七種本土植物對(duì)土壤中鎘的富集效果比較研究

王振艷 丁軍 孫向輝 趙京 陳婉秋

摘要：針對(duì)河南省新鄉(xiāng)市王村鎮(zhèn)及其周邊地區(qū)鎘污染現(xiàn)狀，選取7種長(zhǎng)勢(shì)較好的本土植物，對(duì)其鎘富集特征和修復(fù)效果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，草本植物的鎘耐受能力整體高于灌木或喬木，但紫薇（Lagerstroemia indicaL）表現(xiàn)出較高的富集能力和轉(zhuǎn)移系數(shù);狗尾草[Setaria viridis（L）Beauv.]根中鎘含量達(dá)82.5 mg/kg，根部富集系數(shù)為3.149;莧菜（Amaranthus tricolor L）各部分鎘含量、轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)在7種植物中均處于優(yōu)勢(shì)地位。綜合分析認(rèn)為，莧菜、狗尾草和紫薇可作為該區(qū)域Cd高富集植物來(lái)凈化土壤。

關(guān)鍵詞：鎘污染;土壤修復(fù);本土植物;富集特征

中圖分類號(hào)：X53

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（ 2020）12-0061-03

DOl：10.1408 8/j .cnki.issn043 9- 8114.2020.12.012

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

2014年環(huán)保部與國(guó)土資源部發(fā)布《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，結(jié)果顯示，全國(guó)土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，污染類型以無(wú)機(jī)型為主，無(wú)機(jī)污染物超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%，重金屬污染物鎘點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%[1]。鎘是毒性較強(qiáng)的重金屬元素，在環(huán)境中具有生物遷移性強(qiáng)、毒性持久、難降解等特點(diǎn)[2]，不僅會(huì)引起土壤功能失調(diào)、土質(zhì)下降，還會(huì)通過(guò)食物鏈富集、轉(zhuǎn)移，長(zhǎng)期攝人受到鎘污染的食品，會(huì)造成鎘在體內(nèi)蓄積，從而危害人類的生命和健康。因此對(duì)鎘污染農(nóng)田土壤的治理已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外的廣泛重視。

河南省新鄉(xiāng)市被中國(guó)輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國(guó)電池工業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合授予“中國(guó)電池工業(yè)之都”榮譽(yù)稱號(hào)。王村鎮(zhèn)位于新鄉(xiāng)市西北部，地理坐標(biāo)東經(jīng)113°50'10”-113°52'17”，北緯35°20'57”-35.21 '50”。自20世紀(jì)80年代，該區(qū)域企業(yè)開(kāi)始生產(chǎn)鎳鉻電池，聚集幾十家電池及其配套企業(yè)，由于工藝水平落后、缺乏配套的污染防治措施，污染物通過(guò)大氣沉降、污水灌溉、固廢隨意堆放等形式進(jìn)入環(huán)境中造成不同程度的重金屬污染。21世紀(jì)初期，牧野區(qū)政府采取強(qiáng)力措施，按照“斷水?dāng)嚯姟⒉鸪O(shè)備、清除原料、恢復(fù)原貌”的標(biāo)準(zhǔn)，先后取締和關(guān)閉了當(dāng)?shù)氐纳嬷亟饘僮鞣皇狡髽I(yè)和涉海綿鎘或氧化鎘企業(yè)生產(chǎn)線，基本消除了涉鎘污染源。但是，經(jīng)過(guò)30多年的積累，給周邊的居住用地、耕地及其工業(yè)場(chǎng)地環(huán)境造成了不同程度的污染，其中鎘污染土壤已對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人群健康產(chǎn)生一定影響。因此，鎘污染土壤治理修復(fù)勢(shì)在必行。

