2021, Vol. 58
近年来，随着人类活动加剧和农用化学品的大量使用，导致包括中国在内的世界部分干旱半干旱地区土壤和沿海及河口滩涂土壤受到重金属污染和盐渍化的“双重”影响，使得重金属污染盐渍化土壤成为世界性的环境问题[1]。与重金属污染非盐渍化土壤相比，盐渍化土壤中的盐分可增加重金属的迁移性和生物有效性，从而显著改变重金属污染盐渍化土壤可导致的环境与健康风险[2]。但是，由于重金属污染盐渍化土壤的复杂性及相关修复技术缺少针对性，使得修复效果十分有限。目前，国内外学者逐渐开展了利用盐生植物修复重金属污染盐渍化土壤的研究[2]。在盐渍化土壤环境下，盐生植物与甜土植物相比具有较高的生物量和富集盐分的能力[3]，同时也具有较强重金属耐受性或积累重金属的能力[4]。土壤盐分可影响盐生植物对重金属的吸收转运及耐受性[5]。因此，挖掘并使用盐生植物治理重金属污染盐渍化土壤，具有较好的环境效应和经济效益。
为了提高土壤的修复效率，通过外源添加土壤修复剂强化植物修复效果的研究也逐渐开展起来[6]。乙二胺四乙酸（EDTA）是一种有效的二价金属离子螯合剂，能增加土壤重金属的移动性，可显著提高重金属污染土壤的植物修复效率[7]。生物质炭是一种来源广泛的土壤改良剂，一方面在盐渍化或重金属污染土壤环境中生物质炭可改善土壤理化性质和植物营养状况[8]，提高植物对逆境胁迫的抗性[9]，可加速土壤中盐分的浸出，对于改良盐渍化土壤具有巨大的潜力[10]；另一方面生物质炭具有巨大的比表面积，可固持和吸附土壤中的重金属并降低其有效态含量，从而减轻重金属对植物的毒害作用[11]。目前，国内外有关利用EDTA和生物质炭促进盐地碱蓬修复重金属污染盐渍化土壤的研究尚较少[2]，并且二者对重金属污染盐渍化土壤修复的作用机理也不尽相同，其相关研究对于强化重金属污染盐渍化土壤的植物修复效率具有重要的科学意义和应用价值。
本研究采用盆栽试验法，模拟重金属镉（Cd）污染NaCl型盐渍化土壤，研究施加EDTA和生物质炭两种修复剂对重金属污染盐渍化土壤中盐地碱蓬生长、离子平衡、盐分离子和重金属镉吸收、积累的影响，探讨修复剂的施加对盐地碱蓬修复Cd污染NaCl型盐渍化土壤的影响，旨在为重金属污染盐渍化土壤的修复提供基础数据和技术支持。
1 材料与方法 1.1 供试材料供试植物为盐地碱蓬（Suaeda salsa），种子采于内蒙古锡林郭勒盟苏尼特右旗。播种前，挑选大小均一饱满的种子，用10%H2O2消毒10 min。供试修复剂EDTA（分析纯，天津市永大化学试剂开发中心）购于鑫业鸿程试剂耗材公司；生物质炭购于江苏省溧阳市德胜活性炭厂，由水稻秸秆烧制。生物质炭的技术指标：外观为粉末状，粒度为150~200目，pH为10.57，比表面积大于400 m2·g–1，铁盐小于0.1%，堆积比重低于450 mg·L–1，水分低于10%，总碳538.2 g·kg–1，氮13.8 g·kg–1，磷3.0 g·kg–1，钾23.4 g·kg–1，制作温度高于500℃，烧制时间约为4 h。供试土壤采自呼和浩特市苗圃区（40º48´N，111º43´E），采样深度为0~20 cm，自然风干过2 mm土壤筛，理化性质见表 1，重金属Cd浓度为0.084 mg·kg–1，水溶性盐含量为0.25 g·kg–1。通过向采集的无污染非盐渍化土壤（Cd0S0：0 mg·kg–1Cd，0 g·kg–1NaCl）中施加氯化钠（NaCl）和氯化镉（CdCl2）溶液模拟NaCl型盐渍化土壤（Cd0S4：0 mg·kg–1Cd，4 g·kg–1NaCl）、重金属Cd污染土壤（Cd3S0：3 mg·kg–1Cd，0 g·kg–1NaCl）和重金属Cd污染NaCl型盐渍化土壤（Cd3S4：3 mg·kg–1Cd，4 g·kg–1NaCl）。将土壤混合均匀后装在圆形花盆中，在室温保持80%田间持水量老化四周后使用。
