不同有机酸对石灰性土壤镉污染修复效应研究

王 博，张世浩，李俊华

(新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室 /石河子大学农学院，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】近年来随着工业和社会经济的发展，土壤中重金属含量不断增加，对人类以及其他生物的生存构成了巨大的威胁，越来越受到人们的关注。重金属镉会在作物中不断的积累，严重影响了粮食安全问题，国内外对于土壤重金属镉修复的研究逐渐成为热点。【前人研究进展】研究表明，有机酸会影响土壤中的重金属或者环境中重金属的迁移与转化、生物有效性[1]。游蕊等[2]研究证实，有机酸能影响土壤对重金属的吸附、解吸。施用有机酸会提高土壤中重金属的有效性，有利于作物对重金属镉积累；对于不同有机酸对土壤、矿物中的吸附-解吸效应、镉在土壤中的移动性和生物有效性的影响也存在较大差异[3-5]。通过施加不同有机酸可以有效调节污染物在土壤液相和固相之间的浓度平衡，使土壤溶液中的重金属浓度得到提高从而强化植物对土壤中重金属的吸收。刑艳帅[6]研究表明，不同的有机酸增强油菜对镉的积累，同时也增加了油菜的富集系数。潘丽萍等[7]研究表明柠檬酸降低土壤有效重金属含量及促进剑麻吸收、累积重金属。梁彦秋等[8]研究表明用醋酸、柠檬酸、乳酸、草酸处理能促进蒲公英的生长及地上部对镉的吸收。易龙生等[9]研究柠檬酸和酒石酸对重金属的去除率随浓度的变化而变化，不同的有机酸对不同重金属的去除率也不同。【本研究切入点】杨仁斌等[10]研究结果显示，有机酸在一定的高浓度条件下才对土壤中的Cd有较强的活化能力，提高了镉的有效形态。以石灰性土壤中镉为研究对象，滴施不同的有机酸，降低土壤pH值，分析不同有机酸对土壤镉形态、含量的影响。利用不同作物对土壤中镉进行吸收积累，通过收割、集中处理达到修复土壤镉污染的目的。【拟解决关键的问题】通过盆栽模拟滴灌，研究不同有机酸或者混合有机酸对土壤修复效果，以及土壤镉形态转化的差异，为石灰性土壤重金属镉污染修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

选取小白菜和玉米作为供试作物，小白菜品种为神狮金丰，玉米为先玉335号，试验地点为石河子大学农学院试验站。供试土壤为当地石灰性土壤，土壤的基本理化性质为镉背景值为3.86 mg/kg，pH值7.46，有机质27.26 g/kg，碱解氮48.28 mg/kg，速效磷44.38 mg/kg，速效钾200.12 mg/kg。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用盆栽的试验方法，有机酸分别以为草酸溶液(用C表示)、酒石酸溶液(J)、黄腐酸溶液(H)、柠檬酸溶液(N)、草酸+黄腐酸混合溶液(C+H)、酒石酸+黄腐酸混合溶液(J+H)、pH为1的磷酸浸提有机肥(YP)、pH为1的硝酸浸提有机肥(YN)[11]、不加任何试剂的空白土壤(CK)，每次试剂用量。表1

每盆装入 2 kg 土，共 9个处理，每个处理3次重复。浇水500 mL待水土稳定1 d后，将10粒小白菜种子均匀撒施在土表并覆盖少量土，待小白菜真叶长出后，选择长势一致的每盆定苗5株。试验加入有机酸一共2次，第一次在出苗后的15 d滴入，第二次在出苗后30 d滴入，一共用量8 g；玉米试作方法及施加改良剂与小白菜相同，定苗2株。45 d后采集植株样品。

植株样品采集：植株样品分开取(小白菜的植株样品分别为根与叶，玉米的植株样品分别为根、茎、叶)，分别用蒸馏水洗涤后，擦干表面水分，在105℃下杀青0.5 h后75℃烘干至恒重，称重，用陶瓷研磨待测。

土壤样品采集：待植株样品采集完毕，每盆分别土壤倒出混匀取土壤样品，风干、过筛，用于土壤重金属形态分析。

表1 试验设计

Table 1 Experimental design

处理代码Treatment code处理Treatment处理内容Treatment contentCK空白对照500 mL水C草酸4 g溶于500 mL的水中浓度为8 g/LH黄腐酸4 g溶于500 mL的水中浓度为8 g/LJ酒石酸4 g溶于500 mL的水中浓度为8 g/LN柠檬酸4 g溶于500 mL的水中浓度为8 g/LC+H草酸+黄腐酸4 g(2+2)溶于500 mL的水中浓度为8 g/LJ+H酒石酸+黄腐酸4 g(2+2)溶于500 mL的水中浓度为8 g/LYP有机肥磷酸浸提液 pH为1的磷酸浸提有机肥滤液 500 mLYN有机肥硝酸浸提液pH为1的硝酸浸提有机肥滤液 500 mL

