幾類常見植物對(duì)重金屬鎘污染土壤的修復(fù)作用研究

摘要針對(duì)土壤中重金屬Cd污染的治理開展研究，采用植物修復(fù)方法，分析了一串紅、皺葉狗尾草、牛筋草3種典型植物在不同的種植方式下對(duì)重金屬Cd污染土壤的修復(fù)能力。研究表明，3種植株對(duì)土壤中Cd的修復(fù)能力具有獨(dú)立性，單植株種植方式對(duì)土壤中Cd的修復(fù)作用優(yōu)于組合種植，3類植物中皺葉狗尾草的修復(fù)效果最佳；在單株種植造成植物瘋長的情況下，適宜采用組合種植方式，組合種植時(shí)應(yīng)將修復(fù)能力強(qiáng)的植株分散種植，以增強(qiáng)修復(fù)效果。

關(guān)鍵詞土壤；重金屬污染；鎘；植物修復(fù)

中圖分類號(hào)S181.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2015）07-091-03

Research on Phytoremediation by Common Plants to Soils Contaminated by Heavy Mental Cadmium

GAO Si-wen（College of Materials Science & Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124）

AbstractThis research focused on the phytoremediation of heavy metal pollution （cadmium） in the soil. The experiment was carried out to analyze the capability of soil restoring by three kinds of common plants （Salvia splendens， Setaria plicata and goosegrass） in different planting ways. The results showed that the soil restoring capability of Setaria plicata was the best among three plants， while the singlespecies planting way was also better than the other ones. On the other side， multi-species planting way should be adopted on the condition of excessive growth caused by single species plant. Moreover， the plants with higher soil restoring capability should be planted dispersedly in order to enhance the restoring capability.

Key words Soil； Heavy metal pollution； Cadmium； Phytoremediation

自古以來，土壤作為人類的衣食之源和生存之本被廣泛地開發(fā)與利用。工業(yè)革命初期“大量生產(chǎn)、大量消費(fèi)與大量廢棄”的粗放型工業(yè)路線使得土壤重金屬污染問題逐漸顯現(xiàn)。直至21世紀(jì)的今天，土壤污染已成為影響生態(tài)環(huán)境與人類健康的重大難題。有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，我國受到重金屬汞、鎘污染的土壤已經(jīng)超過4萬hm2，每年生產(chǎn)的大米僅鎘污染造成的就達(dá)500萬t以上，因重金屬污染而損失的糧食超過1 200萬t，嚴(yán)重影響我國的糧食生產(chǎn)和食品安全[1]。重金屬對(duì)環(huán)境與人類的危害主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。①對(duì)農(nóng)作物的影響。土壤中過量的重金屬會(huì)引起植物生理功能紊亂、營養(yǎng)失調(diào)，重金屬污染物在土壤中移動(dòng)性較小，不易隨水淋濾，不為微生物降解，而且在經(jīng)過食物鏈進(jìn)入人體后，潛在危害極大。②對(duì)動(dòng)物的影響。某些重金屬（如鎘、汞等）即使在土壤中含量超標(biāo)，也不會(huì)影響植物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量，但金屬元素在植物體內(nèi)堆積，并且通過食物鏈層層傳遞，最終會(huì)對(duì)處于食物鏈上層的動(dòng)物物種造成危害。③對(duì)人體健康的影響。重金屬在物種體內(nèi)的積累量將隨著生物在食物鏈中的級(jí)別而遞增，處于食物鏈頂端的人類將會(huì)受到最大的危害；土壤中的重金屬通過某些方式流入地下水，與水中的其他毒素結(jié)合生成毒性更大的有害物質(zhì)，人們飲用之后毒性在體內(nèi)會(huì)放大；重金屬會(huì)引起人的頭痛、頭暈、失眠、關(guān)節(jié)疼痛、結(jié)石等，尤其對(duì)消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)的細(xì)胞、臟器、皮膚、骨骼、神經(jīng)破壞極為嚴(yán)重。