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表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Physico-chemical properties of the soil |
盆栽试验在内蒙古大学玻璃温室内完成。试验设置4种不同类型的土壤基质，分别为无污染非盐渍化土壤（Cd0S0）、NaCl型盐渍化土壤（Cd0S4）、重金属Cd污染土壤（Cd3S0）和重金属Cd污染NaCl型盐渍化土壤（Cd3S4）；每种土壤基质设置对照和施加两种修复剂处理，分别为不添加修复剂对照处理（CK）、添加EDTA（4 mmol·kg–1）、生物质炭（BC，15 g·kg–1）处理。每个处理设置4个重复，共计48盆，随机排列。培养容器为圆形塑料花盆（上口径16.5 cm×下口径10.5 cm×高度13 cm），内衬灭菌塑料自封袋，每盆装老化四周后的土壤2 kg，种植前将生物质炭与土壤均匀混合。每盆播种消毒后的盐地碱蓬种子100颗，生长10 d后间苗，保留4株长势相近的植株。在植物收获前一周以溶液的形式分2次添加EDTA至设置浓度[12]。试验期间自然采光，采用称重法浇水以维持植物生长期土壤基质含水量为田间最大持水量的100%。出苗之日起，生长75 d后收获盐地碱蓬植物样品。
1.3 样品制备与分析自茎基部将盐地碱蓬地上部剪下，用蒸馏水反复多次冲洗茎叶和根系，70℃烘干后称重。粉碎植物样品，称取0.5 g加入5 mL超净高纯HNO3（BV-Ⅲ）在120℃开放式消煮96 h。利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，Optima 7000DV，PerkinElmer，美国）测定消煮液中磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）和钠（Na）浓度，电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，DRCE，PerkinElmer，美国）测定消煮液中重金属Cd浓度。采用纳氏试剂比色法测定土壤有效氮含量，混合溶液提取-电感耦合等离子体发射光谱法测定有效磷和速效钾含量[13]。可提取态镉的测定：在离心管中称取2.5 g风干土，加入25 mL乙酸铵-EDTA萃取液（0.5 mol·L–1 CH3COONH4，0.5 mol·L–1 CH3COOH，0.02 mol·L–1 Na2EDTA，pH 4.65），室温振荡1 h后离心，上清液过0.45 m滤膜，ICP-MS测定可提取态Cd浓度。
1.4 数据分析使用Excel 2013计算所有数据的平均值及标准误差，使用SPSS 24.0进行数据的统计分析，使用Origin 2017函数绘图软件制图。邓肯新复极差检验法（Duncan's test）检验各处理平均值之间的差异显著性（P < 0.05），采用多因素方差分析盐分、重金属和修复剂的作用及三者交互作用对相关测定指标的影响。应用皮尔森相关分析（Pearson correlation analysis），研究植物地上部和根部Cd浓度与土壤环境因子（土壤电导率EC、pH、有效氮、有效磷、速效钾、可提取态Cd浓度）的关系。
2 结果 2.1 修复剂对镉污染盐渍化土壤有效养分和可提取态镉浓度的影响施加两种修复剂对镉污染盐渍化土壤有效氮、磷、钾和可提取态镉浓度的影响，如表 2所示。与CK相比，施加生物质炭使得Cd0S0、Cd0S4、Cd3S0和Cd3S4处理土壤有效磷浓度显著增加了67.1%~188.9%；施加生物质炭处理时，Cd3S4与Cd0S0、Cd0S4、Cd3S0处理相比显著增加了土壤有效磷浓度（P < 0.05）。与CK相比，施加生物质炭使得Cd0S0、Cd0S4、Cd3S0和Cd3S4处理土壤速效钾浓度分别显著增加了33.7%~98.2%（P < 0.05）；施加生物质炭处理时，Cd3S4与Cd0S0、Cd0S4、Cd3S0处理相比显著增加了土壤速效钾浓度（P < 0.05）。与CK相比，施加EDTA使得Cd3S0处理可提取态Cd浓度显著增加了20.8%；在对照CK组，Cd3S4与Cd3S0相比，NaCl处理使得可提取态Cd浓度显著增加了41.7%（P < 0.05）。