1.2.2 测定指标

先用微波消解[12]，再用日立Z-2000石墨炉-原子分光光度计测定土壤和作物的镉含量。土壤重金属的形态用Tessier等[13]连续提取法，将土壤中的镉分为交换态(Exch)、碳酸盐结合态(Carb)、铁锰氧化物结合态(FeMnOX)、有机结合态(OM)及土壤残渣态(Res)五种形态。取风干土后过100目尼龙筛的土壤样品，连续提取[14-15]，提取液采用石墨原子吸收法测定不同形态的镉的含量，用差减法计算土壤残渣态的镉含量，即用镉的总含量减去前四种镉形态含量。

Tessier连续提取法步骤如下：

可交换态(Exch)：准确称量(2.00±0.01) g的土壤于离心管，加入16 mL 1 mol/L MgCl2溶液，在pH 7.0(氨水调节)，温度(25±1)℃条件下，恒温连续振荡1 h，4 000 r/min离心15 min，上清液过滤后待测，用去离子水冲洗残留土壤，离心后残留土壤用于下一级形态的提取碳酸盐结合态(Carb)：将上部残留土壤加入16 mL 1 mol/L NaOAc溶液，pH 5.0(CH3COOH)温度(25±1)℃条件下恒温连续振荡5 h，4 000 r/min离心15 min，上清液过滤后待测，用去离子水冲洗残留土壤，离心后残留土壤用于下一级形态的提取。

无定形铁锰氧化物结合态(FeMnOX)：将上部残土壤加入20 mL 0.02 mol/L NH2OH·HCl的CH3COOH(25%，V/V)在pH 2.0，温度(96±3)℃恒温断续振荡6 h，其余步骤同上。

有机结合态(OM)：将上一级残余物加的再加6 mL 0.02 mol/L的HNO3，再加10 mL 30%H2O2(HNO3调pH为2)，(85±2)℃恒温，连续振荡2 h，然后加6 mL 60% H2O2恒温(85±2)℃连续振荡3 h，完毕后取出放置室温，加入5 mL 3.2 mol/L NH4OAc[20%(V/V)HNO3]，在(25±1)℃条件下连续振荡30 min，其余步骤同上，上清液待测。

土壤残渣态(Res)：用差减法计算土壤残渣态的含量，利用镉含量总量减去以上四种形态的镉含量，余下的即确认为镉残渣态含量。

1.3 数据处理

试验数据为三次重复的平均值，采用SPSS 13.0和Microsoft Excel 2016软件对数据进行分析和处理，单因素方差分析Duncun法多重比较各处理间的差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同有机酸对小白菜和玉米干物质的影响

研究表明,不同的有机酸对植株干物质的影响为，对于小白菜，相对于对照试验，所有处理均增加了植株生物量，不同有机酸对干物质影响为H>YP>YN>J+H>J>C>N>C+H，黄腐酸显著高于对照(P<0.05)，比对照的干物质增加了28%，其次是有机肥磷酸浸提液，增加28%，黄腐酸处理干物质量高于小分子量的有机酸(草酸、酒石酸、柠檬酸)处理，草酸+黄腐酸的混合酸比单独施用有机酸处理的生物量低，酒石酸+黄腐酸与单独施用有机酸处理无显著差异；两种有机肥酸浸提液对小白菜干物质无显著差异；对于玉米而言，除了黄腐酸+草酸和硝酸浸提有机肥相对于对照均增加外，其他有机酸处理下的植株干物质均低于对照，有机肥硝酸浸提液干物质增加了12%，草酸+黄腐酸干物质增加了9%，黄腐酸与小分子量有机酸相比，黄腐酸处理的干物质量最大。图1

