调控剂对锌镉污染土壤植物修复效率及后茬蔬菜重金属吸收的影响

采用盆栽试验,在连续12年高量施用污泥有机肥引起的Zn、Cd污染土壤上种植伴矿景天,并向土壤中添加亚氨基二琥珀酸(IDS)、乙二胺二琥珀酸三钠(EDDS)、硫磺等化学调控剂及稳定剂钙镁磷肥,研究调控剂对伴矿景天吸收Zn、Cd及施用钙镁磷肥对后茬蔬菜重金属污染风险的影响,以期探索出既可提高超积累植物重金属吸取修复效率又能降低后茬农作物重金属污染风险的植物修复模式.结果表明,施用120 mmol/kg硫粉(Sed+S)处理可显著增加伴矿景天地上部生物量,分别比未加调控剂的对照处理伴矿景天(Sed)、伴矿景天添加有机调控剂(Sed+OE)处理增加34.7％和47.9％.施用3 mmol/kg IDS则显著降低了伴矿景天地上部Cd浓度,比Sed处理降低了35.5％.施用钙镁磷肥稳定剂可有效降低后茬蔬菜苋菜体内Zn、Cd浓度,降幅为57％、63％,施用4 g/kg钙镁磷肥后土壤醋酸铵提取态Zn、Cd分别较对照降低66.1％、72.4％.可见,适当施用硫肥能促进伴矿景天的生长,添加钙镁磷肥降低土壤有效态重金属浓度,减少后茬作物污染风险.     

铜对伴矿景天生长及锌镉吸收性的影响

利用植物生长室水培试验和温室土培盆栽试验相结合,研究了Cu对Zn、Cd超积累植物伴矿景天生长及Zn、Cd吸收性的影响。水培试验结果显示,0.31～50μmol/L Cu处理14天对伴矿景天生长及对Zn、Cd吸收性没有显著影响;但100μmol/L Cu处理显著抑制植物生长,降低地上部Zn、Cd及根中Cd浓度,对根中Zn浓度变化没有显著影响。盆栽试验结果发现,在土壤Cu仅为3.61 mg/kg时伴矿景天生长不良,外加Cu显著促进其生长并随Cu浓度升高效应增加;但施用3 mmol/kgEDDS和再次外加250 mg/kg Cu处理使伴矿景天因体内Cu积累量过高而导致明显毒害,地上部Cu最高达1 068 mg/kg。可见低量Cu处理可促进伴矿景天生长,利于植物对土壤Zn、Cd的吸取修复,但土壤中Cu浓度过高将抑制Zn、Cd超积累植物的生长,降低其Zn、Cd吸收能力,在利用该Zn、Cd超积累植物修复高Cu的Zn和Cd污染土壤时应采取适当措施降低Cu毒害效应。     

柠檬酸活化协同伴矿景天-玉米套作对镉轻微污染土壤的修复效果

伴矿景天-玉米套作是一种原位、绿色、边生产、边修复Cd污染土壤的有效方式,土壤中添加柠檬酸可有效提高伴矿景天的修复效率。该研究通过田间微区试验,探究了柠檬酸不同添加方式协同伴矿景天-玉米套作模式对Cd轻微污染稻田土壤修复机理及修复效果。结果表明：1）同一种植模式,添加柠檬酸可提高土壤Cd有效性,显著提高伴矿景天的修复效率;5次添加柠檬酸,伴矿景天单作时修复效率提高了2.09%,套作时提高了10.54%。2）柠檬酸添加量相同时,套种与伴矿景天单种相比,修复效率提高了3.42%～4.27%,同时减少了玉米对土壤Cd的吸收。3）5次添加柠檬酸协同伴矿景天-玉米套作,伴矿景天Cd移除量可达18.59 mg/m2,该处理伴矿景天对轻微Cd污染土壤的修复效果最佳。因此,柠檬酸协同伴矿景天-玉米套作的联合修复模式可强化伴矿景天修复效率,可运用于Cd轻微污染稻田土壤的修复,并可实现边修复边生产。     