土壤重金屬污染的治理一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題[2-4]。目前的治理手段可以分為植物修復(fù)、物理方法修復(fù)與化學(xué)方法修復(fù)三類。①植物修復(fù)，是指利用植物吸收、分解、轉(zhuǎn)化或固定土壤中有毒有害元素[5]。最新的方法有植物提取、植物降解與植物根濾等，其中植物提取修復(fù)即利用超積累植物的特性來修復(fù)重金屬污染土壤應(yīng)用最廣泛[6]。目前文獻(xiàn)報(bào)道的超富集植物近20科、500種，其中十字花科分布較多，主要集中于蕓苔屬、遏藍(lán)菜屬等[7-9]。植物修復(fù)技術(shù)具有保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)、成本較低、無二次污染、操作難度相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，是未來土壤治理的主要發(fā)展方向[10]。②物理方法修復(fù)，是指通過對(duì)受到污染的土壤采取新土引入、舊土去除和填埋污土等物理的方法來減少土壤中重金屬污染。主要修復(fù)手段有翻土法、客土法、換土法等[11]。傳統(tǒng)物理法修復(fù)的優(yōu)勢在于治理方法簡單、快速，但缺陷則為并沒有真正將有害元素從土壤中去除，具有潛在的危害性。另外，國外報(bào)道中有學(xué)者通過在污染土壤兩側(cè)施加直流電壓，使得土壤中的污染物質(zhì)在電場作用下富集到電極兩端，從而去除污染土壤中的重金屬，亦屬于物理修復(fù)方式[12]。③化學(xué)方法修復(fù)，是指通過化學(xué)改良劑的投入，對(duì)污染土壤中重金屬進(jìn)行固定轉(zhuǎn)換、溶解抽提和提取分離等方法，對(duì)土壤中重金屬含量進(jìn)行控制，改善土壤條件。堿性改良劑（石灰、鈣鎂磷肥等）、黏土礦物（沸石、海泡石等）、拮抗物質(zhì)（硫酸鋅、稀土鑭等）和有機(jī)質(zhì)（泥炭、有機(jī)堆肥等）目前是較常用的土壤重金屬污染修復(fù)化學(xué)材料[13]。此外，一些金屬螯合劑和表面活性清洗劑目前也逐漸被應(yīng)用于鎘污染土壤修復(fù)[14]。傳統(tǒng)的化學(xué)修復(fù)方法并沒有真正去除掉土壤中的重金屬，而是僅僅改變了重金屬在土壤中的形態(tài)，存在再度活化危害的可能性。

在各類土壤重金屬污染中，Cd是毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一，具有生物遷移性強(qiáng)、極易被植物吸收和積累的特點(diǎn)[15-16]。筆者針對(duì)土壤中重金屬Cd污染的治理方法開展研究，采用植物修復(fù)方法，分析一串紅、皺葉狗尾草、牛筋草3種典型植物在不同的種植方式下對(duì)重金屬Cd污染土壤的修復(fù)能力，并且嘗試采用混合種植法突破單一植物對(duì)重金屬修復(fù)作用的局面，探究不同植物組合對(duì)重金屬的修復(fù)作用及Cd對(duì)植物生長的影響，確定對(duì)土壤重金屬鎘吸附的最佳途徑。

1材料與方法

選取長勢相近的一串紅、皺葉狗尾草、牛筋草3種植物幼苗作為重金屬吸附植株。種植環(huán)境為尺寸10*20 cm、20*20 cm、30*30 cm的塑料盆。選取通用營養(yǎng)土與60 mg/kg Cd（NO3）2的溶液與土壤均勻混合制成重金屬土壤，對(duì)照組為通用營養(yǎng)土與蒸餾水混合達(dá)到一定濕度的土壤，測得土壤pH略小于7。將幼苗種在通用營養(yǎng)土中緩苗14 d后進(jìn)行重金屬處理，分別按照單一種植每盆2株，兩種植物組合種植每盆4株，三種植物組合種植每盆9株的方式進(jìn)行種植（圖1）。每種種植方式按加鎘處理、不加鎘處理（對(duì)照組）和無植物空白土壤對(duì)照各重復(fù)3次。在植株生長期間及時(shí)補(bǔ)充水分，待植株生長60 d進(jìn)行收割，用蒸餾水洗凈根系及整個(gè)植物表面，用吸水紙吸干表面水分，在干燥通風(fēng)處晾置10 min，將地上部和地下部分離，然后置于85 ℃干燥箱中烘干2 h至恒重，用電子秤稱取各部分干重，并且研磨成粉末。采用硝酸-高氯酸法消煮和原子吸收分光光度儀測定Cd的濃度。利用統(tǒng)計(jì)軟件分析地上部和地下部吸鎘量和對(duì)土壤的凈化率。生物量數(shù)據(jù)采用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤差，重金屬含量為3次重復(fù)的混合樣進(jìn)行測定，0.05水平下LSD多重比較檢驗(yàn)各處理平均值之間的差異顯著性。

