張雅睿，黃益宗*，徐峰，保瓊莉，魏祥東，鐵柏清，張盛楠，韓廿，黃永春

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191；2.生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心，北京 100035；3.湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，長沙 410128）

隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，農(nóng)田重金屬污染已成為日益突出的環(huán)境問題。截至2014 年，我國近20%的農(nóng)田暴露在Cd、As、Pb、Hg、Zn 等重金屬污染下，其中Cd 和As 污染程度較其他重金屬更大[1]。目前人們主要采用物理、化學和生物修復技術(shù)來修復重金屬污染農(nóng)田。植物萃取技術(shù)屬于生物修復中植物修復技術(shù)的一種，能有效去除土壤中重金屬。植物萃取技術(shù)的環(huán)境生態(tài)風險較低，不會引起二次污染，是一種綠色修復技術(shù)且具有成本低、易操作等優(yōu)點[2]。商陸（Phytolacca acinosaRoxb）是一種多年生粗壯的草本植物，其根系發(fā)達，生物量大，對環(huán)境適應性強。利用商陸來萃取土壤重金屬的研究國內(nèi)外也有報道。嚴明理等[3]研究發(fā)現(xiàn)，在Cd 含量為65 mg·kg-1的土壤中，美洲商陸植株地上部的Cd含量超過100 mg·kg-1，達到了Cd 超富集植物的標準。研究發(fā)現(xiàn)垂序商陸根、莖、葉中As 的轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于1[4]。由此可見，商陸對Cd和As具有較強的耐受和富集能力。

植物萃取技術(shù)因其修復速度較慢，常采用外源添加螯合劑等強化劑促進其萃取效率[5-6]。乙二胺四乙酸（EDTA）、皂素（SAP）、檸檬酸（CA）、蘋果酸（MA）是四種常見且高效的植物萃取強化劑。EDTA 具有良好的活化土壤中Cd 的效果，能提高Cd 的生物活性，進而加快植物對Cd 的提取[7]。但EDTA 生態(tài)風險較大，不易被生物降解，容易引起二次污染。SAP 促進植物提取重金屬的機制是在膠束增溶作用下，皂素分子上的酯基和羧基與固定態(tài)重金屬進行絡(luò)合，轉(zhuǎn)變?yōu)楦子谥参锔滴盏挠坞x態(tài)重金屬[8]。Tao 等[9]在對利用中間蒼白桿菌和SAP 輔助植物修復Cd和苯并芘（B[a]P）共污染土壤的研究中，發(fā)現(xiàn)施用SAP 對東南景天的生長未產(chǎn)生影響，且2 g·L-1的SAP 溶液對Cd 和B[a]P 的提取率高于清水，SAP 提高了土壤中Cd和B[a]P 的生物可利用性，促進了東南景天對土壤中Cd 和B[a]P 的吸收和積累。CA 和MA 是兩種最常用的低分子有機酸，主要通過降低植物根際土壤pH 值活化重金屬，提高植物可利用性。CA 和MA 具有易被生物降解，在環(huán)境中淋濕和殘存的風險較低的優(yōu)點。唐棋等[10]發(fā)現(xiàn)1.25 mmol·kg-1的CA 促進象草植物提取Cd 的效果最佳，其地上部位Cd 萃取量最多達6.95 mg·株-1。Qin 等[11]通過15 d 的批量試驗，研究了3 種常見的低分子量有機酸（CA、MA 和草酸）對Fe、Mn 和Al 氧化物的作用，以及它們對復合污染土壤中重金屬元素釋放的影響，研究發(fā)現(xiàn)有機酸驅(qū)動的Fe、Mn、Al 的溶解對結(jié)合在這些氧化物上的As、Cr、Zn、Ni、Cu、Cd的遷移起著主要的控制作用。

