随着城市化、工业化的发展,在历史的生产过程中由于环保措施缺乏,污染物排放导致土壤重金属污染严重。Zn、Mn是植物生长所需的微量元素,但当土壤中Zn、Mn含量过高时会影响植物生长,甚至可能导致植物死亡[1,2]。工业生产活动中一般伴随着大量酸碱盐的使用或生成,导致土壤除受重金属污染外,等的含量很高,土壤全盐量远高于大部分植物耐受限值,导致植物无法正常生长。因此,研究降低土壤重金属含量和盐含量,使之满足植物生长环境要求至关重要。
研究表明,通过向土壤中施加适量的改良剂,与土壤中重金属离子发生吸附、离子交换、沉淀、络合等作用,可降低土壤重金属有效态含量,使之符合植物生长环境要求[3]。目前,常用的降低土壤重金属有效态含量的改良剂一般有石灰、沸石、膨润土、生物碳、蛭石、腐殖酸、含磷材料等[1, 4-10],且针对土壤污染特征,采用组配改良剂修复效果较单一改良剂好[8, 11]。针对土壤盐含量,常用的脱盐改良剂一般有石膏(主要成分CaSO4)、腐殖酸等,将石膏与腐殖酸共同施用的脱盐效果优于石膏或腐殖酸单独施用[12-14]。通过改善土壤结构、增强土壤团粒结构生成,也有利于脱盐[14,15]。目前,针对改良剂修复重金属污染或盐化土壤的报道较多,但对重度盐和重金属复合污染土壤的改良剂研究较少。
随着现代生态城市建设的大力推进,越来越多的污染场地将建设成为绿地、公园,其对景观效果的要求也较高,因此,除通过施用改良剂降低重金属有效态含量和盐含量外,还可通过筛选并种植兼具景观效果的耐盐和耐重金属植物,降低改良剂的施用量,从而降低成本。目前,针对耐Zn、耐Mn、耐盐的景观植物均有相关研究,但基本上是针对重金属污染土壤修复或单独针对植物对盐胁迫的响应研究,且研究所采用的污染土壤Zn、Mn含量[16-18]、盐含量[19, 20]一般不是很高,在重度盐和重金属复合污染土壤上植物生长的研究鲜见报道。
因此,本研究在前人的基础上,结合土壤污染特征,采用CaSO4、CaO、钙镁磷肥、腐殖酸、沸石、蛭石、珍珠岩配制成组配改良剂(TH-SM01),通过向污染土壤施加TH-SM01,然后种植景观植物,研究了景观植物对盐、Zn和Mn的耐受能力,以及对Zn和Mn积累特征,同时,研究了TH-SM01对土壤全盐量和Zn、Mn有效态含量的影响,为重度盐、Zn和Mn复合污染土壤修复提供参考。
1)供试土壤:采自广东某锰化厂,土壤理化性质见表1。可知:土壤全盐量、全Zn、Zn DTPA提取态(下称DTPA-Zn)含量均远超过CJ/T 340—2016《绿化种植土壤》标准,超标倍数分别达到24.09,6.84,15.44倍,盐和Zn污染严重,该标准未规定土壤全Mn含量,但从Mn DTPA提取态(下称DTPA-Mn)含量可知,土壤Mn污染也严重,DTPA-Mn含量超过标准限值299.36倍。
表1 供试土壤主要理化性质
Table 1 Main physio-chemical characteristics of the studied soil
指标数值CJ/T 340—2016pH6.39±0.765.0~8.3w(有机质)/(g/kg)55.70±4.2220~8880w(全N)/(g/kg)0.64±0.09w(全P)/(g/kg)0.59±0.08w(全K)/(g/kg)7.35±0.86w(全盐量)/(g/kg)24.09±3.76≤≤≤1.0w(全Zn)/(mg/kg)4105.11±331.43≤≤≤600w(全Mn)/(mg/kg)27369.42±1787.54w(DTPA-Zn)/(mg/kg)154.40±26.671~1110w(DTPA-Mn)/(mg/kg)7484.00±228.760.6~2225
注:数据为平均值±标准差,下同。
2)供试植物:选择常规园林栽培植物进行试验,共7种,包括乔木2种、灌木4种、草本植物1种,其中,桂花、鹤望兰株高约50 cm,含笑花、叶子花株高约40 cm,杉木、香樟、红花檵木株高约30 cm,均为袋苗。每种植物种植18株。
3)供试改良剂:包括生物有机肥和TH-SM01,其中,生物有机肥为广州市园林基质厂育苗基质(园林废弃物堆肥),施用量按体积分数10%计;TH-SM01按质量比CaSO4∶CaO∶钙镁磷肥∶腐殖酸∶沸石∶蛭石∶珍珠岩为3∶3∶1∶3∶2∶3∶5混合而成,施用量为3%(质量分数)。