图1 不同有机酸下作物干重变化

Fig.1 Effects of different organic acids on different crops dry weight

2.2不同有机酸对小白菜和玉米镉含量影响

研究表明，玉米的地下部镉含量明显要比地上部高，对于地上部镉含量，草酸对地上部镉含量影响最大，除酒石酸外，其余有机酸都对玉米的地上部镉含量均有所增加，草酸地上部镉含量相对于对照有显著差异(P<0.05)，增加161%，其次是黄腐酸，增加了118%。对于玉米地下部镉含量，除有机肥磷酸浸提液外，其他有机酸都对玉米镉的含量有所增加，影响最大的有机酸是草酸，其次是黄腐酸,与地上部相同，草酸比对照增加了47%，黄腐酸增加了38%，除去草酸外，黄腐酸与其他小分子量有机酸处理差异显著，混合酸的处理和有机肥酸浸提液的处理均低于单独有机酸的处理；混合酸、有机肥酸浸提液对玉米镉含量影响不大。

研究表明，小白菜的各处理地上部都明显高于地下部，除草酸和黄腐酸外，其余有机酸处理均增加地上部镉含量，柠檬酸处理增加最多，相对于对照增加459%(P<0.05)，其次是有机肥硝酸浸提液处理，增加了264%(P<0.05)，单独施用小分子量有机酸与黄腐酸差异显著，柠檬酸处理镉含量最高；除柠檬酸和酒石酸外，混合酸与单独施用的草酸处理或黄腐酸处理差异显著，但与酒石酸差异不显著。对于地下部，所有的处理相对于对照镉含量都降低，有机肥磷酸浸提液的地下部含量最低，相对对照降低83%(P<0.05)。图2

图2 不同有机酸下玉米与小白菜镉含量变化

Fig.2 Effect of different organic acids on the Cd content in corn and Chinses cabbage

2.3不同有机酸对小白菜和玉米镉吸收量影响

研究表明，在小白菜盆栽中，地上部吸收量明显对地下部的吸收量高，地上部柠檬酸的吸收量最高，比对照增加了580%(P<0.05)，其次是有机肥硝酸浸提液，增加了412%，黄腐酸的吸收量最低；除柠檬酸外，酒石酸+黄腐酸的吸收量比单独的有机酸吸收量多；地下部小白菜所有处理的吸收量均低于对照。玉米地下部的吸收量明显高于地上部，在地下部中草酸和有机肥硝酸浸提液比对照吸收量高，有机肥硝酸浸提液吸收量最高，增加了193%，除草酸外，黄腐酸与小分子量的有机酸的处理相比，黄腐酸吸收量较高；除酒石酸外，单独施用有机酸处理比混合酸吸收量较高。地上部除了酒石酸的吸收量低于对照，其他处理都显著高于对照；草酸的吸收量最高，增加了253%；其次是黄腐酸，增加了212%。表2

2.4 不同有机酸对土壤镉含量的影响

研究表明，小白菜土壤中，所有有机酸处理土壤镉含量均低于对照组，其中柠檬酸和有机肥硝酸浸提液显著低于对照，柠檬酸土壤镉降低最多，相对于对照降低了26%(P<0.05)，有机肥硝酸浸提液降低24%(P<0.05)；除柠檬酸与有机肥硝酸浸提液外，其他有机酸处理与对照差异不显著；玉米土壤中，所有有机酸处理均降低了土壤镉的含量，柠檬酸土壤镉降低最大，相对对照组降低了37%(P<0.05)，其次是草酸，降低了14%(P<0.05)，有机肥硝酸浸提液与有机肥磷酸浸提液差异显著，有机肥硝酸浸提液修复效果较好。图3

表2 不同有机酸下不同作物镉吸收量变化(μg/盆)

Table 2 Effect of different organic acids on Cd absorption of different crops (μg/pot)

处理Treatments小白菜 Chinses cabbage玉米 Corn地上部Above ground地下部Under ground地上部Above ground地下部Under groundCK 5.424 8±0.079 5f2.803 8±0.131 5a0.944 6±0.181 8f23.685 6±0.705 4abC 5.642 1±0.257 1f0.349 4±0.009 8fg3.322 3±0.210 0a23.985 8±2.106 1abH 2.801 4±0.188 8g0.529 8±0.014 8e2.947 9±0.062 5b22.002 0±2.811 2bJ11.988 7±2.376 8d1.111 1±0.027 2c0.706 5±0.210 3g15.814 0±1.384 5cdN36.867 5±0.529 2a0.669 3±0.010 1d1.476 2±0.131 4e17.240 4±0.927 0cC+H10.088 3±0.559 1e0.376 2±0.085 9f2.893 1±0.125 2b15.830 5±0.795 6cdJ+H13.001 0±0.213 6d0.346 9±0.073 3fg2.832 3±0.077 3b12.980 3±1.100 4eYP17.780 8±0.383 4c0.243 7±0.001 6g2.405 1±0.0461 9c13.425 0±0.606 3deYN27.766 2±0.193 8b1.315 0±0.010 4b2.101 6±0.0580 1d25.616 9±1.729 0a

