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土壤重金属污染是指人类在生产活动中将大量重金属带入土壤，严重破坏土壤生态系统的现象[1]。土壤重金属易在食用作物中富集，通过食物链在人体蓄积，严重危害人体健康[2]。在农田土壤重金属污染中，镉 (Cd) 污染是危害最严重的一种[3]。目前，土壤Cd污染修复技术主要分为物理、化学和生物修复技术。植物修复技术成本低、生态友好、易被大众接受，但其修复周期长，修复效果受植物特性如根系分布深度等的限制而存在一定局限性[4]。电动修复因其修复周期短、去除率高、能同时去除多种污染物等优点而成为一种具较好应用前景的重金属污染土壤修复技术[5]。施加直流电场时，土壤中OH−和H+分别向阴极、阳极迁移积累，造成电极处附近极化现象[6]。而交流电场不会发生土壤pH的剧烈变化，并能改善土壤均匀性[7]。将交流电场和植物修复相结合，可以通过强化植物生长、提高植物吸收重金属能力或是提高土壤中重金属的有效性来提高修复效率[8]。
已有研究表明，施加交流电场可以促进龙葵 (Solanum nigrum L) [9]、褪色柳 (Salix discolor) [10]、东南景天 (Sedum alfredii Hance) [11]、莴苣 (Lactuca sativa) [12]等植物的生长，加强Cd在植物体内的积累。除了电场类型外，电场频率也是重要的影响参数。在较短时间内，交流电场频率由50 Hz提升到400 Hz过程中，土壤重金属的浸出质量浓度有增加的趋势[13]。预试验也显示相似结果，通过土壤培养的试验方法，设置电场频率为0~400 Hz，研究电场频率对土壤Cd活性的影响，结果显示电场频率为300 Hz时，土壤有效态Cd质量分数提高最明显，为电动修复技术的优化提供了参考。HE等[14]研究发现1 Hz脉冲电场作用可以提高玉米根系生物量。此外，低频 (60 Hz) 交流电场也能促进拟南芥地上部的增长[15]。然而较高电场频率对植物生长及土壤重金属的修复作用还有待研究。
柳树以其快速生成深根系统、高生物量、高蒸腾速率和能富集重金属等优点，在重金属污染修复实践中越来越受到重视[16]。重金属Cd超积累植物东南景天生长速率较快、富集Cd能力强，是理想的植物修复材料[17]，但其为浅根系植物。植物混种系统可以丰富土壤生物群落，有利于互补作物生长和改善土壤健康[18]，柳树和东南景天混种能够增加植物对地面空间的利用，从而可能促进土壤修复效率的提高。先前的研究表明，交流电场促进了柳树、东南景天对土壤Cd的吸收积累[11, 19-20]。因此，本研究通过盆栽试验的方法，探讨不同的交流电场频率 (低频50 Hz，高频300 Hz) 对竹柳3号 (Salix sp.) 和东南景天混种条件的土壤理化性质、Cd有效性、植物生长和Cd吸收积累能力的影响，为土壤重金属污染治理提供新思路。
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试验土壤：土壤采自浙江富阳某地重金属Cd污染表层0-20 cm的农田土壤，阴凉风干后过5目筛备用，试验土壤的基本理化性质见如下：pH，7.27；有机质，40.12 g·kg−1；速效钾，176.00 mg·kg−1；碱解氮，202.39 mg·kg−1；有效磷，15.25 mg·kg−1；有效态Cd，0.31 mg·kg−1；全Cd，1.68 mg·kg−1。
试验植物：将长势一致且良好的竹柳3号 (浙江绿鑫晨农开发有限公司) 剪成15 cm插条，用去离子水洗净并培育1周长根发芽以备试验；将长势一致、去顶芽、带叶片的东南景天 (浙江农林大学平山实践基地) 剪成5 cm插穗，在去离子水中洗净备用。
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土壤盆栽试验于2022年4月进行，试验分为3个处理：对照 (CK) ，不通电；通电0.5 V·cm−1，电场频率为50 Hz (低频) ；通电0.5 V·cm−1，电场频率为300 Hz (高频) 。交流电场24 h持续开启60 d，每个处理设置3个重复，随机区组设计。每个盆栽 (直径为20 cm，高为15 cm) 装入4 kg充分混匀的试验土壤，在盆栽的直径两端放入石墨棒 (直径为1 cm，高为10 cm) ，用去离子水调节土壤含水量至土壤田间持水量的70%，每盆扦插2株竹柳，间距约为5 cm，扦插5株东南景天于周围，间距约为3 cm。扦插1周后利用变频电压器 (PA9505，东莞纳普电子科技有限公司，中国) 调节电压和频率。每天称量盆栽保持土壤水分，生长60 d后采集植物和土壤样品。图1为试验示意图。
