農田重金屬污染土壤的植物修復工程研究

趙怡陽，陶祥運，張易旻，王燕

(浙江博世華環保科技有限公司，浙江 杭州 310015)

中國經濟快速發展的幾十年中，粗放的發展模式對生態環境造成了嚴重的破壞，農產品食用安全和人體健康風險不容忽視。2016年出臺的《土壤污染防治行動計劃》明確提出，要以保障農產品質量和人居環境安全為出發點，堅持預防為主、保護優先、風險管控，對突出重點區域、行業和污染物，實施分類別、分用途、分階段治理，嚴控新增污染、逐步減少存量，形成政府主導、企業擔責、公眾參與、社會監督的污染防治體系[1]。

植物修復技術與其他修復技術相比具有治理成本低、易實施、修復后的土壤利用率高、綠色無污染等優勢，成為重金屬污染土壤修復領域研究的熱點。我國近年土壤重金屬修復技術發明專利中，針對土壤鎘、鉛、銅污染的植物修復專利申請比例分別達占48.4%、25.4%及21.8%，是微生物修復、化學淋洗、固化穩定化修復專利數量的1.3～8.0倍、5.3～12.2倍和2.0～7.6倍[2]。

植物修復技術關鍵在于篩選適宜的富集植物，例如針對鎘污染土壤的甘藍型油菜[3]、籽粒莧[4]、紫花苜蓿、伴礦景天[5]、黑麥草[6]、蓖麻[7]、東方香蒲[8]等；東南景天、東方香蒲、紫花苜蓿、黑麥草等植物可同時對多種重金屬進行修復。雖然植物修復方面的研究較多，但是大多停留在盆栽或試驗田研究階段，種植規模小，工程推廣實例少。同時，大多數研究對收獲后富集植物的處置問題未給出合理的意見。

本研究依托湖北省大冶市土壤污染綜合防治先行區中受周邊工業企業復合重金屬污染的農田土壤進行植物修復，結合研究區域氣候條件以及土壤污染特征，探索合適的植物修復方法，以期滿足相應的土壤修復工程要求，解決收獲后富集植物的處置問題，為植物修復技術在土壤修復領域提供有益的工程借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區農田位于大冶市金湖街辦，屬典型的大陸性季風氣候，冬冷夏熱，四季分明，光照充足，雨量充沛，年平均氣溫16.9 ℃，年無霜期261 d，年降水量為1 385.8 mm。根據研究區前期調查資料，耕地土壤主要存在鎘、銅和鉛污染，需要進行修復治理工程。待修復面積約為10.53 hm2，污染土壤主要集中于表層(0～20 cm)。工程修復目標為：修復后土壤中鎘含量<1.0 mg·kg-1，銅含量<100 mg·kg-1，鉛含量<90 mg·kg-1。修復前，研究區土壤鎘含量在空間上差異性較大，污染也較為嚴重，具體土壤重金屬含量與污染指數詳見表1。土壤基本理化性質為：pH 7.45，有機質19.9 g·kg-1，全氮792 mg·kg-1，速效鉀370.5 mg·kg-1，有效磷74.0 mg·kg-1。

表1 研究區土壤的重金屬含量及污染指數

1.2 工程實施

本研究區農田修復工程主要采取植物修復，同時添加少量活化劑增強植物修復效果，并輔以田間管理措施。根據文獻資料及田間小區試驗篩選出的植物品種包括：伴礦景天(Sedumplumbizincicola)、蓖麻(RicinuscommunisL.)、籽粒莧(AmaranthushybridusL.)香蒲(TyphaorientailsPresl)、甘藍型油菜(BrassicanapusL.)、黑麥草(LoliumperenneL.)。根據植物的生長周期輪作一年，共種植兩季。工程具體實施步驟如下：

研究區待修復面積約10.53 hm2，根據研究區耕地河流水系分布及田埂，將耕地自然劃分為24個小塊，每個小塊隨機種植一種植物，每種植物種植6小塊，每季每種富集植物種植面積約2.63 hm2，種植密度為3.0萬～4.5萬株·hm-2。第一季富集植物種植時期為2019年4—8月，種植植物為伴礦景天、蓖麻、籽粒莧和香蒲；第二季種植時期為2019年9月至2020年3月，種植植物為甘藍型油菜、黑麥草、伴礦景天和香蒲。

