土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是生态环境的重要组成部分，土壤重金属污染引发的土壤生态功能破坏和农产品质量下降等问题日益受到大众的关注，特别是镉和铅对土壤的污染尤为突出。镉具有毒性强、移动性强、易被植物吸收等性质，它不仅抑制农作物生长发育，降低产量，而且土壤中的镉可以随食物链传递最终危害人体健康^{[1, 2, 3, 4]}.铅是生物非必需元素和毒性最强的重金属污染物之一，主要来自于重金属矿区冶炼过程中产生的“三废”,可抑制植物生长，造成植物失绿、枯死等毒害症状，导致一些农作物减产，甚至绝收^{[5, 6, 7]}.

土壤重金属污染的修复难度较大，目前，重金属污染土壤的修复与治理主要围绕固化失活和活化清除进行，主要是通过物理、化学和生物的方法，切断重金属向食物链的迁移。植物修复（Phytoremediation）简单易行，成本较低，且不破坏土壤的生态环境，有良好的经济和生态效益，具有广泛的应用前景。当前植物修复的种质资源已经由原来的超富集植物发展到了生长快、生物量大、耐受污染与吸收能力较强的非超富集植物。

苎麻（Ramie,Boehmeria nivea）是一种多年生经济纤维作物，在我国已经有5000多年的种植历史，广泛种植于我国秦岭以南地区，该植物一年可收割至少3次，在水、热条件丰富的条件下，生长速度快、产量高，经济效益显着，我国苎麻年产量达500万t,占世界总产量的90%^[8].苎麻具有修复镉、砷、铅^{[9, 10]}、汞^[11]、锑^[12]等污染物的潜力，为复合污染土壤的植物修复提供了一种新的种质资源。但是在利用苎麻进行重金属污染土壤的修复过程中，未经调控的土壤中重金属的有效态含量和植物的提取能力相比较低，限制了植物修复技术的发展与应用^{[13, 14]},而且土壤中的有效态重金属是一个缓释过程，不能够满足植物短期内快速吸收提取的要求。因此，需要进一步添加螯合剂，提高重金属的有效性，提升植物修复措施的效率。乙二胺四乙酸（EDTA）是最常用的一种螯合剂，但是EDTA在环境中很难降解，残留时间长，容易导致处理场所的重金属向周边土壤和地下水迁移，造成二次污染。乙二胺二琥珀酸（EDDS）是一种天然物质，配合能力强、易生物降解，与过渡金属有很强的螯合作用^[15],它对植物和土壤微生物的毒性都低于EDTA,环境风险相对EDTA更小^[16].但是在利用螯合剂强化苎麻进行镉、铅污染土壤的修复过程中，EDTA和EDDS的施用水平、修复效果，以及它们对苎麻生长产生的影响，都需要进一步比较研究。为此采用盆栽试验，研究分别施用不同浓度水平的EDTA和EDDS后污染土壤修复效果和螯合剂对苎麻生长的影响，为镉、铅污染土壤的修复治理提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 供试材料 1.1.1 供试土壤

本试验选择镉、铅高度污染的土壤，采集0～20 cm表层土壤。土壤采自陕西省宝鸡市某冶炼厂区外农田，土壤类型为黄褐土，基本理化性质见表 1.

表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

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EDTA（分析纯）购自天津科密欧化学试剂有限公司，EDDS（分析纯）购自唐山默内德贸易有限公司。 1.1.3 供试苎麻

供试苎麻为湘苎七号，购自湖南农业大学苎麻研究所。 1.2 试验方法 1.2.1 盆栽实验

土壤过2 mm尼龙筛，充分混匀，装入上缘直径20 cm、底面直径16 cm、高25 cm的塑料盆，每盆加土4.5 kg,按0.5 g·kg^-1（NH₄）₂SO₄、0.3 g·kg^-1 KH₂PO₄、0.5 g·kg^-1 K₂SO₄施加底肥。6月上旬，选取株高20 cm左右，长势良好且相近的苎麻进行移栽，每盆一株。植株在温室内自然光照条件下生长，温度18~30℃。生长期间每天以称重法，使用量筒等量加入去离子水使土壤的湿度保持在田间持水量的60%左右。设置CK（只添加底肥）和施加1.5、3、6、9 mmol·kg^-1 4个水平的EDTA、EDDS,共9个处理，每个处理4盆。EDTA和EDDS配成溶液分3次施用，第一次施用在苎麻移栽成活10 d后，随后每隔15 d施用一次。移栽50 d后，采集新鲜叶片，称重后测定叶片中丙二醛（MDA）含量。在8月下旬，将苎麻植株挖出，用蒸馏水洗净，将根、茎、叶分开，烘干粉碎备用。 1.2.2 重金属形态实验

