可降解螯合剂强化籽粒苋修复镉污染耕地的研究

2022-09-29权胜祥史学峰刘晓月李昌武

中国农学通报 2022年25期

权胜祥，史学峰，刘晓月，李昌武，葛燚，张燕

（航天凯天环保科技股份有限公司，长沙 410100）

0 引言

污水灌溉、大气沉降、农药化肥不合理施用等人类活动，以及火山喷发、地震等自然因素导致国内耕地土壤重金属污染问题日益严峻[1-3]。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，耕地土壤点位超标率为19.4%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃[4]。耕地土壤中的重金属如镉，具有毒性大、累积能力强、迁移能力强等特点，且镉可通过地表径流和淋溶等途径污染地表水和地下水，亦可通过生物链形式向农作物和人体迁移，危害农产品质量安全和人类身体健康[5-6]。据环保部门估算，全国每年因重金属污染的粮食高达1200万t，造成的直接经济损失超过200亿元[7]。

镉污染耕地修复技术主要有物理修复技术、化学钝化技术、植物修复技术。物理修复技术涉及工程量大，费用高，而且容易引起耕层破坏，农田肥力减弱[1]。化学钝化技术修复效果好，成本低，该类修复技术主要是通过改变重金属镉的赋存形态和生物可利用性，减少镉向农作物迁移，但随着环境条件的变化，土壤中镉的有效性可能会发生变化[8-10]。植物修复技术是利用自然生长的超富集植物对土壤中镉进行吸收、富集，转运到植物地上部，最后通过将其收获、安全处置等过程减少土壌中镉含量，是可靠、环境相对安全的绿色修复技术，具有良好的应用前景[11-12]。

植物修复技术有效实施的关键是筛选出生物量大、生长速度快且能富集一种或多种重金属的植物。籽粒苋是一种生物量大、易成活、对镉胁迫耐性及富集特性均比较强的修复植物，具有修复镉污染耕地的市场潜力[13]。此外，在植物修复过程中，重金属的生物有效性是植物提取效率的关键因素[14]。添加螯合剂可提高土壤中的重金属的生物有效性，可有效提髙植物富集效果。近年来，以EDTA（乙二胺四乙酸）为代表的人工合成螯合剂被广泛用来増强植物提取效率。但EDTA不易被生物降解，易造成二次污染。因此通过施用可降解的螯合剂如EDDS（乙二胺二琥珀酸）和NTA（氨三乙酸）提高植物提取效率已逐渐成为植物修复研究热点[15-16]。

本研究通过田间小区试验，探究籽粒苋种植方式、螯合剂类型、螯合剂添加量和螯合剂添加时间等因素对籽粒苋修复镉污染耕地的影响，评估籽粒苋对重金属镉的修复效果，以期为镉污染耕地修复提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试地点与材料

试验地点在湖南省湘潭市湘潭县排头乡，土壤pH 5.65，有机质30.1 g/kg，有效磷46.8 mg/kg，速效钾108.6 mg/kg，土壤全镉含量为0.38 mg/kg，有效态镉含量为0.18 mg/kg。

供试籽粒苋品种为‘美国籽粒苋K472’。

供试螯合剂NTA、EDDS、柠檬酸均为分析纯级。

1.2 试验设计

（1）田间小区设置。小区面积6 m2(2 m×3 m)，设置保护行，小区间田埂高20 cm以上。

（2）试验处理。本试验共设14个处理，每个处理重复3次，随机区组排列，每个处理均种植籽粒苋，其中直播播种量为4.5～6.0 kg/hm2；条播播种量为3.0～4.5 kg/hm2；育苗插播应选择未污染耕地进行育苗，当籽粒苋株高在15～20 cm时，将育苗基地的籽粒苋株定苗、移栽至试验小区，种植密度25 cm×30 cm。具体试验处理设计见表1。

表1 小区试验处理设计

1.3 样品采集与处理

成熟期在每个小区中采集有代表性的籽粒苋5～6株，将收获的籽粒苋于105℃烘箱中杀青30 min，然后在60℃条件下烘干至恒重，并将其分为地上部分（含籽粒、杆和叶）和地下部分（主要为根），并分别测定植物地上部分和地下部分干重产量和镉含量，籽粒苋植株Cd含量按照GB 5009.15方法测定。

1.4 数据分析方法

采用Excel 2010和SPSS 18.0对数据进行统计分析。利用Origin 2018软件作图，图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 种植方式对籽粒苋修复镉污染耕地的影响

由表2和图1可知，在籽粒苋产量方面，育苗插播(T3)时籽粒苋地上部分和地下部分干重产量较高（分别为6.08、1.38 t/hm2）；条播(T2)时籽粒苋地上部分和地下部分干重产量与育苗插播(T3)较为接近；直播(T1)时籽粒苋地上部分和地下部分干重产量最低。这可能是因为直播时籽粒苋生长较为密集，植物光照不足，影响单株籽粒苋株高和株径，从而影响籽粒苋产量。在重金属镉年度总提取率方面，直播(T1)、条播(T2)、育苗插播(T3)时籽粒苋对污染耕地中镉的年度总提取效率分别为8.7%、9.0%、9.2%。