3种有机酸对伴矿景天修复效率及土壤微生物数量的影响

伴矿景天(Sedumplumbizincicola)是一种Cd和Zn的超积累植物,常用于Cd污染土壤的植物修复。有机酸能够提高土壤重金属的有效性,促进植物对重金属的积累,对重金属污染土壤的植物修复效率具有强化作用,并对土壤微生物数量有重要影响。以河潮土和红黄泥为供试土壤,探讨了乙二胺四乙酸(EDTA)、柠檬酸、草酸对伴矿景天修复效率和土壤微生物数量的影响。结果表明,有机酸能显著提高土壤有效态Cd含量,柠檬酸处理的效果最好,河潮土和红黄泥中有效态Cd含量较单种伴矿景天分别增加72.73%,12.99%(P<0.05);伴矿景天地上部Cd含量在河潮土和红黄泥中以EDTA处理最高,在河潮土和红黄泥中分别比单种伴矿景天增加99.24%和33.32%;与单种伴矿景天相比,添加有机酸处理河潮土和红黄泥中伴矿景天修复效率显著提高。添加有机酸比单种伴矿景天显著增加土壤中微生物数量,其中柠檬酸处理河潮土中细菌和真菌数量分别增加34.38%和68.42%(P<0.05),草酸处理红黄泥中放线菌数量增加150.00%。研究结果可为重金属污染土壤的植物强化修复提供理论支撑。     

酸性土壤上伴矿景天铝毒的缓解技术研究

酸性土壤上易产生铝（Al）毒害作用，缓解Al毒对于污染土壤上超积累植物的生长及重金属有效削减具有重要意义。本研究比较了不同措施对镉（Cd）超积累植物伴矿景天的Al胁迫缓解作用，结果发现：① 在水培条件下，锌添加可促进了Al胁迫下伴矿景天根表Cd2+吸收速率，而添加氯化钙或柠檬酸没有显著的缓解作用；② 在盆栽试验条件下，添加石灰处理显著提高了土壤pH，促进了伴矿景天生长和地上部对Cd的吸收，但添加生物质炭或柠檬酸没有显著缓解Al毒对伴矿景天生长和Cd吸收的抑制，添加柠檬酸反而加剧了土壤酸化，提高了土壤Al的活性；③在伴矿景天与荞麦间作条件下，其一定程度上降低了土壤的Al活性，在合适的种植密度下并未显著影响伴矿景天单株地上部Cd吸收量。综上，酸性土壤上耐Al作物与修复植物间作、结合添加改良剂调控Al毒，能够不显著降低土壤Cd的有效性和修复植物的Cd吸收，进而实现污染土壤的边生产边修复。     

养分调控对超积累植物伴矿景天生长及锌镉吸收性的影响

采用四因素三水平正交设计温室盆栽试验研究了N、P、K三因素不同水平对Zn、Cd超积累植物伴矿景天的生长及地上部Zn、Cd吸收性的影响。结果表明,增施N肥是伴矿景天地上部干重增加的主要因素,高N配施低P(200 mg/kg N,60 mg/kg P,不施K)处理的伴矿景天地上部干重达最大值31.2 g/盆(1.5 kg土/盆),是不施肥处理的3.15倍。增施K肥是提高伴矿景天地上部重金属尤其是Cd浓度和吸收量的主要影响因子,高量K处理比不施K处理地上部Cd浓度增加28.1%;低量施P也可提高伴矿景天的Zn吸取修复效率。综合考虑伴矿景天生物量及其对Zn、Cd的吸取效率,本试验条件下低量N、P肥配施高量K肥为最佳施肥处理(N1P1K2),种植伴矿景天一季对Zn、Cd的吸取量分别为11.2 mg/kg±0.1 mg/kg和0.12 mg/kg±0.02 mg/kg。     