目前很多強化植物修復重金屬污染農(nóng)田的研究表明利用EDTA、SAP、CA和MA對植物萃取重金屬具有顯著促進效果。但目前相關(guān)研究多局限于對單一重金屬污染農(nóng)田的研究，且多集中在室內(nèi)進行模擬試驗。然而在重金屬土壤修復實踐中，農(nóng)田土壤多為復合污染土壤。此外，在實際的田間地頭中，當?shù)氐臍夂蜃兓?，土壤背景條件如水分、養(yǎng)分和微生物環(huán)境，植物根際與田間土壤的交互作用產(chǎn)生的根際環(huán)境等無法在實驗室進行完全模擬和復制，且此類復雜因素的影響無法被量化[12]。因此植物萃取技術(shù)需要廣泛地開展田間試驗，才能得到更好的應用。在大田試驗條件下開展螯合劑和有機酸對商陸修復Cd 和As 復合污染農(nóng)田的研究還未見報道。本研究選取湖南省Cd和As 復合污染農(nóng)田作為試驗田，實地開展植物萃取的大田示范試驗，研究EDTA、SAP、CA 和MA 強化商陸萃取土壤Cd 和As 的效果，為我國重金屬污染農(nóng)田修復提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用植物為商陸，品種為當?shù)靥镩g野生品種。商陸種子購自當?shù)剞r(nóng)民，種子品質(zhì)均勻。強化劑EDTA、SAP、CA 和MA 均購于北京嘉友興業(yè)生物科技有限公司。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗的試驗田選址在湖南省瀏陽市蕉溪鄉(xiāng)常豐村沙德組，為Cd和As復合污染農(nóng)田。土壤總Cd和總As含量分別為0.93 mg·kg-1和109.63 mg·kg-1，陽離子交換量為12.36 cmol·kg-1，有機質(zhì)含量為33.20 g·kg-1，pH 值為5.39。2020年4月22日開始種植一批長勢一致的野生商陸苗，株行距為50 cm×50 cm。在商陸生長2 個月后（2020 年7 月4 日）開始進行試驗處理。共設(shè)5 個不同處理：CK、EDTA、SAP、CA 和MA，分別代表用等量清水、EDTA、皂素、檸檬酸和蘋果酸溶液對植物進行處理，每種處理4 次重復。本試驗設(shè)置20個小區(qū)，每小區(qū)面積2 m2，共包括2株商陸，各小區(qū)隨機排列。每個處理的一個重復在一個試驗小區(qū)內(nèi)進行，因此共20 個小區(qū)?；谇捌趯嶒炇已芯炕A(chǔ)及預實驗結(jié)果得知，EDTA、SAP、CA 和MA 均在用量為1.5 g·m-2時有較好的萃取效果，因此確定螯合劑和有機酸用量均為1.5 g·m-2，溶于500 mL水中，CK組施用等量清水。施用方式：距離商陸根部5 cm 左右環(huán)繞一圈把配好的螯合劑和有機酸溶液均勻倒入根際土壤中。為探究螯合劑和有機酸處理時間對商陸提取Cd和As的影響，處理后第30天時（2020年8月3日），對各處理的商陸果、葉、莖進行采樣。處理后第60天時（2020年9月2日）收獲商陸。

1.3 樣品采集及指標測定

2020年8月3日在每個小區(qū)隨機選取1～2株長勢均勻的商陸進行莖、葉和果實采樣；9月2日進行整株采樣，此外采集商陸的根際土壤。根際土壤采集方式為：挖出整株商陸，在其根際范圍采集8～10個點的土壤混合在一起，放入自封袋中保存。

用去離子水沖洗干凈植物樣品，分不同部位將植物樣品裝入牛皮紙袋，放入烘箱。將烘箱溫度設(shè)為105 ℃，進行殺青處理30 min，再將烘箱溫度設(shè)置為75 ℃進行烘干，直到植物樣品恒質(zhì)量。在烘干過程中進行稱量以驗證最終達到恒質(zhì)量狀態(tài)。用萬能粉碎機粉碎烘干至恒質(zhì)量的植物樣品，裝入自封袋保存。植物樣品消解方法為：稱取0.25 g 植物樣品，加入HNO3/HClO4=4∶1（體積比）的聯(lián)合消解液，放置在消解爐中消煮。用去離子水將消解后的樣品進行定容，定容體積為25 mL，定容后的樣品裝入小白瓶保存。植物樣品Cd 和As 含量的測定采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）進行測定。