田間管理包括播前翻耕(每季種植前進行)、施肥、澆水、除草等措施。其中：底肥為復合肥與有機肥按1∶1比例混拌均勻后施入，施用量為450 kg·hm-2，每季施用1次；追肥為尿素150 kg·hm-2，每季追施1次。

土壤改良主要以溶液形式施加檸檬酸活化[8-9]，用量根據田塊污染程度不同，設定為270～360 kg·hm-2，第一季在植物生長前期和生長快速期分別添加，第二季于12月底與肥料一起添加。本研究區灌溉水源中的鎘、銅、鉛含量符合《農田灌溉水質標準》(GB 5084—2005)要求，肥料及活化劑中的鎘、銅、鉛含量符合《肥料中砷、鎘、鉛、鉻、汞生態指標》(GB/T 23349—2009)要求。

收獲的所有富集植物經晾曬、破碎處理后交由湖北省陽新縣凱迪綠色能源開發有限公司進行生物質發電。

1.3 樣品采集與分析

采樣嚴格按照《農、畜、水產品污染監測技術規范》(NY/T 398—2000)要求進行。第一季采樣時期為2019年9—11月，分批進行研究區土壤、富集植物的采樣，每個小塊分別采集土壤表層樣品1份，每份樣品約1 kg，共24個樣品。植物采樣點位置與土壤采樣點相對應，采集鮮重2 kg的整株植物混合樣品備用，共24個樣品。

第二季采樣時期為2020年4—5月，分批進行研究區土壤、富集植物的采樣。第二季土壤、植物采樣點位置、數量和份樣量與第一季一致，總土壤樣品24個，整株植物混合樣品24個。

采集的樣品送有資質的檢測單位進行檢測，檢測指標為污染因子鎘、銅和鉛。土壤重金屬的分析方法嚴格按照《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中表4執行。植物重金屬分析方法嚴格按照《農、畜、水產品污染監測技術規范》(NY/T 398—2000)執行。

所獲數據采用Excel處理。

1.4 土壤污染物評價

土壤環境質量狀況調查對污染狀況的評價采用單因子指數法。根據《全國土壤污染狀況評價技術規定》(環發[2008]39號)，單因子污染指數法評價模式為：

Pi=Ci/Si。

式中：Pi為土壤中污染物i的單因子污染指數；Ci為土壤中污染物i的實測數據；Si為污染物i的評價標準[10]。Pi≤1時，表示土壤未受污染物i污染；15時，表示土壤重度污染。

2 結果與分析

2.1 重金屬含量變化

2.1.1 土壤

表2顯示，種植第一季植物后，土壤中鎘含量為0.06～5.00 mg·kg-1，平均值為1.79 mg·kg-1，銅含量為8.79～110.20 mg·kg-1，平均值為41.00 mg·kg-1，鉛含量為10.12～119.96 mg·kg-1，平均值為57.60 mg·kg-1；種植第二季植物后，土壤中鎘含量為0.04～0.98 mg·kg-1，平均值為0.60 mg·kg-1，銅含量為0.72～95.90 mg·kg-1，平均值為17.95 mg·kg-1，鉛含量為1.82～89.30 mg·kg-1，平均值為39.45 mg·kg-1。第一、二季鎘平均含量分別降低61.2%和87.0%，銅平均含量分別降低52.2%和79.1%，鉛平均含量分別降低25.0%和48.6%。由此可見，經兩季種植后，鎘的平均降幅最大，銅次之，鉛第三，有效降低了研究區土壤中鎘、銅、鉛含量。

