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有机物料来源广泛、成本低，能够补充土壤养分和改良土壤，提高重金属生物可利用性，促进植物积累[1-3]。黄腐酸(fulvic acid)具有多种活性官能团，施用后能够提高土壤镉的有效性[4-5]。紫云英(Astragalus sinicus L.)作为一种我国南方常见的绿肥，可以增加作物产量，提高土壤重金属铜和锌的活性[6]。
超积累植物修复土壤重金属具有成本低、不破坏土壤结构等优点。利用电场促进植物吸收是近年来土壤重金属修复新技术的研究之一。陈海峰等[7]和仓龙等[8]研究发现，直流电场和螯合剂联用，可促进黑麦草吸收重金属。而施加交流电场可避免电场两极偏酸或碱，抑制植物生长的现象。LIM等[9]发现，将超积累植物印度芥菜和交流电场联用，可显著提高印度芥菜对Pb的积累。BI等[10]通过施加交流电场，促进了植物生长和重金属富积。然而，有机物料和交流电场联用对超积累植物修复土壤重金属的作用还鲜有报道。
本研究探讨了不同交流电场强度对超积累植物东南景天积累重金属的修复效果，并在此基础上，通过探索适宜的交流电场强度和有机物料的施加，达到提高东南景天修复重金属污染土壤效率的目的，对缩短植物修复周期[10-11]和促进研究成果转化具有现实意义。
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本研究采用的东南景天(Sedum alfredii Hance)，为多年生、可扦插的锌、镉超积累植物，取自浙江省衢州市的一个古老铅锌矿，后在浙江农林大学实验基地内栽培。供试重金属污染土壤Ⅰ和土壤Ⅱ先后采自温州市农科院实验基地，均为0~20 cm的表层土壤，阴凉处风干后，过5 mm筛备用。2种供试有机物料，一种为黄腐酸钾，为市售商品有机物料，经研磨后备用；另一种为绿肥紫云英，采自未受重金属污染的农田，晾干粉碎后备用。供试土壤和有机物料基本性质分别见表1和表2。
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1)不同交流电场强度对东南景天修复土壤重金属作用的影响。将土壤Ⅰ装入塑料盆中，装土25 kg，并移入生长一致的东南景天苗株，每盆两侧插入石墨板，与调压器相连，交流电压强度梯度为0、0.5、1.0 V·cm−1。分别设置通电20 d和通电40 d 2个周期，控制田间持水量60%，每个处理组做3次平行实验。2个周期结束时，采集植物和土壤样品。
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2)有机物料和交流电场联合对东南景天修复土壤重金属的影响。在上述实验基础上，交流电场强度为0 V·cm−1和0.5 V·cm−1条件下，黄腐酸钾(HF)以土重比0%、0.3%与供试土壤Ⅱ混匀装盆，每盆装土4.5 kg，移入东南景天苗株。设置4个处理组，分别为不通电、不施黄腐酸钾(0+0HF)，不通电、0.3%黄腐酸钾(0+0.3HF)，施加0.5 V·cm−1交流电场、不施黄腐酸钾(0.5+0HF)，施加0.5 V·cm−1交流电场、0.3%黄腐酸钾(0.5+0.3HF)；每个处理组做3次平行实验。
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3)交流电场强化有机物料对东南景天修复土壤重金属的作用。基于上述实验，交流电场强度为0.5 V·cm−1条件下，选用黄腐酸钾(HF)和紫云英(MV)分别按土重比0%、0.1%、0.3%、0.5%与供试土壤Ⅱ装盆，设置7个处理组，分别为0.1HF、0.3HF、0.5HF、0.1MV、0.3MV、0.5MV、不施用有机物料(CK)；每个处理组做3次平行实验。
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4)分析方法。土样经风干，磨细，分别过10、100目筛备用。新鲜植物样品洗净后测定鲜重；70 ℃下烘干至恒重，测定其干物质量。磨碎后，过20目筛供分析测定。
土壤pH、有机质以及速效养分采用常规分析方法[12]测定。土壤重金属有效态采用HCl浸提，土壤重金属全量采用 HNO3-HF-HClO4消煮，植物样品采用 HNO3-H2O2消煮。土壤重金属Cd形态分级采用 BCR三步连续提取法[13]。重金属元素含量均用电感耦合等离子发射光谱仪进行测定。
1.1. 实验原料
1.2. 实验方法
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1)交流电场对东南景天生长的影响。施加交流电场可促进东南景天生长[14]。40 d生长期，0.5 V·cm−1和1.0 V·cm−1处理组下的东南景天鲜重分别比对照组提高了40.1%和24.5%(表3)，0.5 V·cm−1处理组中植株鲜重显著高于对照组(P<0.05)。而东南景天的干重与对照组并无显著差异，这说明交流电场通过促进水分的迁移和离子的运动可提高东南景天生物量。
