滇南礦區(qū)重金屬污染耕地的植物修復及其健康風險

米艷華，雷梅，黎其萬*，陳璐，杜麗娟，鄧曉霞，楊旭昆，張文波. 云南省農(nóng)業(yè)科學院質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究所，云南 昆明 650；. 中國科學院地理科學與資源研究所環(huán)境修復中心，北京 000；. 云南省農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，云南 昆明 650；. 云南省紅河州個舊市大屯鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務中心，云南 個舊 6607

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滇南礦區(qū)重金屬污染耕地的植物修復及其健康風險

米艷華1，雷梅2，黎其萬1*，陳璐1，杜麗娟1，鄧曉霞3，楊旭昆1，張文波4
1. 云南省農(nóng)業(yè)科學院質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究所，云南 昆明 650223；2. 中國科學院地理科學與資源研究所環(huán)境修復中心，北京 100101；3. 云南省農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，云南 昆明 650223；4. 云南省紅河州個舊市大屯鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務中心，云南 個舊 661017

摘要：在云南個舊礦區(qū)大田種植條件下，研究種植蜈蚣草、鮮食糯玉米、板藍根蔬菜和高梁對重金屬As（103.83±4.30）mg·kg-1、Pb（293.17±15.99）mg·kg-1、Cd（1.95±0.16）mg·kg-1復合污染土壤的治理和修復效果，并分析作物對人體的健康風險。結(jié)果表明，4種植物對土壤重金屬的吸收有較大的差異，蜈蚣草As富集系數(shù)為（1.74±0.16），表現(xiàn)出較好的As富集植物特性，Pb富集系數(shù)為（0.42±0.05），富集能力明顯高于其它3種植物。高梁秸桿、玉米秸桿、板藍根蔬菜Cd富集系數(shù)均大于1，尤其是板藍根蔬菜，富集系數(shù)為（3.19±0.46），Cd富集能力較強；在生物量和重金屬吸收量的雙重作用下，高梁秸桿對土壤中As、Pb、Cd的提取效率均高于其它3種植物。蜈蚣草除Cd外，對土壤重金屬As、Pb的提取效率與高梁相當；經(jīng)公式計算，若通過種植以上4種植物將試驗區(qū)土壤As、Pb、Cd修復到國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準限量以內(nèi)，需要種植玉米和板藍根蔬菜約100年以上，而種植高梁僅需25年。蜈蚣草對試驗區(qū)土壤As、Pb修復效果明顯，預計種植蜈蚣草30年可將試驗區(qū)土壤As、Pb修復到國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準限值以內(nèi)；參試的3種可食用作物健康風險分析表明，當?shù)鼐用裢ㄟ^食用板藍根蔬菜進入人體的Pb、As和Cd暴露風險指數(shù)（HQ）均大于1，人體健康風險較大，不宜在試驗區(qū)種植食用；食用玉米、高粱進入人體的Pb、As和Cd暴露風險指數(shù)雖小于1，但Pb和As的HQ均在0.9以上，存在潛在的健康風險。綜合分析4種植物的修復效果、健康風險以及經(jīng)濟效益，高梁作為一種優(yōu)良的生物質(zhì)能源植物，引導種植較高抗性的高梁品種以及套種低累積高梁品種與蜈蚣草，可推薦作為滇南礦區(qū)重金屬復合污染耕地邊生產(chǎn)、邊修復的土地安全利用模式。

關(guān)鍵詞：礦區(qū)；重金屬；污染耕地；植物修復；健康風險

引用格式：米艷華， 雷梅， 黎其萬， 陳璐， 杜麗娟， 鄧曉霞， 楊旭昆， 張文波. 滇南礦區(qū)重金屬污染耕地的植物修復及其健康風險［J］. 生態(tài)環(huán)境學報， 2016， 25（5）: 864-871.

MI Yanhua， LEI Mei， LI Qiwan， CHEN Lu， DU Lijuan， DENG Xiaoxia， YANG Xukun， ZHANG Wenbo. Phytoremediation and Health Risk Assessment of Heavy Metals Pollution in Mining Area Farmland of Southern Yunnan Province ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（5）: 864-871.

