3种有机酸对镉污染黄壤上龙葵生长及镉吸收的影响

杨晓斓，罗洋，孙丽，花天明

3种有机酸对镉污染黄壤上龙葵生长及镉吸收的影响

杨晓斓，罗洋，孙丽，花天明

（贵州师范学院 地理与资源学院，贵州 贵阳 550018）

采用盆栽试验方法，探讨添加3种有机酸（草酸、柠檬酸和氨三乙酸）在两个用量梯度下（2.5 mmol·kg-1和5 mmol·kg-1）对镉污染黄壤上龙葵生长及Cd吸收的影响。结果表明：与对照（不添加有机酸）相比，施用用量为2.5 mmol·kg-1氨三乙酸和草酸时对龙葵的生长具有明显的促进效果。 3种有机酸的添加并未对黄壤的pH值产生明显影响，但草酸、柠檬酸和氨三乙酸处理组土壤的有效态镉质量分数较对照分别增加了33.32%～44.34%、35.77%～38.22%和39.85%～44.14%。同时，3种有机酸的添加均提高了龙葵地上部Cd质量分数，其中5 mmol·kg-1柠檬酸的加入使龙葵地上部分Cd质量分数达最大值843.54 mg·kg-1，比对照增加了30.50%。此外，当施用2.5 mmol·kg-1的氨三乙酸时，龙葵地上部镉提取量达最大，是对照的4.06倍。综上，添加有机酸能促进龙葵生长对Cd的吸收，以氨三乙酸施用量为2.5 mmol·kg-1时对龙葵修复Cd污染黄壤的强化效果最优。

龙葵； 有机酸； 植物修复； 黄壤

土壤是支撑人类生存和发展的根基，对人体健康、经济发展和人类文明至关重要[1-2]。近年来，随着社会的发展和进步，我国土壤受到的重金属污染程度也在不断增加，不仅造成了生态环境的破坏，还使人类健康受到一定的威胁[3]。我国镉污染面积已达2×105km2，占耕地总面积的1/6[4]，严重威胁到人们的生活生产。镉是一种有毒物质，一次性大量吸入镉烟尘会引发人体出现严重反应[5]。对人体健康来说，镉容易蓄积在肝脏和肾脏，对肾、肝、骨骼、消化系统等造成损害，具有致畸致癌致突变的效应[6]；对农作物来说，其毒症一般表现为产量下降、生长速度减缓、植株较正常作物更矮、甚至植株颜色不正常等现象[7]。因此，研究合适的镉污染土壤修复方法对作物安全生产和人类健康具有重要意义。

植物修复技术是指利用植物系统及根际微生物群落修复和消除土壤中的重金属污染[8]，与物理和化学途径相比，植物修复手段高效，对环境的副作用少，对费用要求低，不破坏土壤结构，对生态系统扰动较小又无二次污染[9]，在Cd污染土壤中得到普遍关注。如尹明[10]等在红麻上、李欣欣[11]等在葡萄上、刘倩[12]等在金丝柳上，分别开展了植物修复技术研究。然而，植物对镉的利用效率低下和镉离子向地上部分转移受限制是植物富集提取镉的主要障碍[13]。

龙葵（L.）是我国学者发现的草本植物，属茄科，茎直立，根系发达，株高一般为30～100 cm[14]，是一种典型的Cd超富集植物，具有较强的抗逆境及争光、争水和争肥能力、生长周期短、生物量较大且不被食草动物取食（不污染食物链）等特点[15]。然而，龙葵对镉的提取修复效率往往还和土壤中镉的有效性相关。低分子有机酸普遍存在于植物根系和微生物的分泌物中，能酸化根际土壤从而将污染土壤中固态重金属活化，使植物更易吸收，提高植物修复效率，被广泛应用于植物修复研究中[16-18]。黄壤是亚热带主要地带性土壤类型，其面积占贵州土壤面积的46.40%，在贵州农业生产中发挥着重要作用[19]。目前关于贵州黄壤镉污染修复的研究主要集中在污染调查、污染评价和物理化学等修复方面[20-21]，鲜见利用有机酸和植物联合修复镉污染黄壤的报道。本研究以镉污染黄壤为研究对象，探讨不同有机酸类型和添加量条件下龙葵对镉的吸收特征，为镉污染黄壤植物修复的强化提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤：采自贵阳市乌当区高雁垃圾填埋场周边，土壤类型为黄壤，镉质量分数78.97 mg·kg-1，自然风干挑出杂物后过2 mm筛。