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土壤样品收集后在阴凉处风干，过10目和100目筛。土壤基本理化性质测定方法参照《土壤农业化学分析方法》[21]。土壤pH值采用pH计 (PB-10，赛多利斯，德国) 电位法测定 (水土比2.5∶1) ；土壤速效钾 (AK) 、碱解氮 (AN) 、有效磷 (AP) 分别采用醋酸铵浸提-火焰光度法、碱解扩散法和碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定，土壤有机质质量分数 (SOM) 采用重铬酸钾外加热法。土壤有效态Cd质量分数 (ACd) 采用二乙烯三胺五乙酸-氯化钙-三乙醇胺 (DTPA-CaCl2-TEA) 浸提 (水土比2∶1) ，石墨炉原子吸收光谱仪 (AA-7000，岛津，日本) 测定。
在植物收获前 (生长60 d) 测量植物株高，并使用叶绿素仪 (SPAD-502 Plus，柯尼卡美能达，日本) 对植物成熟功能叶片 (植株从上往下数的第5片叶) 测定SPAD值。植物样品收集后用自来水、去离子水先后清洗干净，吸水纸吸收多余水分，将竹柳分为叶片、枝条、树干、根系，东南景天分为地上部和地下部，植物根系采用根扫描仪 (EPSON V700，爱普生，中国) 与Win RHIZO分析软件测定根系形态参数[22]。继续将植物各部分在烘箱中105 ℃杀青15 min后再调至70 ℃烘至恒重，测定植物干重，研磨过20目筛。硫酸-双氧水消煮植物样品，待样品消解至澄清或灰白色，定容至50 mL，石墨炉原子吸收光谱仪测定消煮液中Cd元素质量浓度[21]，植物的质控样品为GBW07603 (GSV-2) 灌木树枝，回收率为93.78%。
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不同处理的土壤基本理化性质和有效态Cd质量分数见表1。经过电场处理后，50 Hz处理的土壤pH值不变，而施加电场频率为300 Hz的处理改变了土壤pH值，与对照相比显著降低了0.13个单位。在300 Hz频率电场下土壤pH值略有降低，可能是较高的电场频率刺激了柳树根系分泌物的分泌，分泌出的H+和有机酸降低了土壤pH值[23]。土壤中AN、AP、SOM在不同处理下均无显著性差异，但300 Hz处理提高了AK。这可能是因为较高频率的电场作用调控植物和土壤微生物的代谢作用，将钾元素转化成速效钾。电动力学修复可以提高土壤有效态Cd质量分数。50 Hz处理的土壤有效态Cd质量分数高于对照10.00%，随着电场频率的提高，300 Hz处理的土壤有效态Cd质量分数显著高于对照35.00%。电场作用可以促进Cd离子从土壤颗粒中解吸出来[24]，残渣态向交换态转化[10]，从而提高土壤有效态Cd质量分数。电场频率的提高增加了金属离子的活性，这可能是由于300 Hz频率的交流电场电极交换频率比50 Hz频率更快，电流的快速变化可能使离子在土壤中振动频率加快并产生热量，在一定程度上可以促使金属离子的活化。
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1) 株高和叶片SPAD值。由图2可知，不同处理下植物株高和叶片SPAD值的表现趋势一致，施加电场处理的植物株高和叶片SPAD值均增加，并且2种植物都在50 Hz电场条件下达到最大值。ELISHA等[25]研究发现，外加电场可以提高非洲龙葵 (Solanum scabrum Mill.) 叶绿素的生物合成，因为电场作用会诱导应力介质电化学质子梯度或细胞质和液泡pH等的变化，植物通过增加初级和次级代谢物生物合成 (叶绿素、类胡萝卜素) 以稳定环境的变化。叶片SPAD值表明植物叶片叶绿素的相对值，叶绿素具有捕获太阳能进行光合作用的重要作用，叶绿素值的增加可以促进树木的生长[26]。50 Hz处理相较于300 Hz处理有更好的表现，这可能是由于较高 (300 Hz) 的电场频率对植物细胞的刺激效果不及50 Hz，对植物生长的促进作用有所降低。
2) 生物量。由表2可知，施加电场可以促进植物生长，柳树生物量在50 Hz电场频率处理下效果最明显，东南景天在300 Hz电场频率处理下效果最好。中低电压电场能提高抗氧化酶活性，降低丙二醛水平，从而提高植物生物量[27]。外加电场可以刺激活细胞的电生理机能促进植物生长，提高植物生物量[28]。电场会影响植物根细胞质膜的膜电位和酶活性，增加带电离子对膜的亲和力，促进植物根系对矿物质营养吸收，从而促进植物的新陈代谢，有利于植物生长发育[29]。此外，适宜强度的电场也能调节微生物代谢和生长[30]。然而柳树生长在300 Hz交流电场时促进效果有所减弱，这可能是由于较高频率电场电解出更多的OH−，与水里氧分子催化生成超氧阴离子自由基，过量的超氧阴自由基损害脂质、核酸、蛋白质[31]。