将EDTA和EDDS两种螯合剂分别与20.00 g污染土壤混合均匀于塑料瓶中，设置CK和1.5、3、6、9 mmol·kg^-1 4个水平的EDTA、EDDS施用浓度，共9个处理，每个处理重复3次，恒温（20±1）℃培养20 d,培养期间用称重法补水维持土壤湿度为田间持水量的70%左右。20 d后，用BCR连续提取浸提法测定土壤中镉和铅的形态和含量。 1.3 测定项目和方法

土壤样品风干后过0.15 mm（100目）尼龙筛备用。土壤有机质（OM）、阳离子交换量（CEC）以及氮、磷、钾等基本性质测定方法参照《土壤农化分析》^[17],土壤全镉、全铅测定方法为用EPA3052方法消解（硝酸-氢氟酸消煮）,萃取，然后用原子吸收分光光度计火焰法测定^[18];土壤pH值采用电位法（水土比为2.5∶1）测定。植物样品先用去离子水洗净，擦干，称鲜重，105℃杀青后80℃烘干至恒重，粉碎备用。植株镉含量采用HNO₃-HClO₄（V1∶V2=4∶1）消解，原子吸收分光光度法测定（Hitachi Z-5000）.丙二醛含量的测定采用硫代巴比妥酸法^[19].

用Excel 2013和SPSS 18.0进行数据统计与处理，采用LSD法，差异显着水平为5%. 2 结果与分析 2.1 施用螯合剂对土壤中镉、铅各形态含量的影响

由表 2可知，本试验采用的污染土壤中不同形态的镉含量为残渣态、酸可提取态>可还原态>可氧化态，不同形态的铅含量为可还原态>残渣态>酸可提取态、可氧化态，在EDTA和EDDS施用20 d后，土壤中镉、铅各形态含量均受到不同程度的影响。土壤中的酸可提取态镉和可还原态镉含量均随EDTA施用浓度的增加而增加，酸可提取态镉增幅为5.3%～42.0%,可还原态镉增幅为4.1%～41.5%,而可氧化态镉含量无显着变化，残渣态镉含量随EDTA施用浓度的增加而降低。施加EDTA使得酸可提取态铅含量显着增加，增幅为3.9%～85.2%,但相比铅的总量依然较少，高浓度EDTA对铅的活化作用较明显。相比施加EDTA,施加EDDS对土壤中各形态铅的含量影响较小，促进酸可提取态铅含量增幅在8.4%～15.0%之间，对铅的活化作用相对较弱。施加EDDS对土壤镉的活化作用较显着，各处理浓度下，酸可提取态镉含量增加在19.6%～38.2%之间，EDDS在低浓度（1.5 mmol·kg^-1）和高浓度（9 mmol·kg^-1）施用量下，活化效果最为显着。

表 2 EDTA 和 EDDS 对土壤中铅、 镉各形态含量的影响 Table 2 Effects of EDTA and EDDS on different forms of Pb and Cd in soil

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修复植物的生物量是反映生物修复能力的一个重要指标，由图 1和图 2可以看出，施加EDTA和EDDS均会不同程度地降低苎麻的生物量，并且在盆栽试验中也发现高浓度螯合剂处理水平的苎麻生长过程中出现茎秆细、叶片小等现象。由图 1可知，施加浓度为1.5 mmol·kg^-1的EDTA时，苎麻根部生物量无显着变化，地上部分生物量降低；施加更高浓度的EDTA,根部和地上部分生物量都显着降低，全株生物量减少10.3%～44.10%.由图 2可知，施加浓度为1.5 mmol·kg^-1的EDDS对苎麻生物量无显着影响，随着EDDS浓度的增加，苎麻根部和地上部生物量显着降低，全株生物量减少2.4%～38.45%.施用同等浓度水平螯合剂，尤其是施用浓度水平较高时（6～9 mmol·kg^-1）,EDTA对生物量的影响要远远大于EDDS.