供试植物：龙葵，种子购于网上农资专卖店。

供试有机酸：主要为草酸（OA）、柠檬酸（CA）和氨三乙酸（NTA），所用试剂均为优级纯。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，试验于2020年6月至9月在贵州师范学院温室大棚进行，共设计7组处理，分别为：CK（不加有机酸）、OA2.5（2.5 mmol·kg-1草酸）、OA5（5 mmol·kg-1草酸）、CA2.5（2.5 mmol·kg-1柠檬酸）、CA5（5 mmol·kg-1柠檬酸）、NTA2.5 （2.5 mmol·kg-1氨三乙酸）和NTA5（5 mmol·kg-1氨三乙酸），每个处理重复3次，每盆装土3.5 kg。龙葵种子经75%的酒精浸泡30 s杀菌处理后，用蒸馏水清洗干净，选取颗粒饱满的龙葵种子播种于育苗钵中，置于室温培养，待根部长出比较旺盛的根系后，选择长势良好、大小一致的幼苗移栽于塑料盆中，每盆3株。移栽30 d后，将有机酸一次性加入土壤。生长过程中保持土壤含水量为田间持水量的70%左右，移栽90 d后收获。

龙葵成熟收获后，将植物地上部分用自来水冲洗后再用去离子水洗净，晾干植物样品，测定株高和鲜重。放在105 ℃下杀青30 min，在70 ℃的温度下烘干至恒重，称其干重，再对植物进行粉碎处理，装袋待测。同时采集土壤样品，自然风干，去除土壤中的碎屑和石子等杂物，分别过100 目 （0.15 mm）和10 目（2.00 mm）尼龙筛，装袋备用。

1.3 测定项目及方法

龙葵镉质量分数采用HNO3-H2O2法消解，火焰原子吸收光谱仪（novAA 350）测定；土壤有效态Cd采用0.1 mol·L-1HCl浸提，火焰原子吸收光谱仪（novAA 350）测定；土壤pH采用pH计 （（水）∶（土）=2.5∶1）测定。测试过程中设置空白和重复样进行分析质量控制，误差控制在5%以内。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel2007进行数据整理，用SPSS22.0进行单因素方差分析，用LSD法进行多重比较，显著性水平设置为0.05。

2 结果与分析

2.1 3种有机酸对镉污染黄壤上龙葵生长的影响

有机酸对镉污染黄壤上龙葵生长的影响如表1所示。由表1可知，龙葵的地上部鲜重、株高和干重等生长指标随着有机酸类型和用量的变化而有所不同。除柠檬酸处理组与对照无显著区别外，另外两种酸处理组龙葵的地上部鲜重和干重均表现为低用量（2.5 mmol·kg-1）大于高用量（5 mmol·kg-1），且显著高于对照（0.05）。其中NTA2.5处理组值最高，分别是对照的3.28倍和3.52倍。表明一定用量的有机酸可促进龙葵生长，但超过限值后会产生抑制效应。各处理条件下龙葵的株高介于23.33～37.00 cm之间，除添加氨三乙酸处理组较对照有显著提高外，其余处理之间差异不显著。

表1 有机酸对镉污染黄壤上龙葵生长的影响

注: 同列中不同小写字母表示在水平上差异显著。下同。

2.2 3种有机酸对镉污染黄壤pH及有效态Cd质量分数的影响

3种有机酸添加后土壤pH变化情况如表2所示。与原始土壤相比，种植龙葵后其pH值呈降低趋势，各处理间的变化则因有机酸的类型和用量的不同而不同。与对照相比，氨三乙酸和柠檬酸处理下土壤pH值分别下降了0.12～0.27和0.08～0.26个单位，草酸处理组土壤pH则下降了0.26个单位（OA2.5）和增加了0.13个单位（OA5），各处理间pH变化差异均不显著（）。