表2 植物修復工程后研究區土壤重金屬含量的變化

修復前、修復第一季和第二季土壤中鎘的超標率分別為75.0%、62.5%和0，銅的超標率分別為29.2%、8.3%和0，鉛的超標率分別為29.2%、4.1%和0。表明篩選出來的富集植物對本研究區農田土壤中鎘、銅、鉛的去除有積極貢獻，將鎘污染區由重度污染變成了無污染，銅、鉛污染區由輕度污染變成了無污染，大幅降低了土壤重金屬超標率，達到了土壤修復目標值。

2.1.2 植物

圖1顯示，第一季富集植物對鎘的去除率大小順序為籽粒莧>伴礦景天>蓖麻>香蒲，籽粒莧、伴礦景天、蓖麻、香蒲的去除率依次為75.5%、68.4%、42.8%和11.7%。第二季富集植物對鎘的去除率大小順序為黑麥草>伴礦景天>甘藍型油菜>香蒲，黑麥草、伴礦景天、甘藍型油菜、香蒲的去除率依次為76.4%、75.2%、48.5%和15.7%。

圖1 富集植物對土壤鎘、銅、鉛的去除率

第一季富集植物對銅的去除率大小順序為伴礦景天>籽粒莧>蓖麻>香蒲，伴礦景天、籽粒莧、蓖麻、香蒲的去除率依次為76.7%、63.8%、54.8%和13.8%。第二季富集植物對銅的去除率順序為甘藍型油菜>黑麥草>伴礦景天>香蒲，甘藍型油菜、黑麥草、伴礦景天、香蒲的去除率依次為80.9%、80.1%、71.9%和16.6%。

第一季富集植物對鉛的去除率大小順序為伴礦景天>蓖麻>香蒲>籽粒莧，伴礦景天、蓖麻、香蒲、籽粒莧的去除率依次為55.7%、29.4%、15.9%和6.0%。第二季富集植物對鉛的去除率順序為伴礦景天>黑麥草>甘藍型油菜>香蒲，伴礦景天、黑麥草、甘藍型油菜、香蒲的去除率依次為67.7%、48.9%、25.2%和11.0%。

富集植物對3種重金屬的去除率順序為銅>鎘>鉛(表3)。其中，富集植物對鎘的去除率大小順序為黑麥草>籽粒莧>伴礦景天>甘藍型油菜>蓖麻>香蒲；對銅的去除率為甘藍型油菜>黑麥草>伴礦景天>籽粒莧>蓖麻>香蒲；對鉛的去除率為伴礦景天>黑麥草>蓖麻>甘藍型油菜>香蒲>籽粒莧。

表3 各季富集植物對土壤重金屬的去除率

針對兩季都種植的伴礦景天和香蒲，在重金屬去除率上呈現不同變化。第一季伴礦景天對鎘、銅、鉛的去除率為68.4%、76.7%和55.7%；第二季伴礦景天對鎘、銅、鉛的去除率為75.2%、71.9%和67.7%。第二季伴礦景天對銅的去除率較第一季下降4.8百分點，對鎘、鉛的去除率較第一季增長6.8和12.0百分點。

第一季香蒲對鎘、銅、鉛的平均去除率為11.7%、13.8%和15.9%；第二季香蒲對鎘、銅、鉛的去除率為15.7%、16.6%和11.0%。第二季香蒲對鉛的去除率較第一季下降4.9百分點，對鎘、銅的去除率較第一季增長4.0、2.8百分點。

2.2 富集特性

植物從土壤環境中吸收重金屬元素并轉移到地上部植株的能力用富集系數表示。植物富集系數是植物重金屬濃度與土壤中該重金屬全量濃度的比值。富集系數越大，說明植物對該種重金屬吸收能力越強。本次研究取整株植物中的重金屬含量計算富集系數。針對鎘、銅、鉛富集系數的統計如圖2所示。

圖2 富集植物對土壤鎘、銅、鉛的富集特性

第一季富集植物對重金屬鎘的富集能力大小順序為籽粒莧>伴礦景天>蓖麻>香蒲。籽粒莧、伴礦景天對鎘表現出較好的富集能力，富集系數分別為香蒲的2倍和1.6倍。富集植物對鎘的富集系數為0.79(0.09～2.34)。第二季植物對鎘的富集能力大小排序為伴礦景天>黑麥草>甘藍型油菜>香蒲。富集植物對鎘的富集系數為0.81(0.09～1.46)。伴礦景天、黑麥草對鎘的富集能力較強，伴礦景天、黑麥草對鎘的富集能力分別是香蒲的8.1倍和7.8倍。

