農(nóng)田重金屬污染土壤的植物修復(fù)工程研究

趙怡陽，陶祥運(yùn)，張易旻，王燕

(浙江博世華環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 杭州 310015)

中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的幾十年中，粗放的發(fā)展模式對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，農(nóng)產(chǎn)品食用安全和人體健康風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。2016年出臺(tái)的《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》明確提出，要以保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和人居環(huán)境安全為出發(fā)點(diǎn)，堅(jiān)持預(yù)防為主、保護(hù)優(yōu)先、風(fēng)險(xiǎn)管控，對(duì)突出重點(diǎn)區(qū)域、行業(yè)和污染物，實(shí)施分類別、分用途、分階段治理，嚴(yán)控新增污染、逐步減少存量，形成政府主導(dǎo)、企業(yè)擔(dān)責(zé)、公眾參與、社會(huì)監(jiān)督的污染防治體系[1]。

植物修復(fù)技術(shù)與其他修復(fù)技術(shù)相比具有治理成本低、易實(shí)施、修復(fù)后的土壤利用率高、綠色無污染等優(yōu)勢(shì)，成為重金屬污染土壤修復(fù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。我國近年土壤重金屬修復(fù)技術(shù)發(fā)明專利中，針對(duì)土壤鎘、鉛、銅污染的植物修復(fù)專利申請(qǐng)比例分別達(dá)占48.4%、25.4%及21.8%，是微生物修復(fù)、化學(xué)淋洗、固化穩(wěn)定化修復(fù)專利數(shù)量的1.3～8.0倍、5.3～12.2倍和2.0～7.6倍[2]。

植物修復(fù)技術(shù)關(guān)鍵在于篩選適宜的富集植物，例如針對(duì)鎘污染土壤的甘藍(lán)型油菜[3]、籽粒莧[4]、紫花苜蓿、伴礦景天[5]、黑麥草[6]、蓖麻[7]、東方香蒲[8]等；東南景天、東方香蒲、紫花苜蓿、黑麥草等植物可同時(shí)對(duì)多種重金屬進(jìn)行修復(fù)。雖然植物修復(fù)方面的研究較多，但是大多停留在盆栽或試驗(yàn)田研究階段，種植規(guī)模小，工程推廣實(shí)例少。同時(shí)，大多數(shù)研究對(duì)收獲后富集植物的處置問題未給出合理的意見。

本研究依托湖北省大冶市土壤污染綜合防治先行區(qū)中受周邊工業(yè)企業(yè)復(fù)合重金屬污染的農(nóng)田土壤進(jìn)行植物修復(fù)，結(jié)合研究區(qū)域氣候條件以及土壤污染特征，探索合適的植物修復(fù)方法，以期滿足相應(yīng)的土壤修復(fù)工程要求，解決收獲后富集植物的處置問題，為植物修復(fù)技術(shù)在土壤修復(fù)領(lǐng)域提供有益的工程借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)農(nóng)田位于大冶市金湖街辦，屬典型的大陸性季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，四季分明，光照充足，雨量充沛，年平均氣溫16.9 ℃，年無霜期261 d，年降水量為1 385.8 mm。根據(jù)研究區(qū)前期調(diào)查資料，耕地土壤主要存在鎘、銅和鉛污染，需要進(jìn)行修復(fù)治理工程。待修復(fù)面積約為10.53 hm2，污染土壤主要集中于表層(0～20 cm)。工程修復(fù)目標(biāo)為：修復(fù)后土壤中鎘含量<1.0 mg·kg-1，銅含量<100 mg·kg-1，鉛含量<90 mg·kg-1。修復(fù)前，研究區(qū)土壤鎘含量在空間上差異性較大，污染也較為嚴(yán)重，具體土壤重金屬含量與污染指數(shù)詳見表1。土壤基本理化性質(zhì)為：pH 7.45，有機(jī)質(zhì)19.9 g·kg-1，全氮792 mg·kg-1，速效鉀370.5 mg·kg-1，有效磷74.0 mg·kg-1。

表1 研究區(qū)土壤的重金屬含量及污染指數(shù)

1.2 工程實(shí)施

本研究區(qū)農(nóng)田修復(fù)工程主要采取植物修復(fù)，同時(shí)添加少量活化劑增強(qiáng)植物修復(fù)效果，并輔以田間管理措施。根據(jù)文獻(xiàn)資料及田間小區(qū)試驗(yàn)篩選出的植物品種包括：伴礦景天(Sedumplumbizincicola)、蓖麻(RicinuscommunisL.)、籽粒莧(AmaranthushybridusL.)香蒲(TyphaorientailsPresl)、甘藍(lán)型油菜(BrassicanapusL.)、黑麥草(LoliumperenneL.)。根據(jù)植物的生長(zhǎng)周期輪作一年，共種植兩季。工程具體實(shí)施步驟如下：

