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应用籽粒苋修复镉污染农田土壤的潜力

本站小编 Free考研考试/2021-12-31
宋波1,,
张云霞1,
田美玲1,
杨子杰1,
王佛鹏1,
陈同斌1,2,,
1.桂林理工大学环境科学与工程学院，桂林 541006
2.中国科学院大学，北京 100049
作者简介: 宋波(1972—)，男，博士，教授。研究方向：重金属污染土壤修复等。E-mail：songbo@glut.edu.cn.
通讯作者: 陈同斌,chentb@igsnrr.ac.cn

中图分类号: X53


Potential for cadmium contaminated farmland remediation with Amaranthus hypochondriacus L.

Bo SONG1,,
Yunxia ZHANG1,
Meiling TIAN1,
Zijie YANG1,
Fopeng WANG1,
Tongbin CHEN1,2,,
1.College of Environmental Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541006, China
2.University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China
Corresponding author: Tongbin CHEN,chentb@igsnrr.ac.cn

CLC number: X53

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摘要:针对农田土壤镉污染问题，采用超富集植物籽粒苋并配施不同组合的外源活化剂进行盆栽实验和田间实验，并测定籽粒苋及根系土壤中镉含量并计算富集系数。结果表明，在盆栽实验的不同处理组中，施加磷酸二氢钾(0.74 mmol·kg-1)、EDTA(2 mmol·kg-1)和柠檬酸(4 mmol·kg-1)最有助于提高籽粒苋对Cd的提取修复效率。田间实验中添加活化剂(EDTA和柠檬酸)后籽粒苋的根、茎和叶组织对Cd的富集能力分别是不添加活化剂处理组的2.10、1.84和2.76倍；与对照组相比，籽粒苋的根、茎和叶部分的Cd含量都显著提高(P < 0.05)，这说明外源活化剂促进了籽粒苋对土壤中Cd的吸收，提高了修复效率。每年种植两茬籽粒苋并添加活化剂，Cd的去除率可达4%~10%。种植超富集植物并配施活化剂既可以提高修复效率，又可以节约修复成本。
关键词: 籽粒苋/
镉/
农田土壤/
活化剂/
植物修复

Abstract:In view of the problem of cadmium pollution in farmland soil, phytoremediation technology has become a research hotspot. Pot experiments and field trials were conducted using a kind of hyperaccumulator Amaranthus hypochondriacus L. and different combinations of exogenous activators. The cadmium contents in Amaranthus hypochondriacus L. and root soil were tested and the corresponding enrichment factors were determined. The results showed that in different treatment groups of the pot experiment, the most helpful effect for the improvement of Cd extraction and restoration efficiency occurred at potassium dihydrogen phosphate (0.1 g·kg-1), EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) (2 mmol·kg-1) and citric acid (4 mmol·kg-1). The addition of activators (EDTA and citric acid) in the field trials showed that Cd enrichment abilities of roots, stems and leaves of Amaranthus hypochondriacus L. were 2.10, 1.84 and 2.76 times as high as those without activator, respectively. In comparison with the control group, the contents of Cd in the roots, stems and leaves of the Amaranthus hypochondriacus L. increased significantly (P < 0.05), indicating that the exogenous activator promoted the absorption of Cd in the soil by the Amaranthus hypochondriacus L. and improved the repair efficiency. Amaranthus hypochondriacus L. is planted twice every year and activator is added. The Cd removal rate is 4%~10%. Planting Amaranthus hypochondriacus L. in combination with an activator can both improve the repair efficiency and save the repair cost.
Key words:Amaranthus hypochondriacus L./
cadmium/
farmland soil/
activator/
phytoremediation.

