三种提取剂对凤丹根际土壤重金属提取效率的影响

张永兰，徐 夏，王友保

(1.安徽师范大学生命科学学院生物环境与生态安全安徽省高校重点实验室，安徽芜湖241000;2.池州职业技术学院园林系，安徽池州247000)

铜陵是我国重要的产铜地区之一，也是我国最大的凤丹（Paeonia ostii)生产基地。凤丹的根皮即丹皮具有镇痛、解热、抗过敏、消炎、免疫等功效，被用于心血管疾病、过敏性疾病等的防治，市场需求量大。然而近年来大规模的铜矿开采和冶炼，大量土地受到重金属Cu、Pb等严重污染[1-2]，不仅影响凤丹植株的生长和丹皮的药用价值，也会对人体健康造成危害，故亟需对凤丹种植地土壤重金属污染进行生态污染评价，并研究其治理措施。土壤中有效态重金属作为评价污染的强度指标能有效地反映土壤实际污染状况及其对植物的危害，是重金属污染修复、治理的理论基础[3]。根际是土壤中受植物根系及其生长活动显著影响的微域环境，是植物吸收最活跃的部分，该区域重金属有效态直接影响其生物毒性[4]。土壤重金属有效态含量检测包括直接检测的物理分析、化学浸提和间接的生物检测等方法[5]。用物理方法如扩散原理的DGT技术分析土壤中重金属形态是一种原位分析技术，操作简单，不受土壤理化性质的影响，定量准确，但由于是模拟生物吸收，其结果在确定生物有效性方面不够准确，也不能全面包含植物生长中受到的各种影响因素。生物检测是一种间接检测，是利用生物对土壤重金属污染所产生的反应，从生物学的角度对土壤污染情况进行检测，目前利用植物、微生物及动物进行检测的研究，大多是进行定性分析，对土壤的污染程度进行评价[5]。化学试剂提取法属于异位分析，包括单独提取法和连续提取法，试验所需要的时间比较长，但因操作简单、设备要求相对低、精确度高而有广泛应用，其中单独提取法所提取的重金属形态是指植物可利用的重金属所有形态，此种方法所提取的重金属含量与植物的相关性较好[6]，可用来评价重金属的短期或中期存在的危害，实际研究中采用较多。EDTA-2Na（乙二胺四乙酸二钠）、DTPA（二乙基三胺五乙酸）和HCl（盐酸）是单独提取法中应用最广的提取剂[7-9]。本研究采用人工外源添加方式配置单一重金属污染土壤样品，应用EDTA-2Na、DTPA和HCl这3种提取剂，对风丹根际土壤中重金属有效态及其影响因素进行分析，为凤丹种植地的管理与凤丹的安全栽培提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料与设计

供试幼苗是从安徽省铜陵市凤凰山凤丹种植基地采集生长情况大致相同、根系丰富的一年生凤丹幼苗，并于实验温室内进行稳苗栽培2周。供试土壤系采用安徽师范大学后山的园田土。按土壤农化分析常规方法测定土壤基本理化性质[9]，见表1。

表1 供试土壤的主要理化性质及重金属含量

实验设计与处理：供试土壤经室温自然风干后过2 mm尼龙筛，分别添加一定浓度的Cu(CH3OO)2·H2O、Pb(CH3OO)2·3H2O或Cd(CH3OO)2·2H2O水溶液，并充分混匀，使土壤中Cu2+浓度分别为50、100、200、400、800、1 200、1 600 mg·kg-1，Pb2+浓度分别为50、200、500、800、1 200、1 600、2 000 mg·kg-1，Cd2+浓度分别为 1、10、100、200、400、600、800 mg·kg-1的处理组各 7组（分别标记为处理组 1～7），以不加Cu(CH3OO)2·H2O、Pb(CH3OO)2·H2O或Cd(CH3OO)2·2H2O的土壤为对照(CK)。以上各组在自然条件下稳定10 d后，参照Steen（1991）等的网袋法制作根际环境，将上述土壤分别装进塑料花盆，每盆装土2 kg，其中800 g装在一个300目的尼龙网袋并埋进花盆；稳定15 d后，将凤丹幼苗栽入花盆内的尼龙网袋中。每盆栽培2株凤丹；培养3个月后，取根际土壤进行试验。实验设3组重复。

1.2 测试指标与方法

(1)土壤全铜、全铅和全镉含量的测定。将凤丹根际土壤取出，风干，过0.1 mm筛后备用。取土样经盐酸—硝酸—高氯酸消解后，使用AA-6800型原子吸收分光光度计测定[10-11]。

(2)土壤铜、铅和镉有效态含量的测定。 分别采用0.005mol·L-1DTPA-0.1mol·L-1TEA-0.01mol·L-1CaCl2(pH 7.30)、0.1 mol·L-1HCl和0.05 mol·L-1EDTA-2Na(pH 7.00)提取土壤铜、铅和镉有效态。提取时，液土比为5∶1；提取后，使用AA-6800型原子吸收分光光度计测定[12]。

(3)数据分析方法。土壤重金属有效态的提取率(%)是指土壤重金属有效态提取量与土壤中该重金属总量比值的百分数[12]。采用SPSS 19.0统计软件对实验数据进行单因素方差分析，即在平均值(N=3)比较基础上，采用Duncan方法，在P=0.05水平进行数据差异显著性检验，以比较不同提取剂对各重金属有效态提取量的差异显著性，同时利用Person(two-tailed)法进行相关性分析。

