交流電場和水分對褪色柳-東南景天混栽修復鎘污染土壤的影響

劉 波，陳 績，馬嘉偉，方先芝，趙科理，柳 丹，葉正錢

（1. 浙江農(nóng)林大學 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江 杭州 311300；2. 浙江農(nóng)林大學 浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，浙江 杭州 311300）

隨著工礦業(yè)的發(fā)展，礦業(yè)冶煉、工業(yè)廢水及廢棄物排放等含鎘(Cd)污染物不斷進入土壤，土壤鎘污染問題日益嚴重。鎘不僅損害植物的生長發(fā)育，影響植株的生理代謝，還會在農(nóng)作物中富集，通過食物鏈進入人體，威脅人體健康[1]，進行鎘污染土壤修復研究刻不容緩。土壤鎘污染修復技術(shù)主要有物理修復、化學修復、生物修復以及多措施聯(lián)合修復等。與傳統(tǒng)的理化修復方法相比，植物修復技術(shù)成本低、操作簡易，應用廣泛[2-3]。但植物材料易受環(huán)境等因素影響，因此需要優(yōu)化植物提取土壤重金屬的條件[4]。結(jié)合電動修復技術(shù)可以提高植物修復效率，具有良好發(fā)展前景[5]。研究證實交流電場可以促進黑麥草Lolium perenne[6]、萵苣Lactuca sativa[7]、東南景天Sedum alfredii[8]等植物的生長，加快植物對重金屬的吸收積累。植物聯(lián)合電動修復技術(shù)不僅能提高土壤中重金屬的有效性，還能促進植物生長和對重金屬的富集[9]，強化植物吸收修復效率，提升植物修復技術(shù)的實際應用前景。水分是貫穿土壤-植物-大氣系統(tǒng)的動力因素，不僅直接影響植物的生長，還會通過改變土壤pH、氧化還原狀況等影響土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化，從而間接影響重金屬在土壤固-液兩相的分配，影響土壤中重金屬的有效性和植物對土壤重金屬的吸收[10]。ANGLE等[11]對遏藍菜Thlaspi caerulescens、崖雪球Alyssum murale等的研究表明：隨著土壤含水量的增加，植物生物量和對重金屬積累能力也隨之增加。然而，國內(nèi)外在關(guān)于電場、水分對植物生長和金屬吸收性方面研究報道很少。因此本研究以褪色柳Salixdiscolor、東南景天為對象，采用混栽盆栽試驗，研究電場和水分對褪色柳和東南景天生長和對土壤重金屬鎘吸收積累的影響，為進一步優(yōu)化提升植物修復土壤重金屬鎘提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤采自溫州市農(nóng)業(yè)科學研究院試驗基地，為重金屬鎘污染的耕地土壤。取0～20 cm表層土壤，放于陰涼處風干，過2 mm篩備用。供試土壤理化性質(zhì)：土壤pH 6.30；有機質(zhì)41.50 g·kg-1；堿解氮242.00 mg·kg-1； 有 效 磷 72.30 mg·kg-1； 速 效 鉀 354.00 mg·kg-1； 有 效 態(tài) 鎘 0.28 mg·kg-1； 全 鎘2.47 mg·kg-1。

供試柳樹由江蘇宿遷名世園藝提供。將長勢良好且相近的褪色柳枝條剪成15 cm長的插條，超純水洗凈備用。東南景天取自浙江省衢州市一古老鉛鋅礦，栽培于浙江農(nóng)林大學平山試驗基地，選用大小相近東南景天苗植株作為供試材料。

1.2 設(shè)計

將4 kg風干土攪拌均勻后裝盆(上直徑202 mm，高198 mm，下直徑170 mm)，褪色柳枝條和東南景天幼苗各5株移栽入盆，隨機排列。設(shè)置2種電場強度和2種土壤水分，共 4個處理：以不通電、濕潤(土壤田間持水量保持為60%)處理為對照(ck)，通電、濕潤處理為E組，不通電、高水分(土壤田間持水量為100%)處理為W組，通電、高水分處理為EW組。試驗前調(diào)節(jié)各處理土壤含水量，在E組和EW組中每盆插入2根石墨棒，設(shè)定電場強度為0.5 V·cm-1[12-14]。各處理重復3次。2019年5月開始試驗，隔1周調(diào)整1次電壓，每日稱量加水以保持土壤水分；2019年12月收獲植物樣品，采集土樣。

