随着成都经济的快速发展，部分地区Cd污染已相当严重^[1]。近年来，在成都平原相继开展的1：25万区域生态地球化学以及“金土地”工程农业地质调查中发现，由于受高Cd地质背景及工业生产等因素的影响，在成都平原局部地区农田土壤受到不同程度的镉污染^[2-3]。水稻作为成都平原主要农作物之一，其局部地区水稻中Cd含量明显偏高，极可能加大Cd对该区域人群健康的危害风险^[3-4]。因此，对成都平原地区Cd污染土壤修复显得十分重要。

在众多土壤修复方法中超积累植物修复具有较好的应用前景，因为该项技术具有修复效果好、经济和环保等优势^[5-7]。在目前已发现的400多种超积累植物中^[8]，龙葵是我国学者发现的一种Cd超积累植物，具有生物量大、耐受性强、繁殖能力强和富集能力强等优势^[9]。柠檬酸和EDTA是目前应用较为普遍的螯合剂，它们可改变重金属Cd的形态并促进其释放，进而加强植物吸收和积累土壤中的Cd，因此常用于强化Cd污染土壤的植物修复^[10-13]。Zaheer等^[14]利用费萨尔油菜修复Cu污染土壤，发现柠檬酸可显著增加植物生物量、叶绿素含量，并且还能增加对Cu的吸收；刘萍等^[15]将柠檬酸用在Cd-Pb复合污染的土壤上，对植物生长起到了一定的促进作用，并且龙葵对Cd的富集系数可达到3.59；张玉芬等^[16]研究柠檬酸和EDTA对蓖麻修复土壤时发现，柠檬酸与EDTA联用使蓖麻单株总Cd富集量达到74.59 μg，是对照组的2.98倍；刘金等^[17]研究苎麻在镉铅混合污染下螯合剂对其吸收重金属的影响，得出EDTA的施加极大地促进了苎麻各部位对Cd和Pb的吸收；王坤等^[18]研究发现龙葵在土壤Cd含量相同的情况下，地上部分植物吸收Cd量以EDTA处理最大。然而众多植物修复试验中针对实际污染地区土壤特征的植物修复报道较少^[19]。以往大多采用向自然土壤中投加CdCl2或者Cd（NO₃）的形式达到模拟污染的目的，且通常设计的污染浓度都较高^{[15-16, 20-21]}，并不符合实际污染区污染程度以及土壤的性质特征^{[2-3, 22]}。

本文在成都平原绵竹地区选取了两个镉污染程度不同的区域采集表层土，利用室内盆栽试验，将柠檬酸和EDTA作为螯合剂应用到龙葵修复Cd污染土壤的试验中，探求不同浓度下螯合剂对龙葵修复成都平原中Cd污染土壤和对土壤酸碱性变化的影响，以期为龙葵在螯合剂的作用下修复成都平原地区受Cd污染的土壤提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试土样采自绵竹市某区域内污染程度不同的两种土壤，质地为潴育水稻土，田间持水量21%。该区内MZT-01土壤基本性质为：pH 7.09，有机质57.5 g·kg^-1，水解性氮171 mg·kg^-1，有效磷59.9 mg·kg^-1，速效钾123 mg·kg^-1，CEC（阳离子交换量）11.1 cmol·kg^-1，总镉1.29 mg·kg^-1，超过国家土壤环境质量（GB 15618-1995）的三级标准；MZT-02土壤基本性质为：pH 6.16，有机质40.6 g·kg^-1，水解性氮166 mg·kg^-1、有效磷31.9 mg·kg^-1，速效钾117 mg·kg^-1，CEC 12.4 cmol·kg^-1，总镉0.89 mg·kg^-1，超过国家土壤环境质量（GB 15618-1995）的二级标准。龙葵种子购于网上农资专卖店。

1.2 试验设计 1.2.1 装盆及场地选择

将3 kg污染土壤样品与20 g复合肥均匀混合，并装入已编号的塑料盆（直径25 cm、高25 cm）中，调节土壤含水量到田间持水量。试验场地为西南科技大学西三实验楼后的空地，周围无污染来源。

1.2.2 试验设计

试验共设5个处理（CK、A、B、C、D），3次重复。具体处理：CK组为不添加螯合剂，A组添加柠檬酸浓度为1 mmol·kg^-1，B组添加柠檬酸浓度为5 mmol·kg^-1，C组添加柠檬酸浓度为10 mmol·kg^-1，D组添加EDTA浓度为1 mmol·kg^-1。选取成熟饱满的龙葵种子经消毒后，用去离子水浸泡24 h。在25 ℃恒温培养箱内培育发芽；7 d后，选择两株长势良好、大小一致的幼苗移栽于塑料盆中，并将塑料盆移至露天培养，去离子水进行浇灌保持田间水量；12 d后，只留1株长势最好的龙葵。在移栽25 d后，根据幼苗发育程度适当追施5 g复合肥；在移栽后第15、22、30 d时分别进行螯合剂处理。

