螯合劑及組配對伴礦景天修復兩種鎘污染土壤的影響

伍德 ，彭鷗 ，劉玉玲 ，張樸心 ，尹雪斐 ，黃薪銘 ，鐵柏清

1.湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省灌溉水源水質污染凈化工程技術研究中心，湖南 長沙 410128；3.農業農村部南方產地污染防控重點實驗室，湖南 長沙 410128

隨著中國工業化、城市化的腳步日益加快，土壤污染面臨的形勢愈加嚴峻，其中土壤重金屬污染問題尤為嚴重，呈現出擴散多元化，面積日漸擴大的趨勢（郭勇等，2012）。據《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，土壤Cd位點超標率達7%，為所有重金屬中超標率最高（環境保護部等，2014）。人若長期食用Cd污染的農作物，導致Cd會在人體內富集，達到一定水平會對內臟和骨骼造成嚴重的損傷（葛芳芳等，2017），土壤 Cd污染儼然已經成為最突出的農業環境問題之一（馮丹妮等，2019）。目前植物修復廣泛應用于各種污染土壤修復（Rascio et al.，2011），其優點包括修復面積大，具有一定的經濟效益等，但也有其局限性，如植物對重金屬的耐受性單一，土壤Cd有效性低等（張繼舟等，2013；熊梓燁等，2020）。因此，在利用植物來修復受重金屬污染的農地土壤時，如何提高植物修復的效率成為突破局限的關鍵。

伴礦景天是一種多年生草本植物，其生長速度快、生命力強，生物量大，是一種已被證實對Cd/Zn具有超積累作用的植物（衛澤斌等，2015）。朱凰榕（2019）研究發現，Cd在伴礦景天的嫩葉中含量最高可達777 mg·kg?1，是一種良好的土壤Cd污染修復植物。螯合誘導修復技術，就是選擇合適的螯合劑添加至受重金屬污染的土壤，活化重金屬，提高植物的富集效率，從而達到聯合治理的目的（Vassil et al.，1998）。螯合劑在植物修復重金屬污染土壤中得到廣泛應用（龍珍等，2016），在實際應用中通常可分為兩大類（馬俊俊等，2020），一類是以人工合成螯合劑如EDTA（乙二胺四乙酸二鈉）為代表的氨基多羧酸類；另一類是以檸檬酸、酒石酸等為代表的天然低分子有機酸，在土壤中可與重金屬離子結合形成活性較高的形態（Sillanp?? et al.，2011）。螯合劑的種類、濃度和pH、重金屬的種類以及土壤的理化性質等均可影響螯合劑的應用效果（丁竹紅等，2009）。所以，選擇不同種類的螯合劑及合理搭配是提高螯合劑活化效率的有效手段。

前人的研究多運用伴礦景天修復鎘單一污染或施用螯合劑對提高植物修復效率的影響，而本研究通過試驗驗證螯合劑及組配對鎘單一污染和鎘砷復合污染兩種土壤鎘污染類型的修復效率影響。通過比較 3種螯合劑以及不同組合對伴礦景天在兩種污染類型土壤中Cd的修復效率的影響，以期選出適合修復兩種污染類型的高效修復方式以及為修復兩種類型的鎘污染農田土壤提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物：伴礦景天（Sedum plumbizincicola），試驗植株幼苗采自湖南省瀏陽市某育苗基地，選取長勢旺盛且相近，株高均為8—10 cm。

供試試劑：乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）（分析純），酒石酸（TA）（分析純），草酸（OA）（分析純）。

供試土壤：選擇鎘單一污染和鎘砷復合污染兩種不同類型的鎘污染農田土壤進行試驗研究。鎘單一污染農田選址于湖南省株洲市淥口區南洲鎮泗馬村（113°19′E，27°58′N），鎘砷復合污農田地選址于湖南省瀏陽市蕉溪村（113°54′E，28°17′N）。土壤背景值見表1。