1.3 樣品處理與測定

土壤pH采用pH計電位法測定，水土體積質(zhì)量比為2.5∶1.0；堿解氮、有效磷、速效鉀質(zhì)量分數(shù)分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法和醋酸銨浸提-火焰光度法測定；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定[15]。土壤鎘全量采用三酸[三酸分別為硝酸(HNO3)、高氯酸(HClO4)、氫氟酸(HF)，體積比為5∶1∶1]進行消煮，土壤有效鎘采用二乙基三胺五乙酸(DTPA)試劑提取，鎘形態(tài)分級參照歐洲共同體參考物機構(gòu)(European Communities Bureau of Reference)改進的三步提取法(BCR)[16]，消煮液和提取液最后用石墨爐原子吸收儀(島津AA-7 000)測定。

將所采植物樣品分為柳葉、柳枝、東南景天地上部3個部分，用自來水和去離子水各清洗1次，105 ℃殺青15 min，80 ℃下烘干至恒量，磨細過20目篩，供分析測定。植物樣品經(jīng)硫酸-過氧化氫消煮后，用石墨爐原子吸收儀(島津AA-7 000)測定鎘質(zhì)量分數(shù)。采用便攜式光合作用儀(Li-6400XT)于9:00-11:00在25 ℃下測定褪色柳光合參數(shù)[17]，分別為凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、細胞間隙二氧化碳摩爾分數(shù)(Ci)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 21軟件進行統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。計算植物鎘積累量(μg·盆-1)：ACd=wCd×B，其中wCd為植物Cd質(zhì)量分數(shù)(mg·kg-1)，B為植物生物量(g·盆-1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下土壤的理化性質(zhì)

由表1可知：與對照(ck)相比，高水分+電場處理(EW)下土壤pH顯著升高(P＜0.05)，電場(E)或高水分(W)單獨處理對土壤pH無顯著影響。W和EW處理下土壤堿解氮質(zhì)量分數(shù)顯著提高11.00%、12.09%(P＜0.05)，E處理下無顯著變化。不同處理下土壤中有機質(zhì)、有效磷質(zhì)量分數(shù)均無顯著影響。

表1 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響Table 1 Effects of different treatments on basic soil chemical properties

2.2 不同處理對土壤鎘有效性及鎘形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響

與ck相比，E處理下土壤有效態(tài)鎘質(zhì)量分數(shù)顯著提高了16.13%(P＜0.05)，其他處理無顯著變化。利用BCR法得到土壤不同形態(tài)鎘比例，由表2可知：W和EW處理下，土壤酸可提取態(tài)鎘和可還原態(tài)鎘比例分別顯著降低了2.78%、6.16%和2.72%、8.44%(P＜0.05)，土壤殘渣態(tài)鎘比例則顯著提高(P＜0.05)。W處理下，土壤可氧化態(tài)鎘比例顯著提高(P＜0.05)，E處理對土壤所有鎘形態(tài)均無顯著影響 (P＞0.05)。

表2 不同處理對土壤有效態(tài)鎘質(zhì)量分數(shù)和鎘形態(tài)的影響Table 2 Effects of different treatments on soil available Cd and its fractionations

2.3 不同處理對褪色柳和東南景天生長的影響

由表3可知：與ck相比，W處理后，柳葉、柳枝生物量分別提高15.61%和27.11%(P＜0.05)，東南景天生物量顯著降低60.24%(P＜0.05)；EW處理后，柳葉、柳枝生物量分別提高34.39%和101.10%(P＜0.05)，東南景天顯著降低22.02%(P＜0.05)；E處理對柳葉、柳枝及東南景天生物量均未產(chǎn)生顯著影響。不同處理對褪色柳各項光合參數(shù)均未造成顯著影響。綜合來看，EW處理促進褪色柳生長的效果最佳，其柳葉、柳枝生物量分別是W處理的1.16和1.58倍，是E處理的1.25和2.08倍。

表3 不同處理對植物生物量以及褪色柳光合參數(shù)的影響Table 3 Effects of different treatments on plant biomass and photosynthesis of S. discolor

2.4 不同處理對褪色柳和東南景天鎘吸收積累的影響

由表4可知：與ck相比，W和EW處理的柳葉鎘質(zhì)量分數(shù)分別顯著降低106.91%、156.13%(P＜0.05)，柳枝鎘質(zhì)量分數(shù)分別顯著降低113.13%、165.80%(P＜0.05)；柳葉鎘積累量分別顯著降低82.81%、95.60%(P＜0.05)，東南景天地上部鎘積累量分別降低63.15%和18.02%。而E處理中柳葉、東南景天地上部鎘質(zhì)量分數(shù)與對照相比分別提高6.68%、9.59%；柳葉、東南景天地上部鎘積累量與ck相比分別提高12.61%、22.50%。各處理褪色柳和東南景天地上部鎘總積累量由高到低依次為：E、ck、EW、W。

表4 不同處理對植物鎘吸收積累的影響Table 4 Effects of different treatments on Cd absorption and accumulation in S. discolor and S. alfredii