表2 有机酸对镉污染黄壤pH及有效态Cd质量分数的影响

研究还发现，添加有机酸处理组的土壤有效态Cd质量分数都显著高于对照，其中OA2.5、OA5、CA2.5、CA5、NTA2.5和NTA5处理组与对照相比土壤有效态Cd质量分数的增幅分别为44.34%、33.32%、35.77%、38.22%、39.85%和44.14%，差异均达显著水平（<0.05），但3种有机酸处理间土壤有效态Cd质量分数没有显著差异（>0.05）。

2.3 3种有机酸对龙葵地上部镉质量分数的影响

不同有机酸对龙葵地上部镉质量分数的影响如图1所示。图1可知，在供试土壤中添加不同种类和用量的有机酸后，龙葵地上部Cd质量分数与对照相比都显著增加（<0.05），其增幅由大小小顺序为：CA5、CA2.5、OA5、OA2.5、NTA5、NTA2.5，当添加2.5 mmol·kg-1与5 mmol·kg-1柠檬酸后，龙葵地上部Cd质量分数分别达841.07、843.54 mg·kg-1，显著高于除OA5以外的其他处理组（<0.05），但两者之间差异并不显著。氨三乙酸添加后龙葵地上部镉质量分数较对照显著增加了14.50%（NTA2.5）和14.51%（NTA5），低于另外两种有机酸。添加 2.5 mmol·kg-1的草酸时龙葵地上部镉质量分数显著高于对照组，而显著低于CA处理组；当草酸用量增大到5 mmol·kg-1时，与CA处理组没有显著差异，但显著高于对照组和NTA处理组（<0.05）。

图1 不同有机酸对龙葵地上部镉质量分数的影响

2.4 3种有机酸对龙葵地上部镉提取量的影响

植物对Cd的提取量是反映其修复效率大小的指标之一[22]，数值上等于地上部干重乘以相应Cd质量分数。不同处理下龙葵地上部的Cd提取量状况如图2所示。不添加有机酸（CK）时，龙葵的地上部Cd提取量为每盆0.53 mg。随着有机酸类型和用量的不同，Cd提取量呈现不同的增加趋势。总体而言，其由大到小顺序为：NTA2.5、OA2.5、NTA5、OA5、CA5、CA2.5、CK。添加2.5 mmol·kg-1氨三乙酸后，龙葵地上部对Cd的总提取量达最大，为每盆2.19 mg，是对照组的4.13倍，也显著高于其余处理组（<0.05）。

图2 不同有机酸对龙葵地上部镉提取量的影响

3 结果与讨论

生物量是直接反映植物生长状况的重要指 标[23]。本研究中，添加不同用量的草酸、柠檬酸和氨三乙酸对龙葵的生长状况影响不同，其中施加 2.5 mmol·kg-1氨三乙酸时，促进效果最强，能使龙葵的单株鲜重、株高和单株干重等指标与对照相比均有显著提高。研究还发现，在高用量（5 mmol·kg-1）条件下，添加有机酸与低用量（2.5 mmol·kg-1）条件下相比对龙葵生长表现出了抑制效应。这可能是因为添加低用量有机酸能够活化土壤中的氮磷钾等营养元素，为植物生长提供一个更好的环境，使植物的生物量得到提高；而高用量的有机酸可能使植物发生胁迫作用，导致植物的生长受到阻碍，影响植物的生物量[24]。土壤pH值是影响土壤中Cd迁移和转化的重要因子[25]，控制重金属在土壤中行为的主要因素，能决定重金属的赋存形式和生物有效 性[26]。添加3种有机酸使土壤pH呈降低趋势，但和对照相比并未达显著水平，可能是因为本研究所采用的黄壤pH值本身较低，在土壤缓冲作用的影响下，对低相对分子质量有机酸施用带来的酸碱变化并不敏感。对土壤中重金属的有效性进行分析，能够表征重金属被生物吸收利用或产生毒害的程 度[27]。在本研究中，施加有机酸后土壤有效态镉质量分数得到不同程度的增加，强化了龙葵对镉的吸收，使其地上部镉质量分数也呈增加趋势。这可能和有机酸中所带的配位体如—OH 和—COOH等与土壤中Cd离子发生络合反应，形成土壤可溶性复合物有关[28-29]，具体机制有待进一步研究。