4)供试塑料盆规格:长×宽×高=70.5 cm×45 cm×17.5 cm,可漏水。
本试验共种植7种植物,每种植物均设置2个处理,分别为T1(同时施加生物有机肥和TH-SM01改良土壤)、T2(只施加生物有机肥改良土壤)。在试验开始时,将采集的土壤破碎混匀,并采集土壤样品作为本底。按试验处理且分别施加生物有机肥和TH-SM01作为改良剂,将改良剂与土壤充分混匀,并将其装至塑料盆中至盆高15 cm处。浇水养护7 d后,移栽植物袋苗,每盆种植3株同种植物,每种植物共种植6盆。按常规方法进行养护管理,种植3个月后施复合肥1次,施肥量为9.52 g/pot(按大田施用量30 g/m2计)。种植时间为6个月。
植物样品采集与分析测定:在植物生长6个月时,调查每种植物的成活率,测定株高、冠幅。将植物按组织(茎、叶、根)分别采样,并用自来水和去离子水洗净,吸水纸吸干表面水,将样品置于烘箱内105 ℃杀青30 min,然后80 ℃、48 h烘干,记录干重。干样用万能粉碎机磨细,过0.25 mm的尼龙筛,备测重金属含量。植物重金属含量测定采用HNO3-HClO4联合消煮GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》,且用电感耦合等离子体发射光谱法测定Zn、Mn浓度。
土壤样品采集与分析测定:在施加改良剂前、种植3个月、6个月时,均采集土壤样品,将土壤样品置于室内风干,去除植物根系和凋落物等,并研磨过20、100目尼龙筛,包装登记后保存备测。pH、全盐量测定均参照《土壤农业化学分析方法》[21],全Zn、全Mn均采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收光谱法测定GB/T 17138—1997《土壤质量 铜、锌的测定 火焰原子吸收分光光度法》,Zn、Mn有效态含量采用DTPA浸提法测定NY/T 890—2004《土壤有效态锌、锰、铁、铜含量的测定 二乙三胺五乙酸(DTPA)浸提法》。
采用Excel 2010、Origin 8.5进行数据处理,通过SPSS 19.0进行多重比较和相关性分析。其中,植物重金属富集系数为植物各组织(茎、叶、根)重金属含量与土壤中相应重金属含量之比,植物重金属转运系数为后一部位中重金属含量与前一部位中重金属含量之比。
表2为种植6个月植物的生长指标。可知:除鹤望兰2个处理植物均能生长,且T1和T2处理长势无明显差异外,其他6种植物T2处理均死亡。这表明鹤望兰具有较强的耐盐和耐Zn、Mn能力,在重度盐和Zn、Mn复合污染土壤上可优先使用。红花檵木、含笑花、桂花、叶子花这4种植物的T1处理可以成活,T2处理全部死亡。向污染土壤中同时施加生物有机肥和TH-SM01有利于植物生长,可使土壤环境满足这4种植物生长,仅施加生物有机肥不能使土壤环境符合这4种植物生长所需。而杉木和香樟即使采用T1处理植物仍无法生长,对盐或Zn、Mn的耐性较低。
表2 种植6个月植物生长指标
Table 2 Growth indicators of plants
after planted for six months
植物名称处理名称成活率/%株高/cm冠幅/cm杉木T10.00±0.00——T20.00±0.00——香樟T10.00±0.00——T20.00±0.00——红花檵木T1100.00±0.0028.00±2.7643.50±2.12T20.00±0.00——含笑花T1100.00±0.0045.33±1.5314.50±3.27T20.00±0.00——桂花T188.89±19.2450.00±4.0719.50±3.54T20.00±0.00——叶子花T1100.00±0.0058.50±5.4630.50±3.40T20.00±0.00——鹤望兰T1100.00±0.0059.00±2.7244.75±6.07T2100.00±0.0050.00±1.4138.75±3.31
注:“—”表示植物死亡,无测量。
种植6个月后,对成活的植物按组织分别采样测定Zn和Mn含量如图1所示。可知:不同植物Zn、Mn含量差异大。除桂花、叶子花叶Zn含量大于茎,含笑花、桂花、叶子花叶Mn含量大于茎外,其他植物茎Zn、Mn含量均大于叶,所有植物根部Zn含量大于茎、叶。