研究區(qū)待修復(fù)面積約10.53 hm2，根據(jù)研究區(qū)耕地河流水系分布及田埂，將耕地自然劃分為24個(gè)小塊，每個(gè)小塊隨機(jī)種植一種植物，每種植物種植6小塊，每季每種富集植物種植面積約2.63 hm2，種植密度為3.0萬～4.5萬株·hm-2。第一季富集植物種植時(shí)期為2019年4—8月，種植植物為伴礦景天、蓖麻、籽粒莧和香蒲；第二季種植時(shí)期為2019年9月至2020年3月，種植植物為甘藍(lán)型油菜、黑麥草、伴礦景天和香蒲。

田間管理包括播前翻耕(每季種植前進(jìn)行)、施肥、澆水、除草等措施。其中：底肥為復(fù)合肥與有機(jī)肥按1∶1比例混拌均勻后施入，施用量為450 kg·hm-2，每季施用1次；追肥為尿素150 kg·hm-2，每季追施1次。

土壤改良主要以溶液形式施加檸檬酸活化[8-9]，用量根據(jù)田塊污染程度不同，設(shè)定為270～360 kg·hm-2，第一季在植物生長(zhǎng)前期和生長(zhǎng)快速期分別添加，第二季于12月底與肥料一起添加。本研究區(qū)灌溉水源中的鎘、銅、鉛含量符合《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2005)要求，肥料及活化劑中的鎘、銅、鉛含量符合《肥料中砷、鎘、鉛、鉻、汞生態(tài)指標(biāo)》(GB/T 23349—2009)要求。

收獲的所有富集植物經(jīng)晾曬、破碎處理后交由湖北省陽新縣凱迪綠色能源開發(fā)有限公司進(jìn)行生物質(zhì)發(fā)電。

1.3 樣品采集與分析

采樣嚴(yán)格按照《農(nóng)、畜、水產(chǎn)品污染監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(NY/T 398—2000)要求進(jìn)行。第一季采樣時(shí)期為2019年9—11月，分批進(jìn)行研究區(qū)土壤、富集植物的采樣，每個(gè)小塊分別采集土壤表層樣品1份，每份樣品約1 kg，共24個(gè)樣品。植物采樣點(diǎn)位置與土壤采樣點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，采集鮮重2 kg的整株植物混合樣品備用，共24個(gè)樣品。

第二季采樣時(shí)期為2020年4—5月，分批進(jìn)行研究區(qū)土壤、富集植物的采樣。第二季土壤、植物采樣點(diǎn)位置、數(shù)量和份樣量與第一季一致，總土壤樣品24個(gè)，整株植物混合樣品24個(gè)。

采集的樣品送有資質(zhì)的檢測(cè)單位進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)指標(biāo)為污染因子鎘、銅和鉛。土壤重金屬的分析方法嚴(yán)格按照《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)中表4執(zhí)行。植物重金屬分析方法嚴(yán)格按照《農(nóng)、畜、水產(chǎn)品污染監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(NY/T 398—2000)執(zhí)行。

所獲數(shù)據(jù)采用Excel處理。

1.4 土壤污染物評(píng)價(jià)

土壤環(huán)境質(zhì)量狀況調(diào)查對(duì)污染狀況的評(píng)價(jià)采用單因子指數(shù)法。根據(jù)《全國土壤污染狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定》(環(huán)發(fā)[2008]39號(hào))，單因子污染指數(shù)法評(píng)價(jià)模式為：

Pi=Ci/Si。

式中：Pi為土壤中污染物i的單因子污染指數(shù)；Ci為土壤中污染物i的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10]。Pi≤1時(shí)，表示土壤未受污染物i污染；15時(shí)，表示土壤重度污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬含量變化