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图1盆栽实验中各处理组对籽粒苋生物量的影响
Figure1.Effect of various treatments on Amaranthus hypochondriacus L. biomass in a pot experiment


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图2盆栽实验中各处理组籽粒苋Cd含量状况
Figure2.Cd content in Amaranthus hypochondriacus L. in each treatment of pot experiment


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图3盆栽实验各处理组土壤的pH
Figure3.pH of each treated soil in pot experiment


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图4修复后盆栽土壤各处理组Cd有效态含量
Figure4.Content of Cd effective state in each treatment of potted soil after remediation


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图5田间实验中添加活化剂前、后籽粒苋株高分布
Figure5.Distribution of plant height before and after adding repair agent in field trials


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图6田间实验添加活化剂前、后农田土壤pH分布
Figure6.Distribution of soil pH of farmland before and after adding activating agents in field trials


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图7田间实验中添加活化剂前、后农田土壤Cd含量分布
Figure7.Distribution of Cd content in farmland soil before and after adding activating agents in field trials


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表1供试土壤基本性质
Table1.Basic properties of the tested soil
pH 全Cd/(mg·kg-1) 有效态Cd/(mg·kg-1) 有机质/(g·kg-1) 碱解氮/(mg·kg-1) 有效磷/(mg·kg-1) 速效钾/(mg·kg-1)
6.5 0.71 0.12 23.5 100.3 0.36 1 213

pH 全Cd/(mg·kg-1) 有效态Cd/(mg·kg-1) 有机质/(g·kg-1) 碱解氮/(mg·kg-1) 有效磷/(mg·kg-1) 速效钾/(mg·kg-1)
6.5 0.71 0.12 23.5 100.3 0.36 1 213

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表2田间实验添加活化剂前后籽粒苋根、茎和叶Cd含量（鲜重）
Table2.Cadmium content in roots, stems and leaves of plant before and after the addition of activating agents in the field trial (fresh weight
mg·kg-1
植株序号 根 茎 叶
修复前 修复后 修复前 修复后 修复前 修复后
1 0.141 0.174 0.173 0.344 0.232 0.348
2 0.147 0.429 0.269 0.417 0.321 0.775
3 0.147 0.452 0.269 0.348 0.321 0.740
4 0.139 0.305 0.093 0.318 0.217 0.220
5 0.081 0.327 0.058 0.332 0.217 0.325
6 0.104 0.617 0.081 0.116 0.211 0.232
7 0.617 0.637 0.176 0.394 0.233 0.996
8 0.237 0.406 0.222 0.313 0.272 1.424
9 0.237 0.278 0.174 0.205 0.226 0.568
10 0.133 0.347 0.093 0.112 0.221 0.289
11 0.112 0.116 0.081 0.143 0.210 0.278
12 0.104 0.146 0.142 0.221 0.229 0.266
13 0.104 0.230 0.081 0.227 0.307 0.406
14 0.194 0.208 0.155 0.174 0.265 0.476
15 0.081 0.225 0.186 0.209 0.284 0.567
16 0.115 0.174 0.150 0.263 0.347 0.523
17 0.185 0.232 0.162 0.211 0.240 0.429
18 0.151 0.317 0.139 0.323 0.405 0.425
19 0.218 0.532 0.252 0.428 0.299 1.133
20 0.179 0.440 0.417 0.479 0.350 1.287
21 0.116 0.339 0.104 0.304 0.357 0.532
22 0.257 0.289 0.274 0.324 0.409 0.926
23 0.231 0.824 0.247 0.777 0.198 3.251
24 0.231 0.859 0.247 0.729 0.198 2.246
25 0.127 0.281 0.093 0.249 0.356 0.474
平均含量 0.176 0.367 0.173 0.318 0.277 0.766

mg·kg-1
植株序号 根 茎 叶
修复前 修复后 修复前 修复后 修复前 修复后
1 0.141 0.174 0.173 0.344 0.232 0.348
2 0.147 0.429 0.269 0.417 0.321 0.775
3 0.147 0.452 0.269 0.348 0.321 0.740
4 0.139 0.305 0.093 0.318 0.217 0.220
5 0.081 0.327 0.058 0.332 0.217 0.325
6 0.104 0.617 0.081 0.116 0.211 0.232
7 0.617 0.637 0.176 0.394 0.233 0.996
8 0.237 0.406 0.222 0.313 0.272 1.424
9 0.237 0.278 0.174 0.205 0.226 0.568
10 0.133 0.347 0.093 0.112 0.221 0.289
11 0.112 0.116 0.081 0.143 0.210 0.278
12 0.104 0.146 0.142 0.221 0.229 0.266
13 0.104 0.230 0.081 0.227 0.307 0.406
14 0.194 0.208 0.155 0.174 0.265 0.476
15 0.081 0.225 0.186 0.209 0.284 0.567
16 0.115 0.174 0.150 0.263 0.347 0.523
17 0.185 0.232 0.162 0.211 0.240 0.429
18 0.151 0.317 0.139 0.323 0.405 0.425
19 0.218 0.532 0.252 0.428 0.299 1.133
20 0.179 0.440 0.417 0.479 0.350 1.287
21 0.116 0.339 0.104 0.304 0.357 0.532
22 0.257 0.289 0.274 0.324 0.409 0.926
23 0.231 0.824 0.247 0.777 0.198 3.251
24 0.231 0.859 0.247 0.729 0.198 2.246
25 0.127 0.281 0.093 0.249 0.356 0.474
平均含量 0.176 0.367 0.173 0.318 0.277 0.766

