7種常用綠化樹種在修復鎘污染土壤中的應用初探

張芳芳 趙立偉 王運良 單良

摘? ? 要：為研究大生物量樹種對Cd污染土壤的修復效果，以毛白楊、饅頭柳、臭椿、構(gòu)樹、榆樹、白蠟、國槐等7種天津市常用綠化樹種為材料，開展大田試驗，對比各樹種在Cd輕度污染土壤和未受Cd污染土壤中的生長表現(xiàn)（株高和莖粗生長量，成活率），分析Cd污染土壤中各樹種不同器官對Cd的吸收和富集能力（BCF），及對土壤Cd的去除能力。結(jié)果表明：7種樹種在輕度Cd污染土壤上正常生長，其株高和莖粗生長量及成活率均與未受Cd污染土壤無顯著差異（P>0.05），說明各樹種均對土壤重金屬Cd有一定的耐性;地上部器官富集能力表現(xiàn)為毛白楊>饅頭柳>榆樹>臭椿>構(gòu)樹>國槐>白蠟，根部富集能力表現(xiàn)為毛白楊>榆樹>饅頭柳>構(gòu)樹>臭椿>白蠟>國槐，各樹種根部富集能力均高于地上部;Cd去除能力表現(xiàn)為毛白楊>榆樹>饅頭柳>臭椿>構(gòu)樹>白蠟>國槐。綜合而言，毛白楊、榆樹、饅頭柳、構(gòu)樹和臭椿每年可去除土壤中Cd大于3.71 mg·m-2，顯著高于白蠟和國槐（P>0.05），在原位修復土壤Cd污染中具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：大生物量樹種;鎘污染土壤;植物修復;富集系數(shù);去除能力

中圖分類號：O614.24+2; TE991.3? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.12.008

Abstract： To study the repair effect of large biomass tree species on cadmium-contaminated soil， the field experiment was carried out with seven kinds of common tree species in Tianjin ， which included Populus tomentos， Salix matsudana var. matsudana f. umbraculifera Rehd.， Ailanthus altissima， Broussonetia papyrifera， Ulmus pumila L.， Fraxinus chinensis and Sophora japonica L.， the growth status（plant height and stem growth， survival rate） under mild cadmium-contaminated soil and soil without cadmium were compared， and the indices of cadmium uptake and enrichment ability（BCF） in different organs under cadmium-contaminated soil and the removal rate of soil cadmium were analyzed. The results showed that seven species were normally grown on mild cadmium-contaminated soil， which the plant height， stem growth， and survival rate were not significantly different from those without cadmium（P>0.05）， indicating that the tree species had certain tolerance to soil cadmium. The BCF of the aboveground parts of seven species was representing as P. tomentosa>S. matsudana var. matsudana f. umbraculifera Rehd.>U. pumila L.>A. altissima>B. papyrifera>S. japonica L.>F. chinensis， and the BCF of the roots of seven species was representing as P. tomentosa>U. pumila L.>S. matsudana var. matsudana f. umbraculifera Rehd.>B. papyrifera>A. altissima>F. chinensis>S. japonica L.， which the BCF of roots was higher than that of aboveground in all the seven species. The removal ability of cadmium was representing as P. tomentosa>U. pumila L.>S. matsudana var. matsudana f. umbraculifera Rehd.>A. altissima>B. papyrifera>F. chinensis>S. japonica L.. Comprehensively，? P. tomentosa， U. pumila L.， S. matsudana var. matsudana f. umbraculifera Rehd.， B. papysifera， and A. altissima could remove more than 3.71mg·m-2 of cadmium in the soil every year， which were significant higher than F. chinensis and S. japonica L.，indicating that they had broad application prospects for in situ remediation of soil cadmium pollution.

Key words： large biomass tree; cadmium-contaminated soil; phytoremediation; enrichment factor; removal capacity

鎘（Cd）的移動性很強，生物有效性高，極易被植物吸收并積累，是生物毒性最強，也是污染最為嚴重的重金屬之一[1]。Cd在植物體內(nèi)積累，不僅會影響作物的正常生長發(fā)育以及產(chǎn)量和品質(zhì)，同時還可以通過食物鏈影響人類健康，因此Cd污染土壤治理問題已經(jīng)引起國內(nèi)外的廣泛重視[2]。

植物修復Cd污染土壤是目前公認的一種綠色、有效、經(jīng)濟的生態(tài)修復技術(shù)[3-4]。目前世界發(fā)布的重金屬離子超富集植物多分布于野外礦山開采或冶煉區(qū)，約450種，但鮮少有超富集植物應用于重金屬污染土壤修復工程[5-7]。在眾多的超富集植物中，修復Cd污染土壤的植物多為草本植物，其富集系數(shù)較高，但因其地上部生物量小、生長速度慢且很難進行機械收獲作業(yè)，導致這些小型超富集植物不適宜開展大面積污染土壤的修復[8]。于是，篩選出具有Cd污染土壤修復能力的大生物量綠化樹種，對于指導Cd污染土壤修復尤其是城市Cd污染土壤生態(tài)修復具有重要意義[9]。