將土壤樣品放在陰涼通風處，進行自然風干，而后采用0.15 mm 尼龍篩進行過篩，裝入自封袋保存?zhèn)溆?。土壤樣品消解方法為稱取0.25 g 土壤樣品，加入王水[HCl/HNO3=3∶1（體積比）]-高氯酸消解液，剩余步驟與植物樣品消解方法相同。在土壤與植物樣品的Cd 和As 含量測定過程中，分別采用國家土壤標準物質(zhì)（GWB 07401）和植物標準物質(zhì)（GBW 07603）進行質(zhì)量控制。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計

Cd 或As積累量=各器官內(nèi)Cd 或As含量×各器官的干質(zhì)量（g）；

轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）=地上部各器官Cd 或As 含量/根部Cd或As含量；

富集系數(shù)（BAF）=地上部各器官Cd 或As 含量/根際土壤中Cd或As含量；

本試驗的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和差異顯著性分析采用SPSS 25.0 軟件。差異顯著性（P＜0.05）利用單因素方差分析（ANOVA）及兩兩比較（Duncan多重比較）方法進行檢驗。圖表利用WPS Office 2019進行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 對商陸生物量的影響

不同螯合劑和有機酸處理60 d時，商陸各器官生物量（以干質(zhì)量計）的響應見表1。由表1 可知，商陸植株各部位及整株生物量均未受到EDTA、SAP、CA和MA 的顯著影響（P＞0.05）。由此可知，本試驗選用的螯合劑和有機酸及其施用劑量對商陸的生長沒有毒害作用。此外，由表1 可得，商陸單株干質(zhì)量平均為1.46 kg，種植密度為1 株·m-2，因此每公頃總平均生物量為14.60 t。

表1 商陸各器官生物量對EDTA、SAP、CA和MA的響應（g·株-1）Table 1 Responses of biomass of Phytolacca acinosa Roxb.to EDTA，SAP，CA，and MA（g·plant-1）

2.2 對商陸吸收積累和轉(zhuǎn)運Cd的影響

在不同處理下，商陸各部位Cd含量見圖1。如圖1 所示，商陸植株Cd 含量最高的部位是葉部，Cd 含量最多達9.75 mg·kg-1。在施用螯合劑和有機酸處理30 d 后（8 月3 日），與CK 處理相比，施加EDTA、SAP、CA和MA均使得商陸地上部各器官的Cd含量顯著提高（P＜0.05）。在商陸果實中，EDTA、SAP、CA 和MA處理分別顯著提高Cd 含量249.1%、175.8%、90.2%和174.8%（P＜0.05）。在商陸葉中，施用EDTA、SAP、CA和MA 使Cd 含量分別比CK 處理顯著增加88.0%、87.0%、28.8%和91.1%（P＜0.05）。在商陸莖中，與CK處理相比，EDTA、SAP、CA 和MA 處理Cd 含量提高幅度分別為284.0%、146.8%、147.5% 和338.1%（P＜0.05）。與CK 處理相比，商陸在經(jīng)過EDTA、SAP、CA和MA 處理60 d 后（9 月2 日），果實中Cd 含量顯著增幅范圍是36.2%～45.7%，葉中Cd 含量分別顯著增多116.4%、55.0%、81.5%和109.9%，莖Cd含量最多提高了120.1%（MA），根中Cd 含量增幅分別是79.5%、53.3%、67.2%和58.4%（P＜0.05）。SAP、CA 和MA 處理下，處理時間為60 d 均比處理時間為30 d 莖中Cd含量有顯著提升（P＜0.01，P＜0.001 和P＜0.05）。與處理30 d 相比，處理后60 d 后，CA 處理使商陸地上部（包括果、葉和莖）Cd含量提高了22.3%。

圖1 EDTA、SAP、CA和MA對商陸植株Cd含量的影響Figure 1 Effect of EDTA，SAP，CA，and MA on concentrations of Cd in Phytolacca acinosa Roxb.