图 1 施用 EDTA 对苎麻生物量的影响 Figure 1 Effects of EDTA applications on ramie biomass

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图 2 施用 EDDS 对苎麻生物量的影响 Figure 2 Effects of EDDS applications on ramie biomass

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植物器官衰老或在逆境下遭受伤害，往往发生膜脂过氧化作用，而丙二醛（MDA）是膜脂过氧化的最终分解产物，其含量可以反映植物遭受逆境伤害的程度，分析丙二醛的含量多少可以反映施加螯合剂后苎麻所受胁迫作用的大小。由图 3可知，与CK相比，除施用低浓度（1.5 mmol·kg^-1）EDDS,叶片中丙二醛含量无显着变化外，其他处理叶片中丙二醛的含量均显着增加。施用EDDS使得叶片中丙二醛含量最高增加了18.4%,施用EDTA使得叶片中丙二醛含量升高了24.3%～100.6%,表明EDTA和EDDS的施用会对苎麻产生一定影响。此外，施用浓度相同时，EDDS处理叶片丙二醛含量显着低于EDTA,表明与EDTA相比，EDDS对苎麻产生的伤害小。这主要是因为其生物降解性高，进一步说明可降解螯合剂EDDS用于修复要优于EDTA.

图 3 叶片中丙二醛含量 Figure 3 Content of MDA in ramie leaves

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由表 3可知，施用EDTA和EDDS都会不同程度地增加镉、铅在苎麻植株各部位的含量，并且镉在苎麻植株含量分布为根>茎>叶，铅在苎麻植株含量分布为根>叶>茎。随着EDTA施用浓度的增加，苎麻植株各部位的Cd、Pb含量都显着增加，相比CK,苎麻叶中Cd含量增加了0.19～4.21倍，Pb含量增加了1.31～3.82倍；茎中Cd含量增加了2.20～3.05倍，Pb含量增加了1.05～6.78倍；根中Cd含量增加了1.50～3.29倍，Pb含量增加了0.70～2.41倍。这表明EDTA的施加极大地促进了苎麻各部位对Cd和Pb的吸收。相比CK,施加EDDS除了在低浓度（1.5～3 mmol·kg^-1）,叶中Cd含量和Pb含量增加不显着，以及浓度为3 mmol·kg^-1,茎中Cd含量无显着变化外，其他施用水平均不同程度地增加了苎麻各部位Cd和Pb的含量。施加EDDS使得苎麻叶中Cd含量最高增加了19.4%,Pb含量增加了12.5%～63.6%;茎中Cd含量最高增加了1.4倍，Pb含量增加了0.76～4.7倍；根中Cd含量增加了0.73～2.04倍，Pb含量增加了0.43～1.50倍。这表明EDDS的施加也促进了苎麻各部位对Cd和Pb的吸收。施用低浓度（1.5 mmol·kg^-1）螯合剂，EDDS处理的苎麻根部Cd含量高于EDTA,其他施用水平下，EDTA处理的苎麻各部位Cd和Pb的含量均高于EDDS,含量增幅也更为明显，表明高浓度EDTA对促进苎麻吸收镉和铅的能力较EDDS更强。

表 3 不同修复措施下苎麻各部位镉、 铅含量 Table 3 Content of Cd and Pb in different parts of ramie with different remediation treatments

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由图 4、图 5可知，EDTA和EDDS的施用都促进了苎麻植株对镉和铅的累积。施用浓度较低（1.5 mmol·kg^-1）时，EDDS处理苎麻累积镉的量较高；施用浓度较高（6～9 mmol·kg^-1）时，EDTA处理苎麻累积镉的量较高。各施用浓度下，EDTA对促进苎麻吸收富集铅的量均高于EDDS.同样表明，除在施用低浓度螯合剂时，EDDS对强化苎麻富集吸收镉的能力较强外，其他施用浓度下，EDTA强化苎麻吸收富集镉和铅的效果都好于EDDS.

