有机肥和EDTA 强化小飞蓬修复溃坝区Cd 污染土壤的研究

王慧，陈梦妮，孙泰森

（1.山西农业大学 棉花研究所，山西 运城044000；2.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷030801）

土壤是人类赖以生存和发展的物质基础，但随着工业化进程的不断加快，矿产资源的不合理开采、冶炼排放及化肥和农药施用量的增加，受重金属污染的土壤面积也在不断增加［1，2］。据全国土壤污染状况调查公报显示，Cd 的点位超标率高达7.0%，为所有无机污染物中最高［3］。有研究结果表明，Cd 是环境中生物毒性和迁移性最强的元素之一［2，4］，且易通过食物链被人体吸收，危害身体健康。据前期调查结果，襄汾塔山铁矿溃坝区最主要的重金属污染元素也是Cd（占溃坝覆盖区的5.8%），因此，研究Cd 污染土壤的修复措施，对指导当地生产，具有重要的现实意义。

目前，对土壤中重金属污染的修复除采用常规工程措施或化学方法外，最受关注的是植物修复技术［5，6］。众所周知，植物修复的基础是超富集植物的发现，国际上目前公认的Cd 超富集植物只有十字花科的印度芥菜（Brassica junceaL）和遏蓝菜（Thlaspi arvenseL.）2 种，且因其生长具有很强的地域性而在我国应用较少。近几年，更多的研究者致力于寻找中等富集且生物量大的乡土植物来替代超富集植物，我国已有研究者陆续报道了青葙［2］、烟草［4］、龙葵［7］、东南 景天［8］、油菜［9］、黑麦草［9］、三 叶草［10］、红菾菜［11］、商陆［12］、蒌蒿［13］、小飞蓬［14］和宝山堇菜［15］等植物对镉污染土壤的修复作用，并研究通过一些调控措施来增加其对重金属元素的富集浓度，如利用螯合剂、有机酸等来提高植物对Cd 的富集。其中EDTA（乙二胺四乙酸）是目前应用广泛且效果较好的一种螯合剂［16］。但纵观前人的研究，多数采用人为向土壤中添加重金属污染的方法，且一般添加的浓度为几十甚至上千mg·kg-1，远远超过了国标GB15618-1995《土壤安全二级标准》中规定土壤Cd 含量标准需低于0.60 mg·kg-1的标准。在刚超过国标的低浓度Cd污染溃坝区（如本试验中所用襄汾溃坝区镉污染土壤中镉的浓度为0.80 mg·kg-1），植物的修复效果如何，添加螯合剂或有机质是否有利于强化植物修复的效果，尚未见报道。

施用无污染的有机肥修复重金属污染土壤，也被认为是一种切实可行的方法，其对于提高重金属的溶解作用，主要通过其还原、酸解、络合或螯合能力来实现［17］。有机肥/有机物料施入土壤后，不仅可以改良土壤，还可以提高土壤肥力，促进富集植物生长，进而提高植物修复效果，而且在有机肥矿化分解过程中产生的小分子有机酸等可溶性有机物还可以提高土壤重金属活性，从而促进植物对其吸收［18］。此外，有研究结果表明，施用鸡粪可以显著提高球果蔊菜对Cd 的提取能力［19］。在不同程度的Cd、Zn 污染土壤施用有机物料，也可以提高土壤有效态重金属的含量，有利于超积累植物东南景天修复重金属污染［8］。综上结果表明，有机肥是一种廉价易得的强化植物修复效果的物质，但有关有机肥施用对小飞蓬修复铁矿溃坝区重金属污染效果方面的研究尚未见报道。

小飞蓬（Conyza CanadensisL.）属菊科越年生或一年生草本植物，茎直立，高50～100 cm，上部多分枝，茎生叶互生，花期7～9 月。种子于8 月即渐次成熟随风飞散。繁殖力及适应能力强，且生物量大，是襄汾塔山铁矿溃坝区的优势植物之一。前人的研究结果表明，小飞蓬可作为Cd 的富集植物对镉污染土壤进行修复［14，20］。为此，本试验拟以小飞蓬供试植物，研究其对襄汾溃坝区镉污染土壤的修复效果，及施用有机肥和EDTA 对其效果的强化，旨在为当地溃坝覆盖区Cd 污染土壤的修复及生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在学校网室中进行，采用露天盆栽方法。供试土壤为襄汾溃坝区镉污染土壤，供试耕层土壤基本理化性质：有机质0.87%，全氮0.12 g·kg-1，速效磷5.2 mg·kg-1，速效钾128.7 mg·kg-1，阳离子代换量25.8 cmol·kg-1，pH 为7.52，总Cd 含量为0.8 mg·kg-1。供试肥料采用尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O514%）、硫酸钾（含K2O 50%）。供试植物小飞蓬的种子采自襄汾铁矿溃坝区上年野生小飞蓬植株。供试容器为PVC 盆（直径20 cm，高30 cm）。供试有机肥为牛粪，其氮、磷、钾养分含量分别为1.87%、1.75% 和0.72%，有机质63.96%，pH 值8.27，镉含量为0.17 mg·kg-1。