第一季富集植物對重金屬銅的富集能力大小排序為伴礦景天>籽粒莧>蓖麻>香蒲。富集植物對銅的富集系數為0.82(0.01～1.38)。籽粒莧、伴礦景天對銅有較好的富集能力，富集系數分別為香蒲的1.3倍和1.5倍。第二季富集植物對銅的富集能力排序為甘藍型油菜>黑麥草>伴礦景天>香蒲。富集植物對銅的富集系數為1.27(0.01～2.14)。甘藍型油菜、伴礦景天、黑麥草對銅的平均富集系數分別為香蒲16倍、10.8倍和14.8倍。

第一季富集植物對重金屬鉛的富集能力大小排序為伴礦景天>蓖麻>香蒲>籽粒莧。本組富集植物對鉛的富集能力較鎘、銅弱，僅有一組伴礦景天樣品的富集系數>1，其余均<1。富集植物對鉛的富集系數為0.38(0.04～1.13)。第二季富集植物對鉛的富集能力排序為伴礦景天>黑麥草>甘藍型油菜>香蒲。富集植物對鉛的平均富集系數為0.58(0.09～1.26)。伴礦景天、黑麥草對鉛的富集系數分別為香蒲的6.3倍和5.4倍。

針對兩季都種植的伴礦景天和香蒲，第一季種植伴礦景天對鎘、銅、鉛的富集系數分別為1.03、1.24和0.84；第二季伴礦景天對鎘、銅、鉛的富集系數分別為1.13、1.29和0.94。第二季伴礦景天對鎘、銅、鉛的富集能力較第一季分別增長9.7%、4.0%和11.9%。

第一季香蒲對鎘、銅、鉛的富集系數分別為0.14、0.07和0.12；第二季香蒲對鎘、銅、鉛的富集系數為0.14、0.12和0.15。第二季香蒲對鎘的富集能力與第一季相同，對鎘、鉛的富集能力較第一季分別增長71.4%和25.0%。

綜上，第一、二季富集植物對鎘的平均富集能力大小順序為籽粒莧>伴礦景天>黑麥草>甘藍型油菜>蓖麻>香蒲；對銅的平均富集能力大小順序為甘藍型油菜>黑麥草>伴礦景天>籽粒莧>蓖麻>香蒲；對鉛的平均富集能力大小順序為伴礦景天>黑麥草>籽粒莧>蓖麻>甘藍型油菜>香蒲。說明籽粒莧、伴礦景天、黑麥草、甘藍型油菜和蓖麻可以作為潛在富集植物進行農田鎘、銅、鉛的土壤污染修復工程。香蒲對3種重金屬富集不佳，原因可能是相對其他植物其對當時當地夏季炎熱高溫干燥、冬季寒冷氣候條件適應性差，長勢不好，生物量小，從而影響了其對重金屬的吸收。

3 討論

植物修復試驗結果表明，籽粒莧、伴礦景天、黑麥草、甘藍型油菜和蓖麻對土壤鎘、銅、鉛有較好的去除率。研究區內土壤中重金屬去除率順序為銅>鎘>鉛，土壤中鎘、銅、鉛的超標率分別從75.0%、29.2%、29.2%降低至0，證明富集植物輪作的方法適用于修復復合重金屬污染農田土壤。伴礦景天和香蒲的富集系數均呈上升趨勢，該類植物可能在多季度種植后更好地適應了當地的環境。但香蒲較其他植物富集系數較低，可能是香蒲為好水生多年生草本植物，對于田間持水量的要求較為苛刻，生物量增加速度較為緩慢所導致。整體而言，黑麥草、籽粒莧、伴礦景天、甘藍型油菜、蓖麻對鎘、銅、鉛有較好的富集特性，可以作為潛在的富集植物，應用于植物修復領域。