富里酸促进印度芥菜-棉花轮作对汞污染农田土壤修复的研究

范占煌 孙佳峰 陆永明 孙达 徐灿灿 刘锐

摘要 [目的]提高汞污染农田土壤的修复效率。[方法]在汞污染农田土壤中投加富里酸（投加量为0、0.075、0.150、0.225kg/m2），并在试验结束后分析植物生物量和组织内汞含量及土壤总汞、有效汞含量，研究富里酸促进印度芥菜-棉花轮作对土壤汞的修复效果。[结果]投加富里酸可促进印度芥菜、棉花植株生长，但差异不显著，投加富里酸能提高印度芥菜、棉花中总汞的含量，促进印度芥菜、棉花根部汞向地上部分转运以及土壤总汞和有效汞的降低。每个种植季都投加富里酸，且富里酸投加量为0.075kg/m2促进效果最好，修复后，土壤总汞含量由（0.56±0.05）mg/kg降低至（0.32±0.04）mg/kg，土壤有效汞含量由（2.13±0.04）μg/kg降低至（0.48±0.05）μg/kg。[结论]投加富里酸可作为促进印度芥菜-棉花轮作修复汞污染农田土壤的潜在修复技术。

关键词 汞污染农田土壤;富里酸;印度芥菜;棉花;轮作;修复

中图分类号 X.53文献标识码A

文章编号0517-6611（2021）07-0085-04

Abstract[Objective]Inordertoimprovetheremediationefficiencyofmercurycontaminatedfarmlandsoil.[Method]Fulvicacid（dosage：0，0.075，0.150，0.225kg/m2）wasaddedtothemercurycontaminatedfarmlandsoil.Aftertheexperiment，theplantbiomass，themercurycontentinthetissue，thetotalmercuryandtheeffectivemercurycontentinthesoilwereanalyzed，andtheenrichmentofmercuryinBrassicajunceacottonrotationwerestudied.[Result]TheadditionoffulvicacidhadnosignificanteffectonthebiomassofBrassicajunceaandcottonplants，butcouldincreasethecontentoftotalmercuryinplants，promotethetransportofmercuryfromplantrootstoabovegroundpartsandreducethetotalandeffectivemercuryinsoil.Whenthefulvicaciddosagewas0.075kg/m2，andeachplantingseasonwasaddedwithfulvicacid，thepromotioneffectwasthebest.Afterrestoration，thetotalmercurycontentofsoildecreasedfrom（0.56±0.05）mg/kgto（0.32±0.04）mg/kg，andtheeffectivemercurycontentofsoildecreasedfrom（2.13±0.04）μg/kgto（0.48±0.05）μg/kg.[Conclusion]TheadditionoffulvicacidcanbeusedasapotentialremediationtechnologytopromotetheremediationofmercurycontaminatedfarmlandsoilbyBrassicajunceacottonrotation.

KeywordsMercurycontaminatedfarmlandsoil;Fulvicacid;Brassicajuncea;Cotton;Rotation;Remediation

作者简介 范占煌（1980—），男，福建永定人，高级工程师，硕士，从事环境污染修复技术研究。*通信作者，高级工程师，硕士，从事环境污染修复技术研究。

2014年生态环境部公布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤环境状况总体不容乐观，耕地土壤环境质量堪忧。全国土壤总的点位超标率为16.1%，以无机类型污染为主，汞污染点位超标率达1.6%[1]。汞是一种人体非必需的重金属元素，汞及其化合物是具有很强的致癌致畸作用、神经毒性持久性、遗传毒性和生物积累效应的最危险的环境污染物之一[2-4]，由于其危害巨大，汞被国际卫生组织列为优先控制污染物[5]。我国在1980—2012年汞的排放量大增，被认为是最大的汞排放国[6]。而排放的汞又会通过大气沉降、固废堆积等方式污染土壤。土壤中的汞又可以通过食物链在人体中富集，所以受汞污染的土壤被认为是全球环境和人类健康风险的主要来源之一[7]。土壤汞污染的治理迫在眉睫。

植物修复属于安全、成本低、环境友好型的重金属污染治理措施[8-9]，适合中、低浓度污染土壤的治理。目前，通常采用的植物修复技术主要分2类[10]：一类是采用超富集植物修复重金属污染土壤，但是截至目前，尚无研究发现汞的超富集植物;另一类是采用不具备超富集重金属而生物量大的植物修复污染的土壤。印度芥菜具有大量积累多种重金属能力[11];棉花生物量大，对多种重金属有较强的富集能力，是常见的重要经济作物[12]。这2种作物在一年中可以分不同的种植季种植。轮作作为传统的种植模式之一，可以有效提高土地利用率和生产效率[13]。目前利用作物轮作方式修复土壤重金属主要研究集中在镉[13-14]，而对汞的研究相对较少。此外，土壤中大部分汞都是以惰性形态存在的，生物可利用态汞的含量普遍偏低[15-16]。因此，植物修復汞污染的土壤，需提高土壤中汞的生物有效性，从而提高植物修复的效率。