图 4 EDTA 和 EDDS 对苎麻镉累积量的影响 Figure 4 Effects of EDTA and EDDS on Cd accumulation in ramie

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图 5 EDTA 和 EDDS 对苎麻铅累积量的影响 Figure 5 Effects of EDTA and EDDS on Pb accumulation in ramie

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利用EDTA与EDDS强化苎麻修复镉、铅污染土壤后，土壤中的镉、铅含量结果（图 6、图 7）表明，EDTA和EDDS的施用都不同程度地降低了土壤中镉和铅的含量。相比单独种植苎麻，随着EDTA施用浓度的增加，土壤中镉和铅的含量显着降低，土壤镉和铅的修复效率分别提高了6.5%～21.7%和3%～22.6%,其中3 mmol·kg^-1和6 mmol·kg^-1施用浓度间无显着差异。施用EDDS显着降低了土壤镉的含量，在施用浓度为1.5 mmol·kg^-1时，镉的修复效率提高了27%,其他施用浓度间则无显着差异，修复效率在16%～18%之间；施用浓度为1.5～6 mmol·kg^-1 EDDS对促进土壤铅的去除作用不明显。此外，由图 6、图 7可知，在低浓度（1.5～3 mmol·kg^-1）施用水平上，EDDS施用去除土壤镉的效果较好，在更高浓度（9 mmol·kg^-1）时，EDTA施用去除土壤镉的效果较好；在本研究所设置的各个水平浓度下，EDTA去除土壤铅的效果都好于EDDS.

图 6 联合修复对土壤中镉含量的影响 Figure 6 Effect of phytochemical remediation on Cd content in soil

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图 7 联合修复对土壤中铅含量的影响 Figure 7 Effect of phytochemical remediation on Pb content in soil

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苎麻根系发达，生物量大，有经济价值，研究表明苎麻对土壤中全量和有效态的重金属镉、铅均具有较强的耐性^{[20, 21]}.本研究土壤样品采自冶炼厂周边农田土壤，镉的浓度为95.21 mg·kg^-1,铅的浓度为204.54 mg·kg^-1,属于Cd/Pb复合污染土壤，在盆栽试验中，单独种植苎麻能够正常生长，施加高浓度螯合剂处理导致苎麻出现生长缓慢、株高较矮、茎秆变细、叶片较小等现象，整体生物量也有明显降低。这与孟桂元等^[22]的研究有一定的差异，可能与苎麻的品种、土壤本身的性质以及施加螯合剂的毒性有关。

本试验中添加螯合剂使得镉和铅的酸可提取态含量增多，表明添加螯合剂能够促使重金属离子解吸和溶解，提高其生物有效性^[23].螯合剂与重金属形成能被植物吸收的螯合物，有利于苎麻吸收富集重金属^{[24, 25]},导致根、茎、叶中镉、铅含量增加，植株中镉、铅的累积量增加。雷梅等^[26]的研究表明，苎麻具有很强的富集镉的能力，在含镉10 mg·kg^-1的污染农田土壤上，其地上部含量就能达到15 mg·kg^-1,但是不同苎麻品种富集镉的能力存在差异^[27].黄闺等^[28]的研究表明在含铅为500 mg·kg^-1的污染土壤上，苎麻全株铅含量可达74.66 mg·kg^-1.本研究中，施加EDTA和EDDS后，苎麻根、茎、叶中的镉含量和铅含量都有很大提升。但是地上部镉含量均低于10 mg·kg^-1,根部镉含量低于30 mg·kg^-1;地上部铅含量均低于8 mg·kg^-1,根部铅含量低于30 mg·kg^-1.相比上述研究，本研究中各处理苎麻植株铅、镉含量较低，可能与本次试验使用的复合污染土壤性质、苎麻品种及生长条件有关。这表明不同条件下，不同品种的苎麻对镉、铅的吸收量可能不同。另外，EDTA促进苎麻吸收镉、铅的能力明显高于EDDS,与Luo等^[29]对玉米（Zeamays）等植物的研究结果类似。这可能是因为EDDS与镉、铅的螯合稳定常数要远小于EDTA^[30],造成EDTA对促进土壤中铅、镉有效态含量增加的能力和时间更长，所以更有效地促进了苎麻对镉、铅的吸收。但是对比修复后土壤中镉的含量可以发现，低浓度条件下EDTA强化苎麻修复的效果并不如EDDS.这可能是因为植株对重金属的总累积量还依赖于植株的生物量，EDDS处理对植株的不良影响更小，生物量更大。另外，盆栽试验发现施加EDDS处理的苎麻，叶片相对较大，生长期脱落也可能造成部分试验误差。