表1 供試土壤背景值Table 1 Background levels of heavy metals in tested soil

1.2 試驗設計

從育苗基地選好供試植株，于2020年4月11日移栽，于2020年10月8日收獲，試驗期為6個月。在兩個試驗點分別設置21個田間試驗小區，長9 m，寬3 m，高0.4 m中間設置0.3 m×0.3 m的排水溝。植株間距設置為0.25 m×0.25 m，將供試植株移栽至實驗小區自然生長約一個月，于5月8日用噴壺將各處理的螯合劑于植株根部噴施200 mL。試驗處理如下表2，每個處理重復3次。

表2 試驗處理設計Table 2 Experimental design for the chelating agents enhanced remediation of Cd contaminated soils by Sedum plumbizincicola

1.3 樣品的采集與預處理

植物樣品：在試驗完成后，在添加不同螯合劑處理的小區分別用五點采樣法采集5株植株，分編號用網袋裝好帶回實驗室。將植株分為地上部分和地下部分，先用自來水沖洗掉表面的泥土雜質，再用去離子水反復清洗3次。自然晾干表面水分稱質量后將其裝入寫好編號的檔案袋中，放入烘箱設置105 ℃殺青 2 h，再設置 70 ℃直至烘干至恒定質量，稱量記錄干質量，用高速粉碎機粉碎后用封口袋保存。剩余植株統一收割。

土壤樣品：在各實驗小區根據五點采樣法設置5個采樣點，采集深度0—15 cm的耕作層土壤，再將所采5個點混成一個土壤樣品，裝入寫好編號的塑料袋帶回實驗室。土壤樣品經去除雜質后自然風干，碾磨過100目尼龍篩，用于后續測定各項試驗指標。

1.4 測定方法與數據處理

土壤 pH值用去離子水和土壤質量比 2.5?1混合后，采用 pHs-3C雷磁酸度計測定；土壤有效態Cd用DTPA浸提法（何其輝等，2018），ICP-OES（美國PE8300）測定；土壤全量 Cd在電熱消解儀中用HCl-HNO3-HClO4進行濕法消解[用土壤GBW-07405 (GSS-5) 做質控樣品]，ICP-OES（美國PE8300）測定。植物樣品在電熱消解儀中采用混合酸（V(HNO3)?V(HClO4)=4?1）濕法消解，用 ICP-OES（美國PE8300）測定Cd含量。采用優化的BCR法提取土壤中不同形態Cd（Rauret et al.，1999），分別為“酸可提取態、可還原態、可氧化態、殘渣態”，用ICP-OES（美國PE8300）測定各形態的含量。

1.5 數據處理

圖表制作使用Microsoft Excel 2010；用 SPSS 20.0軟件進行數據統計,差異顯著性采用ANOVA單因素方差分析。

土壤修復效率R計算公式如下：

式中：

wp——植株中 Cd 的質量分數，mg·kg?1；

mp——植株的生物量，kg·hm?2

ws——土壤中 Cd 的質量分數，mg·kg?1；

ms——耕作層土壤質量，取2250000 kg·hm?2

2 結果與分析

2.1 螯合劑對土壤pH的影響

3種螯合劑及組配施用對Cd單一污染土壤pH的影響見圖 1。修復前 Cd單一污染土壤 pH值為5.75，施用后，相比于CK，6個處理pH值均顯著降低，但不同處理之間降低的幅度有差異，修復后各處理pH值的范圍為4.79—5.27，其中EDTA-OA處理降低的幅度最大，降低了1.04個單位。3種螯合劑及組配施用對Cd/As復合污染土壤pH的影響見圖1。修復前Cd/As復合污染土壤pH值為5.89，施用后，相比于CK，6個處理pH值均顯著降低，不同處理之間降低的幅度并無顯著差異，修復后各處理pH值的范圍為5.03—5.38，其中EDTA-OA處理降低的幅度最大，降低了0.99個單位。螯合劑的施用能有效降低兩種類型土壤的pH值，以EDTAOA處理降低的幅度最大。