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表3田间实验中活化组与对照组籽粒苋各指标的对比（含量以鲜重计）
Table3.Comparison of various indicators of plant in the activation group and the control group in the field trials(content is based on fresh weight)
统计值 株高/cm 根/(mg·kg-1) 茎/(mg·kg-1) 叶/(mg·kg-1)
活化组 对照组 活化组 对照组 活化组 对照组 活化组 对照组
样本数 25 22 25 22 25 22 25 22
极小值 122 105 0.081 0.035 0.058 0.035 0.220 0.104
极大值 195 235 0.859 0.289 0.777 0.372 3.251 1.251
均值 153 157 0.294 0.153 0.251 0.162 0.765 0.495
几何均值 152 155 0.226 0.121 0.192 0.123 0.584 0.362

统计值 株高/cm 根/(mg·kg-1) 茎/(mg·kg-1) 叶/(mg·kg-1)
活化组 对照组 活化组 对照组 活化组 对照组 活化组 对照组
样本数 25 22 25 22 25 22 25 22
极小值 122 105 0.081 0.035 0.058 0.035 0.220 0.104
极大值 195 235 0.859 0.289 0.777 0.372 3.251 1.251
均值 153 157 0.294 0.153 0.251 0.162 0.765 0.495
几何均值 152 155 0.226 0.121 0.192 0.123 0.584 0.362

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表4田间实验中添加活化剂与对照组农田土壤各指标的对比
Table4.Comparison of the farmland soil indicators between the addition of activating agents and the control group in the field trials
统计值 pH 全Cd/(mg·kg-1) 有效态Cd/(mg·kg-1)
活化组 对照组 活化组 对照组 活化组 对照组
样本数 25 22 25 22 25 22
极小值 5.90 0.40 0.317 0.469 0.150 0.460
极大值 8.20 8.40 1.348 1.194 4.675 0.705
均值 7.49 6.80 0.773 0.895 0.601 0.550
几何均值 7.47 5.69 0.736 0.878 0.556 0.546

统计值 pH 全Cd/(mg·kg-1) 有效态Cd/(mg·kg-1)
活化组 对照组 活化组 对照组 活化组 对照组
样本数 25 22 25 22 25 22
极小值 5.90 0.40 0.317 0.469 0.150 0.460
极大值 8.20 8.40 1.348 1.194 4.675 0.705
均值 7.49 6.80 0.773 0.895 0.601 0.550
几何均值 7.47 5.69 0.736 0.878 0.556 0.546