表2 為螯合劑和有機酸處理60 d 對商陸Cd 積累量的影響。從表2 可以看出，葉部是商陸積累Cd 的主要器官。與CK 相比，EDTA、SAP、CA 和MA 分別對商陸Cd 積累量產(chǎn)生了不同影響。MA 處理使商陸根和莖中Cd 積累量分別顯著增加了92.2%和226.9%。而EDTA 使葉中Cd 積累量顯著增加了86.4%，SAP 使果中Cd 積累量顯著增加了25.2%。與CK 相比，EDTA、SAP、CA 和MA 處理分別使商陸地上部Cd 積累量提高67.1%、62.8%、40.4%和106.0%，其中MA 的提高幅度最大。

表2 EDTA、SAP、CA和MA對商陸植株積累Cd的影響（μg·株-1）Table 2 Effects of EDTA，SAP，CA，and MA on accumulation of Cd in Phytolacca acinosa Roxb.（μg·plant-1）

各螯合劑和有機酸處理60 d時商陸各部位Cd富集系數(shù)見圖2。與CK 處理相比，EDTA 和CA 處理分別顯著提高了商陸葉的Cd富集系數(shù)53.6%和62.0%，根的Cd 富集系數(shù)28.0%和31.8%。而SAP 對商陸莖的Cd 富集系數(shù)有顯著增加的效果，增幅為67.0%（P＜0.05）。

圖2 EDTA、SAP、CA和MA對商陸植株富集Cd的影響Figure 2 Effects of EDTA，SAP，CA，and MA on BAF of Cd in Phytolacca acinosa Roxb.

表3 為EDTA、SAP、CA 和MA 處理60 d 時，商陸Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)的響應。與對照組CK 相比，CA 處理對商陸莖到葉的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)具有顯著增加效果，增幅達到76.4%，使TF莖-葉達到4.48（P＜0.05）。

表3 EDTA、SAP、CA和MA對商陸植株Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響Table 3 Effects of EDTA，SAP，CA and MA on TF of Cd in Phytolacca acinosa Roxb.

2.3 對商陸吸收積累和轉(zhuǎn)運As的影響

在Cd 和As 復合污染的土壤中，施用4 種螯合劑和有機酸不僅提高了商陸植株體內(nèi)Cd 含量，對As 含量也產(chǎn)生了不同程度的影響（圖3）。在EDTA、SAP、CA 和MA 處理30 d 時，與CK 處理相比，施用SAP 和MA分別顯著提升商陸果As含量119.1%和136.7%（P＜0.05）。EDTA、SAP、CA 和MA 處理60 d 時，施用EDTA、SAP、CA 和MA 對商陸根中As 含量的提高效果均顯著，增幅分別為40.6%、18.0%、17.0%和32.8%（P＜0.05）。EDTA和MA分別使莖中As含量顯著增加28.0%和72.0%，而EDTA、CA 和MA 分別使葉中As含量顯著增加30.9%、32.7%和34.5%，MA 使果中As 含量顯著增加64.7%（P＜0.05）。除了果中As含量，所有處理的60 d 均比30 d 商陸莖、葉中的As 含量顯著提高（P＜0.05～P＜0.001）。與施加處理30 d 相比，處理60 d 后，各處理下的商陸地上部的As 含量均有明顯提升，分別是施加處理30 d 的1.9（CK）、2.8（EDTA）、2.1（SAP）、3.1倍（CA）和2.6倍（MA）。

圖3 EDTA、SAP、CA和MA對商陸植株As含量的影響Figure 3 Effects of EDTA，SAP，CA，and MA on concentrations of As in Phytolacca acinosa Roxb.