圖1 螯合劑對兩種污染土壤pH的影響Figure 1 Effect of chelating agents on pH of the two Cd contaminated soils

2.2 螯合劑對伴礦景天Cd含量的影響

3種螯合劑及組配對 Cd單一污染類型土壤中伴礦景天Cd含量影響如圖2。就Cd單一污染土壤而言，6種施加螯合劑處理均能促進伴礦景天吸收鎘，且達到顯著水平（P<0.05)。相較于CK，6種處理下伴礦景天地上部分與地下部分Cd含量增加范圍分別為 25.80%—77.48%、26.32%—69.78%；其中，EDTA-OA處理下的伴礦景天鎘含量最高，地上部和地下部分別達到了 103.88 mg·kg?1和 256.37 mg·kg?1。3種螯合劑及組配對Cd/As復合污染類型土壤中伴礦景天Cd含量影響如圖3。就Cd/As復合污染土壤而言，6種施加螯合劑處理均能有效提高伴礦景天植株中鎘含量，且達到顯著水平（P<0.05）。相較于CK，6種處理下伴礦景天地上部分與地下部分 Cd含量增加范圍分別為 32.77%—86.47%、38.58%—86.45%。6個處理中 EDTA-OA處理下的伴礦景天鎘含量最高，地上部和地下部分別達到了 90.14 mg·kg?1和 213.54 mg·kg?1。

圖2 螯合劑對Cd單一污染土壤中伴礦景天Cd含量的影響Figure 2 Effects of chelating agents on Cd contents in Sedum plumbizincicola grown in Cd contaminated soil

圖3 螯合劑對Cd、As復合污染土壤中伴礦景天Cd含量的影響Figure 3 Effects of chelating agents on Cd contents in Sedum plumbizincicola in Cd-As contaminated soil

綜上而言，螯合劑的施用可以有效提高伴礦景天植株中Cd含量，其中EDTA-OA處理在兩種類型土壤中效果最好。因此，OA和EDTA混合施用促進伴礦景吸收積累鎘的效果最好。

2.3 螯合劑對土壤Cd含量的影響

螯合劑對 Cd單一污染土壤Cd含量的影響見表3。對于土壤Cd單一污染而言，相比于CK，螯合劑的施用能有效降低Cd單一污染土壤全量Cd含量，6個處理降低的全量 Cd均達到顯著差異水平（P<0.05)，其中EDTA-TA處理下全量Cd下降幅度最大，達到14.29%，修復完成后土壤全量Cd含量下降到 0.66 mg·kg?1。

表3 螯合劑對Cd單一污染土壤全量Cd和有效態Cd含量的影響Table 3 Effects of chelating agents on the contents of total Cd and available Cd in Cd contaminated soil

螯合劑對Cd、As復合污染土壤修復影響見表4。對于土壤Cd、As復合污染而言，相比于CK，OA、EDTA-OA、TA-OA處理降低的土壤全量Cd均達到顯著差異水平（P<0.05），含量分別下降了8.70%、14.49%、11.59%，其中EDTA-OA處理下全量Cd下降幅度最大，修復完成后土壤全量Cd含量下降到 0.59 mg·kg?1。

表4 螯合劑對Cd、As復合污染土壤全量Cd和有效態Cd含量的影響Table 4 Effects of chelating agents on the contents of total Cd and available Cd in Cd-As contaminated soil

2.4 螯合劑對土壤Cd形態的影響

螯合劑的施入對 Cd單一污染土壤中 Cd存在形態的影響見圖4。在Cd單一污染土壤中，施入螯合劑處理后 Cd的賦存形態表現為酸可提取態>可氧化態>可還原態>殘渣態的趨勢。酸可提取態的含量提高，殘渣態含量降低，可還原態和可氧化態含量變化不明顯。其中EDTA-OA處理下的酸可提取態增加幅度最大，增幅為22.99%；殘渣態含量下降幅度最大，降幅為11.01%。