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表 2 两种修复剂处理下镉污染盐渍化土壤有效氮、磷、钾和可提取态镉浓度 Table 2 Effects of the two remediation agents on available N, P and K and extractable Cd in Cd-polluted salinized soil |
施加两种修复剂对镉污染盐渍化土壤中盐地碱蓬生长的影响，如表 3所示。无论是否施加修复剂，Cd0S4与Cd0S0相比，NaCl处理均使得盐地碱蓬地上部干物质量和总干物质量分别显著增加了115.5%~341.7%和66.6%~327.7%（P < 0.05）；Cd3S4与Cd0S4相比，镉胁迫均使得盐地碱蓬地上干物质量和总干物质量分别显著降低了62.8%~84.4%和66.6%~86.0%（P < 0.05）。与CK相比，仅施加生物质炭使得Cd3S0处理盐地碱蓬根部干物质量和总干物质量分别显著增加了1 133%和328.6%（P < 0.05）。
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表 3 两种修复剂处理下镉污染盐渍化土壤中盐地碱蓬的生物量 Table 3 Effects of the two remediation agents on biomass of the Suaeda salsa grown in Cd-polluted salinized soil |
施加两种修复剂对镉污染盐渍化土壤中盐地碱蓬植株离子平衡的影响，如表 4所示。无论是否施加修复剂，与Cd0S0或Cd3S0相比，Cd0S4处理盐地碱蓬地上部K+/Na+、Ca2+/Na+、P/Na+和根部K+/Na+、Ca2+/Na+均显著降低（P < 0.05）；不施加修复剂CK和施加EDTA处理组，与Cd0S0或Cd3S0相比，Cd3S4处理盐地碱蓬地上部K+/Na+、Ca2+/Na+、P/Na+和根部K+/Na+、Ca2+/Na+均显著降低（P < 0.05）；施加生物质炭时，Cd3S4与Cd0S0或Cd3S0处理相比，盐地碱蓬地上部和根部K+/Na+、Ca2+/Na+、P/Na+均显著降低（P < 0.05）。与CK相比，施加EDTA显著增加Cd0S0处理盐地碱蓬根部Ca2+/Na+，施加生物质炭显著增加Cd0S0处理盐地碱蓬地上部和根部K+/Na+、P/Na+；施加EDTA使得Cd3S0处理盐地碱蓬地上部K+/Na+、Ca2+/Na+显著下降（P < 0.05），施加生物质炭使得Cd3S0处理盐地碱蓬地上部Ca2+/Na+显著降低（P < 0.05），地上部P/Na+及根部K+/Na+、P/Na+均显著增加（P < 0.05）。
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表 4 两种修复剂处理下镉污染盐渍化土壤中盐地碱蓬的离子平衡 Table 4 Effects of the two remediation agents on ion balance in of the Suaeda salsa grown in Cd-polluted salinized soil |