本研究在天津市東麗區(qū)土壤Cd污染調(diào)查的基礎上，開展7種生物量大且生長速度較快的常見綠化樹種在Cd污染土壤中的應用研究，旨在篩選出生物量大、生長良好、Cd富集能力強且Cd去除能力高的試驗樹種，為Cd污染土壤的植物修復提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

東麗區(qū)是天津市主要污灌區(qū)，該區(qū)菜田土壤均不同程度受到Cd污染，現(xiàn)多為廢棄林地、苗圃或廢棄菜地。在詳細查閱大量文獻、實地考察和專家咨詢的基礎上，對東麗區(qū)疑似Cd污染地0～50 cm土層開展土壤調(diào)查（表1），為試驗地塊選擇提供依據(jù)。

綜合考慮土壤Cd含量、土地利用現(xiàn)狀和周邊環(huán)境等因素，同時參考土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）[10]，選擇YD-15（Cd含量高于風險篩選值0.6 mg·kg-1，低于風險管制值3.0 mg·kg-1）和YD-16（Cd含量低于風險篩選值0.6 mg·kg-1）為野外大田試驗地塊。

1.2 供試植物

采用7種天津市園林綠化常用樹種為供試植物，分別為毛白楊（Populus tomentosa）、饅頭柳（Salix matsudana var. matsudana f. umbraculifera Rehd.）、臭椿（Ailanthus altissima）、構(gòu)樹（Broussonetia papyrifera）、榆樹（Ulmus pumila L.）、白蠟（Fraxinus chinensis）、國槐（Sophora japonica L.）。

2017年7月在靜海苗圃提前選取大小一致、生長健壯、無病蟲害的一年生供試樹種幼苗備用。

1.3 試驗方法

在試驗地塊YD-15和YD-16分別選1 000 m2用來種植7種供試樹種幼苗，并按照“S”形取樣法分別布設4個取樣點，每樣點取3點混合樣，檢測兩地塊土壤理化性狀和Cd含量（表2），地塊間僅Cd含量差異顯著（P<0.05），其他土壤理化性質(zhì)指標差異均不顯著（P>0.05）。同時，于2017年8月和2018年7月分別取供試樹種的灌溉用水，3次重復，檢測其相關指標（表3）。YD-15和TD-16分別均分整理成7個小區(qū)，編號為各小區(qū)所種試驗樹種。2017年8月，選擇長勢均一、生長健壯的7種供試樹種幼苗分別栽種在整理好的土壤上，種植密度為0.4 m × 0.6 m，種植深度約0.5 m。在種植管理過程中，因供試土壤養(yǎng)分含量達到中等及以上水平（參照綠化種植土壤標準[11]），因此在整個試驗過程中未對供試樹種進行施肥，同時為避免農(nóng)藥對供試樹種及試驗結(jié)果可能產(chǎn)生的不良影響，主要使用人工方法殺蟲，日常養(yǎng)護過程中灌溉水量一致。

2019年7月，7種供試樹種分別隨機選4株，采集葉、莖、根樣品。葉片取樹冠2/3處4個方向的新出葉80片混合，莖選取新葉所在的鮮綠色細枝，根系選取離樹干25～30 cm處的細側(cè)根。用自來水將葉、莖、根沖洗干凈，再用去離子水反復沖洗3～5遍，并用吸水濾紙吸干植物樣表面水分。沖洗干凈后的鮮樣在105 ℃條件下殺青30 min，70 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，粉碎過40目篩，用HNO3-HClO4消化，原子吸收分光光度計測定植物各器官Cd含量[12]。同時每試驗地塊按照“S”形曲線布設4樣點，取樣深度0～50 cm，土壤經(jīng)自然風干，去除石塊、植物殘體等雜物，研磨后過60目篩，用HNO3-HClO4-HF消化，原子吸收分光光度計測定土壤中Cd含量[13]。計算富集系數(shù)和Cd去除能力，公式如下。

富集系數(shù)BCF=植株中Cd質(zhì)量分數(shù)/土壤中Cd質(zhì)量分數(shù)

Cd去除能力=（修復前土壤Cd含量-修復后土壤Cd含量）×修復土壤質(zhì)量/（修復面積×修復時間）

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0軟件進行方差分析和差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 7個供試樹種的生長狀況