茎; 叶; 根。
图1 种植6个月植物重金属含量
Figure 1 Heavy metal contents in the plants after planted for six months
图2为植物各组织Zn、Mn富集系数和转运系数。可知:所有植物Zn、Mn各组织富集系数均<1,Zn转运系数除桂花茎到叶、叶子花茎到叶>1外,其他植物Zn转运系数均<1,Mn转运系数除含笑花茎到叶、根到叶均>1(分别为3.00、2.83),桂花茎到叶>1(为2.48),叶子花茎到叶、根到叶均>1(分别为13.16、2.82)外,其他植物Mn转运系数均<1。这表明,含笑花、叶子花均可将根部吸收的Mn大量通过茎向上转运至叶片中,且含笑花、叶子花叶片Mn含量均>10000 mg/kg(分别为11086.1,15809.7 mg/kg),达到Mn超富集植物标准[22],对Mn具有超富集能力。
茎/土壤; 叶/土壤; 根/土壤;
茎/根; 叶/茎; 叶/根。
图2 植物重金属富集系数与转运系数
Figure 2 Heavy metal biological accumulation coefficients
and transfer coefficients in different tissues of the tested plants
表3是种植3个月与6个月土壤pH、全盐量和重金属DTPA提取态含量。从表3可知:所有植物T1处理和T2处理种植6个月后,土壤pH均比种植3个月时低,且T1处理降低幅度大于T2处理。同一植物种植6个月T1处理较T2处理pH增加的幅度,小于种植3个月时。这表明,向土壤中施加TH-SM01可提高土壤pH,但随着施用时间延长,提高幅度在缩小。
同一植物种植3个月、种植6个月T1处理土壤全盐量均较T2处理低,分别较T2处理全盐量降低14.41%~56.18%、34.72%~55.24%。这表明,向土壤中施加TH-SM01可降低土壤全盐量,且种植3个月后TH-SM01仍可以继续发挥脱盐作用。
T1处理中,无论是种植3个月还是种植6个月,鹤望兰T1处理土壤全盐量均较种植前降低,且降低幅度在T1处理中所有植物中最大。T2处理鹤望兰种植6个月土壤全盐量也较种植3个月时降低,且降低率高于T2处理其他植物2个时期土壤全盐量的差异。这表明,与其他植物相比,鹤望兰在生长过程中可以吸收一定量的盐,从而降低土壤全盐量。
由表3可知:7种植物种植3个月、6个月土壤DTPA-Zn、DTPA-Mn含量均为:T2处理>T1处理,且种植3个月T1处理土壤DTPA-Zn、DTPA-Mn含量较T2处理分别下降24.87%~61.21%、94.45%~96.21%,种植6个月T1处理土壤DTPA-Zn、DTPA-Mn含量较T2处理分别下降37.85%~51.77%、53.84%~74.08%,且种植6个月后T1处理土壤DTPA-Zn、DTPA-Mn含量比种植3个月时升高明显,尤其是T1处理DTPA-Mn含量,是种植3个月时的6.50~11.93倍。这表明,土壤中施加TH-SM01可以降低土壤中DTPA-Zn、DTPA-Mn含量,尤其是DTPA-Mn含量在施加TH-SM01后迅速下降,但随着施用时间延长,至种植3个月后土壤DTPA-Zn、DTPA-Mn含量升高,这与土壤施加TH-SM01后pH迅速上升,至种植3个月后pH下降的变化规律刚好相反。
表3 种植3个月与6个月土壤pH、全盐量和重金属DTPA提取态含量
Table 3 Soil pH, total salt content, and heavy metal DTPA extraction contents after plants being planted for 3/6 months