表2 不同处理条件下籽粒苋干重、重金属镉累积量，提取效率及相对提高率

图1 不同种植方式条件下籽粒苋干重产量

条播、直播和育苗插播3种种植方式条件下籽粒苋富集镉效率无明显差异。然而，不同种植管理方式条件下，籽粒苋种植人力成本及田间管理要求差异较大。已有研究成果表明，籽粒苋种植人力成本主要集中在人工除草、秸秆移除、育苗插播等方面[1]。如采用直播方式播种，籽粒苋种植过程中，病虫草害较为严重，病虫草害防治较为困难，人力成本较高；如采用育苗插播方式，移栽人工成本较高，且需要进行不定期补苗。因此，综合分析籽粒苋对镉的提取效率和种植管理人力成本等因素，在今后示范推广项目中建议采用条播方式。

2.2 螯合剂类型对籽粒苋修复镉污染耕地的影响

螯合剂强化高富集植物修复重金属污染耕地的途径主要有2种，一是提高富集植物的干重产量，二是提高富集植物体内的重金属含量。螯合剂能够有效提高耕地土壤中重金属生物有效性，进而增强植物对重金属的富集效果[17-18]。由表2和图2可知，在籽粒苋产量方面，当籽粒苋种植75天后，按照450 kg/hm2的标准向耕地土壤中分别施用EDDS(T4)、NTA(T5)和柠檬酸(T6)时，籽粒苋地上部分干重产量处于6.08～6.15 t/hm2之间，籽粒苋地下部分干重产量处于1.32～1.35 t/hm2之间，可见施用以上3种螯合剂，对籽粒苋干重产量无明显影响。在重金属镉年度总提取率方面，当施用不同类型螯合剂时，耕地土壤中镉的年度总提取效率NTA(12.6%)＞EDDS(11.3%)＞柠檬酸(11.0%)。此外，由于NTA在土壤环境中的半衰期为5～7天，具有可生物降解性高、潜在环境生态风险小等特点[19]，因此，综合分析籽粒苋对镉的提取效率和潜在环境风险等因素，在今后示范推广项目中建议采用NTA。

图2 施用不同螯合剂条件下籽粒苋干重产量

2.3 螯合剂添加量对籽粒苋修复镉污染耕地的影响

由表2和图3可知，在籽粒苋产量方面，当NTA添加量≤450 kg/hm2时(T7～T9)，籽粒苋地上部分和地下部分干重产量与对照组(T3)无明显差异，当NTA添加量＞450 kg/hm2时(T10～T11)，籽粒苋地上部分和地下部分干重产量与对照组(T3)相比下降明显。在重金属镉年度总提取率方面，当NTA添加量为450 kg/hm2时(T9)，镉的年度总提取效率最大(12.6%)。这可能是因为随着NTA施用量增加，虽然籽粒苋体内镉含量逐渐提升，但是施用高剂量的螯合剂会对植物产生毒害作用，如引起植物的黄化、萎蔫甚至是死亡。该研究成果与已有研究成果一致[20]。因此，NTA最佳施用量为450 kg/hm2。

图3 螯合剂NTA不同添加量条件下籽粒苋干重产量

2.4 添加时间对籽粒苋修复镉污染耕地的影响

螯合剂对植物富集重金属的效率以及对潜在生态环境的毒害效应除了与螯合剂的类型有关外，还与螯合剂的投加方式、投加时间等因素有关[21-22]。由表2和图4可知，在籽粒苋产量方面，籽粒苋种植后85天(T14)和75天(T13)施用NTA，籽粒苋地上部分和地下部分干重产量与对照组(T3)无明显差异。籽粒苋种植后65天(T12)施用NTA，籽粒苋地上部分和地下部分干重产量比对照组(T3)略低。这可能是因为籽粒苋种植65天时，籽粒苋尚未成熟，根系及株茎未达到最佳状态，此时施用NTA增大了螯合剂对植物的毒害作用，影响籽粒苋产量。在重金属镉年度总提取率方面，施入可降解螯合剂NTA均能提高籽粒苋吸附耕地土壤中镉的效率，其相对提高率在7.3%～40.5%之间。在籽粒苋种植后85天(T14)，按450 kg/hm2的标准施用可降解螯合剂NTA时修复效果最佳，籽粒苋地上部分和地下部分的提取效率分别为5.4%和1.2%，单茬提取效率为6.6%，相对提高率为40.5%。总提取效率可达到13.2%（根据当地气候条件，南方地带籽粒苋一般每年可生长2～3季，暂按籽粒苋每年生长2季计）。