可降解螯合劑強(qiáng)化籽粒莧修復(fù)鎘污染耕地的研究

權(quán)勝祥，史學(xué)峰，劉曉月，李昌武，葛 燚，張 燕

（航天凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，長(zhǎng)沙 410100）

0 引言

污水灌溉、大氣沉降、農(nóng)藥化肥不合理施用等人類活動(dòng)，以及火山噴發(fā)、地震等自然因素導(dǎo)致國(guó)內(nèi)耕地土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)峻[1-3]。2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環(huán)芳烴[4]。耕地土壤中的重金屬如鎘，具有毒性大、累積能力強(qiáng)、遷移能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且鎘可通過(guò)地表徑流和淋溶等途徑污染地表水和地下水，亦可通過(guò)生物鏈形式向農(nóng)作物和人體遷移，危害農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和人類身體健康[5-6]。據(jù)環(huán)保部門估算，全國(guó)每年因重金屬污染的糧食高達(dá)1200萬(wàn)t，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)200億元[7]。

鎘污染耕地修復(fù)技術(shù)主要有物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)鈍化技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)。物理修復(fù)技術(shù)涉及工程量大，費(fèi)用高，而且容易引起耕層破壞，農(nóng)田肥力減弱[1]。化學(xué)鈍化技術(shù)修復(fù)效果好，成本低，該類修復(fù)技術(shù)主要是通過(guò)改變重金屬鎘的賦存形態(tài)和生物可利用性，減少鎘向農(nóng)作物遷移，但隨著環(huán)境條件的變化，土壤中鎘的有效性可能會(huì)發(fā)生變化[8-10]。植物修復(fù)技術(shù)是利用自然生長(zhǎng)的超富集植物對(duì)土壤中鎘進(jìn)行吸收、富集，轉(zhuǎn)運(yùn)到植物地上部，最后通過(guò)將其收獲、安全處置等過(guò)程減少土壌中鎘含量，是可靠、環(huán)境相對(duì)安全的綠色修復(fù)技術(shù)，具有良好的應(yīng)用前景[11-12]。

植物修復(fù)技術(shù)有效實(shí)施的關(guān)鍵是篩選出生物量大、生長(zhǎng)速度快且能富集一種或多種重金屬的植物。籽粒莧是一種生物量大、易成活、對(duì)鎘脅迫耐性及富集特性均比較強(qiáng)的修復(fù)植物，具有修復(fù)鎘污染耕地的市場(chǎng)潛力[13]。此外，在植物修復(fù)過(guò)程中，重金屬的生物有效性是植物提取效率的關(guān)鍵因素[14]。添加螯合劑可提高土壤中的重金屬的生物有效性，可有效提髙植物富集效果。近年來(lái)，以EDTA（乙二胺四乙酸）為代表的人工合成螯合劑被廣泛用來(lái)増強(qiáng)植物提取效率。但EDTA不易被生物降解，易造成二次污染。因此通過(guò)施用可降解的螯合劑如EDDS（乙二胺二琥珀酸）和NTA（氨三乙酸）提高植物提取效率已逐漸成為植物修復(fù)研究熱點(diǎn)[15-16]。

本研究通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)，探究籽粒莧種植方式、螯合劑類型、螯合劑添加量和螯合劑添加時(shí)間等因素對(duì)籽粒莧修復(fù)鎘污染耕地的影響，評(píng)估籽粒莧對(duì)重金屬鎘的修復(fù)效果，以期為鎘污染耕地修復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)地點(diǎn)在湖南省湘潭市湘潭縣排頭鄉(xiāng)，土壤pH 5.65，有機(jī)質(zhì)30.1 g/kg，有效磷46.8 mg/kg，速效鉀108.6 mg/kg，土壤全鎘含量為0.38 mg/kg，有效態(tài)鎘含量為0.18 mg/kg。

供試籽粒莧品種為‘美國(guó)籽粒莧K472’。

供試螯合劑NTA、EDDS、檸檬酸均為分析純級(jí)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）田間小區(qū)設(shè)置。小區(qū)面積6 m2(2 m×3 m)，設(shè)置保護(hù)行，小區(qū)間田埂高20 cm以上。

（2）試驗(yàn)處理。本試驗(yàn)共設(shè)14個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列，每個(gè)處理均種植籽粒莧，其中直播播種量為4.5～6.0 kg/hm2；條播播種量為3.0～4.5 kg/hm2；育苗插播應(yīng)選擇未污染耕地進(jìn)行育苗，當(dāng)籽粒莧株高在15～20 cm時(shí)，將育苗基地的籽粒莧株定苗、移栽至試驗(yàn)小區(qū)，種植密度25 cm×30 cm。具體試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)見表1。

