜大面积污染土壤的修复。籽粒苋（Amaranthus hypochondriacusL.）是一种生物量大，且对镉胁迫的耐受性及镉富集能力均强的植物[10-12]。李凝玉等[11]研究发现，籽粒苋具有很强的Cd富集能力，在土壤Cd浓度为3 mg/kg时，地上部分Cd含量可高达50.96 mg/kg。因此，将籽粒苋作为镉富集植物进行土壤修复具有一定的可行性。

采用富集植物进行土壤修复时，植物仅能吸收利用呈溶解态、交换态及部分碳酸盐态的土壤重金属[13]，然而事实上土壤中重金属大部分是以残渣态存在，难以被植物吸收利用[14]。这使得植物修复技术的修复效率受到制约[15]。因此，有学者认为，在土壤中加入螯合剂，改变重金属的形态，使其成为易被植物吸收的状态，便能解决上述问题。研究表明，螯合剂施入土壌后，它可与土壤中的重金属通过螯合作用形成水溶性的金属-螯合剂络合物，从而改变重金属难于被修复植物吸收利用的状态，提高重金属的生物有效性[16]。笔者以籽粒苋为富集植物，通过田间试验研究了螯合剂类型（EDDS、NTA、EDTA及柠檬酸）、施用量（0.1%、0.2%）及施用时间（播种后60、75 d）对籽粒苋生物量及其重金属吸收转运以及土壤镉含量的影响，以期为螯合剂辅助植物修复技术在重金属镉污染土壤修复领域的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在湘潭市湘潭县及醴陵市左权镇进行，供试土壤为水稻土，属第四季红壤，土壤基本理化性质见表1。供试植物为籽粒苋，品种为K112。供试螯合剂为EDDS、NTA、EDTA及柠檬酸。基肥为氮磷钾复合肥、尿素。供试农药为啶虫脒。

表1 供试土壤基本理化性质

1.2 试验方法

采用单因素试验设计设置16个处理和2个对照，详见表2。每个处理（含对照）种植面积0.20 hm2（包括3次重复）。对照CK-1：翻耕后休耕处理，不施用螯合剂；对照CK-2：翻耕后种植超富集植物籽粒苋，也不施用螯合剂。于2018年3月下旬播种籽粒苋，分别在籽粒苋种植后60、75 d施加EDDS、NTA、EDTA及柠檬酸4种螯合剂，螯合剂施用量分别为0.1%、0.2%。种植120 d后于8月下旬进行第一次收割，10月中旬进行第二次收割。

表2 试验设计

1.3 测定项目及方法

籽粒苋生长成熟后，选取长势均匀的植株，以1.5 m×1.5 m方格分别采集植株和根际泥土样品。将采集的籽粒苋植株样品冲洗干净，去除表面吸附的重金属离子后再用吸水纸把表面水吸干，测定鲜重、株高、根长；然后杀青、烘干后将植物样品用陶瓷研钵研磨成细粉并用1 mm尼龙筛过滤待用。土壤样品经室内自然风干、磨细、过筛后保存。

1.3.1 土壤分析及测定方法（1）pH值：采用电位法[17]测定。将去离子水加热煮沸几分钟后，去除水中的CO2，用保鲜膜盖住待水冷却到常温，称取（10.0±0.1）g土壤样品，置于50 mL的烧杯中，采用比为2.5∶1的水土比，加入制备好的去离子水，用恒温振荡器振荡30 min，再静置30 min，然后测定。（2）土壤重金属含量：土壤样品采用HCl-HNO3-HClO4湿法消解，然后采用石墨炉原子吸收分光光度计测定溶液中镉含量[15]。（3）有效态镉含量测定：称取10.0 g土壤样品于100 mL塑料广口瓶中，加入25 mL DTPA提取剂[18]，在25℃时用振荡器振荡10 min，过滤，滤液用于测定有效态镉含量。

1.3.2 植物样品分析及测定方法（1）植物地上部分鲜重指标测定：植物成熟收割时，选取长势均匀的地块，以1.5 m×1.5 m方格取样，计算籽粒苋生物量。（2）植物样品镉含量分析：植株样品清洗晾干后采用HNO3-HClO4体系[19]进行消解，然后采用石墨炉原子吸收分光光度计测定溶液中镉含量。

1.4 数据处理及分析

采用SPSS Statistics 21和Microsoft Excel 2010软件进行数据分析与图表制作。

2 结果与讨论

2.1 螯合剂处理对籽粒苋生物量的影响

植物修复过程中施加螯合剂能够活化土壤中的重金属，提高重金属的生物有效性，因此对植物造成了重金属胁迫，抑制了植物的生长[20-22]。螯合剂EDDS、NTA、EDTA及柠檬酸对籽粒苋生物量影响如图1所示，施加不同螯合剂籽粒苋生物量与CK-2相比无显著差异；且螯合剂不同施用量、不同施用时间对籽粒苋生物量的影响均无显著差异；对比湘潭县和醴陵市2地籽粒苋的生长情况发现，湘潭地区的籽粒苋较醴陵地区长势好，这与2地土壤性质有关，湘潭地区土壤pH值较高，土壤总Cd含量较低。上述结果表明，在待修复土壤中施加螯合剂，籽粒苋均能正常生长，不会受到明显抑制，生物量与空白对照没有显著差异，即：将螯合剂施入试验所选镉污染土壤中时，土壤中活化的镉含量还不足以抑制籽粒苋的正常生长。