注：A代表一串紅植株；B代表皺葉狗尾草植株；C代表牛筋草植株。

圖1植物種植方式

2結(jié)果與分析

2.1單種植物種植方式對(duì)土壤中Cd吸收的影響

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的單種植物種植方式，經(jīng)過60 d的栽培觀察，統(tǒng)計(jì)分析其地上部分、地下部分的干重，并且對(duì)各植物中Cd含量進(jìn)行測定。

圖2對(duì)比了在鎘污染土壤與正常土壤中生長3種植物的生物量。單種植株種植時(shí)生長在被Cd污染土壤中植株的生物量略低于生長在正常土壤中的植株，其中一串紅植株的生物量受Cd的影響最大，生物量約下降8.1%，而牛筋草則幾乎不受金屬Cd的影響。圖3對(duì)比了3種植物對(duì)金屬鎘的吸收情況。在單植物種植時(shí)皺葉狗尾草對(duì)土壤中Cd的地下部分與地上部分吸收量均明顯高于其他2種植株。因此，在單植物種植方式時(shí)皺葉狗尾草相比較于其他2種植株更適合用于修復(fù)土壤中的Cd污染。3種植物地下部分的Cd含量明顯高于地上部分，說明植物在修復(fù)土壤中的Cd時(shí)，地下部分起更大的作用，因此在選取修復(fù)植株時(shí)應(yīng)選植株根部比較發(fā)達(dá)的植株。

圖2單種植物種植方式時(shí)不同植物生物量的變化情況

圖3單種植物種植方式時(shí)不同植物對(duì)金屬鎘的吸收情況

2.2兩種植物種植方式對(duì)土壤中Cd吸收的影響

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的兩種植物物種種植方式進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過栽培觀察、植物風(fēng)干與測試后，得到不同種植方式下植物的生物量與Cd含量，并與對(duì)照組進(jìn)行比較。

兩種植物種植時(shí)不同植物組合在有Cd與無Cd土壤中的生長情況見圖4。植株生物量的變化趨勢與單植物種植時(shí)基本相同。在單獨(dú)種植時(shí)一串紅的生物量受Cd影響最大，在兩種植物種植時(shí)有一串紅出現(xiàn)組合的生物量同樣受Cd的影響較大，其中一串紅+皺葉狗尾草組合最明顯，生物量下降率達(dá)8.7%。這說明植株受Cd的影響具有獨(dú)立性，不會(huì)因其他植株的存在而抵消。對(duì)于皺葉狗尾草+牛筋草組合，試驗(yàn)組相較于對(duì)照組反而有所提高，經(jīng)過多次試驗(yàn)，其結(jié)果仍是如此，因此排除因偶然性造成的誤差。分析原因，可能是由于皺葉狗尾草和牛筋草組合種植時(shí)對(duì)土壤中Cd的修復(fù)能力最強(qiáng)，即皺葉狗尾草和牛筋草組合吸收的Cd比其他組合多，因此在最后的生物量測量時(shí)比對(duì)照組高。兩種植物種植時(shí)不同植物組合對(duì)Cd的吸收情況見圖5。皺葉狗尾草和牛筋草組合的地上部分和地下部分對(duì)土壤中Cd的修復(fù)作用都強(qiáng)于其他2種組合，而一串紅和牛筋草組合的修復(fù)能力最差。