施加两种修复剂对镉污染盐渍化土壤中盐地碱蓬吸收积累钠的影响，如图 1所示。无论是否施加修复剂，Cd3S0与Cd0S0相比，盐地碱蓬地上部和根部Na+浓度、含量均无显著性差异（P > 0.05）。施加EDTA和生物质炭时，Cd3S4与Cd0S4相比，Cd胁迫使盐地碱蓬地上部Na+浓度分别显著增加了32.5%和83.3%（P < 0.05）；不施加修复剂CK和施加生物质炭处理组，Cd3S4与Cd0S4相比，Cd胁迫使盐地碱蓬根部Na+浓度分别显著增加了39.6%和94.5%（P < 0.05）；无论是否施加修复剂，Cd3S4与Cd0S4相比，Cd胁迫使盐地碱蓬地上部和根部Na+含量分别显著降低了21.3%~83.0%和64.6%~90.9%（P < 0.05）。与CK相比，施加EDTA和生物质炭使Cd3S4处理盐地碱蓬地上部Na+浓度分别显著增加了38.6%和56.0%，地上部Na+含量分别显著增加了199.6%和289.3%（P < 0.05）；施加EDTA和生物质炭使得Cd0S4处理盐地碱蓬根部Na+含量分别显著降低了29.6%和29.4%（P < 0.05）。
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图 1 两种修复剂处理下镉污染盐渍化土壤中盐地碱蓬的钠离子浓度（a）、b））和含量（c）、d）） Fig. 1 Effects of the two remediation agents on concentration(a), b))and content(c), d))of sodium ions of the Suaeda salsa grown in Cd-polluted salinized soil |
施加两种修复剂对镉污染盐渍化土壤中盐地碱蓬吸收积累重金属镉的影响，如图 2所示。无论是否施加修复剂，Cd0S4与Cd0S0相比，NaCl处理对盐地碱蓬地上部和根部Cd浓度和含量均无显著影响（P > 0.05）；Cd3S4与Cd3S0相比，NaCl处理使盐地碱蓬地上部Cd浓度和含量分别显著增加了135.8%~223.6%和132.4%~471.5%（P < 0.05）。施加生物质炭时，Cd3S4与Cd3S0相比，NaCl处理使盐地碱蓬根部Cd浓度显著增加了282.2%（P < 0.05），而根部Cd含量显著降低了56.8%（P < 0.05）。与CK相比，施加生物质炭使Cd3S0处理盐地碱蓬根部Cd浓度显著降低了54.2%（P < 0.05），根部Cd含量显著增加了2100%（P < 0.05）；与CK相比，施加生物质炭使Cd3S4处理盐地碱蓬根部Cd浓度显著增加了31.1%（P < 0.05），EDTA和生物质炭使Cd3S4处理盐地碱蓬地上部Cd含量分别显著增加了133.4%和173.4%（P < 0.05）。皮尔森相关分析表明，盐地碱蓬地上部Cd浓度与土壤电导率EC、速效钾和可提取态Cd浓度呈显著正相关；盐地碱蓬根部Cd浓度与速效钾和可提取态Cd浓度呈显著正相关（表 5，P < 0.05）。
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图 2 两种修复剂处理下镉污染盐渍化土壤中盐地碱蓬的镉浓度（a）、b））和含量（c）、d）） Fig. 2 Effects of the two remediation agents on cadmium concentration(a), b))and content(c), d))in the Suaeda salsa grown in Cd-polluted salinized soil |
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表 5 盐地碱蓬地上部和根部镉浓度与土壤环境因子的相关性 Table 5 Pearson correlation coefficient between Cd concentrations in shoot and root of the Suaeda salsa and soil environmental factors |