3 討論

3.1 水分和交流電場對土壤理化性質(zhì)的影響

土壤速效養(yǎng)分是土壤肥力的重要指標，一定程度上反映了近期土壤對植物養(yǎng)分的供應情況[18]。土壤堿解氮主要來源于有機氮的礦化分解，屬于有效氮，是土壤中能夠被植物直接吸收利用的氮素[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn)：施加電場對土壤理化性質(zhì)無顯著影響；高水分+電場處理顯著提高堿解氮質(zhì)量分數(shù)，但對有效磷、速效鉀無顯著影響。研究[21-22]發(fā)現(xiàn)：長期高水分處理會使植株葉片葉綠素發(fā)生降解，導致葉片衰老凋落，可能是土壤堿解氮質(zhì)量分數(shù)升高的原因。同時，長時間的高水分處理會使土壤二氧化碳排放受阻，反應產(chǎn)生碳酸鹽，提高土壤pH[23-24]。

3.2 水分和交流電場對土壤鎘有效性及其形態(tài)的影響

重金屬的生物活性不僅與其總量有關(guān)，更大程度上由其存在形態(tài)決定。重金屬的不同形態(tài)會產(chǎn)生不同的環(huán)境效應，直接影響其遷移和在自然界的循環(huán)[25-26]。本研究發(fā)現(xiàn)：施加電場顯著提高了土壤有效鎘質(zhì)量分數(shù)，土壤金屬離子活性的提高，有利于殘渣態(tài)鎘向交換態(tài)鎘轉(zhuǎn)化[6,27]。同時發(fā)現(xiàn)：高水分處理下，酸可提取態(tài)鎘、可還原態(tài)鎘比例顯著降低，殘渣態(tài)鎘比例顯著提高，這與LI等[28]的研究結(jié)果一致。推測原因在于長期高水分處理下，土壤氧化還原電位(Eh)降低，土壤還原狀況加強，土壤中還原態(tài)陽離子(如鐵、錳離子)和陰離子(如硫離子)相對含量增加，硫離子與鎘形成難溶的硫化物沉淀的機率提高[29-30]。水分還會影響鐵離子的氧化還原過程[31]，長期高水分處理促進氧化鐵還原，形成新的鎘氧化物。因此，土壤高水分處理降低了土壤鎘的有效性。

3.3 水分和交流電場對褪色柳和東南景天生長的影響

水分是影響植物生長發(fā)育的重要因素[32]。本研究表明：高水分處理后東南景天生物量的降低可能是由于土壤水分含量高導致根際缺氧，從而抑制了其正常生長[33]。而褪色柳喜濕耐澇，具有較強的耐水性，為耐水濕類樹種[34]，在高水分處理中表現(xiàn)為更有利于其生長。電場+高水分加快了褪色柳細胞分裂、分化，促進褪色柳對營養(yǎng)元素的吸收，從而使褪色柳地上部的生物量提高[35-36]。

3.4 水分和交流電場對褪色柳和東南景天鎘吸收、積累的影響

褪色柳生長迅速，東南景天吸收重金屬的能力強，作為重要的鎘富集和超積累植物，褪色柳-東南景天混栽有利于單位面積土壤上植物對土壤中鎘的高效吸收[37]。在評價植物對鎘污染土壤修復效率時，主要考慮地上部鎘積累量[8]。研究發(fā)現(xiàn)：濕潤條件下施加電場，有利于褪色柳和東南景天生長；同時提高了土壤有效鎘質(zhì)量分數(shù)，促進植物根系對鎘的吸收[38]，有利于褪色柳、東南景天對其的積累[39]。高水分處理下，土壤pH升高，土壤溶液中多價陽離子和氫氧根離子(OH-)增多，加大了氫氧化鎘沉淀生成的機率，使土壤鎘的有效性降低[40]；與此同時，高水分下東南景天生物量也降低，褪色柳和東南景天對土壤中鎘的積累受到抑制。

因此，土壤濕潤條件比淹水處理更有利于褪色柳-東南景天混栽對土壤中重金屬鎘的吸收和積累。受時間限制，本研究僅在褪色柳苗期進行，就積累鎘質(zhì)量分數(shù)的順序來看，東南景天地上部要好于柳葉和柳枝。

4 結(jié)論

交流電場的施加可提高土壤有效鎘質(zhì)量分數(shù)，促進褪色柳-東南景天地上部對鎘的積累，對土壤理化性質(zhì)及土壤中鎘形態(tài)分布無顯著影響。高水分處理提高了土壤堿解氮質(zhì)量分數(shù)以及可氧化態(tài)鎘和殘渣態(tài)鎘比例，但會抑制東南景天生長，降低褪色柳、東南景天對鎘的積累。因此，適宜水分條件下，施加電場有利于褪色柳-東南景天混栽對土壤中重金屬鎘的吸收和積累。