鎘污染土壤修復(fù)技術(shù)按其修復(fù)機(jī)理可分為物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)。植物修復(fù)技術(shù)是指利用植物吸收、固定、降解、揮發(fā)、根濾等作用固定土壤、沉積物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染物的原位修復(fù)技術(shù)[3]。因其具有成本低廉、操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用范圍廣、有利于改善生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，得到了很大的發(fā)展。植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵是篩選對(duì)重金屬鎘具有一定耐性和富集能力強(qiáng)的植物，通過(guò)其生長(zhǎng)將污染物吸收并轉(zhuǎn)移貯藏到植物莖、葉等地上部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)的對(duì)重金屬具有累積作用的超富集植物400多種[4]。由于鎘是植物非必需的有毒元素，植物對(duì)其吸收量很少，發(fā)現(xiàn)的鎘超富集植物較少。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的鎘超富集植物達(dá)20余種[5]，如印度芥菜（鎘最高累積量>100 mg/kg）[6]、天藍(lán)遏蘭菜（鎘最高累積量3 200 mg/kg）[7]、楊桃（鎘最高累積量487mg/kg）[8]等。但這些超富集植物在不同地域隨著環(huán)境條件和土壤理化性質(zhì)等的改變，并不能大范圍推廣使用[9]。因此，通過(guò)對(duì)污染地塊長(zhǎng)勢(shì)良好的本土植物或種植植物進(jìn)行試驗(yàn)分析，探索這些植物對(duì)鎘的吸收、富集和遷移特點(diǎn)，篩選出具有較強(qiáng)富集能力的植物品種，為區(qū)域性鎘污染土壤的修復(fù)及相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和植物

根據(jù)該區(qū)域前期場(chǎng)地調(diào)查和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告得知，所選試驗(yàn)地塊土壤中鎘的平均含量為26.2mg/kg。河南省A層土壤中鎘的平均背景值是0.074 mg/kg[10]，該試驗(yàn)地塊鎘含量為河南省背景水平的354倍。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（ GB15618-2018）中規(guī)定，當(dāng)pH>7.5時(shí)，鎘的風(fēng)險(xiǎn)篩選值為0.6 mg/kg，風(fēng)險(xiǎn)管制值為4.0 mg/kg，由此可以判斷本試驗(yàn)地塊土壤中鎘的平均含量超出農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值約43倍，超出農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制值約6倍。本次試驗(yàn)選取該污染地塊中長(zhǎng)勢(shì)良好的7個(gè)品種作為供試植物，其中有一年生草本植物狗尾草、莧菜、小蓬草共3個(gè)品種，種植2年的喬木和灌木樹(shù)種有紫薇、冬青、梧桐、木槿共4個(gè)品種。各種植物的基本信息如表1所示。

1.2 樣品的采集與處理

在選定的試驗(yàn)場(chǎng)地隨機(jī)采集7種供試植物的根、莖、葉樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，依次用自來(lái)水、去離子水清洗3次，在120℃下殺青30 min，然后在80℃條件下烘干至恒重，最后將干樣粉碎、稱重備用。

1. 3樣品測(cè)定

準(zhǔn)確稱取粉碎后的植物樣品0.1 g，加入體積比為4：1的HNO3-HCIO4混合液10 mL，采用微波密閉消解系統(tǒng)在190℃、2.5x10⁶Pa下進(jìn)行消解2 min，消解液中Cd含量采用石墨爐原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 各類植物不同器官的鎘富集量和富集系數(shù)

超富集植物是指能利用根部吸收高濃度的重金屬，并將吸收的重金屬富集在根、莖、葉里。通常草本植物重金屬富集能力高于灌木和喬木[11]。由圖1和圖2可以看出，各類植物對(duì)鎘的富集量和富集系數(shù)整體趨勢(shì)是草本植物>灌木>喬木。而落葉灌木紫薇表現(xiàn)出較強(qiáng)的鎘富集能力，地上部分鎘含量和富集系數(shù)均大于草本植物狗尾草和小蓬草。不同植物地上部分Cd含量有較大差別，其中，莧菜、紫薇莖中Cd含量分別為51.0、16.5 mg/kg，莖部富集系數(shù)分別為1.947和0.630，葉中Cd含量分別為47、32mg/kg，葉部富集系數(shù)分別為1.794和1.221，兩種植物的地上部分表現(xiàn)出較強(qiáng)的Cd富集能力。其他幾種植物莖、葉中Cd含量均較低，莖、葉部Cd富集系數(shù)均小于1，對(duì)Cd的富集能力處于較低水平。