植物吸取修复及钝化处理对后茬水稻镉吸收的影响

采集湖南湘潭县某地镉(Cd)污染酸性农田土壤及其经伴矿景天分别吸取修复两季和三季后的土壤,采用盆栽试验研究了经伴矿景天修复及钝化改良与否对土壤pH、有效态Cd、Zn以及水稻生长和稻米Cd、Zn浓度的影响。结果表明:未改良的处理,随着修复次数的增加,土壤pH显著降低,降低幅度为0.26~0.38个单位;且修复两季、三季土壤CaCl_2提取态Cd浓度较未修复土壤分别降低19.4%、24.0%;修复后土壤种植水稻品种W184,其糙米中Cd浓度显著降低,但依然超标;修复三季土壤种植低积累水稻品种IRA7190,其糙米中Cd由0.47 mg/kg降为0.03 mg/kg。施加钝化剂海泡石和石灰(10 g/kg+1 g/kg)后,修复两季、三季土壤的pH显著升高,较未施钝化剂处理土壤pH分别提高0.95、0.72;土壤CaCl_2提取态Cd浓度分别降低79.8%、79.5%;修复两季、三季土壤上水稻W184糙米的Cd浓度与未施加钝化剂相比,分别降低27.3%、44.4%,均降至国家食品安全限值0.2 mg/kg以下;无论是否添加钝化剂,伴矿景天吸取修复三季的土壤上水稻IRA7190糙米中Cd浓度均仅0.03 mg/kg。     

可溶性磷肥对重金属复合污染土壤东南景天提取锌/镉及其养分积累的影响

施肥能显著提高植物产量,改变土壤环境中元素的生物有效性,已成为植物修复过程中必要的强化措施。针对长期自然老化的重金属复合污染土壤,采用盆栽试验研究了KH2PO4、Ca(H2PO4)2、NaH2PO4和NH4H2PO4在P2O5 0～352 mg/kg时,对东南景天（Sedum alfredii H.）地上部锌（Zn）、镉（Cd）积累和养分元素吸收的影响。结果表明,外源施入磷酸二氢盐促进了东南景天生长,P2O5 352 mg/kg显著增加了地上部干物质重;地上部磷（P）含量显著增加,Zn含量随着P浓度的增加而显著升高,而Cd含量显著下降。磷肥降低了植物地上部氮（N）、中量元素钙（Ca）、镁（Mg）、硫（S）和微量元素锰（Mn）、铁（Fe）、铜（Cu）的含量,对钾（K）含量的影响不显著,地上部总碳（C）含量随P浓度增加而升高。一季收获后,东南景天地上部对Zn的提取量在施P2O5 88和352 mg/kg时显著增加,Cd提取量仅在高浓度时显著升高。KH2PO4和NH4H2PO4两种磷肥在施P2O5 352 mg/kg时对东南景天提取土壤Zn、Cd的效果最为明显,可在实际修复应用中使用。因此,合理磷酸盐施用能增加植物对C的生物固定,提高东南景天对Zn/Cd复合污染土壤的修复效率,缩短修复周期。     

水分特征对伴矿景天生长和重金属吸收性的影响

利用盆栽试验研究了水分特征对伴矿景天生长和重金属吸收性的影响.结果表明:在70% 土壤最大田间持水量(70%WHC)处理下,伴矿景天生长最好,其地上部鲜重显著高于其他处理;70%WHC处理伴矿景天对重金属吸收能力最强,其茎中Zn的浓度显著高于其他处理,茎中Cd的浓度分别比35%WHC、100%WHC、淹水处理高27.1%、29.0%、63.1%;叶中的Zn浓度表现出与茎中相同趋势,叶中Cd的浓度与茎中不同,以100%WHC处理最高.70%WHC处理下,植物提取Zn、Cd的效率最高,其修复效率均显著高于其他处理.这些结果表明,土壤水分状况在土壤重金属污染伴矿景天植物吸取修复中起着重要作用.     