生物量是植物生长最直观的生理指标，通常作为植物对逆境胁迫反应的重要参数[14]。本研究显示，在无Cd胁迫时NaCl处理显著促进了盐地碱蓬的生长，而在Cd胁迫下NaCl处理对盐地碱蓬的生长无显著影响（表 3），表明土壤中一定量的盐分有益于盐生植物的生长，而Cd胁迫抑制了盐分对于盐生植物生长的有益作用。研究显示，盐地碱蓬可在NaCl浓度为10~400 mmol·L–1的环境下生长，且在200 mmol·L–1时生长最佳[15]。在对照和1.0 mg·kg–1Cd处理下，5 g·kg–1NaCl处理的碱蓬生物量显著高于1 g·kg–1NaCl处理；而在2.5 mg·kg–1和5.0 mg·kg–1Cd处理下，随着土壤中盐分的增加（1 g·kg–1~10 g·kg–1），碱蓬生长均受到显著抑制[16]。此外，无NaCl处理时Cd胁迫未显著影响盐地碱蓬的生长，而NaCl处理时Cd胁迫却显著抑制了盐地碱蓬的生长，表明盐渍化土壤环境增加了重金属Cd对盐地碱蓬生长的毒害作用，可能原因是NaCl活化了土壤中的Cd，使有效态Cd浓度增加，促进了盐地碱蓬对Cd的吸收；这与本研究中施加NaCl显著增加了Cd处理土壤中可提取态Cd浓度和盐地碱蓬地上部Cd浓度的研究结果（表 2，图 2）相一致。已有研究表明，NaCl能显著促进Cd从土壤中解吸活化，从而使盐碱化土壤中Cd对于植物的毒害作用增强[17]。陈雷[16]的研究发现，在5 g·kg–1和10 g·kg–1NaCl处理下，Cd浓度的增加（0~5 mg·kg–1）抑制了碱蓬的生长；而在1 g·kg–1NaCl处理时，Cd浓度的增加却显著促进了碱蓬的生长。上述研究结果表明，盐分和重金属复合胁迫对盐生植物生长的影响与土壤环境中盐分和重金属浓度直接相关。研究发现，在重金属Cd污染土壤中施加1 g·kg–1菌渣生物质炭可提高小白菜的产量，可能的机理是生物质炭可提供植物生长的营养元素，并将Cd吸附固定在土壤中[18]。本研究显示，在Cd3S0处理时施加生物质炭显著促进了盐地碱蓬的生长（表 3），表明在单Cd胁迫下生物质炭有助于促进盐生植物的生长，缓解重金属对于盐生植物的毒害作用，可能与生物质炭显著改善了盐地碱蓬磷营养状况，显著增加地上部、根部P/Na+和根部K+/Na+，显著降低根部Cd浓度等作用相关；而在Cd污染盐渍化土壤中，生物质炭处理未显示出对盐地碱蓬生长的有益作用。
植物离子平衡被破坏是植物受到外界胁迫时生长受到抑制的主要原因之一。本研究显示，无论有无Cd胁迫，NaCl处理均使盐地碱蓬地上部和根部K+/Na+、Ca2+/Na+、P/Na+显著降低（表 4），表明盐分是影响植株体内离子平衡的关键因素，这也与已有的研究结果相一致[19]。其主要原因可能是随着土壤中盐浓度的增加，植物对于Na+的吸收显著增加，从而使植株K+/Na+、Ca2+/Na+、P/Na+显著降低。施加生物质炭显著增加了Cd0S0处理盐地碱蓬地上部及根部K+/Na+和P/Na+，显著增加了Cd3S0处理盐地碱蓬地上部P/Na+及根部K+/Na+和P/Na+（表 4），主要可能是因为生物质炭本身含有丰富的P、K元素[20]，从而促进了盐地碱蓬对P和K的吸收，本研究结果也显示生物质炭显著增加了土壤中有效磷和速效钾浓度（表 2）。
3.2 修复剂对镉污染盐渍化土壤植物修复效率的影响及原因在重金属污染盐渍化土壤中，重金属与盐分离子之间存在着复杂的交互作用[5]。盐渍土中所含有的盐分离子非常复杂，其中NaCl被认为是盐渍土中最为主要的一种盐[21]。Na+既是盐渍土中最主要的离子，同时也是使盐地碱蓬肉质化的因素[22]。本研究显示，Cd3S4与Cd0S4相比，Cd处理显著增加盐地碱蓬地上部和根部Na+浓度（图 1）。谭灵杰[14]的研究发现，在盐和镉复合胁迫下（5 mg·kg–1Cd+ 2 g·kg–1NaCl），镉使得美洲黑杨雄株叶片Na+浓度显著增加，其认为Na+与Cd之间存在协同吸收效应。此外，在Cd3S4处理时施加EDTA和生物质炭使得盐地碱蓬地上部Na+浓度和含量均显著增加（图 1），表明两种修复剂均可增加盐地碱蓬对盐分的吸收积累，从而促进重金属污染盐渍化土壤的植物修复。可能是因为EDTA可以活化土壤中的金属阳离子，而生物质炭能促进植物的生长，从而促进了盐地碱蓬对Na+的吸收积累。目前，关于重金属或修复剂对盐生植物吸收积累盐分离子影响的研究尚不多，其相关作用机理尚需进一步研究。