1.2 盆栽试验设计

试验在直接选用田间污染（不额外添加Cd 或Cd0）和在田间污染土壤中添加镉污染（10 mg·kg-1Cd 和Cd1）2 种土壤条件下，设置添加有机肥（牛粪20g·kg-1，OM）、添 加 低 量EDTA（146 mg·kg-1，E1）、添加高量EDTA（438 mg·kg-1，E2）及不添加EDTA 和有机肥（CK）4 个处理，共8 个处理组合。每个处理重复5 次，随机排列。Cd 的投加形态为CdCl2·5H2O（分析纯）。每盆装土14 kg，肥底N、P2O5、K2O 用量分别为0.15、0.10、0.15 g·kg-1土。播种前先将重金属Cd 及肥料按各自数量与土充分混匀装盆，平衡10 d。4 月10 日播种，将小飞蓬的种子直播在试验盆中，每盆播种20～30 粒。出芽一周后间苗，每盆保留5 株大小一致，长势良好的幼苗。植株生长期间用去离子水浇灌，保持土壤含水量为60%左右，30 d 后（5 月10 日）按试验设计添加EDTA。7月10 日收获。收获后取茎叶及根，用去离子水洗净，在100 ℃条件下杀青后，80 ℃条件下烘干至恒重，粉碎机粉碎备用。采集土样时避开植株，用土钻在盆中采集，待样品风干后过尼龙筛备用。

1.3 测定项目与方法

土壤理化性质测定内容与方法：吸湿水含量的测定采用烘干法［21］；pH 值的测定采用电位法（水土比1∶2.5）［21］；全氮采用凯氏定氮-半微量滴定法［22］；速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法［21］；速效钾采用1 mol·L-1中性醋酸铵浸提-火焰光度法［21］；有机质含量的测定采用重铬酸钾外加热法［21］；阳离子代换采用氯化铵-草酸铵法［22］。叶片丙二醛（MDA）含量的测定分别采用硫代巴比妥酸法［23］；土壤脲酶及磷酸酶活性的测定分别采用靛酚比色法和苯磷酸钠比色法［24］。土壤Cd 含量及植物Cd 含量测定采用HNO3-HClO4消煮，原子吸收光谱法［22］。

1.4 数据统计与分析

试验所得数据采用Microsoft Excel 2010 进行整理；使用SPSS 17.0 软件进行统计分析，采用单因素（ANOVA）方差分析，用Duncan’s 法对不同处理间进行多重比较来判断差异显著性（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 有机肥和EDTA 对溃坝区Cd 污染土壤小飞蓬生长的影响

2.1.1 对溃坝区Cd污染土壤上小飞蓬株高的影响

由表1 可见，土壤Cd 浓度对小飞蓬的株高有显著的影响，在对照、增施有机肥、添加低量EDTA（E1）和添加高量EDTA（E2）情况下添加外源Cd，分别使小飞蓬的株高降低了14.65%、21.16%、19.00%和18.64%。在不同Cd 污染情况下增施有机肥，均能显著提高小飞蓬的株高，但不同Cd 污染水平下增加的幅度不同，在轻度Cd 污染水平下，植物株高增加了25.19%，而在添加外源Cd 后，植物株高仅增加了15.64%，表明Cd 污染的加重使有机肥对株高的促进作用有所减缓。在不添加外源Cd 的情况下添加低量与高量的EDTA，分别使小飞蓬的株高降低了0.55% 和6.67%，而在添加外源Cd 的情况下添加低量与高量的EDTA，分别使小飞蓬的株高降低了3.29%和11.04%。表明在镉污染下，外源添加EDTA 会降低小飞蓬的株高，不利于小飞蓬的生长，且浓度越大，抑制作用越明显；土壤Cd 污染越重，添加EDTA 后的抑制作用越明显。

