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        可降解螯合劑強(qiáng)化籽粒莧修復(fù)鎘污染耕地的研究

        2022-09-29 13:55:32權(quán)勝祥史學(xué)峰劉曉月李昌武
        關(guān)鍵詞:耕地污染產(chǎn)量

        權(quán)勝祥,史學(xué)峰,劉曉月,李昌武,葛 燚,張 燕

        (航天凱天環(huán)??萍脊煞萦邢薰?,長(zhǎng)沙 410100)

        0 引言

        污水灌溉、大氣沉降、農(nóng)藥化肥不合理施用等人類活動(dòng),以及火山噴發(fā)、地震等自然因素導(dǎo)致國(guó)內(nèi)耕地土壤重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻[1-3]。2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示,耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%,主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環(huán)芳烴[4]。耕地土壤中的重金屬如鎘,具有毒性大、累積能力強(qiáng)、遷移能力強(qiáng)等特點(diǎn),且鎘可通過(guò)地表徑流和淋溶等途徑污染地表水和地下水,亦可通過(guò)生物鏈形式向農(nóng)作物和人體遷移,危害農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和人類身體健康[5-6]。據(jù)環(huán)保部門(mén)估算,全國(guó)每年因重金屬污染的糧食高達(dá)1200萬(wàn)t,造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)200億元[7]。

        鎘污染耕地修復(fù)技術(shù)主要有物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)鈍化技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)。物理修復(fù)技術(shù)涉及工程量大,費(fèi)用高,而且容易引起耕層破壞,農(nóng)田肥力減弱[1]。化學(xué)鈍化技術(shù)修復(fù)效果好,成本低,該類修復(fù)技術(shù)主要是通過(guò)改變重金屬鎘的賦存形態(tài)和生物可利用性,減少鎘向農(nóng)作物遷移,但隨著環(huán)境條件的變化,土壤中鎘的有效性可能會(huì)發(fā)生變化[8-10]。植物修復(fù)技術(shù)是利用自然生長(zhǎng)的超富集植物對(duì)土壤中鎘進(jìn)行吸收、富集,轉(zhuǎn)運(yùn)到植物地上部,最后通過(guò)將其收獲、安全處置等過(guò)程減少土壌中鎘含量,是可靠、環(huán)境相對(duì)安全的綠色修復(fù)技術(shù),具有良好的應(yīng)用前景[11-12]。

        植物修復(fù)技術(shù)有效實(shí)施的關(guān)鍵是篩選出生物量大、生長(zhǎng)速度快且能富集一種或多種重金屬的植物。籽粒莧是一種生物量大、易成活、對(duì)鎘脅迫耐性及富集特性均比較強(qiáng)的修復(fù)植物,具有修復(fù)鎘污染耕地的市場(chǎng)潛力[13]。此外,在植物修復(fù)過(guò)程中,重金屬的生物有效性是植物提取效率的關(guān)鍵因素[14]。添加螯合劑可提高土壤中的重金屬的生物有效性,可有效提髙植物富集效果。近年來(lái),以EDTA(乙二胺四乙酸)為代表的人工合成螯合劑被廣泛用來(lái)増強(qiáng)植物提取效率。但EDTA不易被生物降解,易造成二次污染。因此通過(guò)施用可降解的螯合劑如EDDS(乙二胺二琥珀酸)和NTA(氨三乙酸)提高植物提取效率已逐漸成為植物修復(fù)研究熱點(diǎn)[15-16]。

        本研究通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn),探究籽粒莧種植方式、螯合劑類型、螯合劑添加量和螯合劑添加時(shí)間等因素對(duì)籽粒莧修復(fù)鎘污染耕地的影響,評(píng)估籽粒莧對(duì)重金屬鎘的修復(fù)效果,以期為鎘污染耕地修復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

        1 材料與方法

        1.1 供試地點(diǎn)與材料

        試驗(yàn)地點(diǎn)在湖南省湘潭市湘潭縣排頭鄉(xiāng),土壤pH 5.65,有機(jī)質(zhì)30.1 g/kg,有效磷46.8 mg/kg,速效鉀108.6 mg/kg,土壤全鎘含量為0.38 mg/kg,有效態(tài)鎘含量為0.18 mg/kg。

        供試籽粒莧品種為‘美國(guó)籽粒莧K472’。

        供試螯合劑NTA、EDDS、檸檬酸均為分析純級(jí)。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        (1)田間小區(qū)設(shè)置。小區(qū)面積6 m2(2 m×3 m),設(shè)置保護(hù)行,小區(qū)間田埂高20 cm以上。