东南景天提取污染土壤中锌的潜力研究

通过盆栽实验研究了两种生态型东南景天提取污染土壤中锌的能力,结果表明,超积累生态型东南景天具有很强的忍耐土壤中高浓度锌、铅和镉的能力,并能从土壤中吸收和转移大量锌到地上部,超积累生态型东南景天地上部的Zn含量为7062～9558mg／kg,非超积累生态型为256～407mg／kg,超积累生态型东南景天地上部的Zn总积累是非超积累生态型的4l～62倍。矿山土壤添加稻草后,促进了超积累生态型东南景天的生长,地上部生物量显著提高,且锌含量也明显增加。种植超积累生态型东南景天后土壤乙酸铵提取态锌有上升趋势,和种植前比较,在矿山土壤和污染土壤上分别增加了4．3％和9．4％,种植超积累生态型东南景天后土壤交换态锌和有机结合态锌明显增加,残渣态锌减少,而对非生态型,种植前后土壤中锌的化学形态没有什么变化。添加菜籽饼和稻草对两种土壤中Zn的化学形态转化均没有显著性影响,其原因有待进一步研究。这些研究结果表明,超积累生态型东南景天具有较强的修复锌污染土壤的潜力。     

不同生境下锌镉在伴矿景天不同叶龄叶中的富集与分布特征

田间试验、温室盆栽和生长室水培试验研究了Zn和Cd超富集植物伴矿景天不同叶龄叶片的Zn、Cd富集和分布特征。结果显示,田间条件下伴矿景天新叶中Cd浓度高于成熟叶、但新叶中Zn浓度低于成熟叶。温室盆栽试验发现,连续种植伴矿景天,第4季时低污染土壤（S1）上新叶中Zn浓度低于成熟叶,但高污染土壤（S4）上新叶中Zn浓度高于成熟叶;而到了第6季,S1、S4上新叶中Zn浓度均低于成熟叶,且在S1上两者达到显著水平;第4和第6季,伴矿景天新叶中Cd浓度始终高于成熟叶（除S1成熟叶中Cd浓度略高于新叶外）。水培试验结果发现,无论在高Zn（600 mmol/L）、高Cd（100 mmol/L）,还是低Zn（10 mmol/L）、低Cd（1 mmol/L）处理,新叶中Zn、Cd浓度均高于成熟叶;而且随着处理时间的延长,新叶和成熟叶中Zn、Cd浓度均明显上升。水培条件下,新叶和成熟叶中Zn最高分别为43 107、33 774 mg/kg（以干重计）（600 mmol/L,处理56 天）;新叶和成熟叶中Cd的最高浓度分别为15 057、9 060 mg/kg（以干重计）（100 mmol/L Cd,处理56 天）。这些结果表明,Zn、Cd在伴矿景天新叶和成熟叶中富集和分布与其生长介质中Zn、Cd的浓度尤其是有效态浓度、处理时间及植物所处的生长阶段等有关,同时也表明Zn、Cd优先分布于新叶可能与伴矿景天超富集Zn、Cd的机制有关。     

伴矿景天和鹅掌柴间作系统中根系相互作用对植物生长和镉锌吸收的影响

为明确不同物种根系间的相互作用对植物生长和重金属元素吸收的影响,以Cd、Zn超积累植物伴矿景天与花卉植物鹅掌柴为材料,研究二者根系相互作用及对植物生长和Cd、Zn的影响。结果发现,二者根系具有相互抑制生长的作用。单作条件下伴矿景天的Cd、Zn吸收量最高,分别达0.812、19.6 mg/盆;较单作相比,无分隔间作条件下伴矿景天对土壤Cd、Zn吸收降低分别达30.0%和30.6%。两种植物根系改变了土壤养分性质,对土壤钾和磷的利用分别具有竞争和互补作用,但其有效态含量并未降低到亏缺水平,养分竞争可能不是两种植物根系相互作用的主要因素。水培试验表明鹅掌柴根系分泌物对伴矿景天的生长和Cd吸收具有抑制作用。     