在螯合剂促进植物吸收富集重金属的同时，螯合剂本身也有一定的生物毒性。有研究表明，使用螯合剂可能会影响作物的生长，包括叶面的部分坏死、叶子的萎蔫和断裂、茎部的干裂、蒸腾作用和生物量的降低^[31].沈莉萍等^[32]的研究表明施加EDTA会减少苎麻麻骨、麻叶的生物量；石福贵等^[33]的研究也表明施加0.4 g·kg^-1土的EDDS会对黑麦草产生毒害作用。相关研究还表明，相比EDTA,EDDS 对土壤微生物和植物的生态毒性较低^{[34, 35, 36, 37]}.本研究设置的螯合剂施用水平相对较高（0.438～2.630 g·kg^-1土）,随着EDTA和EDDS施用浓度的增加，苎麻的根部、地上部以及全株生物量均显着减少，且在高浓度EDTA处理时出现麻株矮小、茎秆变细、叶片较小发黄、易脱落等现象，EDTA对苎麻生物量产生的影响高于EDDS.此外，新鲜叶片中丙二醛（MDA）含量表明，低浓度EDDS处理对苎麻生长不造成影响，高浓度的EDTA和EDDS处理导致苎麻叶片中的丙二醛含量增加，施加EDTA丙二醛含量增幅较大，对苎麻产生的胁迫更大，与上述研究结果一致。这可能是因为螯合剂与重金属在植物体外结合，然后以金属螯合物的形式在植物体内传递^{[23, 38]},在传递过程中会破坏植物组织的细胞质膜和正常控制重金属转运的生化机制，使植物组织过量积累重金属，对植物产生毒害，而EDTA与重金属形成的螯合物对生物的损伤更大，其机理有待于进一步研究。

施加螯合剂促进了植物对重金属的吸收富集，使得土壤中重金属含量降低。有研究表明苎麻植株对重金属铅的积累富集能力较低，远不及苎麻对镉的吸收富集^{[20, 22]},本研究中苎麻植株各部分的铅的富集效率远远低于镉，与以上研究结果一致。修复后土壤中Pb的含量下降较大，这是由于土壤中的重金属随着灌溉，会产生部分淋滤，而且螯合剂EDTA和EDDS的施用会增加土壤中重金属的淋滤风险^{[30, 39]}.导致土壤中重金属含量下降更多的原因是螯合剂带来的淋滤作用，故在利用螯合剂去强化苎麻进行污染土壤修复时，螯合剂的淋滤风险需要进一步研究。 4 结论

（1）相比单独利用苎麻进行植物修复，非生物螯合剂EDTA和生物螯合剂EDDS的施用都会促进土壤中镉、铅的酸可提取态含量增加，促进苎麻各部分对镉、铅的吸收累积，有较好的诱导作用。施加相同浓度的螯合剂，EDDS诱导效果不如EDTA显着，随着EDTA和EDDS浓度的升高，苎麻各部位镉、铅的含量增加，且镉含量表现为根>茎>叶，铅含量表现为根>叶>茎。

（2）在促进苎麻各部位吸收镉、铅的同时，施加EDTA和高浓度的EDDS使得苎麻生物量明显降低，叶片中丙二醛含量增加，对苎麻植株生长产生不利影响。在同等浓度水平下，EDDS对苎麻生长产生的不利影响更小，低浓度（1.5 mmol·kg^-1）EDDS不会对苎麻产生不利影响。

（3）相比单独利用苎麻进行植物修复，增施EDTA可增强苎麻对土壤镉和铅的修复效果，且随着EDTA浓度的增大，效果更加显着。施加EDDS可增强苎麻对污染土壤镉的修复效果，但低浓度EDDS强化苎麻修复土壤铅污染的修复效果不佳。在实际使用中，应充分考虑土壤重金属类型和螯合剂可能对环境造成的二次污染，优先选择施用量为1.5 mmol·kg^-1（约0.438 g·kg^-1土）EDDS或3～6 mmol·kg^-1（0.877～1.754 g·kg^-1土）EDTA进行污染土壤的螯合剂、苎麻的联合修复。