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，土壤重金屬污染日趨嚴重，礦區(qū)附近農(nóng)田土壤重金屬復合污染導致區(qū)域生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品超標問題屢見報道（Liao et al.，2005；雷梅等，2005；張德剛等，2010；姜艷興等，2013）。2008年以來，全國已發(fā)生百余起重大污染事故，包括砷、鎘、鉛等重金屬污染事故達 30多起。2014年，加強耕地質(zhì)量建設和污染修復治理等相關(guān)工作在國家政策指導下啟動實施。位于云南南部的典型礦區(qū)個舊市，受土壤背景值和礦業(yè)發(fā)展的影響，耕地土壤表現(xiàn)為典型的重金屬 Pb、As、Cd復合污染土壤，礦區(qū)及周邊蔬菜地土壤表征綜合污染程度的Nemero指數(shù)最高達到了132（謝華等，2008），區(qū)域生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標較為普遍（肖青青等，2011；宋雁輝等，2012），居民食用本地蔬菜引起重金屬中 As和Pb的健康暴露風險較高（謝華等，2008）。近年來，隨著礦產(chǎn)資源的逐漸枯竭，個舊市從礦業(yè)經(jīng)濟逐漸向農(nóng)業(yè)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，對礦區(qū)周邊耕地土壤進行有效的修復和治理成為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟成功轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與重金屬污染土壤物理、化學修復治理方法相比，植物修復（鄭君健等，2013）因其成本低、安全環(huán)保以及可大規(guī)模原位修復等優(yōu)點被認為是一種經(jīng)濟有效的土壤重金屬去除方法（Peuke et al.，2005；Carlos et al.，2001）。蜈蚣草（Pteris vittata L）是一種As超富集植物，適用于As輕度污染的土壤修復（陳同斌等，2002；韋朝陽等，2008）。謝景千等（2010）原位試驗同時證明了蜈蚣草對重金屬As、Pb污染土壤有良好的修復效果；甜高粱（Sorghum vulgare Pers.）是禾本科C4植物，Salman et al.（2013）研究表明甜高粱是一種能有效吸收重金屬的作物，同時也是國際公認的能源植物，與其他能源植物種類相比，甜高粱除了具有抗逆、抗旱、節(jié)水特性外，還具有生長快、生物產(chǎn)量高、易收割等作為重金屬污染修復植物應具備的特征（高士杰等，2006；Alkoratal et al.，2004）；板藍根（Isatis tinctoria L.）為十字花科植物，在個舊地區(qū)有部分種植作為蔬菜食用；糯玉米（Zea mays L.sinensis Kulesh），也稱蠟質(zhì)玉米，是當?shù)鼐用裣矏鄣募Z蔬兼用鮮食作物。本研究選取個舊市具有代表性的重金屬復合污染農(nóng)田為試驗區(qū)，通過設置蜈蚣草、甜高梁、板藍根和糯玉米的種植試驗，研究比較這4種植物對重金屬污染農(nóng)田的修復潛力，并分析可食作物對人體的健康風險。

1　材料與方法

1.1 試驗區(qū)概述

試驗區(qū)位于云南省滇南紅河北岸的個舊市礦區(qū)周邊農(nóng)田，地理位置為東經(jīng)107°51′～108°43′，北緯24°44′～25°33′，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為19.9 ℃，年降雨量1389～1750 mm。試驗區(qū)基本情況見表 1，對照土壤環(huán)境質(zhì)量（GB15618—1995）二級標準限制值可以看出，試驗區(qū)耕地土壤屬于鉛、砷、鎘復合污染土壤。

1.2 試驗設計與管理

1.2.1 供試植物

板藍根、糯玉米種子為地方農(nóng)資市場購買，糯玉米品種名為金花糯；甜高梁由云南省農(nóng)業(yè)科學院生物所提供，品種名為晉糯10-1；蜈蚣草幼苗由北京瑞美德環(huán)境修復有限公司提供。

1.2.2 試驗設計

本研究采用大田小區(qū)定位試驗，試驗設單種板藍根蔬菜、糯玉米、蜈蚣草和高梁4個處理，3個重復，每個小區(qū)面積48 m2，試驗區(qū)土壤經(jīng)過土地平整、翻耕、挖穴等工序，于2014年5月20日進行板藍根、玉米、高梁種子點播，蜈蚣草幼苗移栽工作。

板藍根種植密度為10 cm×15 cm；玉米采用寬窄行設計，寬行40 cm，窄行30 cm，間距25 cm；高梁種植密度同玉米，3種作物栽培規(guī)格均符合當?shù)胤N植習慣。蜈蚣草移植密度為30 cm×30 cm。