3) 根系形态指标。表3显示，施加电场处理的柳树根系长度、根系表面积、根尖数随着电场频率的增加而提高，东南景天在50、300 Hz电场处理下根系形态指标变化不明显，在300 Hz电场处理时东南景天的根系长度、根尖数分别高于对照1.39%、6.90%。旺盛的根系可能通过增加水分和必需矿物质的吸收速率来促进植物的生长[32]。电刺激下可以直接影响植物根系的生长。此前有研究表明，外加电场显著增加了禾本科的根直径、根长，在根表面覆盖了大量的根毛，促进养分的吸收[33]。本研究结果也显示，电场频率处理均提高了柳树根系形态的指标，从而有利于促进地上部生长。
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1) 植物Cd质量分数。由表4可知，施加电场会影响植物各部位对土壤Cd的吸收，50 Hz处理柳树叶片、枝条、树干和根系Cd质量分数较对照分别降低22.16%、29.82% (P<0.05)、1.49%、15.91% (P<0.05)，300 Hz处理柳树叶片、枝条、树干和根系Cd质量分数较对照分别降低11.38%、17.55% (P<0.05)、1.68%、18.58% (P<0.05)。在电场作用下东南景天地上部吸收Cd能力随着电场频率的增加而显著提升，50、300 Hz处理东南景天地上部Cd质量分数较对照分别增加43.37%、55.18% (P<0.05) 。相反，东南景天地下部Cd质量分数在50 Hz电场下受到明显的抑制，较对照显著降低31.81%。交流电场的应用使柳树植物各部位Cd质量分数下降，这可能因为电场作用刺激柳树根系分泌有机酸，在根系和细胞壁对Cd的滞留作用下，限制了柳树对Cd的吸收和Cd向地上部的运输[34]。电场作用提高了东南景天地上部的Cd质量分数，这是因为电场可以驱动可溶性重金属到达植物根部，同时也增强了金属从根部向地上部分的转运[35]。交流电场通过以下方式提高植物吸收重金属的能力：电场作用下的电渗透可以引起金属离子的剧烈运动，促使更多的金属离子和络合物向植物根部移动[36]；间歇性的电脉冲使植物膜细胞超极化和去极化，激活了离子通道[37]；适当的电场可以改善土壤的结构、渗透性、氧化还原电位和微生物菌群，提高植物修复效率[38]。
2) 植物Cd积累量。表5和图3中植物Cd积累量显示，在本研究土壤环境下，2种植物对电场频率的响应不同。50 Hz电场可以显著促进柳树的Cd积累，在300 Hz电场条件下，柳树Cd积累量有所增加但不显著。电场作用提高了东南景天的Cd积累量，300 Hz比50 Hz处理更能促进东南景天的Cd积累量的增加。50、300 Hz处理植物地上部Cd总积累量和植物总Cd积累量大致相当，均显著高于CK处理。50 Hz电场处理植物地上部Cd总积累和总Cd积累量分别显著高于对照24.04%、23.38%，300 Hz电场处理植物地上部Cd总积累和总Cd积累量分别高于显著对照21.24%、21.56%。试验结果表明，柳树Cd主要积累在植物的地上部分，并且Cd积累量主要归功于柳树生物量的增加。对柳树而言，交流电场 (50 Hz) 处理下柳树地上部Cd积累量显著高于不加电场处理。但随着电场频率的增加，柳树地上部分Cd积累量增加减弱，说明300 Hz频率会抑制柳树的地上部分Cd积累。对东南景天来讲，地上部Cd积累量的增加主要是吸收Cd能力的提高。交流电场可促进东南景天生长和重金属的吸收积累[39]，在50、300 Hz交流电场条件下，东南景天地上部吸收能力Cd和积累量显著提升，并且较高频率 (300 Hz) 的电场的提升效果更佳，同时，东南景天地下部吸收Cd能力和Cd积累量在50 Hz频率呈下降趋势，而在300 Hz交流电场处理下有所回升，这都说明300 Hz频率可以在一定程度上加速Cd吸收和积累。
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由上述试验结果得出，该模式下植物地上部Cd积累量约为7.80 mg·m−2，即可从土壤中带走的重金属Cd的量。若农田土壤Cd质量分数以0.60 mg·kg−1计，有效耕作层以20 cm计算，那么农田表层 (0~20 cm) 所含的重金属Cd约为144 mg·m−2。因此，当本装置应用在实际农田中，植物种植一茬可以带走污染土壤5.42%的Cd。若农田得到良好的田间管理，每年种植3茬，连续3 a后可使得土壤恢复到安全利用水平。
本试验使用的变频电压器市售价人民币1 800元，设备运行时只消耗电能，耗电量0.04 kWh，电费成本极低。若将该装置应用于农田土壤修复中，变频电压器、石墨棒、导线及能耗的花费约255 000元·hm−2。变频电压器的使用寿命为8 a，且石墨棒的损耗很小。因此，本装置可运行多年。变频电压器的单价相对较高，但随着技术的发展，变频电压器的价格会逐渐下降，因此未来成本可能会进一步降低。从安全性来说，通电时的电流值极小，并且随着频率的增加，人体触电的危险程度会下降。交流电场可以影响土壤中的微生物和离子的活动，从而影响土壤环境，良好的土壤环境促进植物的生长和修复能力[40]。结合本研究结果，电场频率促进柳树和东南景天地上部分吸收和积累Cd，缩短了植物修复时间，降低治理成本，从而在一些需要快速修复的场景中有广泛的应用前景，但仍要在实践中进一步探索和应用。