1.2.3 试验植物收割及测试

当植物成熟收获后（76 d），将植物地上部分用自来水冲洗后再用去离子水洗净，105 ℃杀青30 min，然后在70 ℃下烘至恒重，称量干物质重量，烘干并密封保存；根系土装入专用布袋，并于自然光下晾干，研磨过20目筛并装入信封送至成都综合岩矿测试中心，测定样品中的Cd含量和根系土pH值。样品采用HNO₃-HClO₄（体积比4：1）消解法，电感藕合等离子质谱法（X SeriesⅡICP-MS）测定Cd含量；采用pH计测试土壤pH值。

1.2.4 统计分析

采用Excel 2010和SPSS 20对数据进行统计分析和方差分析，显著性差异水平取0.05。

2 结果与分析 2.1 螯合剂对龙葵生物量的影响

柠檬酸和EDTA对龙葵生长量的影响如表 1所示。随着柠檬酸浓度的增加，两种土壤中的生物量表现出不同的变化趋势。在MZT-01的植株中，添加了螯合剂的生物量比CK组下降了19.21%~56%，但只有CK与D处理之间表现出显著差异，可能是因为EDTA的毒性严重影响到龙葵的生长。在MZT-02的植株中，低浓度螯合剂A、B、D处理时，与CK比较，生物量虽未有显著性增加，但在平均生物量基础上增加了近1倍；而当高浓度柠檬酸C处理时，生物量却略有下降。

2.2 螯合剂对龙葵吸收Cd的影响 2.2.1 螯合剂对龙葵茎叶中Cd含量的影响

不同螯合剂加入土壤后，龙葵茎叶Cd含量的变化如图 1所示。A处理后，两种土壤中龙葵Cd含量均有升高，并且MZT-02龙葵的Cd含量显著升高；B处理后，两种土壤中龙葵Cd含量继续上升，但上升趋势已减缓；C处理后，两种土壤中龙葵Cd含量均比B处理后的低，其中MZT-02龙葵中Cd的含量发生了骤降，但仍比CK中龙葵Cd含量高。在试验中A、B、C处理与CK比较，龙葵Cd含量均有升高，并且在B处理时达到峰值。不同螯合剂对两种土壤中龙葵Cd含量的方差分析结果表明（图 1），无论对于MZT-01或者MZT-02，不同的螯合剂添加后，龙葵中Cd的含量与CK相比变化不显著（P > 0.05），各螯合剂处理之间龙葵中Cd含量差异也不明显（P > 0.05），只是MZT-02中添加EDTA处理与其余螯合剂处理相比变化显著（P < 0.05），说明试验所用螯合剂对龙葵吸收两种土壤中的Cd没有显著的促进作用。

2.2.2 螯合剂对龙葵茎叶中Cd吸收量的影响

螯合剂对龙葵茎叶Cd吸收量的影响如图 2所示。龙葵地面以上部分的吸收量是茎叶Cd含量与地面以上龙葵生物量的积，能非常直观地反映植物修复效果。龙葵对Cd的吸收量呈现出先增大后减小的趋势，在两种土壤中龙葵的吸收量均在B处理达到最大，且吸收量相当，其中MZT-01较空白上升了26.54%，MZT-02较空白上升了179.74%。两组的CK相对比，MZT-01中龙葵的吸收量明显高于MZT-02。由此说明，不用螯合剂处理的情况下，龙葵对高污染土壤中的Cd吸收效果更好；在螯合剂处理的情况下，龙葵对低污染土壤中的Cd吸收效果更为显著，并且在B处理的条件下达到132.99 μg·株^-1的最大值，明显高于柠檬酸和EDTA强化蓖麻对高Cd供试土壤中Cd的积累量（32.85 μg·株^-1）^[16]。

从表 1和图 1可以看到，两种土壤30件样品中茎叶生物总量与相应样品Cd含量之间并没有显著的相关性，说明龙葵茎叶中Cd的含量并不严格地受龙葵长势的影响。因此，在植物中Cd含量变化不明显的情况下，应主要考虑龙葵生物量的最大化，以保证最终达到修复效果的显著化。

2.3 螯合剂对土壤pH的影响

从表 1可以看出，在添加螯合剂后，MZT-01中龙葵根系土的pH呈现下降的趋势，并且变化幅度较大，MZT-02中龙葵根系土的pH变化幅度较小，且呈现微弱的上升趋势，但仍远低于中性土的下限值（pH为6.5），说明龙葵的根际环境应为酸性。方差分析结果表明（表 1），两个CK组的pH较原土均有下降。在MZT-01土壤中，不同的螯合剂添加后根系土pH与CK组相比变化显著（P < 0.05），但MZT-02中没有显著变化。这可能是因为龙葵根系本身分泌了大量的有机酸类物质，使根际环境产生了明显的酸化，活化了重金属并促进其吸收进入龙葵体内，其中中性土壤影响根系分泌有机酸的作用较弱，从而表现出添加螯合剂后土壤pH明显降低；而酸性土壤影响根系分泌有机酸的作用较强，虽然加入的外源螯合剂对pH略有影响，但与根系分泌的有机酸相比其作用仍十分有限。