        (2)試驗(yàn)處理。本試驗(yàn)共設(shè)14個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)3次,隨機(jī)區(qū)組排列,每個(gè)處理均種植籽粒莧,其中直播播種量為4.5~6.0 kg/hm2;條播播種量為3.0~4.5 kg/hm2;育苗插播應(yīng)選擇未污染耕地進(jìn)行育苗,當(dāng)籽粒莧株高在15~20 cm時(shí),將育苗基地的籽粒莧株定苗、移栽至試驗(yàn)小區(qū),種植密度25 cm×30 cm。具體試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

        表1 小區(qū)試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)

        1.3 樣品采集與處理

        成熟期在每個(gè)小區(qū)中采集有代表性的籽粒莧5~6株,將收獲的籽粒莧于105℃烘箱中殺青30 min,然后在60℃條件下烘干至恒重,并將其分為地上部分(含籽粒、桿和葉)和地下部分(主要為根),并分別測(cè)定植物地上部分和地下部分干重產(chǎn)量和鎘含量,籽粒莧植株Cd含量按照GB 5009.15方法測(cè)定。

        1.4 數(shù)據(jù)分析方法

        采用Excel 2010和SPSS 18.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用Origin 2018軟件作圖,圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 種植方式對(duì)籽粒莧修復(fù)鎘污染耕地的影響

        由表2和圖1可知,在籽粒莧產(chǎn)量方面,育苗插播(T3)時(shí)籽粒莧地上部分和地下部分干重產(chǎn)量較高(分別為6.08、1.38 t/hm2);條播(T2)時(shí)籽粒莧地上部分和地下部分干重產(chǎn)量與育苗插播(T3)較為接近;直播(T1)時(shí)籽粒莧地上部分和地下部分干重產(chǎn)量最低。這可能是因?yàn)橹辈r(shí)籽粒莧生長(zhǎng)較為密集,植物光照不足,影響單株籽粒莧株高和株徑,從而影響籽粒莧產(chǎn)量。在重金屬鎘年度總提取率方面,直播(T1)、條播(T2)、育苗插播(T3)時(shí)籽粒莧對(duì)污染耕地中鎘的年度總提取效率分別為8.7%、9.0%、9.2%。

        表2 不同處理?xiàng)l件下籽粒莧干重、重金屬鎘累積量,提取效率及相對(duì)提高率

        圖1 不同種植方式條件下籽粒莧干重產(chǎn)量

        條播、直播和育苗插播3種種植方式條件下籽粒莧富集鎘效率無(wú)明顯差異。然而,不同種植管理方式條件下,籽粒莧種植人力成本及田間管理要求差異較大。已有研究成果表明,籽粒莧種植人力成本主要集中在人工除草、秸稈移除、育苗插播等方面[1]。如采用直播方式播種,籽粒莧種植過(guò)程中,病蟲(chóng)草害較為嚴(yán)重,病蟲(chóng)草害防治較為困難,人力成本較高;如采用育苗插播方式,移栽人工成本較高,且需要進(jìn)行不定期補(bǔ)苗。因此,綜合分析籽粒莧對(duì)鎘的提取效率和種植管理人力成本等因素,在今后示范推廣項(xiàng)目中建議采用條播方式。

        2.2 螯合劑類型對(duì)籽粒莧修復(fù)鎘污染耕地的影響

        螯合劑強(qiáng)化高富集植物修復(fù)重金屬污染耕地的途徑主要有2種,一是提高富集植物的干重產(chǎn)量,二是提高富集植物體內(nèi)的重金屬含量。螯合劑能夠有效提高耕地土壤中重金屬生物有效性,進(jìn)而增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的富集效果[17-18]。由表2和圖2可知,在籽粒莧產(chǎn)量方面,當(dāng)籽粒莧種植75天后,按照450 kg/hm2的標(biāo)準(zhǔn)向耕地土壤中分別施用EDDS(T4)、NTA(T5)和檸檬酸(T6)時(shí),籽粒莧地上部分干重產(chǎn)量處于6.08~6.15 t/hm2之間,籽粒莧地下部分干重產(chǎn)量處于1.32~1.35 t/hm2之間,可見(jiàn)施用以上3種螯合劑,對(duì)籽粒莧干重產(chǎn)量無(wú)明顯影響。在重金屬鎘年度總提取率方面,當(dāng)施用不同類型螯合劑時(shí),耕地土壤中鎘的年度總提取效率NTA(12.6%)>EDDS(11.3%)>檸檬酸(11.0%)。此外,由于NTA在土壤環(huán)境中的半衰期為5~7天,具有可生物降解性高、潛在環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小等特點(diǎn)[19],因此,綜合分析籽粒莧對(duì)鎘的提取效率和潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等因素,在今后示范推廣項(xiàng)目中建議采用NTA。

