短輪伐期矮林柳對污染土壤中鎘的修復

肖 力，湯春芳

(1衡東縣環(huán)境保護監(jiān)測站，湖南 衡東 421400；2中南林業(yè)科技大學 林學院，湖南 長沙 410004)

短輪伐期矮林柳對污染土壤中鎘的修復

肖 力1，湯春芳2*

(1衡東縣環(huán)境保護監(jiān)測站，湖南 衡東 421400；2中南林業(yè)科技大學 林學院，湖南 長沙 410004)

在調(diào)研國內(nèi)外柳樹修復土壤鎘污染文獻的基礎上，綜述了短輪伐期矮林柳對土壤鎘污染的提取情況，旨在為土壤重金屬污染的植物修復提供科學依據(jù)。研究表明，種植某些短輪伐期矮林柳并收割其地上部分，在一定的生命周期內(nèi)對土壤鎘(Cd)污染治理效果較好。與其他重金屬和物種相比，柳樹地上部分生物量較大、Cd的累積濃度較高，柳樹對Cd的吸收量也較高。柳樹對Cd的有效提取要求：①選擇適合的污染土壤；②每年落葉之前反復收割其地上部分；③最后對整個植株(包括根以及地上莖)進行收割。結果表明，柳屬植物是提取土壤中Cd的一種既環(huán)保又經(jīng)濟的植物修復材料，尤其適用于低Cd污染的棕地和農(nóng)田土壤修復。

土壤；鎘；植物修復；短輪伐期矮林柳

土壤環(huán)境重金屬污染是全球最重要的環(huán)境問題之一，它能對生態(tài)安全以及人類健康造成嚴重影響。由于磷肥、生活污水及其污泥的長期施用以及金屬冶煉，許多國家的耕地、棕地或工商業(yè)廢棄地(brownfield land)都受到重金屬Cd的輕度、中度污染，甚至重度污染。土壤中重金屬的去除方法有物理法、化學法和生物法。植物修復是一種原位的生物修復技術，它通過植樹種草去除環(huán)境重金屬或降低其毒性。目前，植物修復已成為土壤重金屬污染修復的重要方法，其相比物理化學法，更具有經(jīng)濟可行、環(huán)境友好以及美化、綠化環(huán)境等美學效果。

重金屬污染植物修復的研究以前一直著重于超富集植物的尋找，超富集植物多為草本植物，雖然其對重金屬的累積含量較高，但生物量較低，對土壤重金屬總的吸收量并不高。相比而言，一些木本植物雖然富集的重金屬量稍低，但其生物量大，對重金屬總的吸收量比草本植物高。因此，木本植物用于重金屬污染的修復也成為研究重點。

目前，木本植物提取污染土壤中的重金屬已有綜述報道。植樹可以減少重金屬帶來的環(huán)境風險，促進重金屬等污染物的自然降解。同樣，通過種植并收獲快速生長的樹木來提取土壤中的重金屬越來越受關注。研究表明，自然生長的柳樹特別適合去除土壤中的Cd。種植快速生長的柳樹已被認為是低成本、可持續(xù)和生態(tài)安全的重金屬污染土壤修復方法。近年來的生態(tài)工程研究表明，柳樹生物量以及重金屬累積含量都較大，對土壤重金屬污染具有顯著的修復潛能。因此，柳樹被認為是治理農(nóng)田土壤和棕地Cd污染的重要樹種之一。

1 鎘污染

Cd是生物非必需營養(yǎng)元素，是毒性較大的重金屬之一。這是因為Cd不能生物降解，其在環(huán)境中累積可能會導致環(huán)境污染與生態(tài)破壞。Cd在生態(tài)系統(tǒng)中的移動性強，可通過食物鏈的生物放大給人類健康帶來潛在危害。Cd對植物的毒害作用不明顯，但易被植物吸收，增加了通過食物鏈轉移到人類及其他動物的環(huán)境風險。

環(huán)境與經(jīng)濟社會發(fā)展不協(xié)調(diào)導致土壤環(huán)境中的Cd經(jīng)常超標。Cd污染主要源于磷肥施用、污水灌溉以及金屬采選、冶煉加工等。工商業(yè)廢棄地(棕地)Cd污染治理的工程費用及化學處理費用往往超過用地本身的價值。因此，進行經(jīng)濟有效及環(huán)境友好的治理方法研究很有必要。

目前，能有效去除土壤中重金屬污染物的方法有限。物理法既費土又費錢，化學法易破壞土壤生態(tài)及功能完整性。考慮到Cd的高移動性及環(huán)境風險，物理法、化學法都不是土地所有者、管理者或使用者采納的最好方法。