腐殖酸普遍存在于环境中，其对土壤中汞的环境迁移活性兼具抑制与活化的双重效应，其中有文献报道富里酸可表现出显著的促进效应[16]。因此，富里酸可作为植物吸收汞的促进剂。该研究以印度芥菜、棉花为修复植物，采用印度芥菜-棉花轮作种植模式，探究在大田环境下，添加富里酸对轮作模式下植物富集农田土壤汞的影响以及土壤汞有效态的变化特征，以期为汞污染农田土壤的强化植物修复提供参考。

1材料与方法

1.1试验设计

田间试验位于嘉兴市南湖区某农田（原种植模式为稻麦轮作），在小型热电厂附近。试验田土壤基本理化性质为有机质含量38.2g/kg、全氮含量2.5g/kg、全磷含量0.8g/kg、水解性氮含量175.1mg/kg、有效磷含量20.9mg/kg、速效钾含量139.6mg/kg、阳离子交换量20.2cmol（+）/kg、土壤总汞含量0.56mg/kg、有效汞含量2.13μg/kg、土壤pH6.3。土壤总汞含量超过我国《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618—2018）中农用地土壤污染风险筛选值。

按单独印度芥菜，富里酸投加量分别为0、0.075、0.150、0.225kg/m2进行处理，设置小区，除富里酸投加量0.075kg/m2处理设置6个重复外，其他每个处理3个重复，小区随机排列，共15个小区，每个试验小区面积为3.0m×11.1m。印度芥菜先播种，经过40d生长后，移栽到各小区，每个小区移栽量为300株。在移栽前，按小区各自设定撒入富里酸，撒入后进行人工翻土20cm左右，然后移栽印度芥菜，浇水，移栽后，对试验农田定期浇水并进行统一管理。移栽后，植物生长期为6个月。

印度芥菜连根收获后，在原先种植印度芥菜的小区上，种植棉花。种植印度芥菜时富里酸投加量为0.075kg/m2的6个重复小区，随机选取3个小区不再投加富里酸外，其余处理的小区均延续印度芥菜时的处理，棉花播种量为每个小区100株。在播种前，按试验设置撒入富里酸，撒入后进行翻土，翻土深度为20cm左右，然后进行播种，浇水，后期对试验农田定期浇水并进行统一管理。棉花生长期为6个月。

种植棉花后，实际处理方式为：印度芥菜-棉花轮作（对照，不加富里酸），1年之中仅在种植印度芥菜时投加1次0.075kg/m2富里酸，种植棉花时不加（记为1年投1次）;印度芥菜-棉花轮作+0.075kg/m2富里酸，种植印度芥菜、棉花时都投加0.075kg/m2富里酸（记为1年投2次）;印度芥菜-棉花轮作+0.150kg/m2富里酸，种植印度芥菜、棉花时富里酸都投加;印度芥菜-棉花轮作+0.225kg/m2富里酸，种植印度芥菜、棉花时富里酸都投加。

1.2样品采集与分析

印度芥菜、棉花收获时，在每个小区采用5点采样法采集5穴植物样（连根）。同时，在采集每穴植物样时收集该穴植物根部的土壤，5穴土样混合均匀后采用四分法分样，每小区最后获得1kg新鲜土壤样品。将土壤样品置于密封样品袋中带回试验室，自然风干后过100目筛。

每个小区先采的5穴植物样，采集棉花时每个小区先采完棉絮，余下的连根整株植物带回实验室，采集印度芥菜时整株植物连根带回实验室，棉花、印度芥菜植株用自来水反复冲洗干净在烘箱中50℃烘干，各自捆成一捆，每个小区内剩余的植株同样进行以上操作，然后和先采集的5穴植株一起，每个小区整株植物称重，植物干重（kg）除以小区面积（33.3m2）即为每个小区植株的生物量（kg/m2）。称重后，每个小区采集的5穴植株，分根部和地上部分，经植物粉碎机粉碎后待测总汞[4]，采集的棉絮也单独进行总汞测试。

土壤基本理化性质测定将采用常规分析法[7]。土壤有机质测定采用容量法;全氮测定采用开氏法;pH测定采用电位法，土水比例确定为1∶2.5;阳离子交换量测定采用醋酸铵浸提火焰分光光度计;速效磷测定采用NH4F-HCl法;速效钾测定采用醋酸铵-火焰光度计法。总汞测定采用原子荧光谱仪（科创海光AFS-9700）[7]，土壤有效汞用0.1mol/L盐酸浸提后再测定[17]。

