2016, Vol. 37
2. 太原科技大学 环境与安全学院，山西 太原 030024
2. School of Environment and Safety, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China
随着我国经济社会的快速发展，特别是近30年来工业化和城市化进程，土壤重金属污染问题日趋严重[1-3]。利用重金属超富集植物提取土壤中重金属的技术成本低、修复彻底[4-7]。施加螯合剂可以提高植物对重金属的提取效率[8], 吴启堂等[9-10]研制了包括味精废液等多种有机试剂混合而成的添加剂，该添加剂具有廉价和对地下水低污染等特点，能提高超富集植物提取Zn/Cd的效率。超富集植物东南景天Sedum alfredii与低累积玉米Zea mays套种修复重金属污染土壤，植物提取土壤重金属的效率得到明显提高, 同时可以收获符合一定卫生标准的农产品[11-13]。
土壤淋洗技术也是去除土壤重金属的有效技术手段[14]，利用淋洗剂溶解土壤中的重金属使其随淋洗液流出，然后对淋洗液进行后续处理，从而达到修复污染土壤的目的。Kos等[15]采用螯合诱导植物提取+可降解络合剂淋洗+透性墙过滤联合技术来修复重金属污染土壤，使植物修复技术更有效率，因为活化的重金属除了随淋洗液流出土壤，也能促进植物吸收。已有的研究[16]表明用混合螯合剂(Mixed of chelator，MC)淋洗单独种植东南景天的重金属污染土壤的效果比EDTA和味精废液好。
东南景天和玉米套种，并施加螯合剂在酸性重金属污染农田上进行多次田间试验，5次种植后土壤中Zn和Cd含量达到国家土壤环境质量二级标准[17]。混合螯合剂的施用促进了土壤重金属的淋溶，降低了土壤重金属含量。混合螯合剂在土壤修复中可以用作诱导剂、也可用作土壤淋洗剂，本研究采用盆栽试验研究MC的不同施加方式(螯合和淋洗)对套种系统的影响。
1 材料与方法 1.1 材料东南景天为浙江矿山型，剪取大小均一的枝条直接扦插；玉米品种为Yunshi-5。
混合螯合剂(MC)主要成分为柠檬酸、EDTA等，柠檬酸: EDTA: KCl (摩尔比)＝10: 2: 3。
1.2 试验设计及样品采集本研究采用特殊试验用盆，在盆中间插入2张300目尼龙网将盆一分为三，2张尼龙网间形成一个2 mm的共有根际区域。每盆装重金属污染土壤2 kg(共有根际区域填充满土壤)，污染土壤采自广东省乐昌市某铅锌矿废水污染农田，土壤pH 7.40，土壤重金属Cd、Zn和Pb质量分数分别为1.3、673.6和903.7 mg·kg-1，土壤风干后，过2 mm筛。
试验在温室进行，试验设置6个处理：1)只种植玉米；2)只种植东南景天；3)套种，一侧种植东南景天、一侧种植玉米；4)套种+MC，植物生长2个月后施加MC，每千克土添加MC 5 mmol，MC溶于200 mL蒸馏水后均匀洒到土壤表面；5)套种+MC 1次淋洗，MC溶于500 mL蒸馏水，从土壤表层缓慢加入，在盆子底部收集淋出液；6)套种+MC 2次淋洗，MC溶于1 L蒸馏水，分2次淋洗土壤(第2次淋洗在第1次淋洗后第3天)。每个处理4次重复，70 d后收获东南景天和玉米的地上部和根系，并采集土壤。
用剪刀剪取东南景天和玉米地上部并称质量。收获的东南景天和玉米拿回实验室，用自来水冲洗干净，再用双蒸水漂洗3遍，晾干，置于信封中烘干，粉碎贮存于封口袋中备用。小心地倒出土壤，收集根系，拿回实验室处理干净，同地上部处理相同。采集两侧土壤和共有根际土壤，于样品室风干。
1.3 数据处理土壤和植物样品分析参照《土壤农业化学分析方法》[18]中的方法进行，水样重金属分析采用《水和废水监测分析》[19]中的方法进行；可培养微生物数量采用平板法测定[20]。所有数据用Excel软件处理，SAS 8.1软件统计分析。
2 结果与分析 2.1 不同处理的玉米茎叶生物量和重金属含量套种处理玉米茎叶生物量显著高于玉米单种处理(表 1)，套种处理的玉米茎叶生物量是单种玉米处理的1.17倍，与单种相比，套种增加了玉米的地上部生物量。与套种处理比较，MC的施加(螯合和淋洗)增加了玉米茎叶的生物量，但差异不显著。
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表 1 玉米茎叶的生物量和重金属含量1) Table 1 The shoot yields and concentrations of Zn, Cd and Pb in shoots of Zea mays under different treatments |
