活化剂结合套种对青葙修复重金属污染土壤影响的研究

林晓燕，熊云武，李 树，梁 鹏，李诗刚，许建新，王月玲

(深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东 深圳 518040)

植物提取技术因其主要采用植物进行修复，成本低、操作简单，且可获得景观效果，是目前重金属污染土壤修复技术中最具前途的修复技术之一。其修复效果与植物提取重金属量相关，而植物提取重金属量可用单位面积的生物量与植物地上部重金属含量的乘积表示[1]。单纯的植物提取技术一般采用的超富集植物生物量均较小，部分生物量大的植物虽能富集重金属，但植物吸收富集的重金属仍较少，导致植物提取的效果有限。因此，研究可强化植物提取的措施至关重要。

研究表明，向土壤中施加适量的活化剂，可以利用活化剂促进植物对重金属的吸收和富集，或促进植物生长，从而提高植物对重金属的提取效率[2-4]。柠檬酸作为一种天然螯合剂，是一种高效的重金属活化剂[5]，可对植物产生生长刺激作用，促进植物生长[6]，增加植物对Pb和Cd的吸收和转运能力[7]。GLDA(谷氨酸N，N-二乙酸)可促进超富集东南景天生长，显著提高东南景天地上部的Zn和Cd含量[8]，也可提高龙葵提取Cu、Zn、Cd量[9]。皂苷是一种天然非离子表面活性剂，从山茶科植物的种子中提取获得，具有增溶、易降解、无毒等特性，将其施用于土壤中，可有效活化土壤中的重金属，显著增加巨菌草体内Pb和Cd含量[10]。IDS(亚氨基二琥珀酸)作为一种肥料增效剂，可活化土壤中的金属离子，满足植物生长过程中对多种微量元素的需求，促进植物生长[11]，且IDS对Zn和Mn的螯合能力仅略低于EDTA[12]。但单一活化剂对重金属的活化存在成本高、活化能力有限等问题。目前，已有将活化剂按一定比例联合应用于重金属淋洗的研究，并表明，将柠檬酸与皂苷组配对土壤中Pb、Zn的活化去除效果优于柠檬酸、皂苷单独使用[13-15]。通过调整农艺措施，也可促进植物对重金属的提取，如采用间套种技术，可促进超富集植物土荆芥吸收Pb和Cd，降低农作物玉米/蚕豆吸收Pb和Zn[16]；促进超富集植物小花南芥吸收Pb，降低土壤Pb含量[17]。

青葙作为一种Mn超富集植物，可超富集土壤中的Mn，对土壤Pb和Zn也具有较强的耐性[18]，但针对青葙采用活化剂或者与其他植物进行套种是否会促进青葙提取土壤中的重金属的研究鲜见报道。因此，本研究通过种植青葙，并采用棉叶膏桐与青葙进行套种，将柠檬酸、GLDA、IDS、皂苷进行组配，在植物种植2、3个月时，施加组配活化剂，研究了组配活化剂和套种处理对植物生长、富集重金属的影响和对土壤重金属去除的影响以期为采用青葙修复重金属污染土壤提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 试验区概况 试验区位于广东某锰化厂，属亚热带气候，受东南季风影响明显，且处于低纬度地区，太阳辐射强，冬短夏长，日照充足，温和潮湿。年平均降雨量为1410 mm，无霜期350 d；年平均最高气温21.8 ℃，最低气温20.5 ℃。工厂历史悠久，在生产过程中，由于未能采取有效的环保措施控制有害废物的排放，导致了严重的重金属泄露。试验区土壤理化性质见表1，从表1中可知，土壤pH、有机质含量较低，因此，在植物种植前先施加改良剂对土壤进行改良，使土壤pH、有机质含量符合绿化种植土壤标准(CJ/T 340—2016)。

表1 供试土壤的主要理化性质

注：数据为平均值±标准差。下同。

1.1.2 供试植物 棉叶膏桐采用大小一致、株高约50 cm、无冠幅的裸根苗种植，株行距60 cm×60 cm；青葙采用种子撒播，播种密度为1.0 g/m2。

1.1.3 供试改良剂 包括蘑菇渣肥和氧化钙，其中，蘑菇渣肥采购于深圳旭能生物技术有限公司，氧化钙为分析纯。

1.1.4 供试活化剂 为柠檬酸、IDS、GLDA、皂苷按质量分数3∶2∶2∶3混合而成，分别在种植2、3个月时施加，每次施用量为0.75 g/kg，施用时将活化剂溶解于水中后洒施于土壤表面。