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出版历程

收稿日期:2018-10-16
录用日期:2019-04-08
网络出版日期:2019-09-30
-->刊出日期:2019-07-26



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应用籽粒苋修复镉污染农田土壤的潜力

宋波1,,
张云霞1,
田美玲1,
杨子杰1,
王佛鹏1,
陈同斌1,2,,
通讯作者: 陈同斌,chentb@igsnrr.ac.cn
作者简介: 宋波(1972—)，男，博士，教授。研究方向：重金属污染土壤修复等。E-mail：songbo@glut.edu.cn 1.桂林理工大学环境科学与工程学院，桂林 541006
2.中国科学院大学，北京 100049
收稿日期: 2018-10-16
录用日期: 2019-04-08
网络出版日期: 2019-09-30
基金项目: 广西科技成果转化与推广计划桂科转1599001-1 广西科技重大专项桂科AA17204047-2 广西自然科学基金资助项目2013GXNSFEA053002
关键词: 籽粒苋/
镉/
农田土壤/
活化剂/
植物修复
摘要:针对农田土壤镉污染问题，采用超富集植物籽粒苋并配施不同组合的外源活化剂进行盆栽实验和田间实验，并测定籽粒苋及根系土壤中镉含量并计算富集系数。结果表明，在盆栽实验的不同处理组中，施加磷酸二氢钾(0.74 mmol·kg-1)、EDTA(2 mmol·kg-1)和柠檬酸(4 mmol·kg-1)最有助于提高籽粒苋对Cd的提取修复效率。田间实验中添加活化剂(EDTA和柠檬酸)后籽粒苋的根、茎和叶组织对Cd的富集能力分别是不添加活化剂处理组的2.10、1.84和2.76倍；与对照组相比，籽粒苋的根、茎和叶部分的Cd含量都显著提高(P < 0.05)，这说明外源活化剂促进了籽粒苋对土壤中Cd的吸收，提高了修复效率。每年种植两茬籽粒苋并添加活化剂，Cd的去除率可达4%~10%。种植超富集植物并配施活化剂既可以提高修复效率，又可以节约修复成本。

English Abstract






全文HTML

--> --> --> 土壤是人类生存和发展不可替代的物质基础。随着我国经济快速发展，土壤环境日渐遭到破坏，农田土壤环境质量亟待拯救，而重金属污染是农田土壤污染的主要类型[1-3]。镉(Cd)在环境中难以被降解，存留时间长，经过食物链等各种途径可以进入人体，并对人类健康产生威胁。土壤中Cd主要来源于自然因素和人为活动(各种废气的排放、农业施肥和含Cd废水的排放)[4-6]。
植物修复技术是近20年来刚刚发展起来的一种新型污染治理技术[7]，是利用某些可以忍耐和超富集有毒元素的植物去除污染物的一门技术，因其稳定、对环境扰动少、无二次污染而被广泛研究，对富集植物的选择是其中最重要的研究内容[8-10]。目前，国内外已经发现和筛选的能超富集Cd的植物有天蓝遏蓝菜[10]、东南景天[11]、圆叶遏蓝菜[12]、龙葵[13]、商陆[14]、巴丽芥菜[15]、三叶鬼针草[16]等。
工程应用中要求所用植物具有富集能力强、生长速度快、生物量大、易于栽培和生命力旺盛等特点，较为成熟的Cd污染农田土壤植物修复案例鲜有报道。籽粒苋(Amaranthus hypochondriacus L.) [17]是一种耐干旱、耐贫瘠、耐盐碱、产量高的植物，其对土壤Cd有一定的富集能力。本研究选择阳朔[6]Cd污染农田作为田间实验区，选择籽粒苋作为修复植物，探讨了其修复农田镉污染土壤的修复效率。

1. 材料与方法

1.1. 供试土壤

供试土壤采自门口山一带取轻度Cd污染农田表层(0~20 cm)土壤，供试土壤的基本性质见表 1。





1.2. 实验试剂和材料

硝酸(HNO3)、高氯酸(HClO4)、盐酸(HCl)、过氧化氢(H2O2)均为优级纯；二乙基三胺五乙酸(DTPA)、三乙醇胺、氯化钙(CaCl2)、醋酸(CH3COOH)、盐酸羟胺、醋酸铵(CH3COONH4)均为分析纯。有机肥、磷酸二氢钾、乙二胺四乙酸(EDTA)、柠檬酸、石灰、羟基磷灰石、沸石。籽粒苋种子购自江苏省宿迁市沐阳四季青种业有限公司，名称为美国籽粒苋种子，纯度95%，净度90%。