表1 小區(qū)試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)

1.3 樣品采集與處理

成熟期在每個(gè)小區(qū)中采集有代表性的籽粒莧5～6株，將收獲的籽粒莧于105℃烘箱中殺青30 min，然后在60℃條件下烘干至恒重，并將其分為地上部分（含籽粒、桿和葉）和地下部分（主要為根），并分別測(cè)定植物地上部分和地下部分干重產(chǎn)量和鎘含量，籽粒莧植株Cd含量按照GB 5009.15方法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel 2010和SPSS 18.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用Origin 2018軟件作圖，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植方式對(duì)籽粒莧修復(fù)鎘污染耕地的影響

由表2和圖1可知，在籽粒莧產(chǎn)量方面，育苗插播(T3)時(shí)籽粒莧地上部分和地下部分干重產(chǎn)量較高（分別為6.08、1.38 t/hm2）；條播(T2)時(shí)籽粒莧地上部分和地下部分干重產(chǎn)量與育苗插播(T3)較為接近；直播(T1)時(shí)籽粒莧地上部分和地下部分干重產(chǎn)量最低。這可能是因?yàn)橹辈r(shí)籽粒莧生長(zhǎng)較為密集，植物光照不足，影響單株籽粒莧株高和株徑，從而影響籽粒莧產(chǎn)量。在重金屬鎘年度總提取率方面，直播(T1)、條播(T2)、育苗插播(T3)時(shí)籽粒莧對(duì)污染耕地中鎘的年度總提取效率分別為8.7%、9.0%、9.2%。

表2 不同處理?xiàng)l件下籽粒莧干重、重金屬鎘累積量，提取效率及相對(duì)提高率

圖1 不同種植方式條件下籽粒莧干重產(chǎn)量

條播、直播和育苗插播3種種植方式條件下籽粒莧富集鎘效率無(wú)明顯差異。然而，不同種植管理方式條件下，籽粒莧種植人力成本及田間管理要求差異較大。已有研究成果表明，籽粒莧種植人力成本主要集中在人工除草、秸稈移除、育苗插播等方面[1]。如采用直播方式播種，籽粒莧種植過(guò)程中，病蟲草害較為嚴(yán)重，病蟲草害防治較為困難，人力成本較高；如采用育苗插播方式，移栽人工成本較高，且需要進(jìn)行不定期補(bǔ)苗。因此，綜合分析籽粒莧對(duì)鎘的提取效率和種植管理人力成本等因素，在今后示范推廣項(xiàng)目中建議采用條播方式。

2.2 螯合劑類型對(duì)籽粒莧修復(fù)鎘污染耕地的影響

螯合劑強(qiáng)化高富集植物修復(fù)重金屬污染耕地的途徑主要有2種，一是提高富集植物的干重產(chǎn)量，二是提高富集植物體內(nèi)的重金屬含量。螯合劑能夠有效提高耕地土壤中重金屬生物有效性，進(jìn)而增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的富集效果[17-18]。由表2和圖2可知，在籽粒莧產(chǎn)量方面，當(dāng)籽粒莧種植75天后，按照450 kg/hm2的標(biāo)準(zhǔn)向耕地土壤中分別施用EDDS(T4)、NTA(T5)和檸檬酸(T6)時(shí)，籽粒莧地上部分干重產(chǎn)量處于6.08～6.15 t/hm2之間，籽粒莧地下部分干重產(chǎn)量處于1.32～1.35 t/hm2之間，可見施用以上3種螯合劑，對(duì)籽粒莧干重產(chǎn)量無(wú)明顯影響。在重金屬鎘年度總提取率方面，當(dāng)施用不同類型螯合劑時(shí)，耕地土壤中鎘的年度總提取效率NTA(12.6%)＞EDDS(11.3%)＞檸檬酸(11.0%)。此外，由于NTA在土壤環(huán)境中的半衰期為5～7天，具有可生物降解性高、潛在環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小等特點(diǎn)[19]，因此，綜合分析籽粒莧對(duì)鎘的提取效率和潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等因素，在今后示范推廣項(xiàng)目中建議采用NTA。

