重金屬Cd 污染土壤的植物修復研究

王從梅，王波

（蘇州大學，江蘇 蘇州 215000）

土壤重金屬污染自工業(yè)革命初期就開始逐漸顯現(xiàn)，直到今天仍未停止。根據(jù)調(diào)查可知，截止到2013年，我國受到重金屬污染的土壤已達到2000 萬hm2，7年間這個數(shù)值還在不斷上升，且每年會因重金屬污染造成的糧食損失已超過1200 萬t。在土壤修復領域中，重金屬鎘作為一種毒性較強的重金屬元素，有極易被植物吸收、遷移性強的特點，針對此重金屬元素展開植物修復探討，比較具有代表性。

1 重金屬鎘污染土壤中單一植物修復效果的研究方法

在重金屬污染土壤的植物修復開展前，需要先了解植物對重金屬的耐受性、修復能力，即植物能夠忍受的土壤重金屬濃度和植物對土壤中重金屬的富集程度，可以通過實驗室研究為不同濃度重金屬污染土壤選擇最合適的植物進行修復處理。以菊科草本植物為例，萬壽菊、矢車菊、百日草等都是現(xiàn)代城市園林栽培中常見的菊科植物，判斷菊科草本植物在重金屬鎘的修復方面效果，需要進行一系列對比試驗。

1.1 實驗準備

實驗室需準備成分相同的土壤，按照重量進行準確稱重。分別稱取不同重量的重金屬鎘，拌入準備好的土壤制成濃度為5mg/kg、10mg/kg、15mg/kg、20mg/kg 的受污染土壤，并準備1 份濃度為0mg/kg 的空白對照組。

1.2 實驗過程

經(jīng)過21d 的靜置穩(wěn)定后，在這5 份土壤中分別進行相同深度、相同重量的菊科草本植物種子，每盆保留10 株出苗植株，生長30～60d 后進行統(tǒng)一收獲。從種子萌發(fā)到統(tǒng)一采收，期間研究人員需要記錄每盆試驗土壤中菊科草本植物的發(fā)芽率、幼苗植株地上部分生長長度、幼苗地下根部生長長度，從而了解菊科草本植物對不同濃度重金屬鎘的耐受程度。

1.3 試驗成果處理

收獲時，研究人員需要統(tǒng)一采收植物樣品的地上部分、地下部分，統(tǒng)一用蒸餾水進行清洗，確保無其他物質(zhì)、泥土殘留。吸干殘留的蒸餾水后，進行鮮重稱量；然后分離地上部分和地下部分，置于85℃的干燥箱中烘干至恒重，過程通常為2h，然后稱取地上、地下部分的干重；最后，分別研磨植物地上部分和地下部分，測定重金屬鎘的含量濃度，獲取菊科草本植物對重金屬鎘的富集程度。此外，還需要測量植物采收后的盆中土壤重金屬鎘的含量濃度，對比植物種植前的濃度，用于輔助判斷菊科草本植物對重金屬鎘的去除效果。

1.4 試驗測定分析方法

試驗中測定植物樣品、土壤樣品中重金屬鎘含量濃度的方法和工具，主要是原子吸收分光光度計。

1.5 試驗數(shù)據(jù)處理

植物對重金屬鎘的富集系數(shù)分別為：植物地上部分重金屬鎘濃度與土壤中重金屬鎘濃度的比值；植物地下部分重金屬鎘濃度與土壤中重金屬鎘濃度的比值。重金屬鎘在植物中的轉(zhuǎn)移系數(shù)為：植物地上部分重金屬鎘濃度與地下部分重金屬鎘濃度的比值；植物對重金屬鎘污染土壤的去除效率為：試驗前后土壤中重金屬鎘含量差值與基礎含量的比值。

2 重金屬鎘污染土壤中不同植物修復效果的對比研究方法

重金屬鎘污染土壤在不同植物下的修復效果對比，試驗方法也是以對比試驗為主。不同植物修復效果的對比試驗中，需要準備無植物空白土壤對照組、不加鎘植物種植土壤和加鎘植物種植土壤進行對比試驗，其中加鎘植物種植土壤可根據(jù)不同種植物、不同加鎘濃度進行劃分。為了保證試驗的準確性，可設計3 次以上的重復試驗，提高數(shù)據(jù)有效性。整個試驗的處理、測定和數(shù)據(jù)處理過程中基本與單一植物修復效果研究過程相同，為了提高數(shù)據(jù)處理效果，可以采用平均數(shù)±標準誤差的方式進行處理，能夠有效地體現(xiàn)試驗之間的差異。