由表4可知，2017—2019年毛白楊、饅頭柳、臭椿、構(gòu)樹、榆樹、白蠟和國槐種植在未受Cd污染土壤（YD-16）與Cd污染土壤（YD-15）相比，成活率相差均在1%以內(nèi)，無顯著差異（P>0.05），外觀整體的長勢一致，株高生長量和莖粗生長量在地塊間亦無顯著差異（P>0.05），表明供試樹種在一定程度Cd污染土壤上可以正常生長，植物長勢、成活率和生長量均未受到明顯的抑制;不同樹種之間株高生長量表現(xiàn)為毛白楊>國槐>構(gòu)樹>白蠟>臭椿>榆樹>饅頭柳，莖粗生長量表現(xiàn)為饅頭柳>毛白楊>國槐>榆樹>構(gòu)樹>白蠟>臭椿。

2.2 7個供試樹種對土壤Cd的富集和去除能力

富集系數(shù)反映了植物對重金屬的積累能力，富集系數(shù)越大，代表植物單位質(zhì)量內(nèi)能積累的重金屬越多[14]。由表5可知，同一供試樹種，不同器官對Cd的吸收能力和富集系數(shù)均表現(xiàn)為根部強于地上部分，其中毛白楊、饅頭柳、構(gòu)樹和榆樹根部與地上部差異顯著（P<0.05）;不同供試樹種，同一器官吸收能力和富集系數(shù)也不同，地上部分表現(xiàn)為毛白楊>饅頭柳>榆樹>臭椿>構(gòu)樹>國槐>白蠟，根部表現(xiàn)為毛白楊>榆樹>饅頭柳>構(gòu)樹>臭椿>白蠟>國槐。

植物對Cd的吸收和富集能力直接影響其對土壤中Cd的去除能力。由表6可知，7種供試樹種對土壤Cd的去除能力表現(xiàn)為毛白楊>榆樹>饅頭柳>構(gòu)樹>臭椿>白蠟>國槐，按樹種去除能力可分為4組，即毛白楊和榆樹（I組），饅頭柳（II組），構(gòu)樹和臭椿（III組），白蠟和國槐（IV組），其中II組與I和III組差異不顯著（P>0.05），其他組間差異均顯著（P<0.05）。

3 結(jié)論與討論

重金屬Cd具有較強的遷移性和活性，利用大生物量且具有一定環(huán)境修復能力的植物進行提取修復，在降低土壤污染程度的同時，可培育樹種抗性[15]。本研究中，毛白楊、饅頭柳、臭椿、構(gòu)樹、榆樹、白蠟和國槐等7種供試樹生長在Cd污染土壤上，與未受Cd污染土壤上，其成活率、長勢和生長量與未受Cd土壤均無顯著性差異（P>0.05），表明供試樹種對土壤重金屬Cd有一定的耐受性，但各自的耐受范圍還有待進一步探索。

雖然輕度Cd污染土壤不影響供試樹種的生長，但各樹種對Cd的富集能力及土壤Cd的去除能力卻各不相同，這應該是與植物的生理生化和遺傳變異關系密切[12]。張冬梅等[9]通過對5個污染場地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，老港垃圾填埋場、桃浦垃圾填埋場、吳涇化工廠等地中的22個樹種對Cd的富集能力較強，其中楊樹、柳樹、白玉蘭、榆樹等的富集系數(shù)均超過1，大多數(shù)樹種對重金屬Cd富集系數(shù)為0.1～0.5，具有一定的富集能力，且長勢好。本研究中，毛白楊、榆樹和饅頭柳對Cd的根部富集系數(shù)均介于1.12～1.87間，地上富集系數(shù)介于0.79～1.26間，構(gòu)樹和臭椿對Cd的地上、地下富集系數(shù)介于0.42～0.83間。SLYCKEN等[16]在被冶煉廠所導致的鉛、鋅、鎘等重金屬污染的農(nóng)田土壤種植柳樹，Cd的去除能力達69 g·hm-2·a-1;賴發(fā)英等[17]在A和B不同實驗區(qū)的重金屬污染的土壤中種植楊樹，B土壤中的Cd含量下降20.3%。本研究中，7種供試樹種對土壤Cd的去除能力介于1.69～10.80 mg·m-2·a-1間，以毛白楊和榆樹對土壤Cd的去除能力最強，其次是饅頭柳，然后是臭椿和構(gòu)樹，5個樹種均顯著高于白蠟和國槐（P<0.05）。上述研究均說明園林綠化樹種對Cd污染土壤具有修復作用，但對Cd的去除能力不同。此外，樹種不同，其地上和地下部分對重金屬的吸收和富集能力亦不同[14]。李合生[18]通過對速生林木研究發(fā)現(xiàn)，速生林木的根系發(fā)達，對土壤中的重金屬具有強烈的吸收作用，本研究亦得出此結(jié)論，7種樹種根部對Cd的吸收富集能力均高于地上部分，初步預測這可能是大部分植物對污染物的普遍反應，故在污染土壤修復工程中選擇修復植物時應優(yōu)先考慮根系發(fā)達、耐性強的植物。

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