镉是植物生长的非必需元素，具有极高的生物毒性，可破坏叶绿体膜的完整性，减少营养元素的吸收，增加细胞膜的透性，影响植物呼吸作用、光合作用和碳氮代谢等生理生化反应，从而抑制植物的生长[23]。本研究显示，Cd3S4与Cd3S0相比，盐地碱蓬地上部Cd浓度和含量均显著增加（图 2），表明NaCl促进了盐地碱蓬对Cd的吸收和积累，与盐地碱蓬地上部Cd浓度和土壤电导率EC呈显著正相关的结果（表 5）相符合。相关研究认为不同的阳离子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）均可使土壤中重金属Cd有效态浓度增加[24]，可能解释了其原因。Gabrijel等[25]的研究发现，NaCl可促进重金属Cd在甜瓜叶片中的积累，并且在种植甜瓜25 d后，随着盐浓度的增加叶片中Cd浓度显著增加。但也有研究显示，氯化钠降低了盐生植物海滨锦葵对于重金属Cd的吸收[26]；含硫酸钠和碳酸钠的土壤抑制了油菜对于Cd的吸收，而低浓度氯化钠促进其对Cd的吸收，高浓度氯化钠无显著影响[27]。导致研究结果不同的原因可能是盐分对植物吸收积累重金属元素的影响与盐种类和浓度相关，且植物种类和生长情况对重金属的吸收积累也有一定的影响。此外，施加EDTA和生物质炭显著增加了Cd3S4处理盐地碱蓬地上部Cd含量（图 2），表明两种修复剂均可显著增加盐地碱蓬对Cd的积累，从而促进重金属污染盐渍化土壤的植物修复。相关研究显示，施加EDTA可显著增加水稻体内（茎部、叶片以及籽粒）Cd含量[28]，使旱生盐土植物猪毛菜幼苗中重金属Cd浓度升高为对照的两倍[29]。研究已证明EDTA可显著的活化土壤中的重金属离子，使其在土壤中的移动性增加，有助于被植物所吸收[30]。然而，本研究结果显示在盐渍化土壤环境下，施用EDTA显著降低了重金属污染盐渍化土壤中可提取态Cd浓度（表 2），EDTA可能是通过促进盐地碱蓬的生长而增加对Cd的积累。此外，盘丽珍等[31]的研究发现，施加生物质炭后空心菜地上部Cd含量显著增加；而Houben等[32]的研究显示，生物质炭可使油菜体内Pb、Cd和Zn的含量显著降低，是重金属污染土壤修复良好的钝化剂；生物质炭也可显著降低青菜体内重金属Zn、Cd、Pb、Cu的含量[33]。研究结果存在差异的可能原因为，首先生物质炭用量不同会造成对重金属吸附效果的差异，其次因为生物质炭具有增肥和改善土壤结构的作用，可促进植物的生长，导致植物对重金属积累量的增加[34]。而本研究结果显示，在重金属污染盐渍化土壤环境下，施加生物质炭显著降低了土壤中可提取态Cd浓度（表 2），却改善了盐地碱蓬的生长（表 3）。
4 结论Cd胁迫显著抑制了土壤盐分对于盐地碱蓬生长的有益作用，盐渍化土壤环境显著增加了重金属Cd对盐地碱蓬生长的毒害作用。Cd胁迫可显著增加盐渍化土壤中盐地碱蓬地上部和根部Na+浓度，显著降低盐地碱蓬地上部和根部Na+含量。土壤盐分可显著增加Cd胁迫下盐地碱蓬地上部Cd浓度和含量；盐地碱蓬地上部和根部Cd浓度与土壤速效钾和可提取态Cd浓度呈显著正相关。在Cd污染NaCl型盐渍化土壤中施加EDTA和生物质炭显著增加了盐地碱蓬地上部Na+和Cd含量，提高了重金属污染盐渍化土壤的植物修复效率。
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