3 試驗研究結(jié)果討論

3.1 重金屬鎘對植物生長有毒害作用

在菊科草本植物的對比試驗中和其它植物的修復試驗中，從植物的株高變化幅度曲線上發(fā)現(xiàn)，不同濃度的重金屬鎘對植物幼苗的生長有抑制作用。不同種類植物的幼苗對重金屬鎘的敏感程度不同，有的植物幼苗受到抑制出現(xiàn)較早，有的植物幼苗受到抑制的情況則出現(xiàn)得較晚。不同濃度的重金屬鎘對同一種植物幼苗產(chǎn)生的效果不同，有的植物幼苗在生長初期受到抑制，在后期受到促進，比如萬壽菊在5mg/kg 濃度的重金屬鎘土壤中就表現(xiàn)出前期生長受抑制、后期受促進的狀態(tài)；也有的植物幼苗在生長初期受到促進，在后期受到抑制，比如矢車菊在20mg/kg 濃度的重金屬鎘土壤中就表現(xiàn)出前期受促進、后期受抑制的狀態(tài)。

3.2 植物對重金屬鎘的耐受能力

通過分析菊科草本植物在不同濃度重金屬鎘污染土壤中的生長情況，測定植物地上部分干重，測定結(jié)果如圖1 所示，發(fā)現(xiàn)菊科草本植物中百日草在濃度15mg/kg 的試驗中表現(xiàn)干重最大的現(xiàn)象，在20mg/kg 的試驗中出現(xiàn)了干重大幅度下降的情況，但干重仍然高于空白對照組；而萬壽菊則在20mg/kg 的試驗中出現(xiàn)干重與空白對照組接近的情況，說明矢車菊對重金屬鎘的耐受能力低于百日草；矢車菊在整個重金屬鎘污染修復試驗中沒有表現(xiàn)明顯的干重變化，波動范圍較小，說明矢車菊受重金屬鎘的影響較大，即使在含量濃度較低的情況下也受到生長方面的抑制，說明矢車菊對重金屬鎘的耐受能力較低。由此可見，在種植菊科草本植物的城市中，可以考慮使用百日草、萬壽菊進行重金屬鎘污染土壤的修復處理，而矢車菊則可排除在考慮范圍內(nèi)。

圖1 植物地上干重在不同重金屬濃度下的變化

3.3 植物對重金屬鎘的轉(zhuǎn)運能力

轉(zhuǎn)運能力是通過植物地上部分與地下部分鎘含量對比得到，普遍情況是植物的地下部分鎘含量高于地上部分，而地上部分與地下部分的比值越大，說明轉(zhuǎn)運能力越強。通過試驗可知，參與試驗的菊科草本植物轉(zhuǎn)移系數(shù)都是在較低濃度時較高、在較高濃度時較低的狀態(tài)，整體變化趨勢為先升高后降低。升高與減低轉(zhuǎn)折點越靠后的植物，其對重金屬鎘的轉(zhuǎn)運能力越強，也間接說明這種植物對重金屬鎘有較強的耐受能力。在百日草、萬壽菊、矢車菊的菊科草本植物對比試驗中，萬壽菊的轉(zhuǎn)運能力強于百日草的轉(zhuǎn)運能力，矢車菊的轉(zhuǎn)運能力也比較低，這與植物的根系發(fā)達程度有一定關系。

3.4 植物對受重金屬污染土壤的修復能力

在實驗研究過程中可知，植物對受重金屬鎘污染土地的修復能力都是隨著濃度升高而升高，雖然不同植物會在不同的濃度上表現(xiàn)修復能力的峰值，這與植物受到重金屬鎘的毒害和抑制有關，但整體來講都是呈現(xiàn)上升趨勢，證明了植物修復在重金屬污染土地修復領域中的價值和作用。

4 重金屬鎘污染土壤修復領域中對修復植物的選擇

目前，經(jīng)過試驗研究和篩選，比較適合應用于受到重金屬鎘污染土壤修復中的植物種類有很多，包括百日草、萬壽菊等菊科草本植物，也包括皺葉狗尾草、一串紅、牛筋草、黑麥草、龍葵、商陸、忍冬、景天等。在具體選擇修復植物過程中，需要綜合考慮植物的修復效果、修復潛力（耐受能力）、是否在食物鏈中、經(jīng)濟效益等方面因素。修復潛力植物多指雖然沒有表現(xiàn)較強的富集作用，但對重金屬鎘有一定的耐受能力，且生長范圍廣、植物干重大等優(yōu)勢。比如黑麥草、向日葵、馬齒莧等。且其中如黑麥草一類的植物，對重金屬鎘的富集主要在地下根部，地上部分的富集程度較低，能夠作為優(yōu)質(zhì)牧草提高當?shù)匦竽琉B(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是一種同時具有環(huán)境效益和經(jīng)濟效益的植物。

5 結(jié)語

植物修復是現(xiàn)階段重金屬污染土壤治理的重要研究方向之一，利用不同種類的植物在不同的重金屬污染區(qū)域進行定植，能夠有效吸附、分解、富集目標重金屬元素，提高修復的質(zhì)量和效率。植物修復領域匯總，多種植物復合種植的方式、植物與微生物共同修復等都是研究人員的熱門方向，能夠進一步提高修復效率和效果，降低重金屬污染物對當?shù)赝寥拉h(huán)境的威脅和影響。