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1) 在柳树-东南景天混栽的模式下，交流电场可以增加土壤有效态Cd的质量分数，50、300 Hz处理的土壤有效态Cd质量分数分别是对照的1.10倍和1.35倍。
2) 适宜的交流电场 (50、300 Hz) 有助于提高柳树和东南景天的生物量生长。随着电场频率的增加，柳树的生物量呈现先增加后降低的趋势，而东南景天的生物量则随电场频率的增加而增加。
3) 交流电场 (50、300 Hz) 可以促进柳树和东南景天地上部分吸收积累Cd，低频 (50 Hz) 更有利于柳树对土壤Cd的吸收积累，较高频率 (300 Hz) 则更有利于东南景天对土壤Cd的吸收积累。
4) 电场联合植物修复装置需要一定的初期成本投入，但运维成本极低，对人体较为安全，修复效率较高，治理效果较好，具有较好的应用前景。
交流电场频率对柳树-东南景天混栽修复镉污染土壤的影响
Effect of AC electric field frequency on remediation of cadmium contaminated soil by willow- Sedum alfredii Hance mixed planting
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摘要: 单一植物吸收的方法修复镉 (Cd) 污染土壤效果欠佳，交流电场联合植物可以更好地提高土壤Cd污染的治理效率。通过优化电场频率等参数可以提高土壤Cd的移动性，促进植物吸收土壤Cd。采用土壤盆栽试验的方法，研究交流电场频率 (50、300 Hz) 对竹柳3号和东南景天混种条件下土壤理化性质、Cd有效性、植物生长和Cd吸收积累能力的影响。与对照 (没有施加电场) 相比，300 Hz电场处理的土壤pH值显著降低了0.13。电场频率的提高显著提升了土壤Cd的有效性，300 Hz频率电场处理的土壤有效态Cd质量分数显著高于对照35.00%。交流电场促进了植物生长，柳树和东南景天的株高、生物量、叶片SPAD值及根系形态指标在外加50、300 Hz交流电场时均得到提高。交流电场降低了柳树各部分和东南景天地下部Cd质量分数，其中50 Hz处理柳树叶片、枝条、树干、根系和东南景天地下部Cd质量分数较对照分别降低22.16%、29.82% (P<0.05) 、1.49%、15.91% (P<0.05) 、31.81% (P<0.05) 。相反，电场频率的提高有利于东南景天地上部Cd质量分数增加，50、300 Hz处理东南景天地上部Cd质量分数较对照分别增加43.37%、55.18% (P<0.05) 。交流电场提高了植物对土壤Cd吸收积累，但不同的电场频率对植物Cd修复效率影响不同，50、300 Hz交流电场下植物地上部分总Cd积累量较对照分别显著增加24.04%、21.24%。从这2种植物上看，50 Hz交流电场更能提高柳树Cd修复效率，300 Hz交流电场更提高能东南景天Cd修复效率。本试验装置成本较低，修复效果较好，对于电场频率增强植物修复Cd效率具有很大参考价值，有较好的应用前景。Abstract: The single plant uptake method for remediation of cadmium (Cd) contaminated soil is often low efficient, while alternating current (AC) electric field combined with plants can be better for soil Cd contamination. By optimizing parameters such as electric field frequency can improve the mobility of soil Cd, promote plant uptake of soil Cd. A soil pot experiment was conducted to study the effects of (AC) electric field frequency (50 and 300 Hz) on soil physical and chemical properties, Cd availability, plant growth and Cd absorption and accumulation