1.1.5 供试复合肥 好苗子复合肥，硫酸钾型(15/15/15)。

1.2 试验设计

试验设置4个处理，分别为：单种青葙(只撒播青葙种子，无施加活化剂)、单种棉叶膏桐(只移栽棉叶膏桐裸根苗，无施加活化剂)、青葙+活化剂(撒播青葙种子，并在种植2、3个月时施加活化剂)、套种+活化剂(棉叶膏桐裸根苗移栽后，在棉叶膏桐间撒播青葙种子，并在种植2、3个月时施加活化剂)，每个处理设3个重复。

在试验开始时，选择阳光均一、污染均匀、面积约14.50 m×10.50 m的试验场地，将场地分为12个面积为3.50 m×1.50 m的试验小区，每个小区间距0.75 m，试验处理小区随机排列。将蘑菇渣肥和氧化钙分别按体积分数25%、0.35%的施加量施加于土壤中，与土壤表层充分混匀，浇水养护7 d后种植植物，并浇足水分。按常规方法进行养护管理。在植物种植2、3个月时施加活化剂，种植2个月时施加复合肥，施肥量为30 g/m2。试验时间为2017年4～8月。

1.3 样品采集与分析测定

植物样品采集与分析测定：在种植4个月后，调查青葙株高和棉叶膏桐存活率、株高、冠幅与地径，并分别按植物组织调查植物生物量，并按植物组织分别采样，用自来水和去离子水洗净，吸水纸吸干表面水，将样品置于烘箱内105 ℃杀青30 min，然后85 ℃、48 h烘干。干样用万能粉碎机磨细，过0.25 mm的尼龙筛，备测重金属含量。植物重金属含量测定采用HNO3-HClO4联合消煮(GB /T 5009. 12-14—2003)，且用原子吸收光谱法测定Zn、Pb、Mn浓度。

土壤样品采集与分析测定：分别于添加改良剂前、种植4个月后采集土壤样品，将样品置于室内风干，去除石块、植物根系和凋落物等，并研磨过20、100目尼龙筛，包装登记后保存备测。pH参照《土壤农业化学分析方法》[19]，Zn、Pb、Mn全量采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收光谱法(GB/T 17138—1997)测定。

1.4 数据处理与分析

数据用Excel 2010处理，采用SAS 9.0软件对数据进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理对植物生长的影响

通过调查种植4个月青葙的株高和地上部生物量(干重)可知(表2)，与单种青葙处理相比，青葙+活化剂处理青葙的株高和地上部生物量均显著高于单种青葙处理，较单种青葙处理分别增加41.71%、8.43%。而套种+活化剂处理青葙的株高较单种青葙处理高，但低于青葙+活化剂处理，且套种+活化剂处理青葙地上部生物量是这3个处理中最低的，与单种青葙处理和青葙+活化剂处理的差异均达显著性水平，地上部生物量较单种青葙处理低48.09%，较青葙+活化剂处理低52.12%。这表明，施加活化剂可以促进青葙生长，但与棉叶膏桐套种时，因青葙是采用种子播种繁殖，而棉叶膏桐采用无冠幅的裸根苗移栽，棉叶膏桐生长较快，种植4个月冠幅迅速增长，影响了青葙的光合作用，从而导致了青葙地上部生物量降低。

对种植4个月的棉叶膏桐调查存活率可知，施加活化剂并不会影响棉叶膏桐的存活率，套种+活化剂处理和单种棉叶膏桐处理棉叶膏桐的存活率均达100%。对种植4个月的棉叶膏桐调查测量株高、冠幅、地径、地上部生物量可知(表3)，套种+活化剂处理棉叶膏桐株高、冠幅、地径、地上部生物量较单种棉叶膏桐处理的低，但差异不明显，这可能是因为套种+活化剂处理中青葙的高度与棉叶膏桐相当，与棉叶膏桐竞争光照明显，影响了棉叶膏桐的生长，但影响不具有显著性。