螯合劑和有機酸處理60 d 后，商陸植株As 積累量的變化見表4，根和葉是商陸積累As 的主要部位，整株商陸As 積累量最高達982.48μg·株-1。4 種螯合劑和有機酸中，MA 處理對商陸各部位As積累量的提高效果最顯著，與CK 處理相比，As 積累量分別增加60.8%（根）、157.9%（莖）、18.9%（葉）和18.6%（果）（P＜0.05），EDTA、SAP、CA 和MA 對地上部As積累量分別提高了18.5%、23.4%、15.8%和55.1%。

表4 EDTA、SAP、CA和MA對商陸植株積累As的影響（μg·株-1）Table 4 Effects of EDTA，SAP，CA，and MA on accumulation of As in Phytolacca acinosa Roxb.（μg·plant-1）

EDTA、SAP、CA和MA處理60 d對商陸各部位As富集系數(shù)的影響見圖4。由圖4可知，MA處理對提高商陸各器官的As富集系數(shù)作用均顯著，相比CK 組的增幅分別為53.9%（根）、72.5%（莖）、22.4%（葉）和87.9%（果）（P＜0.05）。此外，EDTA 處理也能顯著提高根和果的As富集系數(shù)，增幅分別為60.0%和81.0%（P＜0.05），其他處理無顯著影響（P＞0.05）。

圖4 EDTA、SAP、CA和MA對商陸植株富集As的影響Figure 4 Effects of EDTA，SAP，CA and MA on BAF of As in Phytolacca acinosa Roxb.

表5 為螯合劑和有機酸處理60 d 對商陸植株轉(zhuǎn)運As 的影響。由表5 可知，在MA 處理下，商陸葉到果的As 轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF葉-果）與CK 組比顯著增加了68.0%（P＜0.05）。

表5 EDTA、SAP、CA和MA對商陸植株As轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響Table 5 Effects of EDTA，SAP，CA and MA on TF of As in Phytolacca acinosa Roxb.

2.4 對根際土壤總Cd和總As含量的影響

商陸根際土壤中總Cd 和總As 含量對施用不同螯合劑和有機酸60 d 的響應見圖5。由圖5 可知，EDTA、SAP、CA 和MA 均能顯著降低商陸根際土壤中的Cd 和As 含量。其中，SAP 處理對商陸根際土壤中總Cd 含量降低效果最顯著，與CK 組相比降低了24.2%；MA處理對總As含量降低效果最顯著，比對照組降低了13.0%（P＜0.05）。

圖5 EDTA、SAP、CA和MA對商陸根際土壤中總Cd和As含量的影響（60 d）Figure 5 Effects of EDTA，SAP，CA and MA on the concentrations of total Cd and As in Phytolacca acinosa Roxb.rhizosphere soil

3 討論

植物生物量是影響植物提取重金屬效率的關(guān)鍵因素之一[13]。植物根部從土壤中吸收重金屬后，通過木質(zhì)部轉(zhuǎn)運到地上部，而后在地上各器官富集。通過整株收獲植物并進行無害化處理，即可去除土壤中的重金屬。在同等條件下，生物量越大的植物，其植株體內(nèi)積累的重金屬量越多。因此種植高生物量的重金屬富集植物能去除農(nóng)田中更多重金屬[14]。本研究選取了生物量較大的商陸作為萃取植物，在本試驗中，成熟期商陸單株干重最高達到1.60 kg，能最大提取Cd和As的量分別達6 511.17μg·株-1和982.48μg·株-1。同時，EDTA、SAP、CA 和MA 沒有對商陸生長產(chǎn)生抑制作用，這與韓廿等[15]的研究結(jié)果一致。由此證明本研究所選取的螯合劑和有機酸及其施用劑量不會對商陸生長產(chǎn)生不利影響，而且商陸在螯合劑和有機酸的強化下，能積累更多Cd和As。

土壤中重金屬的生物有效性是影響植物萃取效率的另一個重要因素[16]。本研究中，施用EDTA、SAP、CA 和MA 后，商陸地上部Cd、As 含量及積累量有不同程度的提高，同時土壤中Cd、As含量有相應降低。這是因為施用螯合劑和有機酸能活化重金屬，提高其生物有效性，從而使商陸根系吸收土壤中更多的Cd和As，再通過轉(zhuǎn)運和轉(zhuǎn)化使植物根、莖和葉富集更多的重金屬。Han等[17]利用EDTA 強化龍葵提取土壤Cd 和Pb 的試驗中，發(fā)現(xiàn)EDTA 等強化劑可顯著提高龍葵對土壤Cd和Pb的吸收積累。楊樹深等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，施用EDTA 顯著地提高了蜈蚣草體內(nèi)Cd 和Pb的含量，蜈蚣草羽葉中的Cd 含量在潮土與潮褐土中分別為對照的9.16 倍和2.40 倍，Pb 含量分別為對照的33.9 倍和5.97 倍，說明EDTA 極大促進了蜈蚣草對土壤Cd 和Pb 的吸收積累，這是因為施用EDTA 后可顯著地提高土壤中Cd和Pb的可交換態(tài)含量。