2.1.2 对溃坝区Cd污染土壤上小飞蓬茎粗的影响

土壤Cd 污染对小飞蓬茎粗的影响与对其株高的影响相似，在对照、增施有机肥、添加低量EDTA 和添加高量EDTA 情况下添加外源Cd，分别使小飞蓬的茎粗降低了16.64%、21.98%、15.03%、14.88%（表1）。增施有机肥能显著增加小飞蓬的茎粗，小飞蓬的茎粗在轻度Cd 污染和外源添加镉污染土壤中分别增加了27.07% 和18.87%。添加EDTA 对小飞蓬茎粗的影响，也表现为随浓度增大，抑制作用加强；但在土壤Cd 污染较重的情况下，添加EDTA 后的抑制作用有所减弱。在不添加外源Cd 的情况下添加低量与高量的EDTA，分别使小飞蓬的茎粗降低了1.93%和9.39%，而在添加外源Cd 的情况下添加低量与高量的EDTA，分别使小飞蓬的茎粗降低了0.01%和7.62%。

2.1.3 对溃坝区Cd污染土壤上小飞蓬根长的影响

根系是直接接触土壤污染的植物吸收器官，根长是影响根系吸收面积的主要因素之一。在不添加外源Cd 的情况下（表1），增施有机肥及添加少量的EDTA（E1）对小飞蓬最长根长均无显著影响，但添加较多的EDTA（E2），却能使得小飞蓬的根长显著低于对照；在添加外源Cd 的情况下，增施有机肥有利于小飞蓬根长的增加，而添加EDTA 能抑制小飞蓬根长的生长，且在添加较多的EDTA（E2）的情况下达到了极显著差异水平。

2.1.4 对溃坝区Cd 污染土壤上小飞蓬地上部生物量的影响

地上部生物量的高低直接关系到植物对重金属污染土壤的修复效果，用于修复土壤污染的载体植物，一般都要求有较大的地上部生长量。土壤Cd 浓度对小飞蓬的地上部生物量有明显的影响，在对照、增施有机肥、添加低量EDTA 和添加高量EDTA 情况下添加外源Cd，分别使小飞蓬的株高降低了18.75%、31.31%、18.57%、17.52%，均达到了极显著差异水平（表1）。无论土壤Cd 污染水平高低，增加施有机肥均有利于提高小飞蓬地上部生物量，而添加EDTA 则使小飞蓬地上部生物量有所降低，但不同剂量的EDTA 处理间差异未达显著差异水平。这与添加不同剂量的EDTA 对小飞蓬株高、茎粗及根长的影响表现不同，试验调查过程中发现较大剂量的EDTA 处理（E2）虽降低了小飞蓬的株高和茎粗，但增加了小飞蓬的分枝，因此保证了地上部生物量没有显著低于低剂量的EDTA 处理。

2.1.5 对溃坝区Cd污染土壤上小飞蓬根重的影响

土壤Cd 浓度对小飞蓬的根重有明显的影响，在对照、增施有机肥、添加低量EDTA 和添加高量EDTA 情况下添加外源Cd，分别使小飞蓬的根重降低了24.08%、17.48%、24.58%、21.27%，均达到了极显著差异水平（表1）。在不同Cd 污染情况下增施有机肥及添加不同剂量的EDTA 对小飞蓬根重的影响与对地上部生物量的影响类似，但变化幅度有所不同，尤其是添加不同剂量的EDTA处理，在不同Cd 污染水平下，差异均达到了极显著水平，表明添加EDTA 有降低小飞蓬根重的作用，且浓度越大，抑制作用越明显。

表1 不同处理对小飞蓬生长指标的影响Table 1 The effect of different treatment on growth indexes of Conyza canadensis L

2.1.6 对溃坝区Cd 污染土壤上小飞蓬整株生物量的影响

溃坝区Cd 污染土壤上小飞蓬整株生物量的调查结果（表1）表明，土壤Cd 浓度、施用有机肥及添加不同剂量的EDTA，均对小飞蓬的整株生物量有明显的影响，添加Cd 显著降低了小飞蓬的生物量，而增施有机肥能显著增加小飞蓬的生物量，添加低量EDTA 能降低小飞蓬生物量，但处理间未达显著差异水平，添加高量EDTA 显著降低了小飞蓬的生物量。

2.1.7 有机肥和EDTA 对Cd 污染土壤中小飞蓬MDA 含量的影响

植物根系中丙二醛（MDA）的含量可以反映其膜脂过氧化程度，是检测植物膜伤害的一个重要指标［25］。为了探明EDTA 对小飞蓬Cd 去除效果强化的可能原因，测定了小飞蓬根系的MDA 含量。在未添加Cd 的情况下（Cd0），施用有机肥显著降低了小飞蓬根系的MDA 含量，添加大剂量的EDTA 处理（E2）显著增加了小飞蓬根系的MDA 含量，而添加小剂量的EDTA（E1）对小飞蓬根系的MDA 含量没有显著影响。在添加Cd 的情况下（Cd1），施用有机肥对小飞蓬根系的MDA 含量的影响未达显著差异水平，而添加不同剂量的EDTA 均使得小飞蓬根系的MDA 含量显著增加，表明土壤Cd 含量与添加EDTA 处理存在着明显的加合效应，在土壤含Cd量较高的情况下，添加EDTA 确实能显著增加对植物根系的伤害（表1）。