under the mixed planting conditions of willow (Salix sp.) and Sedum alfredii Hance. Compared to the control treatment (without application of AC electric field), the 300 Hz frequency electric field treatment significantly reduced the soil pH value by 0.13 unit. The increase of electric field frequency significantly improved the availability of Cd in soil, and the soil available Cd concentrations of 300 Hz frequency electric field treatment was significantly higher than that of the control by 35.00%. The plant height, biomass, leaf SPAD value and root morphology parameters of willow and Sedum alfredii Hance were all improved when 50 Hz or 300 Hz AC electric field was applied. The AC fields reduced Cd concentrations in all parts of willow and in the underground part of Sedum alfredii Hance. The Cd concentrations in the willow leaves, branches, trunks, roots and underground parts of Sedum alfredii Hance treated with 50 Hz decreased by 22.16%, 29.82% (P<0.05), 1.49%, 15.91% (P<0.05) and 31.81% (P<0.05), respectively, compared with the control. The Cd concentrations in the aboveground part of Sedum alfredii Hance increased by 43.37% and 55.18% (P<0.05) in the 50 Hz and 300 Hz treatments, respectively, compared with the control. The increase of electric field frequency improved plant uptake of soil Cd and the efficiency of soil Cd phytoremediation changed with the applied electric field frequency. The total Cd accumulation in the aboveground parts of plants under 50 Hz and 300 Hz AC fields increased significantly by 24.04% and 21.24%, respectively, compared to the control. In terms of the tested two plants, the 50 Hz AC field improved the Cd remediation efficiency of willow more than that of the 300 Hz, and the 300 Hz AC field improved the Cd remediation efficiency of Sedum alfredii Hance more more than that of the 50 Hz. The experimental setup had a low cost and high restoration efficiency, providing valuable reference for using electric field frequency to enhance phytoremediation efficiency for Cd, with promising application prospects.