        圖2 施用不同螯合劑條件下籽粒莧干重產(chǎn)量

        2.3 螯合劑添加量對(duì)籽粒莧修復(fù)鎘污染耕地的影響

        由表2和圖3可知,在籽粒莧產(chǎn)量方面,當(dāng)NTA添加量≤450 kg/hm2時(shí)(T7~T9),籽粒莧地上部分和地下部分干重產(chǎn)量與對(duì)照組(T3)無(wú)明顯差異,當(dāng)NTA添加量>450 kg/hm2時(shí)(T10~T11),籽粒莧地上部分和地下部分干重產(chǎn)量與對(duì)照組(T3)相比下降明顯。在重金屬鎘年度總提取率方面,當(dāng)NTA添加量為450 kg/hm2時(shí)(T9),鎘的年度總提取效率最大(12.6%)。這可能是因?yàn)殡S著NTA施用量增加,雖然籽粒莧體內(nèi)鎘含量逐漸提升,但是施用高劑量的螯合劑會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用,如引起植物的黃化、萎蔫甚至是死亡。該研究成果與已有研究成果一致[20]。因此,NTA最佳施用量為450 kg/hm2。

        圖3 螯合劑NTA不同添加量條件下籽粒莧干重產(chǎn)量

        2.4 添加時(shí)間對(duì)籽粒莧修復(fù)鎘污染耕地的影響

        螯合劑對(duì)植物富集重金屬的效率以及對(duì)潛在生態(tài)環(huán)境的毒害效應(yīng)除了與螯合劑的類型有關(guān)外,還與螯合劑的投加方式、投加時(shí)間等因素有關(guān)[21-22]。由表2和圖4可知,在籽粒莧產(chǎn)量方面,籽粒莧種植后85天(T14)和75天(T13)施用NTA,籽粒莧地上部分和地下部分干重產(chǎn)量與對(duì)照組(T3)無(wú)明顯差異。籽粒莧種植后65天(T12)施用NTA,籽粒莧地上部分和地下部分干重產(chǎn)量比對(duì)照組(T3)略低。這可能是因?yàn)樽蚜G{種植65天時(shí),籽粒莧尚未成熟,根系及株莖未達(dá)到最佳狀態(tài),此時(shí)施用NTA增大了螯合劑對(duì)植物的毒害作用,影響籽粒莧產(chǎn)量。在重金屬鎘年度總提取率方面,施入可降解螯合劑NTA均能提高籽粒莧吸附耕地土壤中鎘的效率,其相對(duì)提高率在7.3%~40.5%之間。在籽粒莧種植后85天(T14),按450 kg/hm2的標(biāo)準(zhǔn)施用可降解螯合劑NTA時(shí)修復(fù)效果最佳,籽粒莧地上部分和地下部分的提取效率分別為5.4%和1.2%,單茬提取效率為6.6%,相對(duì)提高率為40.5%??偺崛⌒士蛇_(dá)到13.2%(根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件,南方地帶籽粒莧一般每年可生長(zhǎng)2~3季,暫按籽粒莧每年生長(zhǎng)2季計(jì))。

        圖4 螯合劑NTA不同添加時(shí)間條件下籽粒莧干重產(chǎn)量

        3 結(jié)論

        (1)在種植方式方面,條播、直播和育苗插播籽粒莧富集鎘效率無(wú)明顯差異。如采用直播方式播種,籽粒莧種植過(guò)程中,病蟲(chóng)草害較為嚴(yán)重,病蟲(chóng)草害防治較為困難;如采用育苗插播方式,插播人工成本較高,且需要進(jìn)行不定期補(bǔ)苗,因此,在今后示范推廣項(xiàng)目中建議采用條播方式。

        (2)在螯合劑類型方面,鎘污染耕地修復(fù)效率NTA>EDDS>檸檬酸。

        (3)可降解螯合劑NTA最佳添加量為450 kg/hm2,最佳添加時(shí)間為種植后85天。螯合劑施入后,籽粒莧作物鎘富集量比對(duì)照組提升40.5%。

        (4)“可降解螯合劑+高富集植物籽粒莧”修復(fù)鎘污染耕地的技術(shù)模式,可實(shí)現(xiàn)耕地土壤中鎘含量逐年降低,在籽粒莧種植后85天,按照450 kg/hm2的添加量施用可降解螯合劑NTA,耕地土壤中鎘含量年降低率達(dá)13.2%。

        (5)相較于傳統(tǒng)植物修復(fù)技術(shù)(如伴礦景天、龍葵等),籽粒莧生物量大、易于種植管理、可操作性強(qiáng)、修復(fù)成本低、無(wú)二次污染,且通過(guò)施用可降解螯合劑可有效提高籽粒莧修復(fù)鎘污染耕地的效率,是一種綠色、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的鎘污染耕地修復(fù)方法,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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