1.3数据分析

采用SPSS24.0软件对试验数据进行显著性分析，其中投加富里酸小区与对照组的差异性分析，P<0.05表示差异显著，P<0.01表示差异极显著。

2结果与分析

2.1印度芥菜-棉花轮作植株生物量从表1可以看出，富里酸投加量为0.075、0.150、0.225kg/m2的小区印度芥菜植株生物量均比对照有所增加，但差异均不显著。随着富里酸投加量的增加，印度芥菜植株生物量逐渐增加，表明投加量为0.075～0.225kg/m2的富里酸能促进印度芥菜生长，但不显著。

印度芥菜收获后，轮作棉花。富里酸投加量为0.075、0.150、0.225kg/m2的小区棉花植株生物量均比对照有所增加，但差异均不显著。随着富里酸投加量的增加，棉花植株生物量逐渐增加，表明投加量为0.075～0.225kg/m2的富里酸能促进棉花生长，但不显著。

在印度芥菜种植时，一次投入0.075kg/m2富里酸的小区，印度芥菜收獲后，直接种植棉花，也即印度芥菜-棉花轮作，1年1次投入0.075kg/m2富里酸，棉花生物量为（0.80±0.09）kg/m2，比单种棉花的小区植株生物量有所增加，但差异不显著，比每个种植季都投加即1年投2次0.075kg/m2富里酸棉花生物量（0.82±0.08kg/m2）的低，但差异不显著。

2.2印度芥菜-棉花轮作植株对汞的富集

由表2可见，对照处理的印度芥菜根部、地上部分总汞含量分别是（0.021±0.004）mg/kg、未检出，表明不加富里酸，印度芥菜对汞的富集量较低，且富集在植株根部。富里酸投加量为0.075、0.150、0.225kg/m2的小区，印度芥菜根部总汞含量逐渐增高，且投加量为0.150、0.225kg/m2的小区均极显著高于对照。投加富里酸，印度芥菜地上部分开始有总汞富集，且随着投加量的增加，印度芥菜地上部分总汞含量逐渐降低。以上结果表明，与不加富里酸的对照相比，投加富里酸能促进印度芥菜对土壤汞的吸收，且促进根系部分的汞向地上部分转运，而低投加的富里酸促进效果更好。总体而言，富里酸可促进土壤汞在印度芥菜中富集。

印度芥菜收获后，轮作棉花，对照处理的棉花根部、地上部分总汞含量分别是（0.016±0.003）mg/kg、未检出，表明不加富里酸，棉花对汞的富集量较低，且富集在植株根部。富里酸投加量为0.075、0.150、0.225kg/m2的小区，棉花根部总汞含量逐渐增高，投加量为0.225kg/m2的小区显著高于对照。与种植印度芥菜一样，投加富里酸，轮作棉花地上部分开始有总汞富集，且随着投加量的增加，棉花地上部分总汞含量逐渐降低。以上结果表明，与不加富里酸的对照相比，投加富里酸能促进棉花对土壤汞的吸收，且促进根系部分的汞向地上部分转运，而低投加的富里酸促进效果较好。总体而言，富里酸可促进土壤汞在棉花中富集。

在印度芥菜种植时，一次投入0.075kg/m2富里酸的小区，印度芥菜收获后，直接种植棉花，也即印度芥菜-棉花轮作，1年1次投入0.075kg/m2富里酸，棉花植株根部、地上部分总汞含量分别为（0.022±0.006）、（0.015±0.004）mg/kg。与印度芥菜-棉花輪作，种植印度芥菜、棉花都投入0.075kg/m2富里酸，即1年投2次富里酸，棉花植株根部、地上部分总汞含量分别为（0.018±0.004）、（0.045±0.003）mg/kg;1年投1次小区，棉花根部总汞与1年投2次的小区相比没有显著差异，但是地上部分与1年投2次的小区相比极显著降低。表明印度芥菜-棉花轮作修复汞污染农田土壤，富里酸1年投2次比1年投1次促进植物富集总汞效果更好。

对所有小区进行棉絮总汞检测，结果显示总汞含量为未检出，表明棉絮中没有汞的积累。由此棉花植株中其他部分富集汞，而可利用部分的棉絮没有富集汞，有利于利用印度芥菜-棉花轮作实现边生产边修复土壤汞的目的。