SAP 是一種天然表面活性劑，毒性較低，具有較短的半衰期。本研究發(fā)現(xiàn)施用SAP 顯著地降低商陸根際土壤中的Cd 和As 含量，這可能是由于SAP 可以利用膠束增溶作用活化土壤中的Cd 和As，提高它們的溶解度，從而更易于被商陸根系所吸收[16]。Tao等[9]發(fā)現(xiàn)添加SAP 能使東南景天根際土壤中的Cd含量顯著降低，其降幅達40.9%，原因是添加SAP 顯著提高了土壤Cd 的生物有效性，從而提高了東南景天對Cd的吸收積累。CA 和MA 是植物常見的根系分泌物，本研究發(fā)現(xiàn)施用CA 和MA 可顯著地提高商陸對土壤Cd 和As 的萃取效率，原因主要有兩方面：一是施用CA 和MA 可降低土壤的pH 值，促進吸附于土壤顆粒上的Cd 和As 進入液相，轉(zhuǎn)為植物根系可吸收利用的形態(tài)[19]。二是CA 和MA 可以與Cd 和As 形成穩(wěn)定的配合物并將其隔離到液泡中，因此CA 和MA 是通過參與重金屬的運輸和胞內(nèi)解毒而提高植物富集Cd和As 的能力[20]。Olaronke 等[21]發(fā)現(xiàn)CA 比MA 處理更有利于土壤As 的移動，這與本實驗的結(jié)果不同。本試驗得出MA 和EDTA 強化商陸萃取土壤Cd 和As 的效果比SAP 和CA 更好，這可能是由于施用螯合劑和有機酸后受到不同的商陸根際微生物環(huán)境的影響，且大田試驗的環(huán)境條件極為復雜多變，很多因素不可控，因此導致SAP 和CA 的強化效果不穩(wěn)定，因此還需要進行大量的試驗來驗證[16]。

本文的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，商陸根系粗壯發(fā)達，生物量較大，其葉部積累Cd 量較多，而根、葉和莖部積累As 量較多。施用螯合劑和有機酸后可顯著地提高商陸對Cd 和As 的吸收積累，降低商陸根際土壤中的Cd、As 含量，因此采用EDTA、SAP、CA 和MA 強化商陸萃取土壤Cd 和As 是一種比較有潛力的修復方式。修復成本主要包括強化劑費用和田間管理人工費。EDTA、SAP、CA 和MA 試劑的價格分別約為1.8 元·g-1，2.2 元·g-1，0.36 元·g-1和0.45 元·g-1。因此每公頃所需的EDTA、SAP、CA 和MA 試劑費用分別約為26 250、33 000、5 400 元和6 750 元。但是，螯合劑和有機酸的施用量、施用方式、對周邊環(huán)境影響以及它們的長期施用效果保持等問題還需要進一步研究。

4 結(jié)論

（1）EDTA、皂素（SAP）、檸檬酸（CA）和蘋果酸（MA）均可提高商陸對土壤中Cd 和As 的萃取效率，綜合來看，MA 和EDTA 的強化效果比SAP 和CA 更好。MA 處理使商陸地上部Cd 和As 積累量比對照處理分別提高106.0%和55.1%，EDTA 處理使商陸地上部Cd 和As 積累量比對照處理分別提高67.1%和18.5%。

（2）EDTA、SAP、CA 和MA 均能使商陸根際土壤中總Cd 和總As 含量顯著降低，SAP 處理使商陸根際土壤總Cd 含量比對照處理降低了24.2%；MA 處理使總As含量降低了13.0%。