表1　試驗區(qū)基本情況Table 1　General Situation of Test Area

試驗周期為2014年5月至2014年10月，板藍根蔬菜刈割兩次，分別計算兩次刈割的生物量和留取樣品，其余3種作物在9月份玉米、高梁成熟后統(tǒng)一收割測產(chǎn)留樣。種植植物全生育期僅按照生長需要常規(guī)追施N肥（尿素）。灌溉用水符合GB 5084—2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》，采用人工除草方式去除田間雜草。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤樣品處理及分析

每個試驗處理在植物收獲時按照重復采用梅花型五點取樣方法采集耕層0～20 cm土壤樣品，組成混合樣，在野外編號，帶回實驗室風干，除去土壤中的石塊、植物根系和凋落物后粉碎，過100目（0.15 mm）篩。用 ICP-OES（OPTIMA2000，Perkin-Elmer Co.，USA）測定Cd、Pb質(zhì)量分數(shù)，分別加入標準物質(zhì)GBW 07405和GBW 10016對整個分析測試過程進行質(zhì)量控制。用原子熒光光度計（海光，AFS-2202E）測定As質(zhì)量分數(shù)。

土壤有機質(zhì)和pH值：土壤pH質(zhì)量分數(shù)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤pH采用1∶2.5的土水比，酸度計（Starter-3C，奧豪斯儀器有限公司）測定。

1.3.2 植物樣品處理及分析

采集土壤樣品時同步采集植物樣品，并在每個土壤取樣點對應采集各樣點1 m2內(nèi)的植物地上部；蜈蚣草、蔬菜板藍根不分莖葉就地上部分進行取樣，糯玉米、高梁地上部分則分玉米秸桿、高梁秸桿和玉米籽粒、高梁米分別取樣。取樣后對每個試驗處理小區(qū)植物地上部分進行測產(chǎn)；取回的植物樣品用自來水清洗表面粘附的土壤，再用去離子水淋洗3遍，晾干，105 ℃殺青30 min，65 ℃烘至恒重后，粉（磨）碎過40目篩。所有樣品加入5 mL濃硝酸與 2 mL雙氧水后，放置在微波消解儀（MARS，CEM）內(nèi)進行消解。植物樣品消解完全后，超純水定容，用原子吸收光譜儀（Jena-ZEEnit 700）、ICP-MS測定溶液中Cd、Pb質(zhì)量分數(shù)，原子熒光光度計（海光，AFS-2202E）測定As質(zhì)量分數(shù)，以國家標準物質(zhì)（GBW07603 GSV-2）為內(nèi)標控制樣品分析質(zhì)量分數(shù)。

1.4 土壤修復評估方法

土壤修復采用植物提取量、植物提取效率、預計修復年限、土壤修復效率等指標進行比較和分析，計算公式（朱俊艷等，2013；廖曉勇等，2004）如下：

式中，Pi為植物重金屬Cd、Pb、As的提取量，g·hm-2；Ci為植物重金屬 Cd、Pb、As平均濃度，mg·kg-1；Wi為植物干重，t·hm-2；Qi為土壤質(zhì)量，g；ρb為土壤容重，g·cm-3；Si為種植面積，cm2；Hi為耕層土壤厚度，按20 cm計算；EE植物為植物重金屬Cd、Pb、As的提取效率，%；C1為修復前土壤重金屬Cd、Pb、As平均質(zhì)量分數(shù)，mg·kg-1；BCF為富集系數(shù)；Ai為預計修復年限，Li為國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準限值，mg·kg-1；RE為土壤重金屬Cd、Pb、As的修復效率，%；C2為修復后土壤重金屬Cd、Pb、As平均質(zhì)量分數(shù)，mg·kg-1。

1.5 人體健康風險評價方法

植物通過食物途徑平均日攝入重金屬的量參照USEPA的MMSOILS模型中的水、食物攝入和空氣吸入的暴露評價方程進行簡化后計算（趙雪梅等，2015），公式為：

式中，CDI為植物中的Cd、Pb、As通過食物進入人體的平均日攝入量，μg·kg-1·d-1；Ci為植物中重金屬Cd、Pb、As平均濃度，mg·kg-1；Di為每日的食用量，kg；Fd為植物鮮重折算為干重的比例；103為將mg換算為μg的數(shù)量級比。HQ表征由食物攝入引起的重金屬暴露風險指數(shù)；BW為人體質(zhì)量，kg；RFD為參考暴露劑量，μg·kg-1·d-1，依據(jù)USEPA（1997，2000）標準，Pb、As和Cd的RFD分別為0.004、0.002、0.001 mg·kg-1·d-1。