2.2 有机肥及EDTA 对Cd 污染土壤中小飞蓬地上部Cd 含量影响

由表2 可见，小飞蓬地上部含Cd 量随土壤含Cd 量的增加而增加；随添EDTA 剂量的增加而增加；但无论土壤是否添加Cd，增施有机肥均有利于降低小飞蓬地上部含Cd 量。在对照、添加有机肥、添加低量EDTA 和添加高量EDTA 情况下添加外源Cd，分别使小飞蓬地上部含Cd 量增加了395.0%、341.5%、450.4%、454.1%，均达到了极显著差异水平。在轻度Cd 污染水平下添加有机肥、添加低量EDTA 和添加高量EDTA 分别使小飞蓬地上部含Cd 量增加了2.48%、10.18%、45.11%，而在添加外源Cd 后分别使小飞蓬地上部含Cd 量增加了-0.86%、22.51%、62.45%，表明在土壤Cd 含量较高的情况上增施有机肥或添加EDTA 对小飞蓬地上部含Cd 量的影响更为明显。统计分析结果表明，无论是否添加Cd，增施有机肥对小飞蓬地上部Cd 含量的影响均未达显著差异水平，而添加EDTA 则可以极显著地提高小飞蓬地上部Cd 含量。

2.3 有机肥及EDTA 对Cd 污染土壤中小飞蓬根系Cd 含量的影响

小飞蓬根系含Cd 量与地上部含Cd 量的变化趋势基本一致，均表现为随土壤含Cd 量的增加而增加，随添加EDTA 剂量的增加而增加，但增加的幅度有所不同（表2）。在原有土壤Cd 含量水平上增加外源Cd，使得对照、添加有机肥、添加低量EDTA和添加高量EDTA 等修理的小飞蓬根系含Cd 量分别增加了180.1%、194.2%、167.8%、177.9%，统计分析结果表明，处理间均达到了极显著差异水平，但各处理的增加幅度明显低于地上部。在轻度Cd 污染水平下添加有机肥、添加低量EDTA 和添加高量EDTA 分别使小飞蓬根系含Cd 量增加了6.4%、39.3%、51.0%，而在添加外源Cd 后分别使小飞蓬根系含Cd 量增加了11.8%、33.2%、49.8%，统计分析结果表明，除在轻度Cd 污染水平下添加有机肥处理未达显著差异水平外，其余皆达显著差异水平，表明在不同土壤Cd 含量情况下添加EDTA 对小飞蓬根系含Cd 量均显著影响。增施有机肥对根系含Cd 量的影响则表现为仅在土壤含Cd 较高的情况下有显著影响。

表2 不同处理对小飞蓬镉吸收、积累和转移的影响Table 2 The effects of different treatments on physiological indexes of Conyza canadensis L

2.4 有机肥及EDTA 对Cd 污染土壤中小飞蓬Cd运转率及地上与根系总吸收Cd 量的影响

土壤Cd 浓度对小飞蓬Cd 运转率有明显的影响，在对照、增施有机肥、添加低量EDTA 和添加高量EDTA 情况下添加外源Cd，分别使小飞蓬的Cd运转率增加了 14.65%、21.16%、19.00%、18.64%，统计分析结果表明，各处理间分别达到了极显著差异水平（表2）。在不添加Cd 的情况下增施有机肥，对小飞蓬的Cd 运转率影响未达显著差异水平，但在添加Cd 的情况下增施有机肥，显著降低了小飞蓬的Cd 运转率，表明如果从有利于植物生长的角度考虑，在Cd 污染加重的情况下，施用有机肥更有利于植物的生长；而如果从清除污染的角度出发，低浓度Cd 污染的情况下，施用有机肥的效果更好。在不添加外源Cd 的情况下添加低量与高量的EDTA，分别使小飞蓬的Cd 运转率显著降低，但在添加外源Cd 的情况下添加低量与高量的EDTA，对小飞蓬的Cd 运转率的影响未达显著差异水平。