1.3. 实验方法

盆栽实验地点设在桂林理工大学雁山校区水站内，供试土壤自然风干后，全部过4 mm筛，称取3.5 kg土壤于花盆中，并将有机肥和磷肥(磷酸二氢钾)按正交实验设计加入土壤中并充分混匀，用自来水浇透，平衡数日后，按一定质量比例加入活化剂，播种籽粒苋。
田间实验选取修复区农田，深耕土壤，均匀施加有机肥约2.55 t、磷酸二氢钾51 kg，混施后旋耕，定期浇水，播种籽粒苋，生长过程中，保持植物正常的营养需求。籽粒苋生长40 d，此时分别采集籽粒苋样品和对应土壤样品各47个，为修复前样品，之后施加活化剂(EDTA为0.676 g·kg-1、柠檬酸为0.384 g·kg-1)。施用时溶于水，喷洒到植物根际周围。施加活化剂活化后已30 d，此时在对应的添加活化剂之前的采样点处，采集籽粒苋和对应的土壤样品，此植物和土壤样品作为添加活化剂后的样品。添加活化剂前后共采集2批样品，采集籽粒苋样品时，每株植物作为1个样品(采集土壤样品时尽量靠近籽粒苋样品根际周围)。

1.4. 分析方法

土壤pH采用土水比为1:2.5的pH电位法测定；土壤消解采用美国国家环保局(US EPA)推荐的HNO3-H2O2体系；植物样品采用HNO3-HClO4方法(EPA 3050B)消解；有效态Cd采周DTPA浸提法和BCR浸提法；采用电感耦合等离子发射光谱仪和石墨炉-原子吸收光谱法测定Cd含量。
采用SPSS 18.0进行数据统计分析，利用Excel 2013整理数据，采用独立样本t检验进行差异分析，采用双变量进行相关性分析。样品中各项指标平均含量的表征：当原始数据分布符合正态分布时，用算术均值来表征此项指标的平均含量；当原始数据分布不符合正态分布时，对原始数据进行对数转换，对数转换后的数据符合正态分布，则用几何均值来表征此项指标的平均含量；以上2种情况都不符合时，一般用中位数来表征此项指标的平均含量。

2. 结果与讨论

2.1. 盆栽实验中籽粒苋对Cd污染土壤的富集特性

2.1.1. 盆栽实验中不同处理条件下籽粒苋的生物量
生物量是反映植物生长和繁殖能力的一项重要指标。植物在外界Cd胁迫下，生长会受到影响，进而导致生物量有所下降[13]。超富集植物籽粒苋对重金属Cd的耐受能力较强，在较高Cd浓度胁迫下依然可以正常生长，并保持稳定的生物量，而一般植物的生物量通常会下降甚至直接导致死亡[18]。从生物量(图 1)来看，各处理组的生物量总和范围为13.2~27.3 g(以干重计算)。其中，处理组1(对照组)的生物量总和为22.0 g，相对处理组1，只有处理组3和处理组4的生物量有所增加，其他各处理组都有不同程度的降低。但在籽粒苋各个组织器官都表现出茎的生物量最大的结果，即添加磷酸二氢钾、EDTA和柠檬酸的处理组，籽粒苋的生物量变化不一。各处理组生物总量由大到小依次为：处理组4(27.27 g)、处理组3(23 g)、处理组1(21.97 g)、处理组5(21.52 g)、处理组8(21.01 g)、处理组9(20.58 g)、处理组7(19.61 g)、处理组6(14.39 g)、处理组2(13.16 g)。



2.1.2. 盆栽实验中不同处理条件下籽粒苋对Cd的吸收
将各处理组的籽粒苋收获后，通过分析测试籽粒苋根、茎和叶部分的Cd含量(图 2)，发现籽粒苋根、茎、叶的Cd含量不同。相对处理组1(空白处理组)，处理组2、处理组4和处理组6对应的籽粒苋根、茎和叶的Cd含量相对都有所增加。其中，处理组4对应的籽粒苋根、茎和叶的Cd含量分别为2.51、0.96和4.24 mg·kg-1，各个器官的Cd含量均高于处理组1。在保证基本营养的情况下，向3.5 kg轻度Cd污染的盆栽土壤中加入有机肥70 g、EDTA 7 mmol、柠檬酸14 mmol时，相对其他含量组合更有助于超富集植物籽粒苋吸收土壤中的Cd。