2 结果及分析

2.1 3种提取剂对凤丹根际土壤重金属有效态含量的影响

3种提取剂对凤丹根际土壤重金属Cu、Pb和Cd不同污染浓度下有效态含量见表2。由表2可知，在凤丹根际环境下，随Cu、Pb和Cd浓度的升高，3种提取剂下Cu、Pb和Cd有效态含量持续升高，并在处理组7中达到峰值。其含量分别为EDTA-2Na提取量范围为Cu 8.21～431.57 mg·kg-1、Pb 23.56～494.95 mg·kg-1、Cd 0.29～326.67 mg·kg-1，HCl提取量范围为 Cu 7.19～322.83 mg·kg-1、Pb 14.86～ 316.33 mg·kg-1、Cd 0.27～309.37 mg·kg-1，DTPA提取量范围为Cu 4.99～229.87 mg·kg-1、Pb 8.26～176.40 mg·kg-1、Cd 0.24～303.20 mg·kg-1。分析表明，凤丹根际环境下，3种提取剂对Cu、Pb和Cd的提取量由大到小依次为EDTA-2Na、HCl、DTPA。

表2 3种提取剂下凤丹根际土壤中重金属的有效态含量(mg·kg-1)

2.2 3种提取剂对凤丹根际土壤重金属有效态提取率的影响

3种提取剂对凤丹根际土壤Cu、Pb和Cd提取率见表3。3种提取剂对Pb和Cd的提取率均呈现先增后减的趋势，峰值集中出现在处理组4和处理组5中。HCl和DTPA对Cu的提取率也呈现先增后减的趋势，峰值出现在处理组4中；EDTA-2Na对Cu的提取率随Cu浓度的升高而升高，峰值出现在处理组7中。提取率的变化，说明了重金属在根际土壤环境下，形态可能发生变化。通过根系生长，影响了根系土壤pH、微生物及土壤酶。在一定浓度范围内对金属离子产生络合、吸附、鳌合等作用，促进了重金属的转化与迁移。当浓度过高时，由于重金属的胁迫抑制了凤丹根系的生长，进而影响到重金属的转化和迁移，导致提取率下降[13]。结果显示，EDTA-2Na提取率范围为Cu 31.17%～41.07%、Pb 53.30%～57.82%、Cd 53.80%～54.11%，HCl提取率范围为Cu 27.30%～31.51%、Pb 33.62%～37.14%、Cd 50.37%～51.09%，DTPA提取率范围为Cu 18.92%～22.22%、Pb 18.69%～20.85%、Cd 44.79%～52.53%。EDTA-2Na提取率均值为Cu 35.98%、Pb 56.50%、Cd 53.95%，HCl提取率均值为Cu 30.04%、Pb 35.97%、Cd 50.94%，DTPA提取率均值为Cu 21.05%、Pb 20.12%、Cd 49.04%。分析表明，3种提取剂对凤丹根际土壤Cu、Pb和Cd的提取率从大到小依次为EDTA-2Na、HCl、DTPA。

对比3种提取剂下同一重金属的提取率，结果表明，凤丹根际土壤有效态Pb的比例因提取剂不同而变化较大，其次为Cu，而Cd变化相对较小。对于Pb，EDTA-2Na的平均提取率是HCl的1.57倍，是DTPA的2.81倍；对Cu而言，EDTA-2Na的平均提取率是HCl的1.20倍，是DTPA的1.71倍；而对于Cd，EDTA-2Na的平均提取率是HCl的1.06倍，是DTPA的1.10倍。可见凤丹根际土壤中Pb有效态含量对提取剂较为敏感，因提取剂不同，差异较大；3种提取剂对Cd的提取效果均较好。这种基于提取剂不同的提取机理及根际环境中pH等因素的影响而表现出来的提取能力上的差异，与李亮亮等的研究结论一致[14]。3种重金属在根际环Cd境及外源添加的影响下形态发生了变化，如Pb和Cu可能由残渣态为主变成氧化物结合态，Cd由有机结合态为主转变为残渣态和交换态为主，从而导致出提取效果上的差异[15]。

对比凤丹根际环境下不同重金属对同一提取剂的提取率均值，EDTA-2Na下提取率均值为Cu 35.98%、Pb 56.50%、Cd 53.95%，从大到小为 Pb、Cd、Cu；HCl下提取率均值为Cu 30.04%、Pb 35.97%、Cd 50.94%，从大到小为Cd、Pb、Cu；DTPA下提取率均值为Cu 21.05%、Pb 20.12%、Cd 49.04%，从大到小为Cd、Cu、Pb。这说明凤丹根际环境下，EDTA-2Na对Pb的提取效果较好；HCl和DTPA对Cd的提取效果较好。相较于Pb和Cd，EDTA-2Na和HCl对Cu的提取效果并不理想，DTPA对Cu的提取效果仅次于Cd。凤丹根际土壤中，EDTA-2Na的提取效果为Pb＞Cd＞Cu；HCl的提取效果为Cd＞Pb＞Cu；DTPA的提取效果为Cd＞Cu＞Pb，且这种差异性在不同重金属之间均表现为显著（p＜0.05，如表3所示）。由提取率和差异性显著分析得出，EDTA-2Na适合对凤丹根际土壤Pb的提取，HCl和DTPA适合对Cd的提取，EDTA-2Na次之，DTPA较适合对凤丹根际土壤Cu的提取。

表3 3种提取剂下凤丹根际土壤中重金属有效态的提取率(%)

3 结论

针对产铜地区凤丹种植地土壤重金属污染问题，研究了凤丹根际环境下，3种提取剂对重金属Cu、Pb和Cd的提取量及提取率从大到小依次为EDTA-2Na、HCl、DTPA。就3种提取剂下，不同重金属的有效态含量及其提取率而言，EDTA-2Na适合对凤丹根际土壤Pb的提取，HCl和DTPA适合对Cd的提取，EDTA-2Na次之，DTPA较适合对凤丹根际土壤Cu的提取。