无论土壤中是否添加Cd，增施有机肥或添加EDTA 均能极显著地增加小飞蓬根系中的总镉量。在土壤中不增加外源Cd 的情况下，增施有机肥或添加高量EDTA 能极显著增加小飞蓬地上部总镉量；在土壤中增加外源Cd 的情况下，则表现为增施有机肥并不能增加小飞蓬地上部总镉量，而添加低量EDTA 或高量EDTA 均可显著增加小飞蓬地上部总镉量。表明在低Cd 含量情况下，通过增施有机肥可以很好地增加小飞蓬对土壤中Cd 的去除效果，但在土壤含Cd 较高的情况下，通过添加EDTA的影响更好。

3 结论与讨论

利用超积累植物修复重金属污染土壤已得到众多研究者的认可，但由于已发现的超积累植物多生长缓慢、地上部生物量小，严重影响了土壤中重金属的去除效果。解决这一问题的方法一是寻找更好的超积累植物，二则是采用生物量大的中等富集植物，并通过一些调控措施来增加富集浓度［26］。前人的研究表明，在土壤中重金属含量较高的情况下，EDTA 等人工合成的有机化合物能显著地活化土壤铅、铜、锌、镉等［4，8，10，16，27～31］，但关于低浓度条件下EDTA 的效果尚未见报道。本研究结果表明，在土壤含镉量与国标GB15618-1995《土壤安全二级标准》中规定土壤Cd 含量标准（低于0.60 mg·kg-1）接近的情况下，增施有机肥或添加高量EDTA 能极显著增加小飞蓬地上部总镉量，但添加低量EDTA对小飞蓬地上部总镉量影响未达显著水平；在土壤含镉量较高的情况下（增加外源Cd），则表现为增施有机肥并不能增加小飞蓬地上部总镉量，而添加低量EDTA 或高量EDTA 均可显著增加小飞蓬地上部总镉量。有机肥对小飞蓬Cd 去除强化效果较好的原因可能与本试验的供试土壤养分含量较低有关，有机肥施用，明显补充了溃坝区土壤的养分，促进了小飞蓬的生长，同时有机肥的施用，也对土壤镉移动性的增加有一定的促进作用，进而增加了植物对镉的吸收、转运。本试验结果表明，在溃坝区土壤低Cd 污染情况下，通过增施有机肥可以很好地增加小飞蓬对土壤中Cd 的去除效果，但在土壤含Cd 较高的情况下，通过添加EDTA 的影响更好。

关于土壤中添加EDTA 后对元素吸收的影响存在着不同的观点，有人认为添加EDTA 后促进了土壤中金属络合物的形成，增加了金属的溶解性和移动性，从而提高了被植物吸收的可能性；另一种观点则认为，EDTA 施入土壤后与阳离子形成稳定的络合物，降低土壤溶液中金属离子的活度，从而降低金属的毒性和植物吸收［27］。重金属污染胁迫可以导致植物根细胞膜透性的增加，EDTA 对植物地上部Cd 浓度的影响，不是因为增加了土壤中可溶性的Cd，从而加大了植物对Cd 的吸收，而可能是EDTA 加入土壤后增加对植物根系细胞膜的伤害，使土壤溶液中的有害物质得以进入根细胞并随蒸腾作用运输到地上部［27］。本试验研究结果表明，添加EDTA 后小飞蓬根系的MDA 含量显著增加，说明EDTA 对小飞蓬吸收Cd 的影响可能确实与EDTA 加入土壤后增加了对细胞膜伤害，使得膜的渗漏加大有关，这与将先军等［27］的研究结果一致。

小飞蓬是一种世界性杂草，在全球大部分地区均有分布，但主要在北温带比较常见，其生物量大，生长迅速，是襄汾溃坝区杂草的优势种之一。本试验结果表明，在较低的土壤Cd 浓度下（0.8 mg·kg-1），小飞蓬能保持良好生长，且表现为地上部含Cd 高于根系，表明其能将更多重金属积累在地上部，有利于对土壤中Cd 污染的去除。在轻度Cd 污染基础上添加10 mg·kg-1的Cd 后，小飞蓬的生长受到抑制，但地上部和根系的Cd 含量均明显增加。在供试的两种Cd 污染情况下增施有机肥，均有利促进小飞蓬的生长，使得在植株Cd 含量变化不显著的情况下，仍能明显增加土壤Cd 的移出率。加入EDTA 增加了小飞蓬体内的Cd 含量，尤其是较高Cd 污染情况下，随着EDTA 加入浓度的增加，小飞蓬体内Cd 含量增加，但植物的生物量也同时受到了影响。综合分析小飞蓬的生长、生理及吸收Cd的能力，在低浓度Cd 污染的襄汾塔山铁矿矿区，选取小飞蓬作为Cd 的富集植物进行修复具有良好的应用前景。