2　結(jié)果與分析

2.1 參試植物對重金屬復合污染土壤的修復效果

2.1.1 參試植物對土壤中3種重金屬的吸收和富集特性

表2　不同植物的生物量、重金屬的質(zhì)量分數(shù)和富集系數(shù)Table 2　Effects of heavy metal concentrations and bioaccumulation factors in different plants

在重金屬復合污染土壤上種植4種供試植物，經(jīng)過1個生長周期，4種植物對3種重金屬的吸收和富集情況有明顯的差異，見表2。經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒和高梁米3種重金屬質(zhì)量分數(shù)遠遠低于玉米桔桿和高梁秸桿，因此，評價玉米和高梁對重金屬復合污染土壤的修復效果表述僅針對這兩種作物的地上部秸桿進行分析。從Pb的情況來看，蜈蚣草地上部分Pb質(zhì)量分數(shù)范圍在108.26～134 mg·kg-1，板籃根Pb質(zhì)量分數(shù)次之，為54.36～88.42 mg·kg-1，高梁秸桿Pb質(zhì)量分數(shù)為54.96～77.32 mg·kg-1，玉米秸桿鉛質(zhì)量分數(shù)為28.66～46.34 mg·kg-1。整體來看，4種植物對 Pb富集系數(shù)均小于1，富集能力表現(xiàn)為蜈蚣草＞板藍根蔬菜＞高梁秸桿＞玉米秸桿。從 Cd的情況來看，板藍根蔬菜Cd質(zhì)量分數(shù)為5.48～7.32 mg·kg-1，高梁秸桿次之，為2.28～4.11 mg·kg-1，玉米秸桿為2.24～3.12 mg·kg-1，蜈蚣草1.64～2.37 mg·kg-1。4種植物除蜈蚣草外，高梁秸桿、玉米秸桿、板藍根蔬菜對Cd富集系數(shù)均大于1，尤其是板藍根蔬菜，富集系數(shù)平均達到3.185，表現(xiàn)出對Cd具有較強的富集能力。因此，4種植物對Cd的富集能力表現(xiàn)為板藍根蔬菜＞高梁秸桿＞玉米秸桿＞蜈蚣草。從 As的情況來看，質(zhì)量分數(shù)最高的是蜈蚣草，為169.33～204.26 mg·kg-1，高梁秸桿次之，為84.42～124.18 mg·kg-1，然后是板藍根蔬菜，為54.38～69.56 mg·kg-1；玉米秸桿為41.60～55.48 mg·kg-1。4種植物As平均富集系數(shù)僅有蜈蚣草大于1，高梁秸桿接近1，玉米秸桿、板藍根蔬菜對 As富集系數(shù)則小于1，4種植物對As的富集能力表現(xiàn)為蜈蚣草＞高梁秸桿＞板藍根蔬菜＞玉米秸桿。

2.1.2 4種植物對土壤中重金屬的提取量及修復效率

同樣，分析4種植物對土壤中重金屬的提取量和提取效率，高梁和玉米也是僅以地上部分秸桿為分析對象。經(jīng)計算，4種植物從土壤中提取3種重金屬的量見表3。在相同的土壤條件下種植4種植物，高梁對土壤 Pb的提取量較大，蜈蚣草次之，提取效率最低的是板藍根蔬菜，僅為高梁提取量的29.74%；從Cd的情況來看，對土壤Cd提取量較大的依然是高梁，整體表現(xiàn)為高梁＞玉米＞板藍根蔬菜＞蜈蚣草，且玉米和板藍根蔬菜對Cd的提取效率比較相近，提取量最低的蜈蚣草，僅為高梁的16.36%。4種植物對土壤 As的提取量則表現(xiàn)為高梁＞蜈蚣草＞玉米＞板藍根蔬菜。由于本試驗中蜈蚣草到9月份收獲時僅刈割了1次，根據(jù)文獻報道，正常生長的蜈蚣草每年可刈割 1～2次（聶燦軍，2006），因此，蜈蚣草正常管理地上部生物量至少為本試驗的2倍。按照正常種植管理取生物量為本試驗的2倍進行估算，除Cd外，蜈蚣草中As、Pb的年提取量最高可分別達到 795.85和 526.46 g·hm-2，提取效率分別提高到0.025%和0.56%，與高梁提取效率相當。在當?shù)卣７N植條件下，若通過種植4種植物將試驗區(qū)土壤 As污染（103.83±4.30）mg·kg-1修復到國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準限值（土壤As＜0.30 mg·kg-1，pH＜6.5）以內(nèi)，根據(jù)計算公式，需要種植蜈蚣草或種植高梁25年，而種植玉米和板藍根蔬菜則分別需要 78年和 155年；同樣，若通過種植 4種植物將試驗區(qū)土壤 Pb污染（293.17±15.99）mg·kg-1修復到國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準限值（土壤Pb＜250 mg·kg-1，pH＜6.5）以內(nèi)，根據(jù)計算公式，需要種植高梁 22年，蜈蚣草30年，玉米67年，板藍根蔬菜107年；若通過種植4種植物將試驗區(qū)土壤Cd污染（1.95±0.16）mg·kg-1修復到國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準限值（土壤Cd＜0.3 mg·kg-1，pH＜6.5）以內(nèi)，根據(jù)計算公式，需要種植高梁23年，蜈蚣草63年，玉米和板藍根蔬菜35年。