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Key words:
- AC electric field /
- electric field frequency /
- phytoremediation /
- cadmium /
- soil
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图 1 交流电场频率联合植物修复污染土壤装置示意图
Figure 1. Schematic diagram of AC electric field frequency combined with phytoremediation remediation contaminated soil
图 2 不同处理对植物株高和叶片SPAD值的影响
Figure 2. Effects of different treatments on plant height and leaf SPAD value
图 3 不同处理对植物Cd积累量的影响
Figure 3. Effects of different treatments on Cd accumulation in plants
表 1 不同处理对土壤基本理化性质和有效态Cd的影响
Table 1. Effects of different treatments on basic physical and chemical properties and available Cd of soil
处理组 pH AK/ (mg·kg−1) AN/ (mg·kg−1) AP/ (mg·kg−1) SOM/ (g·kg−1) ACd/ (mg·kg−1) CK 7.40±0.01a 48.00±3.61b 170.98±4.36a 20.80±6.41a 48.20±2.48a 0.20±0.01b 50Hz 7.40±0.03a 47.00±5.00b 167.03±4.40a 25.92±5.55a 45.31±2.31a 0.22±0.01b 300Hz 7.27±0.04b 59.00±1.00a 166.24±5.48a 17.38±1.28a 44.85±1.34a 0.27±0.03a 注：同列数据后不同小写字母代表不同处理间达到显著水平 (P<0.05) 。 
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表 2 不同处理对植物生物量的影响
Table 2. Effects of different treatments on plant biomass
g·株−1 处理组 柳树干重 东南景天干重 叶片 枝条 树干 根系 整株 地上部 地下部 整株 CK 2.47±0.08b 1.30±0.03b 5.10±0.04b 0.72±0.04b 9.58±0.16b 0.38±0.01b 0.06±0.01b 0.44±0.01b 50Hz 3.83±0.94a 2.04±0.38a 6.04±0.40a 0.82±0.02a 12.74±1.56a 0.41±0.01ab 0.07±0.00a 0.48±0.01a 300Hz 3.15±0.27ab 1.65±0.15ab 5.80±0.22a 0.80±0.03a 11.40±0.61ab 0.43±0.03a 0.08±0.01a 0.51±0.03a
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表 3 不同处理对植物根系形态的影响
Table 3. Effects of different treatments on plant root morphology
植物类型 处理组 根系长度/cm 根系表面积/cm2 根系直径/mm 根系体积/cm3 根尖数 柳树 CK 1363.43±154.86b 453.72±69.32b 1.15±0.13a 13.06±2.74a 6193.00±1136.34b 50 Hz 1853.87±262.70a 482.89±82.76ab 1.02±0.13a 11.50±2.32a 7299.00±1151.26ab 300 Hz 1881.06±54.72a 633.98±142.02a 1.08±0.25a 14.27±6.70a 8183.67±1179.85a 东南
景天CK 291.08±37.13a 36.16±6.10a 0.39±0.03a 0.36±0.08a 3787.50±535.05a 50 Hz 307.34±57.43a 36.76±4.62a 0.39±0.06a 0.36±0.09a 3724.40±574.26a 300 Hz 295.13±28.80a 33.97±4.86a 0.38±0.06a 0.33±0.06a 4049.00±570.39a
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表 4 不同处理对植物各部位Cd质量分数的影响
Table 4. Effects of different treatments on Cd concentrations in different parts of plants
mg·kg−1 处理组 柳树 东南景天 叶片 枝条 树干 根系 地上部 地下部 CK 11.95±0.81a 16.87±1.08a 5.36±1.30a 8.61±0.15a 21.93±2.40b 24.02±1.40a 50 Hz 9.30±1.29a 11.84±0.61b 5.28±0.38a 7.24±0.13b 31.44±6.43ab 16.38±1.85b 300 Hz 10.59±2.71a 13.91±1.41b 5.27±0.73a 7.01±0.32b 34.03±6.19a 21.17±1.29a
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表 5 不同处理对植物Cd积累量的影响
Table 5. Effects of different treatments on Cd accumulation in plants
μg·株−1 处理组 柳树Cd积累量 东南景天Cd积累量 叶片 枝条 树干 地上部 根系 地上部 地下部 CK 29.51±2.89a 21.87±1.82a 27.28±6.44a 78.65±3.88b 6.20±0.31a 8.34±0.80b 1.36±0.08b 50 Hz 35.55±10.37a 23.96±3.28a 31.95±3.52a 91.46±16.04a 5.96±0.09a 12.79±2.26ab 1.20±0.12b 300 Hz 32.98±6.39a 22.85±2.19a 30.46±3.28a 86.29±8.28ab 5.58±0.07b 14.60±3.51a 1.70±0.09a
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