2.1.3. 盆栽实验中土壤有效态Cd含量特征
对每个处理组的盆栽土酸碱度做分析(图 3)，发现相对于处理组1(对照处理组)，其他各个处理组的pH均有下降，其中处理组6的pH最低，为5.52。各处理组盆栽土壤pH由低到高依次为处理组6、处理组5、处理组9、处理组4、处理组8、处理组7、处理组2、处理组3、处理组1。这说明向各处理组中添加的活化剂等物质降低了土壤的酸碱度。


通过对各组处理中Cd的DTPA提取态(有效态)做分析(图 4)发现，相对于处理组1(对照组)，各处理组中Cd有效态浸出率从高到低依次为：处理组5(0.64 mg·kg-1)、处理组4(0.62 mg·kg-1)、处理组6(0.50 mg·kg-1)、处理组3(0.49 mg·kg-1)、处理组1(0.44 mg·kg-1)、处理组2(0.42 mg·kg-1)、处理组8(0.28 mg·kg-1)、处理组9(0.27 mg·kg-1)、处理组7(0.03 mg·kg-1)。其中，处理组5、处理组4、处理组6和处理组3土壤有效态Cd含量分别是处理组1的1.44、1.41、1.13和1.10倍，处理组5的浸出倍数最大。这说明按照一定比例组合施加活化剂对植物富集Cd起到了促进效果。



2.2. 田间实验中籽粒苋修复Cd污染农田土壤的效率

2.2.1. 修复前后籽粒苋的基本性质变化
在大田实验中，在添加活化剂(EDTA和柠檬酸)前后分别采集了植物样品，并对植物样品的株高进行了测量(图 5)。修复前，籽粒苋株高范围为25~80 cm，平均株高为53.9 cm；修复后，籽粒苋株高范围为122~195 cm，平均株高为153 cm。在添加活化剂后的一段时间里，籽粒苋生长期的第45~75天，在此期间内，籽粒苋植株吸收土壤中大量的营养物质用于自身生长所需，植株长势迅猛，生长状况良好。同时可以看出，施加外源活化剂后与对照组相比，籽粒苋外观上并未出现明显的变化。


添加活化剂前后，籽粒苋根、茎和叶中的Cd含量状况如表 2所示，可见每个样品的不同器官所含的Cd的含量也不相同。在添加活化剂前，籽粒苋根、茎和叶部分Cd含量分别为0.081~0.617、0.058~0.417和0.198~0.409 mg·kg-1，平均含量分别为0.176、0.173和0.277 mg·kg-1。由此可以看出，对于籽粒苋植株的各个组织器官而言，富集Cd能力由大到小排序为叶 > 根 > 茎。添加活化剂后，可以明显看出，籽粒苋各个组织器官对重金属Cd的富集能力都有很大提高，籽粒苋根、茎和叶部分Cd含量分别为0.116~0.859、0.112~0.777和0.220~3.251 mg·kg-1，平均含量分别为0.367、0.318和0.766 mg·kg-1。由此可以看出，对于籽粒苋植株的各个组织器官而言，富集Cd能力由大到小排序为叶 > 根 > 茎。在添加活化剂后，籽粒苋的根、茎和叶组织对Cd的富集能力分别是添加活化剂前的2.10、1.84和2.76倍，其中活化剂对促进籽粒苋叶部富集Cd的效率最为突出。





2.2.2. 添加活化剂前后农田土壤的性质变化
在大田实验中，添加活化剂(EDTA和柠檬酸)前后采集植物样品的同时，同步采集植株根际周边土壤，通过测试添加活化剂前后2批土壤的pH(图 6)发现：添加活化剂前，土壤pH为6.3~8.0，平均值为7.04；添加活化剂后，土壤pH为5.9~8.2，平均值为7.50。这可能由于在添加EDTA和柠檬酸30 d后才采集土壤样品，而在此期间，生物的生长需求以及降水等导致农田土壤中的活化剂已被迅速利用，因此，导致土壤的pH不仅没有降低，反而有升高的趋势。恰逢2016年10月上旬，研究区域迎来连续几天的降雨，这极有可能已经稀释了农田中的EDTA和柠檬酸。