表2 种植4个月青葙的生长指标

注：根据Duncan氏检验(P<0.05)，同一列中不同小写字母表示不同处理间差异显著，n=3。下同。

2.2 不同处理对植物重金属含量的影响

通过采集种植4个月的青葙进行重金属含量分析测定可知(表4)，与单种青葙处理相比，青葙+活化剂处理和套种+活化剂处理青葙地上部和根部Zn、Pb、Mn含量均显著高于单种青葙处理，且套种+活化剂处理青葙地上部和根部Zn、Mn含量均较青葙+活化剂处理高，且差异达显著水平，而套种+活化剂处理青葙地上部和根部Pb含量均较青葙+活化剂处理低。从表6也可知，向土壤中施加活化剂可以明显促进青葙富集土壤中的Zn、Pb、Mn，但与棉叶膏桐套种，青葙对土壤中Pb的吸收转运能力下降。

通过采集种植4个月的棉叶膏桐进行重金属含量分析测定可知(表5)，套种+活化剂处理除棉叶膏桐茎Pb含量，根Zn、Pb、Mn含量低于单种棉叶膏桐处理，且根Zn、Pb含量在这两个处理间的差异达显著性水平外，套种+活化剂处理棉叶膏桐茎、叶Zn、Pb、Mn含量均显著高于单种棉叶膏桐处理。从表6也可知，套种+活化剂处理可提高棉叶膏桐对Zn、Pb、Mn的吸收转运能力，该处理棉叶膏桐对Zn、Pb、Mn的富集系数和转运系数均高于单种棉叶膏桐处理。

2.3 不同处理对植物提取重金属的影响

通过计算青葙和棉叶膏桐地上部提取重金属量可知(表7)，青葙+活化剂处理青葙地上部提取Zn、Pb、Mn量显著高于单种青葙处理，较单种青葙处理分别增加59.74%、48.95%、76.16%，而套种+活化剂处理青葙地上部提取Zn、Pb、Mn量则显著低于单种青葙处理和青葙+活化剂处理，较单种青葙处理分别低20.21%、33.03%、14.46%，较青葙+活化剂处理分别低50.05%、55.04%、51.44%，这表明，向土壤中施加活化剂可以明显增强青葙提取Zn、Pb、Mn量，但与棉叶膏桐套种，反而降低了青葙提取Zn、Pb、Mn量。这主要是由于处理间青葙地上部生物量的差异大，从而导致处理间提取Zn、Pb、Mn量差异大。

表3 种植4个月棉叶膏桐的生长指标

表4 种植4个月青葙重金属含量mg/kg

表5 种植4个月棉叶膏桐的重金属含量 (mg/kg)

表6 种植4个月植物对重金属的富集系数和转运系数

注：数据为平均值；富集系数=植物地上部(或叶)重金属含量/土壤重金属含量，转运系数=植物地上部(或叶)重金属含量/植物根部重金属含量。

从表7也可知，套种+活化剂处理可以提高棉叶膏桐地上部提取Zn、Pb、Mn量，尤其是Zn、Mn含量套种+活化剂处理明显高于单种棉叶膏桐处理，对Zn、Mn提取增强效果可分别达54.91%和47.01%，提取增强效果明显。

表7 种植4个月青葙和棉叶膏桐地上部提取重金属量 mg/m2

注：提取量为茎、叶(或地上部)的生物量与该部位重金属含量的乘积和。

2.4 不同处理对土壤重金属全量的影响

对种植4个月植物样品采集时采集土壤样品进行重金属全量分析测定可知(表8)，4个处理土壤Zn、Pb、Mn含量从低到高均为：青葙+活化剂处理、套种+活化剂处理、单种青葙处理、单种棉叶膏桐处理。与种植前土壤重金属含量相比，种植青葙对土壤重金属的去除效果明显高于种植棉叶膏桐，单种棉叶膏桐处理土壤Zn、Pb、Mn去除率分别为6.78%、7.67%、4.57%，3个种植青葙的处理土壤Zn、Pb、Mn去除率分别为14.08%～19.70%、11.89%～20.21%、15.20%～22.46%，其中，青葙+活化剂处理土壤Zn、Pb、Mn去除率最高，分别为19.70%、20.21%、22.46%。这表明，土壤中种植青葙有利于去除土壤中Zn、Pb、Mn，且向土壤中施加活化剂可使土壤中的Zn、Pb、Mn去除率升高，但与棉叶膏桐套种影响了土壤Zn、Pb、Mn去除率。