图1 各处理籽粒苋生物量的比较

2.2 螯合剂处理对籽粒苋镉吸收的影响

2.2.1 螯合剂对籽粒苋各部位镉含量的影响有研究表明，螯合剂可以活化土壤中的重金属，提高重金属的生物有效性，增强植物对重金属的提取效率[23]。由表3可知，该研究中4种螯合剂均能显著增强籽粒苋对镉的吸收。施用EDDS、NTA、EDTA及柠檬酸4种螯合剂，籽粒苋根系对镉的吸收（每种螯合剂8点次平均）相比CK-2（2点平均）增加了12.96%～55.37%，籽粒苋地上部分对镉的吸收（每种螯合剂8点次平均）比CK-2（2点平均）增加了19.77%～49.67%，这与罗艳等[24]的研究结果一致。从处理后籽粒苋对镉的吸收量来看，4种螯合剂促进植株镉吸收能力的大小依次为NTA＞EDDS＞EDTA＞柠檬酸。

从表3中还可以看出，随着螯合剂施用量的增加，籽粒苋对镉的吸收量亦随之增加，施加0.2%EDDS（T3、T4）较施加0.1%EDDS（T1、T2）植物根系及地上部分镉含量增加分别为7.81%和 19.15%；施加0.2%NTA（T7、T8）较施加0.1%NTA（T5、T6）植物根系及地上部分镉含量增加分别为16.45%和13.45%；施加0.2%EDTA（T11、T12）较施加0.1%EDTA（T9、T10）植物根系及地上部分镉含量增加分别为9.16%和7.27%；施加0.2%柠檬酸（T15、T16）较施加0.1%柠檬酸（T13、T14）植物根系及地上部分镉含量增加分别为14.04%和17.53%。

表3 各处理籽粒苋根系及地上部的镉含量

从螯合剂的施用时间来看，与播种60 d后施加螯合剂的处理相比，播种75 d后施加螯合剂籽粒苋各部位对镉的吸收量呈下降趋势。这与罗艳等[24]的研究结果一致，表明螯合剂施加时间较晚，其活化重金属的能力不能充分发挥，从而导致籽粒苋对镉的提取效率较低。

2.2.2 镉在籽粒苋各部位转运情况转运系数用来评价重金属含量从植物下端向上端的运输和富集能力，是植物上端某元素质量分数与下端元素质量分数之比。用公式表示为R=S/L。式中，R为转运系数，S为某元素在籽粒苋地上部分含量（mg/kg），L为某元素在籽粒苋地下部分含量（mg/kg）。由表4可知，籽粒苋从土壤中吸收的镉大部分镉富集于根部，向上部转移较少；根系富集的镉含量超过了土壤中镉含量或与土壤中镉含量相当。这可能是由于螯合剂的施用，改变了土壤中镉的形态，促使可交换态镉含量向植物体内转运。

表4 不同处理下籽粒苋各部位的转运系数

2.3 螯合剂处理对土壤pH值及Cd含量的影响

2.3.1 土壤pH值变化情况土壤pH值是影响镉离子在土壤中迁动转移的重要因素之一。如图2所示，试验地土壤偏酸性，但未影响籽粒苋的正常生长；施加不同类型螯合剂后，土壤pH值并无显著变化，螯合剂不同施用量及不同施用时间对土壤pH值亦无显著影响。这说明，施用螯合剂对土壤pH值影响并不明显。

图2 不同处理下土壤pH值的变化

2.3.2 土壤总镉变化情况由图3可知，与休耕处理（CK-1）相比，单独种植籽粒苋（CK-2）及螯合剂辅助籽粒苋种植处理可显著降低土壤中总镉含量，降低量为0.05～0.26 mg/kg；螯合剂类型、用量及施用时间对植物修复效率的影响有一定的差异。对比4种螯合剂发现，可降解螯合剂NTA的降镉效果较其他螯合剂好，且随着施用量的增加，修复效率随之提高；籽粒苋播种60 d后施加螯合剂的效果优于播种75 d后的，这与之前的研究结果相一致。

图3 不同处理下土壤中总镉含量的变化

2.3.3 土壤有效态镉含量变化情况由图4可知，施加4种不同类型螯合剂可显著增加土壤中有效态镉含量，与空白对照（CK-1和CK-2）相比，土壤有效态镉含量增加9.10%～120.83%；4种螯合剂均能显著增加土壤有效态镉含量，其效果依次为NTA＞EDDS＞EDTA＞柠檬酸。因此，相对于EDDS、EDTA和柠檬酸而言，NTA在辅助籽粒苋提取土壤镉方面更具有潜力。随着螯合剂施用量的增加，土壤中有效态镉含量随之增加，籽粒苋播种60 d后施加螯合剂的效果优于播种75 d后的，这与之前关于籽粒苋吸收镉的研究结果相似，进一步表明螯合剂处理时间较早，其对重金属的活化性能较强，促进植株吸收镉的作用较大。

3 结 论

试验结果表明，籽粒苋具有富集重金属镉的能力，重金属主要富集于其根部；施加不同类型螯合剂后，显著增强了籽粒苋对土壤重金属镉污染的修复效率。随着螯合剂施用量的增加，籽粒苋对土壤重金属镉移除效果随之提高；籽粒苋播种60 d后施用螯合剂的效果优于播种75 d后的施用效果。综合考虑螯合剂适应性及成本，认为可降解螯合剂NTA是一种较为理想的辅助籽粒苋修复土壤镉污染的螯合剂。