在大田实验中，添加活化剂前和添加活化剂后农田土壤中Cd含量变化情况如图 7所示。添加活化剂前，土壤Cd含量为0.725~1.149 mg·kg-1，平均含量为0.901 mg·kg-1；添加活化剂后，土壤Cd含量为0.317~1.348 mg·kg-1，平均含量为0.773 mg·kg-1。虽然个别样点出现了修复后农田土壤Cd含量增高的现象，但综合来看，添加活化剂后相对添加活化剂前，土壤中的总Cd含量有降低趋势。这可能是活化剂促进了籽粒苋对土壤中的Cd的吸收。添加活化剂前，土壤有效态Cd的含量为0.505~0.665 mg·kg-1，平均值为0.576 mg·kg-1；添加活化剂后，土壤有效态Cd的含量为0.151~0.675 mg·kg-1，平均值为0.441 mg·kg-1。由此可见，添加外源螯合剂EDTA和柠檬酸，农田土壤中的有效态含量呈现降低的趋势，这与前面的pH的变化有些相似。这可能是因为向农田土壤中添加活化剂一段时间后，活化剂已被利用，再加上各种环境因素的影响，导致土壤pH有所升高，继而不利于土壤中Cd离子的活化，故土壤中有效态Cd的含量有下降趋势。



2.2.3. 田间实验中添加活化剂与对照组间籽粒苋株高和Cd含量对比
在大田实验过程中，设置一定浓度的EDTA和柠檬酸添加到农田土壤中，同时设置对照组，以评估添加活化剂后籽粒苋对Cd污染土壤的修复效率。样点1~25对应添加活化剂的植物样品，即活化组；样点26~47对应未添加活化剂的植物样品，即对照组(表 3)。




对照组的平均株高高于活化组，这可能是由于外源活化剂在一定条件下对植物的生长有抑制作用，也可能是由于土地肥力不均导致。活化组的籽粒苋根部较对照组更容易富集重金属Cd，经独立样本t检验，活化组籽粒苋根部富集的重金属Cd显著高于对照组(P < 0.05)，活化组的是对照组的1.87倍。这说明在土壤中添加螯合剂EDTA和柠檬酸后，其能大幅度活化土壤中的Cd离子，进而有助于超富集植物通过根系作用吸收土壤中的Cd离子。活化组籽粒苋茎较对照组更容易富集重金属Cd，活化组的是对照组的1.56倍。这说明在土壤中添加螯合剂EDTA和柠檬酸后，其能大幅度活化土壤中的Cd离子，进而有助于超富集植物通过根系作用吸收土壤中的Cd，再通过在植物体内转运，最后进入植株茎器官并在此部分富集。活化组籽粒苋叶部分较对照组更容易富集重金属Cd，活化组的是对照组的1.55倍。这说明在土壤中添加螯合剂EDTA和柠檬酸后，其能大幅度活化土壤中的Cd离子，进而有助于超富集植物通过根系作用吸收土壤中的Cd，再通过在植物体内转运，最后进入植株叶器官并在此部分富集。综上，活化组较对照组，虽然籽粒苋的株高没有表现出特别的优势，但是籽粒苋的根、茎和叶部分的Cd含量都有高出对照组。这说明外源活化剂促进了超富集植物籽粒苋对Cd污染土壤中Cd的吸收，促进了超富集植物籽粒苋对Cd污染土壤的修复效率。

2.2.4. 田间实验中添加活化剂与对照组间土壤pH和Cd含量对比
比较活化组与对照组的农田土壤的各项指标(表 4)，相对对照组，活化组的pH更高一些。这可能是由于活化组中添加的活化剂已被利用，或者由于其他一些自然因素的原因。对比活化组和对照组的农田土壤Cd含量，发现活化组的土壤Cd含量低于对照组土壤Cd含量。这说明活化组土壤中的Cd更多的被超富集植物籽粒苋所吸收。比较活化组和对照组农田土壤有效态Cd含量，发现活化组的土壤有效态Cd含量略高于对照组。综上结果可知，活化组相对对照组，虽然农田土壤的pH呈较高趋势，但是经添加活化剂后，活化组的农田土壤全Cd含量低于对照组，且活化组的农田土壤有效态Cd含量比对照组高。这说明在外源活化剂的作用下，可以促进超富集植物籽粒苋对农田土壤中重金属Cd的吸收，从而提高了植物修复Cd污染土壤的效率。