2.4 螯合剂对龙葵Cd富集系数的影响

植物对重金属的富集系数是评价超积累植物的重要指标之一^[23]。由于EDTA的毒性影响了龙葵的正常生长，不能准确反映龙葵对Cd的富集系数，本文并未讨论加入EDTA后龙葵对Cd的富集系数。从表 1可以看出，MZT-01土壤中龙葵对Cd的富集系数达到了5.26~8.53；MZT-02土壤中龙葵对Cd的富集系数达到了11.43~19.33，两种土壤中龙葵的富集系数均远超富集系数为1的衡量标准^[9]，说明龙葵对成都平原土壤中的Cd具有较强的吸收作用。通常情况下，土壤中重金属的含量相对较低时，植物的富集系数就相对较高^{[9, 15]}，本试验同样符合此规律，在添加柠檬酸的情况下，MZT-01龙葵对Cd的富集系数仅为MZT-02的42.05%~68.94%。

3 讨论

外源有机酸在一定程度上也能够通过活化作用而使土壤中重金属活性提高，并释放出来增加其迁移性而利于植物吸收^[24-25]，但外源有机酸浓度过大时，又会降低植物修复的效率^[26]。本试验也发现，添加柠檬酸在一定程度上对龙葵吸收Cd起到了较为明显的促进作用，但添加浓度过高时，龙葵对Cd的吸收量开始降低。这可能是因为柠檬酸的加入使土壤中可交换态Cd的含量减少的缘故^[26]。

EDTA在促进植物吸收重金属的同时也可能因其具有一定毒性而影响植物生长。有研究表明，EDTA可在很大程度上增加土壤溶液中重金属的含量^[27]，甚至能提高植物对Cd的富集量，但因其具有一定毒性，当浓度较高时会抑制植物的正常生长^{[3, 28]}，从而导致植物对Cd的富集量减少，最终造成修复成本的增大。刘金等^[17]研究表明，施加不同浓度的EDTA均会减少苎麻地上部的生物量。吴秋玲等^[29]的研究也表明EDTA可显著提高黑麦草地上部的Pb浓度，但抑制了植物的生长，生物量显著下降。本试验发现EDTA加入高污染的MZT-01中，龙葵的生长状况明显弱于其余对照组，并且茎叶中的Cd含量和Cd吸收量也均低于其余各组；EDTA加入低污染的MZT-02中，龙葵的生物量虽不是最低，但茎叶中的Cd含量和Cd吸收量却最低。而雒焕章等^[30]研究螯合剂强化杨树叶部对土壤中Cd的富集能力时认为，添加EDTA的富集能力大于柠檬酸。这可能是因为杨树对EDTA的毒性适应能力较强，并明显强于龙葵。EDTA对植物生长造成的影响可能源于EDTA与土壤溶液中的重金属离子络合形成金属螯合物，降低了土壤液相中重金属离子的浓度^[31]，其在植物转移过程中破坏植物组织的细胞质膜^[17]，造成重金属累积，对植物产生毒害。因此，可以排除利用浓度1 mmol·kg^-1以上的EDTA作为螯合剂来强化龙葵修复土壤。

植物在重金属的胁迫下，其分泌的有机酸会明显增多，进而导致重金属活性显著增强^[32]。而本试验所用MZT-01（中性土壤）Cd含量明显高于MZT-02（酸性土壤），但MZT-01中龙葵茎叶的Cd含量却低于MZT-02。这说明土壤的酸性环境是增强重金属Cd活性的主要因素，与郭智^[33]研究土壤pH是一个调节金属移动性和生物有效性的重要因素，许多重金属在土壤酸性程度增强时，其移动性和生物有效性也相应增强的结论一致。所以龙葵在土壤酸性条件下修复效果最好，但在采用有机酸螯合剂修复中性和碱性土壤时，又需注意修复后对土壤带来较明显的酸化影响。针对成都平原，土壤主要为中酸性，而且主要农作物为水稻，水稻的Cd含量又与土壤的pH呈显著负相关^[34]，所以在修复时需要着重考虑螯合剂给中性土壤带来的酸化作用影响。

4 结论

（1）龙葵对Cd具有很强的富集能力，并且添加柠檬酸的生长与CK组相比也未受到抑制，茎叶中Cd含量达到6.7~17.2 mg·kg^-1，总吸收量达到51.11~132.99 μg，富集系数达到了5.26~19.33。在柠檬酸浓度为5 mmol·kg^-1时，龙葵在两种土壤Cd胁迫下的含量、吸收总量和富集系数均达到最大，并实现了高效率的修复目的。

（2）1 mmol·kg^-1以上的EDTA对龙葵修复Cd污染土壤时，影响了龙葵的正常生长，导致吸收量很低，因此不适合用来强化龙葵修复成都平原受Cd污染的土壤。

（3）龙葵在土壤酸性条件下修复效果最好，但在采用有机酸螯合剂修复中性土壤时，需注意修复带来的酸化影响。