不同处理玉米茎叶重金属含量见表 1。套种处理的玉米茎叶Zn和Cd含量低于单种处理，Pb含量高于单种处理，但处理间差异不显著。套种+MC处理的茎叶Zn含量最高，显著高于套种处理，MC作为螯合剂提高了玉米茎叶Zn含量。MC作淋洗剂时，玉米茎叶Zn含量低于MC作为螯合剂的处理，但与套种处理无显著差异，可见，MC的不同施加方式会影响玉米茎叶的Zn含量。与套种处理相比，MC的使用提高了玉米茎叶Cd含量，增幅40%~85%，但只有MC淋洗1次时与套种达到显著差异，MC作为螯合剂与作为淋洗剂时玉米茎叶Cd含量无显著差异。从表 1可以看出，MC的使用显著提高了玉米茎叶的Pb含量；套种+MC处理、套种+MC淋洗和套种+MC 2次淋洗处理的玉米茎叶Pb含量分别是套种处理的6.2、4.1和3.9倍。MC作为淋洗剂的玉米茎叶Pb含量低于MC作为螯合剂时，MC的不同施加方式会影响玉米茎叶Pb含量的提高幅度。MC淋洗次数对玉米茎叶重金属含量没有影响。因此，与套种相比，MC作为螯合剂和淋洗剂使用，提高了玉米茎叶中Cd和Pb的含量，2种使用方式的提高程度不一样，MC作为螯合剂时可提高玉米茎叶Zn含量。
2.2 不同处理的东南景天生物量和重金属含量不同处理的东南景天地上部生物量见表 2。与单种东南景天相比，套种处理提高了东南景天地上部生物量，增幅为10%，但差异不显著。与套种处理相比，MC的使用显著降低了套种东南景天的生物量，使其也低于单种东南景天的生物量。套种+MC、套种+MC淋洗和套种+MC 2次淋洗3个处理间的东南景天生物量差异不显著，MC的不同使用方式对东南景天生物量的影响不大。
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表 2 不同处理的东南景天地上部的生物量和重金属含量1) Table 2 The shoot yields and concentrations of Zn, Cd and Pb in shoots of Sedum alfredii under different treatments |
与单种东南景天相比，套种降低了东南景天重金属含量(表 2)。套种+MC螯合处理的东南景天地上Zn、Cd和Pb含量高于其他处理，套种+MC处理的东南景天Zn、Cd和Pb含量分别是套种处理的1.9、2.1和4.6倍。MC用作淋洗剂也提高了套种系统重金属含量，但增幅小于套种+MC处理；MC 1次淋洗对东南景天Zn、Cd含量的增幅大于MC 2次淋洗，对Pb含量作用相反。
2.3 植物对重金属的提取不同处理玉米和东南景天对重金属的提取量见表 3。与单种玉米相比，套种提高了玉米Zn提取量，MC的使用(螯合和淋洗)进一步提高了玉米对Zn的提取量；套种处理玉米Zn提取量是单种玉米的1.2倍。套种处理的玉米Cd提取量低于单种玉米，但差异不显著。MC的使用提高了玉米对Cd的提取，套种+MC淋洗和套种+MC 2次淋洗处理的玉米Cd提取量大于套种和单种玉米处理，其中单次淋洗大于2次淋洗。对Pb的提取，套种处理提高了玉米Pb提取量；套种联合MC处理显著提高了玉米Pb提取量，是套种处理的4~6倍。
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表 3 不同处理玉米和东南景天地上部对重金属的植物提取量1) Table 3 The amounts of Zn, Cd and Pb absorbed by shoots of Zea mays or Sedum alfredii under different treatments |
套种+MC处理的东南景天重金属提取量最大，Zn、Cd和Pb的提取量分别是套种处理的1.3、1.4和3.5倍(表 3)；与单种东南景天相比，套种降低了重金属提取量。与套种相比，套种+MC淋洗和套种+MC 2次淋洗处理降低了东南景天Zn提取量，套种+MC处理提高了Zn提取量，可见，MC的不同使用方式会影响东南景天对Zn的提取。不同处理间东南景天Cd提取量差异不显著，MC的2次淋洗降低了套种东南景天的Cd提取量。与套种相比，MC的使用均提高了东南景天Pb提取量，MC作淋洗剂的提高幅度低于作螯合剂时。