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2)交流电场对东南景天地上部重金属含量的影响。由表4可知，东南景天20 d生长期，相比对照组，电场处理组均可提高植物重金属元素含量。0.5 V·cm−1处理组中Cu、Zn、Pb和Cd含量提高达到显著(P<0.05)。东南景天在40 d生长期下，植株内重金属含量变化与20 d生长期一致，但植物体内各重金属元素含量都比20 d生长期下有所下降。这表明在交流电场下，东南景天在后20 d生长期中，对重金属的吸收速率低于植株生长速率。
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3)交流电场对东南景天重金属积累量的影响。交流电场促进了东南景天重金属积累(表5)。20 d生长期下，0.5 V·cm−1处理组东南景天Cu、Zn、Pb、Cd各重金属积累量均提高，相比对照组分别提高了89.9%、5.7%、46.9%和48.1%；40 d生长期下，0.5 V·cm−1处理组也显著增加了重金属的积累，但增幅不及20 d生长期。对于Cd，0.5 V·cm−1处理组东南景天重金属累积量显著高于1 V·cm−1的处理组，40 d生长期相比20 d生长期，东南景天重金属积累量显著提升。
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1)交流电场下不同处理组对东南景天生长和重金属含量的影响。由表6可知，交流电场和黄腐酸钾联用对东南景天生长促进效果最显著。单一交流电场或单施黄腐酸钾均促进了东南景天地上部的生长，但施加黄腐酸钾的作用更明显；与对照组相比，交流电场、黄腐酸钾或二者联用都显著提高了东南景天地上部Zn含量；当施用黄腐酸钾时，无论是否施加电场，均提高了Pb含量；对于Cd，单一交流电场或单施黄腐酸钾处理组相较对照组均没有显著差异，只有当交流电场联用黄腐酸钾时，植株Cd含量才显著高于对照组。
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2)交流电场下施加有机物料对东南景天重金属积累的影响。由表7可知，单一施加交流电场或黄腐酸钾均能促进东南景天地上部重金属积累，二者联用效果更显著。0.5+0HF处理组中重金属累积量明显高于对照组，这与对其他植物的研究结果[10, 14]一致。0.5+0.3HF处理组极大地提高了东南景天地上部重金属积累，Zn和Cd积累量显著高于其他处理组(P<0.05)，分别是对照组(0+0HF)的2.95倍和2.73倍。这与肖文丹等[15]的研究结果相似。
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1) 0.5 V·cm−1条件下不同有机物料对东南景天生长的影响。在0.5 V·cm−1条件下，施加有机物料可促进植物生长[16]。由图1可知，与对照组相比，各处理组东南景天植株的生物量均有显著提高。在施加0.5 V·cm−1条件下，在0.3%施用量下2种有机物料对东南景天生长促进的作用最大，施加黄腐酸钾效果更为突出；而在0.5%有机物料的施用量下，添加2种有机物料，东南景天的生物量有所下降，表明有机物料施用量过高，抑制了东南景天生长。
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2) 0.5 V·cm−1条件下不同有机物料对土壤pH的影响。由图2可知，在0.5 V·cm−1的条件下，与对照组相比，2种有机物料均降低了土壤 pH，施加黄腐酸钾的土壤pH下降了近0.3个单位，显著低于对照组(P<0.05)，这可能与黄腐酸钾分解产生的有机酸有关。
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3) 0.5 V·cm−1条件下不同有机物料对土壤有机质含量的影响。有机物料可通过调控土壤的理化性质从而进一步影响Cd的有效性[17]。生长在高浓度有机质环境下的植物更易积累重金属[18]。秸秆还田提高了土壤有机质和养分含量，提高了伴矿景天Cd的积累量[19]。在施加电场为0.5 V·cm−1的条件下，2种有机物料的添加均显著提高了土壤有机质含量，添加紫云英对土壤有机质的提高效果略优于添加黄腐酸钾，这可能和紫云英本身有机碳水平较高有关(图3)。