2.3土壤中总汞、有效汞含量

由表3可见，印度芥菜修复后，与修复前土壤中总汞含量（0.56±0.05mg/kg）相比，对照小区土壤中总汞含量为（0.53±0.04）mg/kg，略有降低，但差异不显著。3种投加量富里酸处理小区土壤中总汞含量除了投加量为0.225kg/m2的小区外均显著低于对照。可见，投加富里酸有利于印度芥菜对土壤中汞的吸收以及土壤中总汞的降低。投加量为0.075～0.225kg/m2，随着富里酸投加量的增加，土壤中总汞含量的降低量减少，表明低投加量的富里酸更有利于促进印度芥菜对土壤总汞的修复。

印度芥菜修复后，与修复前土壤中有效汞含量（2.13±0.04μg/kg）相比，对照小区土壤中有效汞含量显著降低，为（1.39±0.07）μg/kg，表明印度芥菜本身能吸收一定量的有效汞。3种投加量富里酸处理小区土壤中有效汞含量均显著低于对照和修复前，可见投加富里酸不仅能使土壤中总汞降低，也能促进印度芥菜对土壤中有效汞的吸收。投加量为0.075～0.225kg/m2，随着富里酸投加量的增加，这种促进作用减弱，低投加量的富里酸促进效果更好。投加富里酸，土壤中有效汞降低的趋势与土壤中总汞的降低趋势相同。

印度芥菜收获后，轮作棉花，单种棉花小区，土壤中总汞含量为（0.49±0.04）mg/kg，比单种植印度芥菜收获后，土壤中总汞又有降低，但差异不显著。3种投加量富里酸处理小区土壤中总汞含量除了投加量为0.075kg/m2的小区土壤中总汞显著低于对照外，其余的与对照相比差异不显著。与种植印度芥菜相比，轮作棉花后，土壤中总汞含量继续降低，其中富里酸投加量为0.075kg/m2的小区有显著降低，其余小区差异不显著。

印度芥菜-棉花轮作，单种棉花小区，土壤中有效汞含量为（0.76±0.07）μg/kg，比单种植印度芥菜收获后，土壤中有效汞又有降低，差异显著。3种投加量富里酸处理小区土壤中有效汞含量均显著低于对照。与种植印度芥菜相比，轮作棉花后，土壤中有效汞含量继续降低，且差异均显著。

以上结果表明，投加富里酸有利于印度芥菜-棉花轮作对土壤汞的吸收以及土壤总汞、有效汞的降低，且低投加量的富里酸更有利于促进印度芥菜-棉花轮作对土壤汞的修复，尤其是富里酸投加量为0.075kg/m2，棉花收获后，土壤中总汞、有效汞含量比印度芥菜收获后进一步显著降低。

印度芥菜-棉花轮作，0.075kg/m2富里酸1年投1次，棉花收获后，土壤中总汞、有效汞含量分别为（0.43±0.03）mg/kg、（0.75±0.05）μg/kg，均显著低于富里酸1年投2次棉花收获后土壤中总汞（0.32±0.04mg/kg）、有效汞（0.48±0.05μg/kg）含量。表明富里酸1年投2次更有利于促进印度芥菜-棉花轮作修复汞污染农田土壤。

该研究中，从修复效果及经济性考虑，投加量为0.075kg/m2的富里酸更适合用于印度芥菜-棉花轮作修复汞污染农田土壤。印度芥菜、棉花地上部分生物量大于根部，所以促进印度芥菜、棉花植株对汞的富集，尤其是植株根部汞向地上部分转运，对于印度芥菜-棉花轮作修复汞污染农田土壤更具现实意义。

3结论与讨论

为了提高汞污染农田土壤的修复效率，该试验在汞污染农田土壤中投加富里酸，研究印度芥菜-棉花轮作对汞的富集情况。

结果表明，与只种印度芥菜、棉花不加富里酸的对照小区相比，投加0.075～0.225kg/m2富里酸，随着投加量增加，印度芥菜、棉花生物量逐渐增加，但差异不显著。投加富里酸能促进印度芥菜-棉花轮作对土壤汞的吸收，且促进印度芥菜、棉花根部汞向地上部分转运。随着富里酸投加量的增加，印度芥菜、棉花植株根部总汞富集量增加，地上部分总汞富集量减少。低投加量的富里酸更有利于促进印度芥菜-棉花轮作对土壤总汞的吸收，富里酸投加量为0.075kg/m2，修复后土壤总汞含量由（0.56±0.05）mg/kg降低至（0.32±0.04）mg/kg，土壤有效汞含量由（2.13±0.04）μg/kg降低至（0.48±0.05）μg/kg。印度芥菜-棉花轮作修复汞污染农田土壤，棉花植株中其他部分富集汞，而可利用部分的棉絮没有汞检出，这有利于利用印度芥菜-棉花轮作实现边生产边修复土壤汞的目的。

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