2 植物提取

重金屬污染的植物修復方法相比物理法、化學法更綠色環(huán)保以及經(jīng)濟可行。土壤重金屬污染的植物修復有植物提取、根際過濾、植物固定、植物降解、植物揮發(fā)、根際降解等多種方法。植物提取是利用生物量較高的植物將土壤重金屬吸收并轉運到植物地上部分，通過收獲植物地上部分去除重金屬，這種方法不破壞土壤結構和功能，不需要土壤填埋處置[1-5]。植物修復常采用的植物是超富集植物。已發(fā)現(xiàn)的重金屬超積累植物可以提取Ni、Zn、Cu、As、Co和Pb，一些樹種還可以有效地吸收和轉化Hg和Se，但是選擇性吸收Cd的超富集植物較少，只有少量的草本植物(Thlapsicaerulescens和Arabidopsishalleri)可以積累含量高達100 mg/kg的Cd。然而，與其他金屬離子和其他物種相比，快速生長的幾種柳樹及其無性系對Cd的吸收能力較強[6-10]。楊樹也有較強的吸收能力，尤其是對Pb的吸收。研究表明，蒿柳 (Salixviminalis) 的無性系及其他幾種柳樹已作為能源樹種廣泛栽種于重金屬污染的農(nóng)田，3年進行1次輪伐，而且其應用于治理重金屬污染的棕土可能性也較大。

3 矮林柳修復土壤鎘污染的研究

3.1柳樹對鎘的吸收量

一些繁殖能力、抗逆性以及基因變異能力強，生物量大的柳樹品種，尤其適用于重金屬污染土壤的植物修復。通過短期輪伐柳樹，可以達到降低土壤重金屬含量的目的。盡管存在種間差異，但柳樹對Cd的吸收量一般隨著土壤中Cd含量的增加而增加。多年田間研究表明，黃花柳(Salixcaprea)葉片Cd含量高達116 mg/kg干重，年際間葉片Cd含量變化較小，說明不同年份調(diào)研的數(shù)據(jù)一致性較強[11]。底泥污染土壤栽培各種柳樹(黃花柳、蒿柳、白柳Salixalba) Cd含量達6.6 mg/kg[12]。研究還表明，水淹有利于降低土壤Cd等重金屬的生物可利用性，因此這可能是重金屬污染土壤的潛在有效管理方式[12]。Mleczek 等評價了波蘭森林12種柳樹對Cd的累積能力，結果表明，Salix.purpurea"Green Dicks"和Salix.purpureavar. angustifolia Kerner對Cd的吸收量最大，有些柳樹，比如Salix.purpurea"Utilissima"對Cd的吸收量很小，說明同一品種的不同植物對Cd的吸收能力不同，同時說明柳樹并不是超富集植物，但考慮到柳樹生物量較大，植物修復能力較強，其應用受到普遍關注[13]。Li等將本土柳樹 (Salix×aureo-pendulaCL J1011) 種植于Cd污染的揚子江岸田間，實驗45 d后，單獨栽培柳樹、柳樹+EDTA處理、柳樹+EDTA+乳酸乙酯處理,分別使土壤Cd濃度下降5%、20%和29%；EDTA與乳酸乙酯結合施用能顯著提高土壤Cd的去除率，因此，三者結合構成的植物提取系統(tǒng)對土壤Cd污染具有較高的修復潛能[14]。

另外，一些措施可以增加柳樹對鎘的吸收能力。當土壤pH值為5.5～7.0時，蔬菜葉和根的BCF能增加一個數(shù)量級。旱柳鎘吸收量與土壤pH值有很大的關聯(lián)性。廉價的有機及無機酸性土壤改良劑很可能增加旱柳對Cd的吸收。在其他植物研究中，施用鉀肥可以使植物莖中Cd含量增加2倍。同時，植物提取重金屬的影響包括作物生長及植物作為生物質(zhì)在燃燒過程中對生態(tài)系統(tǒng)食物鏈、環(huán)境以及人類健康的潛在風險。

柳屬間樹種可以廣泛雜交。蒿柳生物量較大，但其重金屬含量不高，而SalixburjaticaGermany和SalixcalodendronWimm能去除土壤中大量Cd及其他金屬離子，它們是蒿柳、黃花柳(S.caprea)和灰柳(Salixcinerea) 的雜交，這有利于將蒿柳生物量大的特性結合到生長慢但能自然入侵到受Cd污染土壤的黃花柳與灰柳中。Cd在不同植物體內(nèi)移動性不同的生理生化機制尚不清楚，但吸收能力強的物種能快速生長繁殖，少數(shù)木本植物插條扦插后能快速長成新植株。