表3　不同種植植物中3種重金屬的提取量和提取效率Table 3　Effects of heavy metal on amount and efficiency by different plants

2.2 植物種植前后土壤中 3種重金屬質(zhì)量分數(shù)的比較

經(jīng)過1個植物生長周期，不同植物的土壤修復效率也有一定的差異，見表4。不同植物種植條件下，種植高梁后土壤 Pb的質(zhì)量分數(shù)平均降低（16.00±4.58）mg·kg-1，土壤修復效率為 4.17%～6.94%；種植蜈蚣草后土壤Pb的質(zhì)量分數(shù)平均降低（27.00±2.65）mg·kg-1，土壤修復效率為 8.33%～10.56%；種植玉米后土壤 Pb的質(zhì)量分數(shù)平均降低（9.88±2.04）mg·kg-1，土壤修復效率為 2.68%～4.55%；種植板藍根蔬菜后土壤Pb的質(zhì)量分數(shù)平均降低（32.03±12.43）mg·kg-1，土壤修復效率為6.97%～15.10%。對于土壤中的Cd而言，種植高梁后土壤Cd的質(zhì)量分數(shù)平均降低（0.14±0.04）mg·kg-1，土壤修復效率為4.93%～8.99%；種植蜈蚣草后土壤Cd的質(zhì)量分數(shù)平均降低（0.13±0.05）mg·kg-1，土壤修復效率為4.08%～8.37%；種植玉米后土壤Cd的質(zhì)量分數(shù)平均降低（0.13±0.05）mg·kg-1，土壤修復效率為3.43%～8.70%；種植板藍根蔬菜后土壤Cd的質(zhì)量分數(shù)平均降低（0.38±0.25）mg·kg-1，土壤修復效率為9.76%～28.02%。對于土壤中的As而言，種植高梁后土壤 As的質(zhì)量分數(shù)平均降低（6.80± 3.37）mg·kg-1，土壤修復效率為4.63%～9.96%；種植蜈蚣草后土壤As的質(zhì)量分數(shù)平均降低（27.00± 2.65）mg·kg-1，土壤修復效率為8.33%～10.56%；種植玉米后土壤As的質(zhì)量分數(shù)平均降低（12.23± 3.00）mg·kg-1，土壤修復效率為9.91%～16.02%；種植板藍根蔬菜后土壤 As的質(zhì)量分數(shù)平均降低（2.43±1.78）mg·kg-1，土壤修復效率為 0.37%～2.99%。由此可以看出，種植4種植物對土壤中的重金屬均有一定的修復作用，土壤中Pb的修復效率表現(xiàn)為板藍根蔬菜＞蜈蚣草＞高梁＞玉米；Cd的修復效率表現(xiàn)為板藍根蔬菜＞高梁＞玉米＞蜈蚣草；As的修復效率則表現(xiàn)為蜈蚣草＞高梁＞玉米＞板藍根蔬菜。

表4　不同植物種植條件下土壤重金屬的質(zhì)量分數(shù)和修復效率Table 4　Effects of heavy metal concentrations in soil by different plants