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4) 0.5 V·cm−1条件下不同有机物料对土壤重金属有效态的影响。由表8可知，在施加0.5 V·cm−1条件下，与对照组相比，在0.5%用量下，2种有机物料均显著提高了土壤重金属有效态含量。这可能与有机物料分解产生的有机酸比例有关，有机物在土壤中分解成小分子酸和大分子酸，小分子酸活化土壤中重金属，而大分子酸则相反，降低土壤重金属的活性，0.5%用量紫云英处理组小分子酸比例较高，提高了重金属的活性。
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5)电场强度为0.5 V·cm−1条件下不同有机物料对东南景天地上部重金属含量的影响。在电场强度为0.5 V·cm−1条件下，与对照组相比，添加2种有机物料的处理组均表现为：在较低用量水平(0%~0.3%)下，随着有机物料用量的增加，东南景天地上部重金属元素含量均得到提高(0.1%紫云英处理组中Zn含量最高)，且黄腐酸钾的作用显著强于紫云英(表9)；而在0.5%用量下，添加2种有机物料的处理组均抑制了东南景天地上部重金属含量。
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6) 0.5 V·cm−1条件下施加不同有机物料对东南景天地上部重金属积累的影响。如表10所示，在0.5 V·cm−1电场条件下，与对照组相比，2种有机物料施加均促进了东南景天重金属积累，施加黄腐酸钾整体表现更优。东南景天重金属积累与有机物料用量相关，在0.3%用量下，2种有机物料均显著提高了东南景天地上部重金属累积量，而在0.5%用量下，东南景天地上部重金属积累量与对照组相比，提升不大，部分重金属元素积累量还出现下降。这可能与有机物料矿化分解产生的大分子酸和小分子酸有关[20]。
施加2种有机物料，均促进了东南景天Cd的累积。施加黄腐酸钾降低了土壤pH，调控重金属络合物的形成，提高其生物可利用性[21]，此外，黄腐酸钾与交流电场联用，促进了植物生长和新陈代谢，提高东南景天根系对重金属的吸收。根据陈建斌[22]的研究，紫云英在作物生长初期抑制了Cd有效态水平，至作物的成熟期，吸附的Cd逐渐释放，促使Cd有效态水平提高，这在东南景天地上部累积量上也有所体现，0.5%用量下虽然显著提高土壤Cd有效态含量，然而东南景天地上部Cd累积量和对照组没有差异。
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7)电场0.5 V·cm−1下施加有机物料对土壤Cd形态转化的影响。土壤Cd的形态可分为酸可提取态、还原态、氧化态和残渣态[23]。有研究[24-25]表明，黑麦草和芥菜吸收的主要是酸可提取态Cd，此外，可还原态Cd可能逐步转化为植物可利用性。土壤中Cd形态转化与土壤pH、有机质关系密切[26]。但本研究中土壤酸可提取态Cd含量虽与pH呈负相关趋势(表11)，随土壤pH的降低而有所增加，但未达到显著相关(r=−0.37)，这可能与土壤中的酸可提取态Cd比例较高(表12)，以及不同处理组间土壤pH变化幅度较小有关(图2)。
施加有机物料显著提高土壤有机质含量(图3)，但由于矿化和腐殖化作用，产生的小分子有机物活化土壤重金属，形成复杂的腐殖物质降低重金属有效性，这表明土壤有机质含量变化对不同形态Cd之间转化影响不明显，这与已有研究结果[13]一致。
随着有机物料在土壤中的转化，土壤重金属形态因受其影响也发生相应的形态转化(表12)。在交流电场作用下，施加黄腐酸钾的处理组相比对照组，酸可提取态Cd整体上升，增幅为11.66%~16.35%，而施用黄腐酸钾的各处理组可还原态相较对照组均有所降低，可氧化态和残渣态的变化微小或略有所下降，这表明在交流电场和黄腐酸钾共同作用下促进了还原态Cd向酸可提取态的转化。
2.1. 不同交流电场强度对东南景天修复土壤重金属作用的影响
2.2. 有机物料和交流电场联合对东南景天修复土壤重金属的影响
2.3. 交流电场强化有机物料对东南景天修复土壤重金属的作用
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1)交流电场可促进东南景天生长和重金属的积累。在交流电场强度分别为0.5 V·cm−1和1.0 V·cm−1下，通电40 d后，植物生物量分别是对照组的1.4倍和1.2倍；交流电场强度为0.5 V·cm−1，通电20 d和40 d后，东南景天地上部Cd积累量分别是对照组的1.5倍和1.2倍。
2)交流电场可强化有机物料对东南景天地上部吸收积累重金属。在0.5 V·cm−1的电场强度和0.3%黄腐酸钾的联合作用下，东南景天地上部Cd积累量是对照组(不施加交流电场和黄腐酸钾)的2.7倍。
3)交流电场联合有机物料可促进东南景天生长和重金属累积。在交流电场作用下，2种有机物料的添加均促进了东南景天对Cd的吸收积累，0.3%用量最佳，施加黄腐酸钾和紫云英Cd积累量分别是对照组(不施加有机物料)的3.6倍和1.7倍。