植物名称处理名称pHω(全盐)/(g/kg)ω(DTPA-Zn)/(mg/kg)ω(DTPA-Mn)/(mg/kg)3个月6个月3个月6个月3个月6个月3个月6个月杉木T16.06±0.19b5.00±0.19c25.16±3.16a21.93±3.03a172.8±8.8a237.3±16.3a244.5±10.5a2039.0±51.0cT25.61±0.21A4.92±0.22A29.52±3.52B33.81±3.81AB284.4±16.4A471.4±20.4A4513.6±63.6C5623.0±56.7A香樟T17.50±0.31a5.71±0.25ab23.76±3.76a18.74±1.80ab117.3±10.3b189.7±11.7c167.1±8.1d1361.0±39.0eT24.98±0.17BCD4.28±0.17BC27.76±2.76B31.82±3.45AB156.2±9.2D305.3±7.3D4280.6±81.6D4734.5±34.5E红花檵木T17.14±0.21a5.92±0.19a27.80±2.80a18.23±1.80b110.2±9.2bc185.6±7.6cd208.0±11.0b1352.0±47.0eT25.27±0.19B4.90±0.21A37.92±4.92A36.64±4.52A159.2±9.2D370.3±7.3BC3747.3±42.3E5216.6±38.6C含笑花T17.50±0.39a5.40±0.19b27.76±3.26a19.61±1.87ab110.7±11.7bc167.5±5.5de203.5±4.5b1608.6±20.6dT25.02±0.14BC4.13±0.13C34.72±3.72AB33.71±3.47AB205.0±15.8C347.3±13.3C4168.2±57.2D4266.8±52.8F桂花T17.15±0.22a5.63±0.22ab22.72±2.72a18.22±1.64b96.0±5.0c163.3±6.3e198.9±9.9bc1416.5±27.5eT24.95±0.15CD4.21±0.12BC30.50±3.50B27.91±1.91BC246.1±12.1B286.9±13.9D5061.1±73.1B4937.0±68.5D叶子花T17.37±0.24a5.72±0.21ab15.10±1.10b16.91±1.11b105.5±12.5bc211.5±13.5b205.7±8.3b2453.8±31.8aT24.70±0.13D4.47±0.17B34.46±3.96AB35.01±3.51A271.8±19.8A394.4±20.4B5428.1±61.1A5428.6±96.6B鹤望兰T17.31±0.29a4.84±0.16c14.24±0.44b10.89±0.89c117.7±12.7b201.5±15.5bc187.1±5.1c2227.2±26.2bT24.92±0.14CD4.11±0.11C28.42±2.22B24.33±1.33C208.7±11.7C363.8±8.8C4229.0±59.5D4825.3±36.3E
注:根据Duncan氏检验(P<0.05)结果,同一列中不同小写字母表示T1处理不同植物间差异显著,同一列中不同大写字母表示T2处理不同植物间差异显著,n=3。
由上文分析得知,土壤中施加TH-SM01后对土壤pH和DTPA-Zn、DTPA-Mn含量均有明显影响,分别进行相关性分析可知(表4):施加TH-SM01的土壤pH与DTPA-Zn、DTPA-Mn含量均具有极显著的负相关关系(P<0.01),无施加TH-SM01的土壤pH与DTPA-Zn、DTPA-Mn含量相关性不显著,但均随着土壤pH升高而降低。
表4 土壤pH与重金属DTPA提取态含量的相关系数
Table 4 Correlation coefficients of soil pH and
heavy metal DTPA extraction contents
处理组DTPA-ZnDTPA-MnT1-0.919∗∗-0.894∗∗T2-0.413-0.260
注:相关性分析样本数n=14;**表示P<0.01。
相关研究表明,杉木对Mn具有较强的吸收富集能力[23, 24],但耐盐能力低,对土壤含盐量极为敏感[25],仅能在ω(全盐量)<1 g/kg的土壤上生长[26]。因此,本研究T1、T2处理杉木死亡,主要是由于土壤全盐量过高所致,在种植杉木时,需降低土壤全盐量至符合植物生长要求后,再栽种杉木。
香樟耐盐能力低,土壤超过4 g/kg的盐处理浓度会显著抑制香樟的生长[27]。香樟对土壤Mn具有一定的耐受能力,当土壤ω(Mn)<5000 mg/kg时,香樟可以生长;但当ω(Mn)>8000 mg/kg时,香樟生长受限,植株死亡[28]。因此,T1、T2处理香樟死亡,主要是由于土壤全盐量和Mn含量过高所致。