圖4 施用螯合劑后Cd單一污染土壤的Cd形態Figure 4 Cd morphology in Cd contaminated soil after application of chelating agents

螯合劑的施入對Cd、As復合污染土壤中Cd存在形態的影響見圖5。在Cd、As復合污染土壤中，螯合劑施入后土壤Cd形態變化趨勢與單一污染相同，表現為酸可提取態>可氧化態>可還原態>殘渣態。EDTA-OA處理下的酸可提取態增加的最多，增幅為24.34%；殘渣態含量下降最多，降幅為12.82%。

圖5 施用螯合劑后Cd、As復合污染土壤Cd形態Figure 5 Cd morphology in Cd-As contaminated soil contaminated after application of chelating agents

2.5 螯合劑及其搭配對伴礦景天修復效率影響

螯合劑的施用對伴礦景修復Cd單一污染土壤的修復效率如表5。在Cd單一污染農田土壤中，螯合劑的施入可提高修復效率，不同的螯合劑及組配對土壤修復效率的效果不一。CK處理的修復效率為13.76%，施加螯合劑后，修復效率提高了2.86%—9.06%，其中EDTA-OA處理修復效果最好，修復效率提高到了 22.82%，相比 CK，修復效率提高了9.06%。

表5 施用螯合劑對Cd單一污染土壤修復效率的影響Table 5 Effect of chelating agents on remediation performance of Sedum plumbizincicola for Cd contaminated soil

螯合劑的施用對伴礦景修復Cd、As復合污染土壤的修復效率如表6。在Cd、As復合污染農田土壤中，螯合劑的施入可提高修復效率，較比于 CK的12.79%修復效率，螯合劑處理后的修復效率可達16.06%—24.98%，其中EDTA-OA處理效果最好，效率提高了12.19%。綜合兩種土壤試驗結果可得，在兩種污染類型的土壤中，螯合劑的施加能提高伴礦景天對鎘污染農田的修復率，但不同搭配施用效果有差異。在研究中的兩種Cd污染的酸性土壤中，均以EDTA和OA混施能最大程度的提高修復效率。

表6 施用螯合劑對Cd、As復合污染土壤修復效率的影響Table 6 Effect of chelating agents on remediation performance of Sedum plumbizincicola for Cd-As contaminated soil

3 討論

pH是影響重金屬在土壤中活性的重要理化指標，有研究表明認為土壤pH下降會促進重金屬的活化，從而促進植物對重金屬的吸收積累（方曉航等，2005）。Gr?man et al.（2001）分別向 pH 為 5 和7.5的Pb污染土壤中施加EDTA后，發現在pH為5的土壤中生長的植株地上部分Pb的含量比在pH為 7的土壤中生長的植株地上部分高 2000 mg·kg?1。曹雪瑩等（2019）通過伴礦景天盆栽試驗發現，相較于修復前，隨處理pH降低，土壤有效態Cd含量及全量Cd的去除量均有所增加，且修復效率在土壤 pH≤6.0時顯著高于 pH>6.0。黃錚等（2007）研究也能有效驗證pH值與重金屬活性成反比這一規律。本研究中，與對照相比，如圖1所示，兩種類型的土壤pH值均有所下降，主要是由于試驗中3種螯合劑均呈酸性，在施入土壤后會造成局部土壤酸化的現象，土壤pH值小幅度下降。這是因為土壤中存在許多的緩沖體系，當螯合劑釋放出的H+進入土壤環境后，土壤中含有許多具有緩沖能力的強堿弱酸鹽，如碳酸鹽、鈣磷酸鹽等會中和釋放出的H+（張根柱等，2011），所以螯合劑的施用能在促進重金屬活化的同時，又不破壞土壤的酸堿平衡。小分子有機酸與氨基羧酸類螯合劑聯用可以形成協同作用，提高修復效率，但在使用螯合劑輔助植物修復重金屬的同時要考慮其生理毒害作用及滲濾造成的二次風險等（劉興瑞等，2022）。本文中的草酸、酒石酸兩種小分子有機酸在土壤中易降解，基本無環境風險，EDTA則屬于氨基羧酸類螯合劑，在自然環境中較難降解，因此在使用時要注意施用的劑量、施用方法、施用時間等。