圖4兩種植物種植方式時(shí)不同植物生物量的變化情況

圖5兩種植物種植方式時(shí)不同植物對(duì)金屬鎘的吸收情況

2.3三種植物種植方式對(duì)土壤中Cd吸收的影響

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的三種植物混合種植方式進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過60 d的栽培觀察，將植物風(fēng)干后統(tǒng)計(jì)其地上部分與地下部分的干重，統(tǒng)計(jì)不同植物生物量與植物中Cd含量，并且與對(duì)照組進(jìn)行比較。圖6顯示了三種植物種植方式時(shí)不同植物組合在有Cd與無Cd土壤中生長情況，不論是對(duì)照組還是試驗(yàn)組都與2種植物種植方式時(shí)有著相似的曲線趨勢，但其與單種植株種植時(shí)有明顯不同的，在皺葉狗尾草緊排在對(duì)角線上時(shí)生物量明顯低于其他組合，且植物平均生物量明顯低于單獨(dú)種植。原因?yàn)槿N植株混種時(shí)Cd對(duì)生物量的影響不占主要因素。不同植株間的競爭成為影響生物量的主要因素。三種植物種植方式時(shí)不同植物組合對(duì)Cd的吸收情況見圖7。一串紅位于對(duì)角線位置種植時(shí)植物組合對(duì)Cd的修復(fù)作用最強(qiáng)，原因是在單獨(dú)種植時(shí)皺葉狗尾草對(duì)Cd的修復(fù)作用最強(qiáng)，牛筋草次之，一串紅最差。在一串紅位于對(duì)角線位置種植方式時(shí)，皺葉狗尾草和牛筋草較分散地分布在整個(gè)盆中，增加它們吸收Cd的范圍，而且降低同種物種間的生存競爭。而在皺葉狗尾草位于對(duì)角線位置種植時(shí)，其高效的修復(fù)作用由于位置較集中而無法發(fā)揮，而由于要與相鄰的同物種競爭，進(jìn)一步降低了其修復(fù)效率，所以皺葉狗尾草位于對(duì)角位置時(shí)的組合修復(fù)土壤中Cd的效果最差。

圖6

三種植物種植方式時(shí)不同植物生物量的變化情況

圖7三種植物種植方式時(shí)不同植物對(duì)金屬鎘的吸收情況

43卷7期

高思雯幾類常見植物對(duì)重金屬鎘污染土壤的修復(fù)作用研究

2.4不同植物種植方式對(duì)土壤中Cd吸收的影響

將單獨(dú)種植、兩種植物種植與三種植物種植情況下植物對(duì)金屬鎘的吸附情況進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，在單獨(dú)種植情況下對(duì)金屬鎘的吸收效果最好，尤其是狗尾草單獨(dú)種植時(shí)吸附效果最佳，而隨著植物種類的增加，對(duì)重金屬的吸附效果呈下降趨勢。這一方面是由于另兩種植物的吸附效果低于皺葉狗尾草，另一方面是不同物種之間的競爭削弱了對(duì)重金屬的吸附。因此，在條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用單獨(dú)種植方式進(jìn)行土壤修復(fù)。但是，有文獻(xiàn)報(bào)道在單株種植的情況下可能會(huì)產(chǎn)生單種植物瘋長、單一植物的生態(tài)系統(tǒng)脆弱等問題，在此情況下應(yīng)選取混合種植的方式，而在混合種植時(shí)應(yīng)將修復(fù)能力強(qiáng)的植株分散種植，以增強(qiáng)修復(fù)效果。

3結(jié)論

針對(duì)土壤中重金屬Cd污染的治理方法開展研究，采用植物修復(fù)方法，研究一串紅、皺葉狗尾草、牛筋草3種典型植物在不同的種植方式下生物量的改變以及對(duì)重金屬Cd污染土壤的修復(fù)能力，與對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比分析。

研究表明， 在單株種植的情況下，皺葉狗尾草對(duì)土壤中金屬Cd的地下部分吸收量與地上部分吸收量均明顯高于其他兩種植株，三類植物地下部分的Cd吸收量均明顯高于地上部分，應(yīng)優(yōu)先選取根部較發(fā)達(dá)的土壤修復(fù)植株；在組合種植的情況下，單一植株受金屬鎘污染后的生物量變化不會(huì)因

其他植株的存在而產(chǎn)生很大的改變，三種植株對(duì)土壤中Cd

的修復(fù)能力具有獨(dú)立性，不會(huì)隨著組合方式的改變而改變，而單植株種植對(duì)土壤中Cd的修復(fù)作用要優(yōu)于組合種植的情況；在單株種植造成植物瘋長的情況下，宜采用組合種植方式，組合種植時(shí)應(yīng)將修復(fù)能力強(qiáng)的植株分散種植，以增強(qiáng)修復(fù)效果。

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