污染場所田間實驗表明，從收獲的柳樹中計算出的Cd吸收量比較低，只有2.6～76.7 g·ha-1·a-1[5]。最近研究表明，在Cd含量小于0.4 mg·kg-1的土壤中，蒿柳生物量為10 t·DM·ha-1·a-1，雖然莖中Cd含量僅有2 mg·kg-1，但Cd吸收量為20 g·ha-1·a-1。這一吸收量比稻草Cd吸收量高100多倍，超過瑞典土壤由于磷肥反復施用而通過大氣污染進入土壤中的Cd。歐洲農(nóng)田及工業(yè)地區(qū)大氣沉降的Cd含量分別高達0.7和1.9 g·ha-1·a-1。然而，田間實驗柳樹收割部分的Cd吸收量與理論計算值存在偏差[16]。最近調(diào)查顯示，在英國南部種植園中，30%柳樹的根系在0～10 cm深的土壤中，75%～95%的根在0～36 m的土壤中。在質(zhì)量平衡方程中，柳樹Cd含量為25 mg·kg-1，年產(chǎn)量為15 t·ha-1·a-1，27年大約能將表層20 cm土壤中的Cd從8 mg·kg-1減小到3 mg·kg-1[17]。

理論計算和田間實驗實際金屬去除量不一致的原因：其一，可能與土壤污染的空間變異有關。通常，植物根系能避開重金屬含量高的土壤，主動向污染較小的土壤生長。然而，在受Cd污染的土壤中，15 mg·kg-1以上或者更高濃度的植物根系不敏感；其二，可能是植物地上部分20%～40%的Cd大多數(shù)存在于葉中，而植物地上部分收獲通常是在冬天落葉后；其三，包括柳樹在內(nèi)的植物根中Cd含量通常高于地上部分。有許多關于根生物量和產(chǎn)量的報道中提到，柳樹生物量中根通常占33%～58%。可以推斷，收獲末期，根去除的Cd至少是莖中Cd去除量的30%。在修復末期，收獲的葉子和根中Cd含量相當于莖中Cd含量。

3.2柳樹對鎘的富集因子

生物富集因子(Bioconcentration factors，BCF)是指植物吸收的重金屬含量與植物生長土壤重金屬含量的比值，它是用來衡量植物富集重金屬能力大小的指標。BCF>1，說明植物能有效富集金屬。柳樹能生長于Cd輕度污染(由工業(yè)粉塵以及污水、污泥中Cd造成的污染)和Cd重度污染(礦區(qū))的土壤中，其對Cd的生物富集因子都有報道。在大田實驗中，木本植物對Cd的BCF值在0.05～16.8之間，草本植物對Cd的BCF值在0.17～27.9之間，不同實驗土壤柳樹的生物富集因子如表1所示[4-10]。在重度污染的土壤中，雖然柳樹植株的Cd含量高，但BCF值不高，表明植物不能有效地將Cd從土壤轉運到植物中。柳樹葉中BCF值高于莖，盡管葉只占地上部生物量的25%，而莖中Cd的總含量較高。重度污染土壤栽培的蒿柳葉片Cd濃度高達80 mg/kg，但其生長受到嚴重抑制；中度污染土壤中Cd年均提取量為總量的0.13%[15]。

表1 不同實驗土壤柳樹的生物富集因子(BCF)

注：BCF=植物組織重金屬含量(mg/kg)/土壤重金屬含量(mg/kg)。

4 結論

柳屬植物提取土壤中的Cd是一種有效、低耗的治理方法，尤其是對低Cd污染的棕土和農(nóng)田土壤，但對長期受礦區(qū)開采影響及嚴重污染的土壤不太適合。用篩選出的柳屬樹種去除土壤中的Cd需要：①選擇適合的污染土壤；②每年落葉之前反復收割柳樹地上部分；③最后對整個植株(包括根以及地上莖)進行收割。用柳樹作為Cd的植物修復材料，在理想的時間內(nèi)能使土壤恢復到輕污染狀態(tài)，在治理過程中可實現(xiàn)綠色技術和作物經(jīng)濟循環(huán)的雙贏。

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(責任編輯高嵩)

Phytoextraction of Cadmium-contaminated Soil by Short-rotation Coppice Willow

XiaoLi1,TangChunfang2*

(1Environmental Protection Monitoring Station of Hengdong,Hengdong Hunan 421400;2College of Forestry, Central South University of Forestry and Technology,Changsha Hunan 410004)

This paper reviews the phytoextraction of cadmium in soil using short-rotation coppice willow aiming to offer scientific support for phytoremediation of heavy metal polluted soil. Studies show that Cd-polluted soil can be cleaned effectively by cultivating and harvesting the aboveground parts of some short-rotation coppice willow within a certain crop lifecycle.Cd uptake rates into Salix are high compared with other trace elements and plants.Effective phytoextraction would require:①selection of suitable contaminated soil;②repeated harvest prior to leaf fall;③final removal of the whole plant. Results suggest that willow is one of the environment friendly and economic materials for remediation of cadmium-contaminated soil,especially for agricultural soil and brownfield land.

soil;cadmium;phytoremedaition;short-rotation coppice willow

2013-10-24

湖南省科學技術廳科技計劃一般項目(項目編號2012FJ3144)。

肖力(1972— )，男，助理工程師，大專。

*通訊作者：湯春芳(1970— )，女，副教授，碩士，研究方向：環(huán)境化學與污染控制。

10.3969/j.issn.2095-4565.2014.01.007

X53

A

2095-4565(2014)01-0025-05