在兩種土壤中，施加螯合劑后其有效態Cd的含量有差異但無顯著水平，但大部分處理對全量Cd具有顯著的降低效果，可能是螯合劑將土壤中非有效態Cd的部分活化，促進非有效態解吸為有效態（劉亮，2012），促進 Cd在伴礦景天內地下向地上部分轉移，從而完成土壤Cd修復過程。經計算，修復后，各處理與CK相比殘渣態含量更低，且之間的差值與植物吸收轉移帶離土壤的部分基本持平，因而有效態Cd含量減少不顯著，全量減少顯著且兩種土壤的變化一致。土壤在受到多種重金屬復合污染時，重金屬復合污染對植物本身造成的不利影響要高于單一重金屬污染，如羅昱（2021）研究發現在Pb、Cd復合脅迫下鳳尾雞冠花各部位相比單一污染有明顯下降，說明復合脅迫對鳳尾雞冠花的生長抑制作用大于單一脅迫。本研究中Cd/As復合污染土壤種植的景天地上部分Cd含量要低于Cd單一污染的，說明As與Cd形成了協同作用，降低了景天對Cd的富集能力。而螯合劑的施用可以提高植物對重金屬的耐受性和富集，有利于植物生長，故在產量上二者并沒有顯著差異，說明利用螯合劑修復Cd污染土壤時，As的存在會對景天造成一定的影響，但施用螯合劑后可減少或抵消該影響。螯合劑的輔助植物修復的最佳濃度也受土壤污染類型的影響。例如丁雪蓮（2012）利用EDTA輔助藜修復Cd-Mn污染土壤發現，當土壤為Cd單一處理時，EDTA添加濃度為2.5 mmol·kg?1時效果最佳；土壤為Cd-Mn復合處理時，EDTA添加濃度為5.0 mmol·kg?1時效果最佳。利用EDTA輔助小蓬草修復Cd-Pb污染土壤發現，當EDTA的添加水平為5.0 mmol·kg?1時，單一 Cd處理下的小蓬草地上部分的Cd含量達到最大值；在Pb-Cd復合污染處理下，EDTA的添加水平為2.5 mmol·kg?1時，小蓬草地上部分Cd含量達到最大值。因此在利用螯合劑輔助植物修復重金屬污染土壤時，不同的污染類型選擇不同的螯合劑及濃度配比顯得尤為重要。

土壤中酸可提取態和可還原態活性較高，在自然環境中易被植物吸收積累，可氧化態在一定的條件下也可以實現遷移轉化從而被植物積累，而殘渣態很穩定，一般不會遷移。決定土壤重金屬污染毒害程度的是生物有效態部分（Zhu et al.，2015），因而酸可提取態和可還原態成為土壤重金屬治理的研究重點。張譞等（2013）等向土壤中添加EDTANa2、DTPA和酒石酸 3種螯合劑后發現土壤中的Cd、Zn的酸可溶態明顯提高，這與本實驗研究結果相似。陳雅慧等（2021）發現次氮基三乙酸（NTA）、三聚磷酸鈉（STPP）、谷氨酸二乙酸四鈉（GLDA）、聚天冬氨酸（PASP）4種螯合劑與EDTA復施后土壤中 Pb的弱酸可提取態的占比顯著升高，所種植的鋪地竹各器官 Pb的濃度與土壤中的弱酸可溶態Pb呈極顯著正相關，這與本次試驗結論相同。本實驗中弱酸可溶態提高得最明顯的EDTA-OA處理，這可能是不同種類、不同組配的螯合劑施入土壤后，對土壤的氧化還原電位和pH的影響程度不同（李曉寶等，2019）。