镉污染中性土壤伴矿景天修复的硫强化及其微生物效应

田间微区试验研究了施硫(S)处理对中性镉污染农田上伴矿景天镉吸取修复效率、土壤pH、有效态镉(Cd)、有效态硫以及微生物群落变化的影响。结果发现,土壤pH值随时间和硫用量的增加而显著下降,有效态镉和有效态硫随时间和硫用量的增加而显著增加。在360 g/m_²硫处理下,伴矿景天地上部镉浓度为70.9 mg/kg,较不施硫对照(38.3 mg/kg)增加85%,耕层土壤全量镉去除率为19.4%,是对照(10.5%)的1.85倍。施硫处理150天后,土壤Thiomonas和Rhodanobacter细菌相对丰度显著高于试验前土壤和对照处理。本试验结果表明,中性土壤施加适量硫磺不仅可显著提高污染土壤中镉的生物有效性,也可通过调节与硫代谢相关的功能微生物,显著增强镉的植物吸取修复效率。     

谷氨酸N,N-二乙酸及液体肥联合强化对东南景天修复重金属污染土壤的影响

化学强化可提高超富集植物对土壤重金属的提取效果。采用盆栽试验,研究了可生物降解螯合剂谷氨酸N,N-二乙酸(GLDA)、液体肥的不同用量及复配使用对超富集植物东南景天吸收土壤重金属Cd、Zn的影响,并探讨了其渗滤液对环境的风险。结果表明:单一使用GLDA或者液体肥均能提高东南景天对土壤Cd、Zn的提取效率,其中1.25 mmol/kg GLDA处理的Cd、Zn提取量分别是空白处理的1.36,1.46倍,0.5 g/kg液体肥处理的Cd、Zn提取量分别是空白处理的1.40,1.43倍,这2种低用量单独使用的处理对Cd提取效率最高,达到41%～42%,且对应的渗滤液重金属含量均比空白处理要低,其环境风险较小。GLDA与较高用量(2 g/kg土)液体肥复配时,其东南景天对土壤Cd、Zn的提取量与空白处理相比有所下降。结果表明,GLDA和液体肥在强化植物修复方面有明显潜力,而且以低剂量单独使用强化效果较佳,值得进一步的田间试验核实。     

Phytoextraction of Cd and Zn with Thlaspi caerulescens in field trials

Abstract. Phytoextraction is the remediation of heavy metal contaminated soils using plants that take up metals. Hyperaccumulating plants such as Thlaspi caerulescens are often studied for their possible use for decontamination of Cd and Zn rich soils, but few field trials have been reported, although they are necessary to validate the results of hydroponic and pot studies. This article reports field data for T . caerulescens grown on a calcareous and an acidic soil, both contaminated 20 years ago by either atmospheric depositions or septic-tank wastes. Accelerated cropping using transplants grown three times in eight months was compared to Thlaspi sown twice during the same period. Both were followed by one crop of sown Thlaspi . High Cd and Zn concentrations in the plant shoots compensated for the low biomass production. Annual metal exports with transplanted Thlaspi were 130 g Cd ha⁻¹ and 3.7 kg Zn ha⁻¹ on the calcareous soil and 540 g Cd ha⁻¹ and 20 kg Zn ha⁻¹ on the acidic soil. We concluded that within the framework of the Swiss legislation, remediation of Cd-contaminated soils could be achieved within less than 10 years with one crop of Thlaspi per year, but differences in soil properties could affect the rate of phytoextraction significantly. Total Zn content in both soils was too high to be remediated by T . caerulescens in a realistic time span. Thlaspi did not decrease the NaNO₃-extractable fraction of Cd or Zn in either of the soils.