圖2 施用不同螯合劑條件下籽粒莧干重產(chǎn)量

2.3 螯合劑添加量對(duì)籽粒莧修復(fù)鎘污染耕地的影響

由表2和圖3可知，在籽粒莧產(chǎn)量方面，當(dāng)NTA添加量≤450 kg/hm2時(shí)(T7～T9)，籽粒莧地上部分和地下部分干重產(chǎn)量與對(duì)照組(T3)無(wú)明顯差異，當(dāng)NTA添加量＞450 kg/hm2時(shí)(T10～T11)，籽粒莧地上部分和地下部分干重產(chǎn)量與對(duì)照組(T3)相比下降明顯。在重金屬鎘年度總提取率方面，當(dāng)NTA添加量為450 kg/hm2時(shí)(T9)，鎘的年度總提取效率最大(12.6%)。這可能是因?yàn)殡S著NTA施用量增加，雖然籽粒莧體內(nèi)鎘含量逐漸提升，但是施用高劑量的螯合劑會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，如引起植物的黃化、萎蔫甚至是死亡。該研究成果與已有研究成果一致[20]。因此，NTA最佳施用量為450 kg/hm2。

圖3 螯合劑NTA不同添加量條件下籽粒莧干重產(chǎn)量

2.4 添加時(shí)間對(duì)籽粒莧修復(fù)鎘污染耕地的影響

螯合劑對(duì)植物富集重金屬的效率以及對(duì)潛在生態(tài)環(huán)境的毒害效應(yīng)除了與螯合劑的類型有關(guān)外，還與螯合劑的投加方式、投加時(shí)間等因素有關(guān)[21-22]。由表2和圖4可知，在籽粒莧產(chǎn)量方面，籽粒莧種植后85天(T14)和75天(T13)施用NTA，籽粒莧地上部分和地下部分干重產(chǎn)量與對(duì)照組(T3)無(wú)明顯差異。籽粒莧種植后65天(T12)施用NTA，籽粒莧地上部分和地下部分干重產(chǎn)量比對(duì)照組(T3)略低。這可能是因?yàn)樽蚜Ｇ{種植65天時(shí)，籽粒莧尚未成熟，根系及株莖未達(dá)到最佳狀態(tài)，此時(shí)施用NTA增大了螯合劑對(duì)植物的毒害作用，影響籽粒莧產(chǎn)量。在重金屬鎘年度總提取率方面，施入可降解螯合劑NTA均能提高籽粒莧吸附耕地土壤中鎘的效率，其相對(duì)提高率在7.3%～40.5%之間。在籽粒莧種植后85天(T14)，按450 kg/hm2的標(biāo)準(zhǔn)施用可降解螯合劑NTA時(shí)修復(fù)效果最佳，籽粒莧地上部分和地下部分的提取效率分別為5.4%和1.2%，單茬提取效率為6.6%，相對(duì)提高率為40.5%?？偺崛⌒士蛇_(dá)到13.2%（根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，南方地帶籽粒莧一般每年可生長(zhǎng)2～3季，暫按籽粒莧每年生長(zhǎng)2季計(jì)）。

圖4 螯合劑NTA不同添加時(shí)間條件下籽粒莧干重產(chǎn)量

3 結(jié)論

（1）在種植方式方面，條播、直播和育苗插播籽粒莧富集鎘效率無(wú)明顯差異。如采用直播方式播種，籽粒莧種植過(guò)程中，病蟲草害較為嚴(yán)重，病蟲草害防治較為困難；如采用育苗插播方式，插播人工成本較高，且需要進(jìn)行不定期補(bǔ)苗，因此，在今后示范推廣項(xiàng)目中建議采用條播方式。

（2）在螯合劑類型方面，鎘污染耕地修復(fù)效率NTA＞EDDS＞檸檬酸。

（3）可降解螯合劑NTA最佳添加量為450 kg/hm2，最佳添加時(shí)間為種植后85天。螯合劑施入后，籽粒莧作物鎘富集量比對(duì)照組提升40.5%。

（4）“可降解螯合劑+高富集植物籽粒莧”修復(fù)鎘污染耕地的技術(shù)模式，可實(shí)現(xiàn)耕地土壤中鎘含量逐年降低，在籽粒莧種植后85天，按照450 kg/hm2的添加量施用可降解螯合劑NTA，耕地土壤中鎘含量年降低率達(dá)13.2%。

（5）相較于傳統(tǒng)植物修復(fù)技術(shù)（如伴礦景天、龍葵等），籽粒莧生物量大、易于種植管理、可操作性強(qiáng)、修復(fù)成本低、無(wú)二次污染，且通過(guò)施用可降解螯合劑可有效提高籽粒莧修復(fù)鎘污染耕地的效率，是一種綠色、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的鎘污染耕地修復(fù)方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。