从表8也可知，与单种棉叶膏桐处理相比，种植4个月单种青葙处理土壤Zn、Pb、Mn含量较单种棉叶膏桐处理分别降低7.82%、4.57%、11.14%，套种+活化剂处理可使土壤Zn、Pb、Mn含量较单种棉叶膏桐处理分别降低10.37%、6.98%、13.75%。与单种青葙处理相比，青葙+活化剂处理土壤Zn、Pb、Mn含量较单种青葙处理分别降低6.54%、9.45%、8.56%，套种+活化剂处理土壤Zn、Pb、Mn含量较单种青葙处理分别降低2.76%、2.53%、2.94%，青葙+活化剂处理土壤Zn、Pb、Mn含量较套种+活化剂处理分别低3.88%、7.10%、5.79%。

表8 种植4个月土壤重金属全量 mg/kg

结合植物提取重金属量(表7)可知，并不是植物提取重金属量越高，种植植物后土壤重金属含量越低，这主要是由于土壤中施加的活化剂，一方面可以促进植物对重金属的吸收提取，另一方面也会使土壤中的重金属在活化剂的作用下迁移至深层土壤中，从而降低表层土壤重金属含量。

2.5 不同处理对土壤pH的影响

从表9可知，青葙+活化剂处理土壤pH高于单种青葙处理和套种+活化剂处理，套种+活化剂处理土壤的pH不仅较青葙+活化剂处理低，且较单种青葙处理的低，这3个处理土壤pH的差异不具有显著性，但均明显高于单种棉叶膏桐处理，这表明，种植棉叶膏桐可降低土壤pH，而向土壤中施加活化剂对土壤pH无明显影响。相关研究也表明活化剂强化植物提取土壤中重金属并不取决于土壤pH的变化[20]，并不是土壤pH越低土壤重金属去除率越高[13]。

表9 种植4个月土壤pH

3 讨论

研究表明，污泥中施加柠檬酸可促进污泥中的N、P释放，增加有效N、有效P含量[21]；土壤中施加皂苷，能为植物和根际微生物提供一定的碳源与能源，促进植物的生长[22]；土壤中施加IDS，不仅能活化土壤中的重金属，也可活化土壤中植物生长所需的微量元素，有利于植物生长[11]。本研究中，施加活化剂处理的青葙长势优于无施加活化剂处理，这可能是由于土壤中的营养元素、微量元素在活化剂的作用下释放的原因。另一方面，在活化剂的作用下，土壤中Mn的活性升高，在一定浓度范围内Mn含量的升高，可以刺激青葙生长，提高其地上部生物量[23]。同时，随着土壤中重金属活性的升高，青葙可吸收的重金属量增加，青葙富集的重金属量升高，从而增强青葙提取土壤中重金属的能力。

选择合适的植物进行套种，可以利用植物间的根系作用提高超富集植物对土壤重金属的富集，同时促进超富集植物生长，提高植物修复效率[16]。采用青葙与棉叶膏桐套种，青葙地上部富集Zn、Mn能力较单种青葙高，但因两种植物均属阳生植物，且生长高度相当，套种明显影响了青葙的生长，导致套种+活化剂处理青葙的生物量仅为施加活化剂单种青葙时的47.88%。因此，在选择植物进行套种时，需选择植物生长高度相差明显的物种，且不能同时为阳生植物。

4 结论

向土壤施加活化剂可以促进青葙生长，青葙株高和地上部生物量分别较单种青葙处理增加41.71%、8.43%，但与棉叶膏桐套种，套种明显影响了青葙生长，套种+活化剂处理青葙地上部生物量较青葙+活化剂处理低52.12%。

向土壤中施加活化剂可以明显促进青葙富集土壤中的Zn、Pb、Mn，且明显增强青葙提取土壤中的Zn、Pb、Mn。种植4个月后，青葙+活化剂处理青葙地上部提取Zn、Pb、Mn量较单种青葙处理分别增加59.74%、48.95%、76.16%，但与棉叶膏桐套种，青葙地上部提取Zn、Pb、Mn量下降，较青葙+活化剂处理分别降低50.05%、55.04%、51.44%。

种植青葙有利于去除土壤中Zn、Pb、Mn，且向土壤中施加活化剂可使土壤中的Zn、Pb、Mn去除率升高，但与棉叶膏桐套种影响了土壤Zn、Pb、Mn去除率；青葙+活化剂处理土壤Zn、Pb、Mn去除率最高，分别为19.70%、20.21%、22.46%。