2.3 可食用植物的健康風險評價

在重金屬復合污染土壤條件下種植4種植物，除蜈蚣草外，其余3種植物均能食用。對照食品安全國家標準GB 2762—2012《食品中污染物限量》中Pb、As、Cd質(zhì)量分數(shù)的限量指標分析高梁米、玉米、板藍根蔬菜Pb、As、Cd的超標情況。從表5中可以看出，玉米籽粒、高梁米中的 As、Cd平均質(zhì)量分數(shù)均低于或接近標準限量，板藍根蔬菜的Pb、As、Cd平均質(zhì)量分數(shù)均高于標準限量，且Pb、As、Cd的平均超標倍數(shù)分別為238.71、124.35和32.33倍。

表5　不同種植植物重金屬質(zhì)量分數(shù)及健康風險評價Table 5　Health risk assessments of heavy metal under different plants

按照成人平均體重質(zhì)量60 kg，平均每日食用葉菜類0.2 kg，食用谷物0.375 kg計算，在重金屬復合污染土壤上種植高梁米、玉米、板藍根蔬菜，成人通過食用高梁米攝入的重金屬Pb為3.45～4.31 μg·kg-1·d-1，As為1.87～2.17 μg·kg-1·d-1，Cd為0.49～0.59 μg·kg-1·d-1；通過食用玉米攝入的重金屬Pb為3.55～4.07 μg·kg-1·d-1，As為1.70～2.13 μg·kg-1·d-1，Cd為0.47～0.54 μg·kg-1·d-1；通過食用板藍根蔬菜攝入的重金屬 Pb為 162.74～264.71 μg·kg-1·d-1，As為162.80～208.25 μg·kg-1·d-1，Cd為16.41～21.91 μg·kg-1·d-1。人均允許攝入Pb、As、Cd限量標準（PTDI）分別為2.14、1.28、1.2 μg·kg-1·d-1（秦文淑等，2008），對比3種植物食用部位的CDI值，顯然，成人通過食用板藍根蔬菜平均每日攝入的Pb、As和Cd量遠超出了FAO/WHO提出的人體每日允許攝入量。而高梁米、玉米除Cd外，Pb、As也超過FAO/WHO提出的人體每日允許攝入量。依據(jù)暴露評價方程計算，雖然當?shù)鼐用裢ㄟ^食用玉米、高粱米進入人體的Pb、As和Cd暴露風險指數(shù)（HQ）均＜1，但Pb和As的HQ均在0.9以上，對人體健康存在一定程度的潛在風險。而通過食用板藍根蔬菜進入人體的Pb、As和Cd暴露風險指數(shù)均大于1，人體健康風險較大。

3　討論

能源植物種類繁多，通常具有很高生物量，近年來，關(guān)于能源物質(zhì)吸收重金屬的研究屢見報道（Chen et al.，2011），不同能源植物吸收重金屬的能力也存在很大差異（侯新村等，2012）。馬淑敏等（2008）等研究發(fā)現(xiàn)甜高粱不僅生物量大，而且對重金屬鎘有一定積累作用。本研究在礦區(qū)重金屬復合污染土壤種植條件下對比分析了甜高粱、蜈蚣草、板藍根、糯玉米對土壤重金屬的富集能力。試驗結(jié)果表明，蜈蚣草對土壤As和Pb的富集能力明顯優(yōu)于其它3種作物，這種富集能力可能與土壤中的As極易向蜈蚣草地上部分遷移，且遷移的As、Pb主要沉積在細胞壁的富集機制有關(guān)（鄧滔，2006）。高粱作為一種能源作物，其秸桿對土壤As的富集能力僅次于蜈蚣草，對Pb、Cd的富集能力僅次于板藍根蔬菜，且與玉米相比，秸桿甜高粱對復合污染土壤中重金屬Pb、As和Cd的富集能力明顯高于玉米，該結(jié)論與賀玉姣等（2008）的研究結(jié)論相一致。板藍根蔬菜對Cd的富集能力最強，對 Pb的富集能力僅次于蜈蚣草，相關(guān)的機理機制有待深入探討。