2.2.5. 籽粒苋在大田实验中的修复效率
收割籽粒苋时，通过随机划定的数个4 m2小区，收获全部植物后称重，得出4 m2小区的籽粒苋平均生物量约为27 kg，由此计算出籽粒苋的生物量约为6.75 kg·m-2。由以上实验结果可知，添加活化剂的条件下，籽粒苋植物体内Cd含量为0.192~0.584 mg·kg-1。由此可以得出每种一茬籽粒苋通过超富集植物可以带走土壤中重金属Cd的量，即1.296~3.942 mg·m-2。若活化组中土壤Cd浓度以0.6 mg·kg-1计，又考虑到农田中最有效的耕作层以0~10 cm计算，那么农田表层土壤(0~10 cm)所含的重金属Cd约为72 mg·m-2。以此可以得出，在添加外源活化剂的作用下，每种一茬籽粒苋可以带走污染土壤中的2%~5%的Cd，即Cd去除率为2%~5%。
研究区域为中亚热带季风区，热量高、雨量大、日照时间长，符合籽粒苋的生长需求，考虑到籽粒苋的连作效应，因此，每年可以种两茬籽粒苋，每年土壤Cd去除率为4%~10%。连续3~9年可以使得该片农田土壤恢复安全健康水平(农田土壤Cd含量(筛选值)小于0.4 mg·kg-1)。
在不添加活化剂的条件下，籽粒苋植物体内Cd含量为0.121~0.362 mg·kg-1。由此可以得出，每种一茬籽粒苋，通过超富集植物可以带走土壤中重金属Cd的量，约0.75~2.40 mg。每种一茬籽粒苋可以带走污染土壤中的1%~3%的Cd，即Cd去除率为1%~3%。每年种两茬籽粒苋，连续5~16年可以使得该片农田土壤恢复安全健康水平。

2.3. 籽粒苋修复轻度Cd污染土壤可行性评估

结合前期对研究区域环境质量调查结果及盆栽实验效果进一步开展大田实验，在农田土壤中添加外源活化剂的基础上种植超富集植物籽粒苋，以进一步促进籽粒苋吸收和富集土壤中的重金属Cd。通过添加活化剂前后籽粒苋和土壤的各项指标的变化，及添加活化剂与不添加活化剂的农田土壤和籽粒苋的各项指标的对比，即通过纵向比较和横向比较，得出外源活化剂提高了籽粒苋的修复效率。
籽粒苋作为Cd的超富集植物，当土壤中的Cd含量超过一定值时，籽粒苋依然可以茁壮成长，同时可以吸收和富集污染土壤中的Cd，对恢复土壤安全生产具有促进作用；籽粒苋植物本身的生物学特征决定了其可以作为一种超富集植物运用于Cd污染土壤的修复技术领域。

3. 结论
1) 盆栽实验中磷酸二氢钾、EDTA和柠檬酸的添加，提高了籽粒苋的生物量，对土壤中的Cd起到了活化作用，增加了土壤中的有效态Cd，促进了籽粒苋对Cd的富集能力。得出采用超富集植物籽粒苋修复的轻度Cd污染土壤时，可以施加最佳比例的磷酸二氢钾(0.1 g·kg-1)、EDTA(2 mmol·kg-1)和柠檬酸(4 mmol·kg-1)，更有助于增加籽粒苋对土壤的修复效率。
2) 大田实验中添加活化剂后，籽粒苋的根、茎和叶组织对Cd的富集能力分别是添加活化剂前的2.10、1.84和2.76倍；活化组较对照组，籽粒苋的根、茎和叶的Cd含量都高出对照组。每年可以种植两茬籽粒苋，在添加活化剂的情况下，土壤Cd去除率为4%~10%。采用超富集植物籽粒苋修复Cd平均含量为0.6 mg·kg-1的Cd污染农田土壤时，配施活化剂可以提高修复效率，也可以节约修复成本，是一种经济可行的修复技术。

参考文献 (18)
相关话题/土壤 植物 实验 农田 污染

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