植物根系主要通過(guò)吸附、沉淀等方式降低土壤中重金屬的可移動(dòng)性和有效性，防止污染物流失和擴(kuò)散。根系對(duì)鎘的吸收效率除了受生物量影響外，還取決于土壤中根一土交互界面鎘的生物有效性，生物有效性主要受土壤理化性質(zhì)和根系分泌物的影響，根系分泌物可通過(guò)交互界面重金屬離子的吸附一解吸、配位一電離等化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)重金屬的吸收[12];同時(shí)重金屬也可刺激根系分泌小分子有機(jī)酸提高重金屬的生物有效性[13]。結(jié)果（圖1和圖2）顯示，狗尾草和莧菜根中鎘含量分別為82.5、35.0 mg/kg，根部富集系數(shù)分別為3.149和1.336，具有較強(qiáng)的富集能力。

2.2 各類植物不同器官的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

根莖轉(zhuǎn)移系數(shù)是衡量植物將根部重金屬向莖、葉部分轉(zhuǎn)運(yùn)能力的重要指標(biāo)之一。由圖3可見(jiàn)，莧菜、小蓬草和紫薇的根莖轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為1.457、1.092、1.571，均大于1，表明根部對(duì)Cd具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。小蓬草、紫薇、冬青、梧桐的莖葉轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為1.589、1.939、2.569、2.818，均大于1，說(shuō)明這4種植物莖中Cd向葉中轉(zhuǎn)移能力較強(qiáng)。這些富集了重金屬Cd的植物器官會(huì)通過(guò)腐爛、落葉等途徑使重金屬元素重返土壤，因此必須通過(guò)收割地上部分和清掃落葉等方式來(lái)收集富集了重金屬的植物器官，并將其通過(guò)焚燒、高溫分解、灰化、壓縮填埋等途徑進(jìn)行無(wú)害化處理。狗尾草根系耐受性好于地上部分，大部分吸收的鎘貯存在根系中，但轉(zhuǎn)運(yùn)能力相對(duì)較差，根莖轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1。

3 結(jié)論及建議

本試驗(yàn)對(duì)狗尾草、莧菜、小蓬草3種一年生草本植物和紫薇、冬青、梧桐、木槿4種種植兩年的喬木和灌木樹(shù)種進(jìn)行了不同部位Cd含量的測(cè)試分析，以期篩選出富集能力強(qiáng)、適合Cd污染土壤修復(fù)的植物品種。結(jié)果表明，一年生草本植物中狗尾草和莧菜對(duì)Cd呈現(xiàn)出顯著的富集特征，從根莖轉(zhuǎn)移系數(shù)和地上部富集系數(shù)來(lái)看，莧菜具有較高的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力;小蓬草的各部位富集系數(shù)均較低，但根莖轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1。兩年生喬木和灌木樹(shù)種中，紫薇表現(xiàn)出較高的富集能力和轉(zhuǎn)移系數(shù);紫薇、冬青、梧桐均有較高的莖葉轉(zhuǎn)移系數(shù);木槿的各部位富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)能力均較低。綜合分析認(rèn)為，狗尾草、莧菜和紫薇可作為該區(qū)域Cd高富集植物來(lái)凈化土壤。

本試驗(yàn)供試植物直接取自污染地塊，與污染場(chǎng)地自然土壤環(huán)境條件完全一致，篩選出的鎘高富集植物可直接推廣應(yīng)用于污染地塊的修復(fù)治理。有研究認(rèn)為，鎘超富集植物應(yīng)該具備的基本特征包括：植物地上部鎘含量應(yīng)達(dá)100 mg/kg;轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1;植物地上部富集系數(shù)大于1;植物對(duì)鎘有較強(qiáng)的耐性，即能在污染場(chǎng)地正常生長(zhǎng)且地上部生物量沒(méi)有減少[14]。而本次試驗(yàn)中所篩選出的鎘高富集植物均未達(dá)到鎘超富集植物標(biāo)準(zhǔn)，今后應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展更多品種的本土植物種植試驗(yàn)，以期篩選出適合污染場(chǎng)地環(huán)境條件的鎘超富集植物。

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基金項(xiàng)目：河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目（ 182102311002）;河南省科技開(kāi)放合作項(xiàng)目（182106000054）;河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（182102311048）

作者簡(jiǎn)介：王振艷（1976-），女，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授，碩士，主要從事土壤污染控制與修復(fù)技術(shù)研究，（電話）15836106862（電子信箱）gryxshuo@163.com。