有文獻報道部分超富集植物雖然能夠吸收土壤中較高濃度的重金屬，但大部分生長緩慢、生物量較低，對土壤重金屬的移除效率嚴重受限，再加上經(jīng)濟效益不高，難以大規(guī)模推廣應用（李長閣等，2007），因此，有學者提出可用高生物量的一般植物修復重金屬污染的土地，雖然其吸收重金屬的量較少，但因生物量高，最后吸收的重金屬總量可能會更多。Metwali et al.（2013）研究發(fā)現(xiàn)，在小麥、玉米、高粱3種糧食作物中，高粱對重金屬的耐受性最強，在單獨Cd處理下甜高粱對Cd的吸收量也最高。本項研究也表明，在重金屬吸收量和生物量的共同作用下，高梁對土壤中As、Pb、Cd的提取效率明顯高于其它3種植物，且綜合分析參試植物生物量、修復效率和修復年限等相關(guān)數(shù)據(jù)，甜高梁對土壤重金屬的修復效果的確優(yōu)于玉米和板藍根蔬菜。板藍根蔬菜雖然對Cd的富集能力最強，但生物量卻遠遠低于其它3種作物。蜈蚣草對試驗區(qū)土壤As、Pb修復效果顯著，且對試驗區(qū)土壤As、Pb的修復年限也僅次于甜高梁，但蜈蚣草的經(jīng)濟效益目前還難于體現(xiàn)。因此，僅從修復的角度來看，種植蜈蚣草或甜高梁對云南個舊礦區(qū) As、Pb、Cd復合污染農(nóng)田土壤進行治理和修復是可行的，但如果考慮經(jīng)濟效益，甜高梁應該是該地區(qū)最佳的修復植物。

在當?shù)貍鹘y(tǒng)種植模式下，種植板藍根蔬菜不僅對土壤重金屬修復效率較低，而且進入人體的Pb、As和Cd暴露風險指數(shù)（HQ）均大于1，對當?shù)鼐用窬哂休^高的健康風險。本試驗中食用高粱米的暴露風險指數(shù)（HQ）雖然稍高于食用玉米，但對土壤中重金屬As、Pb、Cd的修復效率明顯高于玉米，并且，基于不同高粱（甜高粱）品系吸收重金屬的差異研究（籍貴蘇等，2014；再吐尼古麗·庫爾班等，2012；Angelova et al.，2011），篩選抗性較好，適應性較強的高粱品種種植也可有效減少食用高粱米的暴露風險指數(shù)。

有研究表明，通過選擇適當?shù)闹参锓N類進行間套種，可以有效提高植物對重金屬的提取效率。例如，將超富集植物東南景天和重金屬低累積的玉米品種種植在含重金屬的污泥上，在提取重金屬的同時生產(chǎn)符合衛(wèi)生標準的玉米籽粒，可用作動物飼料或糧食（Liu et al.，2005）。高梁作為能源物質(zhì)，在重金屬污染的土地上進行種植，不僅能解決污染土地治理的經(jīng)濟效益問題（余海波等，2011），又能起到生產(chǎn)清潔能源，回收重金屬，確保食品安全的作用（賈偉濤等，2015）。結(jié)合本試驗中蜈蚣草對土壤中重金屬As、Pb較好的修復效果，可考慮在滇南礦區(qū)實施甜高梁與蜈蚣草套種的土壤修復種植模式以加快耕地土壤重金屬的修復，實現(xiàn)重金屬污染耕地邊生產(chǎn)、邊修復的農(nóng)業(yè)發(fā)展目標。

4　結(jié)論

（1）滇南礦區(qū)耕地土壤屬于典型的 Pb、As、Cd重金屬復合污染土壤，當?shù)鼐用裢ㄟ^食用板藍根蔬菜攝入的Pb、As和Cd暴露風險指數(shù)均大于1，人體健康風險較大，不宜在該區(qū)域種植食用；通過食用玉米、高粱進入人體的Pb、As和Cd暴露風險指數(shù)（HQ）雖＜1，但Pb和As的HQ均在0.9以上，對人體健康存在一定程度的潛在風險，需改變玉米、高粱的綜合利用方式。

（2）若通過種植4種植物將試驗區(qū)土壤As、Pb、Cd修復到國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準限量以內(nèi)，需要種植玉米和板藍根蔬菜約100年以上，而種植高梁僅需25年。蜈蚣草對試驗區(qū)土壤As、Pb修復效果明顯，預計種植蜈蚣草30年可將試驗區(qū)土壤As、Pb修復到國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準限值以內(nèi)。