螯合劑在土壤修復中的作用便是與其中的重金屬發生螯合作用，使重金屬轉變為水溶性更好的“金屬-螯合劑絡合物”（韓少華等，2011），促進重金屬從固相向液相轉移，提高植物的吸收效率。在螯合誘導修復技術中螯合劑的作用機制可分為：（1）提高土壤溶液中重金屬的溶解度；（2）加速重金屬在植物根系的擴散，減小其毒害作用；（3）促進重金屬在植物中由地下部分向地上部分的轉運作用（McGrath et al.，2001）。螯合劑在促進植物吸收重金屬的同時，需要考慮劑量對植物的生理毒害作用。例如Chen et al.（2002）利用EDTA修復Pb污染農田土壤時，當EDTA濃度達到17.5 mmol·kg?1時，試驗油菜在施用后的第4天全部死亡。蔣萍萍等（2019）研究發現 OA和 TA在施用濃度為5.0 mmol·kg?1時會對青葙的生長產生抑制作用。本研究中施用3種螯合劑對伴礦景天的最終產量并沒有明顯的降低效果，說明本試驗選取螯合劑的施用濃度對伴礦景天是安全的。

本研究中，無處理CK的景天在經過6個月的實驗期后，兩種土壤植株地上部分 Cd含量分別為58.32 mg·kg?1和 48.34 mg·kg?1，土壤的修復效率分別為13.71%和12.96%，加入螯合劑之后，含量最高值為 110.29 mg·kg?1和 90.14 mg·kg?1，修復效率最高分別達到了35.48%和24.38%，相比于CK，均有顯著提升。EDTA-OA處理下的伴礦景天地上部分的含量也是最高，搭配施用效果最好，EDTA可與土壤中的重金屬螯合呈水溶性更高的絡合物，有效態增加，利于重金屬的去除（Jun et al.，2020）；草酸屬于常見的天然小分子有機羧酸，同時也是一種優秀的綠色螯合劑，草酸一方面可水解釋放出H+降低土壤pH，活化重金屬，另一方面可與Cd形成“金屬-螯合劑”復合體（Gao et al.，2010），增加土壤中Cd的生物有效態。在兩種類型的土壤中，Cd/As復合污染土壤中EDTA-OA處理下的景天Cd含量要低于Cd單一污染土壤，這是因為一定濃度下的Cd、As復合污染，二者會對修復植物表現出一定的協同抑制作用（孫約兵等，2007），修復植物的富集含量降低，因此本實驗中伴礦景天在單一污染土壤中富集濃度要高于復合污染土壤中的富集濃度。

總而言之，利用EDTA、草酸和酒石酸3種螯合劑及其 1?1不同組配對伴礦景天修復酸性Cd污染土壤具有較好的促進效果，其中EDTA和草酸1?1混施效果較優。綜上，在進行酸性Cd污染土壤修復時，可考慮用伴礦景天作修復植物，并搭配EDTA和草酸輔助修復來提高修復效率，但螯合劑的使用風險和長期的持續修復效果還有待考究。

4 結論

（1）試驗中3種螯合劑及其組配施入兩種類型的酸性鎘污染土壤中，土壤的pH值均顯著降低，以EDTA和OA組合施用效果最好，Cd單一污染和Cd/As復合污染土壤pH可分別降至4.79和5.03。

（2）3種螯合及組配處理能有效提高兩種土壤中弱酸可溶態Cd的含量，促進了伴礦景天對兩種類型污染土壤中Cd的吸收，以EDTA和OA按1?1組合施用效果最好。

（3）試驗中螯合劑施用顯著提高了兩種鎘污染農田土壤的修復效率，以EDTA和OA組合施用的修復效果最好，Cd單一污染和 Cd/As復合污染土壤的修復效率分別可以達到22.82%和24.98%。