植物提取和淋洗对土壤重金属的去除见表 4，套种+MC诱导处理的植物总提取量最大。利用MC对套种系统进行淋洗可以去除土壤中部分重金属，MC分2次淋洗去除的重金属大于MC 1次淋洗(表 4)。MC对土壤Pb的淋洗量远大于植物Pb提取量，Cd淋洗量也大于Cd植物提取量。套种+MC淋洗和套种+MC 2次淋洗处理的植物提取和淋洗对土壤重金属的总去除量大于其他处理，植物提取和土壤淋洗联合技术对重金属的去除量大于植物提取技术的。
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表 4 不同处理对重金属的植物总提取量和淋洗量1) Table 4 The amounts of heavy metals extracted by phytoextraction and soil washing under different treatments |
试验结束后土壤重金属含量均有所降低(表 5)。对土壤重金属的总去除量(包括植物提取和土壤淋洗)最大的套种+MC淋洗和套种+MC 2次淋洗，相应的土壤重金属含量也最低。土壤经过套种和MC 1次和2次淋洗后，土壤全量Cd、Zn和Pb含量降低幅度分别为30.7%~33.0%，11.9%~14.7%和13.3%~16.4%。套种+MC处理的土壤Zn、Cd和Pb含量低于套种处理，套种处理的土壤重金属全量低于单种玉米和单种东南景天处理。
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表 5 不同处理的土壤重金属全量1) Table 5 Total heavy metal contents in soil under different treatments |
MC作为淋洗剂和螯合剂均促进了土壤重金属含量的降低。利用套种+淋洗联合技术修复污染土壤时，深层土壤施加碱性氯化铁后可以有效固定表层淋滤出的重金属[21]，从而使该联合技术更加完善；套种在田间修复土壤的同时会收获符合一定标准的玉米籽粒。
2.6 不同处理的根际土壤的微生物数量玉米单种和东南景天单种的根际土壤的微生物有各自的特点，主要是东南景天根际土壤的真菌和放线菌数量远大于玉米，细菌数量差异不大(表 6)。套种处理会影响根际土壤微生物的数量，东南景天和玉米套种的共有根际土壤真菌和放线菌数量低于东南景天处理，与玉米处理的差异不大。
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表 6 不同处理根际土壤的微生物数量1) Table 6 The number of rhizosphere soil microbes under different treatments |
MC的使用(螯合和淋洗)显著增加了套种共有根际土壤的细菌和放线菌数量，MC作为螯合剂的增加幅度大于作为淋洗剂(表 6)。按着套种+MC、套种+MC淋洗、套种+MC 2次淋洗的顺序，细菌和放线菌的数量依次降低。不同MC处理对套种共有根际土壤的真菌数量无明显影响。
3 结论1) 套种处理的玉米茎叶的生物量均高于单种处理的，套种处理的茎叶Cd含量低于单种处理的。对于东南景天，套种处理的生物量大于单种处理的，但Zn、Cd和Pb含量低于单种处理的，套种处理并没有增加东南景天对Zn、Cd和Pb的提取。
2) 与套种处理相比，混合螯合剂的施加提高了套种玉米的茎叶生物量，并提高了玉米茎叶Cd和Pb的含量。与其他处理相比，套种+MC处理的茎叶Zn含量最高，但与单种玉米处理并无显著差异；混合螯合剂的3种施加方式均提高了玉米对重金属的提取。
3) 与套种处理相比，混合螯合剂的使用降低了东南景天的生物量，但提高了东南景天的重金属含量。与套种+MC处理相比，MC作淋洗剂时的东南景天重金属提取量有所降低，但MC可以将部分重金属淋洗出土壤，其中MC分2次淋洗时淋出的重金属的量显著大于单次淋洗。套种+MC处理植物对重金属的提取量最高，而套种+MC 2次淋洗对土壤重金属的去除量最高；淋洗和套种联合处理重金属污染土壤后，重金属全量明显降低，套种和化学淋洗对重金属的去除大于单一植物提取。土壤经过套种和MC 1次和2次淋洗后，土壤全量Cd、Zn和Pb降幅分别为30.7%~33.0%，11.9%~14.7%和13.3%~16.4%。
4) 共有根际土微生物数量处理间存在显著差异，套种+MC处理细菌和放线菌数量均最高；与其他处理相比，东南景天单种处理的真菌数量最高。
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