本研究中,T1和T2处理土壤DTPA-Zn含量差异远小于土壤DTPA-Mn含量的差异,且含笑花、叶子花对Mn具有超富集能力,因此,T2处理含笑花、叶子花死亡,可能是由于土壤全盐量过高所致,而红花檵木、桂花对土壤Zn、Mn虽也具有一定的耐性,但当土壤DTPA-Mn含量达到3747.3 mg/kg(表3)时是否会影响植株生长鲜见报道,因此,T2处理红花檵木、桂花植株死亡,可能是土壤全盐量过高,也可能是土壤DTPA-Mn含量过高所致,具体需进一步研究。
总体而言,7种植物中,鹤望兰的耐盐性能最强,其次是含笑花、叶子花、红花檵木、桂花,而杉木、香樟耐盐能力最低。鹤望兰在生长过程中可以吸收一定量的盐,降低土壤全盐量,这可能与其肉质根将吸收的盐离子积累在根部有关。
本研究表明,向土壤中施加TH-SM01可以降低土壤全盐量,同一植物种植3个月、种植6个月时T1处理土壤全盐量均较T2处理低(表3)。分析原因:1)土壤中施加TH-SM01后,TH-SM01中的CaSO4、Ca2+与土壤胶体表面Na+发生离子交换作用,形成的NaSO4可随水迁移而淋出,Ca2+与土壤和反应形成CaCO3、CaHCO3,从而降低土壤全盐量[14, 29]。2)TH-SM01中的腐殖酸施入土壤后能产生酸性物质,酸碱中和反应后,多余的H+与土壤胶体表面Na+和K+发生离子交换反应,使Na+和K+脱离胶体表面,随水迁移而淋出,强化CaSO4脱盐[13, 14]。3)TH-SM01中的沸石具有多管状孔道、比表面积大的特点,对Na+和阴离子均有良好的吸附效果,进一步降低土壤盐含量[30]。4)TH-SM01中的珍珠岩可以疏松土壤,增强土壤团粒的形成,改善土壤结构,同时珍珠岩具有较强的吸附和离子交换能力,有利于脱盐[31]。
本研究表明,土壤中施加TH-SM01可以迅速提高土壤pH,降低土壤DTPA-Zn、DTPA-Mn含量,但随着施用时间延长,土壤pH下降(表3)。原因是土壤施用TH-SM01后,TH-SM01中部分CaO、钙镁磷肥发生水化反应,提高土壤pH[32-34],腐殖酸、蛭石、珍珠岩对土壤Zn2+、Mn2+的吸附量随着pH的升高而增大,降低了土壤DTPA-Zn、DTPA-Mn含量[10, 35-36]。且钙镁磷肥与CaO配施,可以利用钙镁磷肥溶解释放的与土壤中的Zn2+、Mn2+形成难溶的磷酸盐沉淀,而生成的磷酸盐沉淀溶度积远小于碳酸盐沉淀,从而加强CaO钝化Zn、Mn效果,进一步降低土壤DTPA-Zn、DTPA-Mn含量[34, 37]。但随着施用时间延长,附着于未水解的CaO、钙镁磷肥表面上的难溶沉淀物越来越多,CaO、钙镁磷肥未能发挥长效作用[1]。而TH-SM01中的CaSO4与土壤中的和发生反应形成CaCO3、CaHCO3可使pH降低,因此,随着施用时间延长,种植3个月后在CaO、钙镁磷肥失效,而CaSO4仍可继续发挥脱盐、降碱作用的情况下,土壤pH在种植植物6个月时比种植3个月时低。
1)鹤望兰具有较强的耐盐和耐Zn、Mn能力,在生长过程中可以吸收一定量的盐,可在重度盐和Zn、Mn复合污染土壤上优先使用;红花檵木、含笑花、桂花、叶子花对盐的耐受能力亚于鹤望兰,但仍可以在TH-SM01的施用下生长;且含笑花、叶子花对Mn具有超富集能力,种植6个月叶片Mn含量分别为11086.1,15809.7 mg/kg,地上部Mn转运系数均>1。
2)向土壤中施加TH-SM01可以降低土壤全盐量,且种植植物3个月后TH-SM01仍可以继续发挥脱盐作用,种植植物6个月T1处理土壤全盐量较T2处理下降34.72%~55.24%。
3)土壤施用TH-SM01后可以提高土壤pH,但随着施用时间延长,提高幅度在缩小,且施加TH-SM01可以降低土壤DTPA-Zn、DTPA-Mn含量,尤其是DTPA-Mn,种植植物3个月后降低率达到94.45%~96.21%。
4)土壤DTPA-Zn、DTPA-Mn含量随着pH升高而降低,且施加TH-SM01后的土壤pH与DTPA-Zn、DTPA-Mn含量均呈极显著负相关。
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