图3 不同有机酸下土壤镉含量变化

Fig.3 Effect of different organic acids on soil Cd content

2.5 不同有机酸对土壤镉形态的影响

研究表明，小白菜的土壤镉形态为，土壤中主要形态是可交换态，不同有机酸对土壤中镉形态影响是有差异的。草酸、黄腐酸和酒石酸均提高土壤镉的可交换态的占比。在黄腐酸处理中，可交换态占比例为83.24%，其次是有机态，占比例8.49%；酒石酸处理中，可交换态占比例为76.55%，碳酸盐结合态占12.29%；草酸的可交换态占比例为82.13%；草酸、柠檬酸、酒石酸+黄腐酸和有机肥硝酸浸提液的土壤镉形态占总量第二比例的形态均是残渣态，各占总量的 7.18%、21.91%、16.96%、25.08%。草酸+黄腐酸处理增加铁锰氧化态占比；有机肥磷酸浸提液增加了有机态占比。草酸、黄腐酸和酒石酸相对于对照增加了土壤中可交换态含量，黄腐酸处理的可交换态含量，相对于对照增加了10.84%；草酸的可交换态增加8.40%；酒石酸除可交换态外，碳酸盐结合态也增加；柠檬酸是单独施用有机酸中可交换态降低含量最多；酒石酸+黄腐酸与两种有机肥酸浸提液均降低可交换态百分比，其他形态占比均增加。

对于玉米土壤镉的形态，在各有机酸处理间可交换态和碳酸盐结合态是主要的形态，所有的可交换态相对对照均占比降低，单独有机酸处理中可交换态占有比例顺序依次为草酸>柠檬酸>黄腐酸>酒石酸，分别是28.11%、22.84%、21.84%、10.76%。混机酸与两种有机肥酸浸提液的可交换态，草酸+黄腐酸占比例最低，占6.37%。除两种有机肥酸浸提液处理和酒石酸+黄腐酸处理外，剩下的有机酸处理的碳酸盐结合态占有比例最大；单施黄腐酸、单施酒石酸和单施草酸处理相对对照的碳酸盐结合态比例增加，单独有机酸处理中柠檬酸处理的碳酸盐结合态降低最多；混合酸处理和两种有机肥酸浸提液处理比单独有机酸处理的碳酸盐结合态降低的较多，有机肥磷酸浸提液的碳酸盐结合态降低最大；所有处理的残渣态均增加，有机肥磷酸浸提液的残渣态占比例最大，酒石酸+黄腐酸残渣态含量最多，单施有机酸中酒石酸处理的残渣态占比例及含量最大。图4

图4 不同有机酸下土壤镉形态变化

Fig.4 Effect of different organic acids on Cd forms in soil

3 讨 论

研究表明，有机酸可以通过对根际难溶性养分的酸化、螯合、离子交换作用及还原作用等，提高根际土壤养分的有效性，增加了植物对根际养分的吸收，从而促进了植物的生长发育，同时，植物本身分泌的有机酸也可以被植物再吸收利用，促进了植物营养元素的物质循环和能量流动。杨帆等[16]研究有机肥含有丰富的有机质、氨基酸、蛋白质等有机养分，有利于植物的生长发育。试验研究不同有机酸对作物的生物量的表明，在不同有机酸或者两种有机肥浸提液均对作物的生物量增加。所有处理对小白菜中，黄腐酸增加最大，其次是磷酸浸提有机肥，玉米中有机肥硝酸浸提液增加最大，其次是草酸+黄腐酸；从生物量的角度出发黄腐酸以及两种有机肥酸浸提液均会促进植物对镉的吸收，比其他这几种处理效果较好。