（3）高粱作為一種優(yōu)良的生物質(zhì)能源植物，在滇南個舊礦區(qū)進行栽培種植，不僅可以有效修復土壤中的重金屬，還能發(fā)展地方能源產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益。結(jié)合本試驗中蜈蚣草對土壤中重金屬As、Pb較好的修復效果，可考慮在滇南礦區(qū)引導種植較高抗性的高梁品種以及實施低累積高梁品種與蜈蚣草套種的土地利用模式，以實現(xiàn)污染耕地邊生產(chǎn)、邊修復的農(nóng)業(yè)發(fā)展目標。

致謝：本研究得到了云南省農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所王莉花小雜糧課題組聯(lián)系提供高梁種子的幫助，在此表示感謝！

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DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.05.020

中圖分類號：X53

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）05-0864-08

基金項目：農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）專項（201303088）；云南省創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃項目（2014HB059；2015HC025）

作者簡介：米艷華（1973年生），女，研究員，碩士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境及產(chǎn)品質(zhì)量安全研究。E-mail: zhoumiqu@163.com

*通信作者。黎其萬，E-mail: liqiwan@vip.sina.com

收稿日期：2016-04-01

Phytoremediation and Health Risk Assessment of Heavy Metals Pollution in Mining Area Farmland of Southern Yunnan Province

MI Yanhua1， LEI Mei2， LI Qiwan1*， CHEN Lu1， DU Lijuan1， DENG Xiaoxia3， YANG Xukun1， ZHANG Wenbo4
1. Institute of Agriculture Quality standards & Testing Technique ，Yunnan Academy of Agricultural Science， Kunming 650223， China；
2. Center for Environmental Remediation， Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101， China；
3. College of Resource and Environment， Yunnan Agricultural university， Kunming 650223， China；4. Comprehensive Agriculture service centers of Datun Town Gejiu County， Gejiu 661017， China

Abstract：In this paper， phytoremediation of farmland polluted by As ［（103.83±4.30） mg·kg-1］， Pb ［（293.17±15.99） mg·kg-1］ and Cd［（1.95±0.16） mg·kg-1］ by planting Pteris vittata， Waxy Zea mays L.， Isatis tinctoria L. and Sorghum vulgare Pers， was investigated in Gejiu mining area of southern Yunnan province. The human health risk of all testing plant species was also assessed. The results showed that four kinds of plant species have a big difference in heavy metal absorption and accumulation. Arsenic accumulation coefficient in Pteris vittata is （1.739±0.164）. Pteris vittata was showed for better enrichment capacity of arsenic. Its accumulation capacity of Pb was （0.424±0.045）， enrichment ability of Pb was significantly higher than other three plant species. Accumulation coefficient of Cd in Sorghum vulgare Pers straw， Zea mays L. straw and Isatis tinctoria L. vegetables were higher than 1， especially for Isatis tinctoria L. its accumulated Cd up to （3.185±0.457） and its Cd accumulation ability was much stronger. In the dual role of biomass and heavy metal uptake， Sorghum vulgare Pers straw on above three kinds of heavy metal extraction efficiency were higher than other three plant species. Pteris vittata and Sorghum vulgare Pers have similar extraction efficiency in As and Pb. In order to lower As， Pb and Cd present in soil to the Grade Ⅱ level as in the National Environment Quality Standards for Soils， it would take more than 100 years by planting Zea mays L. and Isatis tinctoria L.. However， it would take only 25 years by planting Sorghum vulgare Pers. Planting Pteris vittata had an obvious repair effect in remediation As and Pb pollution. It would take about 30 years to reduce As and Pb dosage in soil to reach the Grade Ⅱ level by the National Environment Quality Standards for Soils. The results from three edible crops species on health risk analysis showed that the risk index of Pb， As and Cd exposure for consuming Isatis tinctoria L. from the experimentation area were higher than 1. Planting Isatis tinctoria L as vegetable has a higher risk. Therefore， it should not be planted in the mining area as for vegetable. Although the risk index of Pb， As and Cd exposure for consuming Zea mays L. and Sorghum vulgare Pers from the experimentation area were lower than 1， the risk index of Pb and Cd exposure was still higher than 0.9. Therefore there still is a potential risk to human health. After comprehensive analysis of four plant species repairing effect on heavy metals in soil， health risks and economic benefit， Sorghum vulgare Pers， as an excellent biomass energy plant species is a good option. Planting Sorghum vulgare Pers better varieties for resistance and low accumulation of heavy metals and intercropping with Pteris vittata can bring us for the safe production for human health while achieving to repair target in mining area farmland of southern Yunnan province.

Key words：mining area； heavy metals； polluted farmland； phytoremediation； health risk