植物Cd提取量为地上部单株干重与其体内Cd质量分数的乘积，但这两个指标之间常常出现相反的变化趋势。孙瑞莲[30]等研究发现当土壤Cd质量分数达到50～100 mg·kg-1时，虽然龙葵Cd质量分数地上部分较高，但生物量却降低了34％～55％，限制了龙葵对镉的总提取量。在本研究中也发现了相似的现象，柠檬酸处理下龙葵地上部镉质量分数达最大，但生物量却低于另外两种有机酸。因此，用地上部总提取量来评判有机酸的添加效果更具有综合性。在本研究中以施用2.5 mmol·kg-1的氨三乙酸时对龙葵修复镉污染黄壤的促进效果最好。

4 结 论

1）有机酸添加对龙葵的生长影响因有机酸类型和用量而异。当施用用量为2.5 mmol·kg-1时，添加草酸和氨三乙酸能使龙葵地上部鲜重、株高和干重较对照有不同程度的提高。

2）施用有机酸提高了土壤有效态镉质量分数，与对照相比，草酸、柠檬酸和氨三乙酸处理组土壤有效态镉质量分数分别增加了33.32%～44.34%、35.77%～38.22%和39.85%～44.14%。

3）有机酸的添加促进了龙葵对Cd的吸收，其上部镉质量分数由大到小顺序为：CA5、CA2.5、OA5、OA2.5、NTA5、NTA2.5、CK。

4）有机酸的添加增加了龙葵地上部镉提取量，其中以2.5 mmol·kg-1的氨三乙酸处理组提取量最大，达每盆2.19 mg。

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Effects of Three Organic Acids on the Growth and Cadmium Absorption ofL. in Cadmium Polluted Yellow Soil

YANG Xiao-lan, LUO Yang, SUN Li, HUA Tian-ming

（School of Geography and Resources, Guizhou Education University, Guiyang Guizhou 5500181, China）

A pot experiment was conducted to investigate the effects of three organic acids (oxalic acid, citric acid and triacetic acid) on the growth and Cd absorption ofL. in cadmium contaminated yellow soil under two dosage gradient (2.5mmol·kg-1and 5mmol·kg-1). The results showed that,compared with the control (without organic acid), the application of 2.5 mmol·kg-1aminotriacetic acid and oxalic acid had obvious promotion effect on the growth ofL.The addition of three organic acids did not significantly affect the pH value of yellow soil, but the available cadmium mass fraction in oxalic acid, citric acid and aminotriacetic acid groups increased by 33.32%～44.34%, 35.77%～38.22% and 39.85%～44.14%, respectively, compared with the control group. The addition of 5 mmol·kg-1citric acid increased the Cd mass fraction in the ground part ofL., and the Cd mass fraction reached the maximum value 843.54 mg·kg-1, which increased by 30.50% compared with the control. In addition, when 2.5 mmol·kg-1aminotriacetic acid was applied, the cadmium extraction from the ground ofL. reached the maximum value, which was 4.06 times that of the control. In conclusion, the addition of organic acids can promote the absorption of Cd by the growth ofL., and 2.5 mmol·kg-1ammonia-triacetic acid has the best enhancement effect on the remediation of Cd-contaminated yellow soil byL.

L; Organic acids; Phytoremediation; Yellow soil

贵州省科学技术基金资助项目（项目编号：黔科合基础[2019]1247号）；贵州师范学院大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201914223028）。

2021-03-05

杨晓斓（1996-），女，贵州师范学院地理与资源学院学生。

罗洋（1989-），男，硕士，讲师，研究方向：土壤改良与污染修复。

X53

A

1004-0935（2021）10-1451-05