黄腐酸，具有与重金属离子主要发生离子交换、络合和吸附作用，从而影响重金属在土壤和水体中的形态和分布，对环境中的重金属离子污染的去除产生重要的影响[17]，试验中，分为单独施用黄腐酸和混合酸施用(黄腐酸+草酸、黄腐酸+酒石酸)，对小白菜地上部体内的镉含量和吸收量相比较，单独施用黄腐酸低于对照，混合酸高于对照；土壤中Cd含量均降低，黄腐酸与混合酸对于玉米地下部的Cd含量均高于对照，吸收量和土壤Cd的含量均低于对照；试验研究，草酸、酒石酸和柠檬酸分别对土壤中Cd的影响效果不同，小白菜地上部的Cd含量、吸收量和土壤中Cd含量修复效果均为柠檬酸>酒石酸>草酸，这与刘坤等[18]研究结果一致。对于玉米而言，植株体Cd吸收量修复效果则是草酸>柠檬酸>酒石酸，地下部Cd含量是草酸>酒石酸>柠檬酸，土壤中Cd含量的修复效果是柠檬酸>草酸>酒石酸，这种现象可能是由于不同有机酸对土壤淋洗的效果有关，胡浩等[19]研究不同有机酸对土壤Cd 的淋溶中，各低分子有机酸能力大小不同，由于施用的有机酸的溶液，会对土壤进行淋洗，不同的用量，影响的结果也不同。

李玉红[20]研究表明，施用外源有机酸显著影响Cd在土壤中的形态，且不同有机酸对Cd形态影响具有明显差异，有研究表明，Cd 污染土壤中添加有机酸能有效活化其中的重金属 Cd，将重金属的其它稳定形态逐渐转化为最具活性的可交换态[21]。研究试验中表明，黄腐酸处理相较于对照，在小白菜土壤中增加了可交换态，对于玉米土壤中相对于对照的碳酸盐结合态和残渣态均增加；草酸增加小白菜土壤中可交换态，而在玉米土壤中可交换态占比降低；酒石酸对玉米土壤Cd的可交换态降低，对两种作物土壤的碳酸盐结合态均增加，对玉米土壤Cd的残渣态显著增加；柠檬酸对小白菜和玉米土壤Cd可交换态降低，除玉米土壤碳酸盐结合态外，其余形态均增加；混合酸除降低小白菜土壤Cd可交换态外，铁锰氧化态、碳酸盐结合态和有机态均升高占比；草酸+黄腐酸除降低玉米土壤Cd可交换态外，其他形态均增加；酒石酸+黄腐酸降低可交换态和碳酸盐结合态占比，其余形态均增加；两种有机肥酸浸提液均降低小白菜土壤Cd的可交换态，对碳酸盐结合态，铁锰氧化态及有机态均增加占比，两种有机肥酸浸提液显著增加玉米土壤Cd残渣态。

所有的处理中分为分子量大的有机酸(黄腐酸)与分子量小的有机酸(草酸、酒石酸、柠檬酸)，单施有机酸(草酸、酒石酸、柠檬酸、黄腐酸)与混合的有机酸(草酸+黄腐酸、酒石酸+黄腐酸)，两种有机肥酸的浸提液(有机肥硝酸浸提液、有机肥磷酸浸提液)；研究中不同处理对不同作物、土壤Cd的含量、土壤Cd的形态、植株Cd的含量、吸收量以及生物量有显著的影响，导致土壤Cd修复效率的不同，造成这种现象可能由于不同的有机酸在土壤中的pH值不同，也有可能是有机酸物质本身的影响以及植物本身的影响，这一系列的问题有待于进一步的探究。

4 结 论

4.1 不同分子量的有机酸相比较，在小白菜盆栽中，对于土壤Cd含量的影响为单独施用小分子量的有机酸修复效果比黄腐酸好，其中柠檬酸的修复效果最好，修复效率最低为黄腐酸，Cd的吸收量最大的处理为柠檬酸，相对对照增加580%；黄腐酸的吸收量最低。在玉米盆栽中，土壤Cd含量降低最多的处理为柠檬酸。草酸对玉米地下部镉含量和吸收量修复效果最好。单施柠檬酸对小白菜和玉米的土壤修复效果均较好。

4.2 混合有机酸与单一有机酸相比较，对于小白菜土壤Cd含量，酒石酸修复效果最好，吸收量最大的处理为酒石酸+黄腐酸，地上部Cd含量最高的处理为酒石酸；玉米土壤Cd含量降低最多为草酸，吸收量最大的为草酸，地下部Cd含量最高处理为草酸。对小白菜盆栽中酒石酸效果较好，对玉米土壤镉含量降低效果、吸收量及含量草酸效果较好。

4.3 有机肥硝酸浸提液对小白菜地上部吸收量影响较大，相对对照增加了411%；有机肥磷酸浸提液主要影响了土壤Cd的残渣态；硝酸浸提有机肥在土壤Cd含量、Cd的吸收量或者植株体内Cd含量方面均要优于有机肥磷酸浸提液。