2.1.1 土壤

表2顯示，種植第一季植物后，土壤中鎘含量為0.06～5.00 mg·kg-1，平均值為1.79 mg·kg-1，銅含量為8.79～110.20 mg·kg-1，平均值為41.00 mg·kg-1，鉛含量為10.12～119.96 mg·kg-1，平均值為57.60 mg·kg-1；種植第二季植物后，土壤中鎘含量為0.04～0.98 mg·kg-1，平均值為0.60 mg·kg-1，銅含量為0.72～95.90 mg·kg-1，平均值為17.95 mg·kg-1，鉛含量為1.82～89.30 mg·kg-1，平均值為39.45 mg·kg-1。第一、二季鎘平均含量分別降低61.2%和87.0%，銅平均含量分別降低52.2%和79.1%，鉛平均含量分別降低25.0%和48.6%。由此可見，經(jīng)兩季種植后，鎘的平均降幅最大，銅次之，鉛第三，有效降低了研究區(qū)土壤中鎘、銅、鉛含量。

表2 植物修復(fù)工程后研究區(qū)土壤重金屬含量的變化

修復(fù)前、修復(fù)第一季和第二季土壤中鎘的超標(biāo)率分別為75.0%、62.5%和0，銅的超標(biāo)率分別為29.2%、8.3%和0，鉛的超標(biāo)率分別為29.2%、4.1%和0。表明篩選出來的富集植物對(duì)本研究區(qū)農(nóng)田土壤中鎘、銅、鉛的去除有積極貢獻(xiàn)，將鎘污染區(qū)由重度污染變成了無污染，銅、鉛污染區(qū)由輕度污染變成了無污染，大幅降低了土壤重金屬超標(biāo)率，達(dá)到了土壤修復(fù)目標(biāo)值。

2.1.2 植物

圖1顯示，第一季富集植物對(duì)鎘的去除率大小順序?yàn)樽蚜Ｇ{>伴礦景天>蓖麻>香蒲，籽粒莧、伴礦景天、蓖麻、香蒲的去除率依次為75.5%、68.4%、42.8%和11.7%。第二季富集植物對(duì)鎘的去除率大小順序?yàn)楹邴湶?伴礦景天>甘藍(lán)型油菜>香蒲，黑麥草、伴礦景天、甘藍(lán)型油菜、香蒲的去除率依次為76.4%、75.2%、48.5%和15.7%。

圖1 富集植物對(duì)土壤鎘、銅、鉛的去除率

第一季富集植物對(duì)銅的去除率大小順序?yàn)榘榈V景天>籽粒莧>蓖麻>香蒲，伴礦景天、籽粒莧、蓖麻、香蒲的去除率依次為76.7%、63.8%、54.8%和13.8%。第二季富集植物對(duì)銅的去除率順序?yàn)楦仕{(lán)型油菜>黑麥草>伴礦景天>香蒲，甘藍(lán)型油菜、黑麥草、伴礦景天、香蒲的去除率依次為80.9%、80.1%、71.9%和16.6%。

第一季富集植物對(duì)鉛的去除率大小順序?yàn)榘榈V景天>蓖麻>香蒲>籽粒莧，伴礦景天、蓖麻、香蒲、籽粒莧的去除率依次為55.7%、29.4%、15.9%和6.0%。第二季富集植物對(duì)鉛的去除率順序?yàn)榘榈V景天>黑麥草>甘藍(lán)型油菜>香蒲，伴礦景天、黑麥草、甘藍(lán)型油菜、香蒲的去除率依次為67.7%、48.9%、25.2%和11.0%。

富集植物對(duì)3種重金屬的去除率順序?yàn)殂~>鎘>鉛(表3)。其中，富集植物對(duì)鎘的去除率大小順序?yàn)楹邴湶?籽粒莧>伴礦景天>甘藍(lán)型油菜>蓖麻>香蒲；對(duì)銅的去除率為甘藍(lán)型油菜>黑麥草>伴礦景天>籽粒莧>蓖麻>香蒲；對(duì)鉛的去除率為伴礦景天>黑麥草>蓖麻>甘藍(lán)型油菜>香蒲>籽粒莧。

表3 各季富集植物對(duì)土壤重金屬的去除率

針對(duì)兩季都種植的伴礦景天和香蒲，在重金屬去除率上呈現(xiàn)不同變化。第一季伴礦景天對(duì)鎘、銅、鉛的去除率為68.4%、76.7%和55.7%；第二季伴礦景天對(duì)鎘、銅、鉛的去除率為75.2%、71.9%和67.7%。第二季伴礦景天對(duì)銅的去除率較第一季下降4.8百分點(diǎn)，對(duì)鎘、鉛的去除率較第一季增長(zhǎng)6.8和12.0百分點(diǎn)。

第一季香蒲對(duì)鎘、銅、鉛的平均去除率為11.7%、13.8%和15.9%；第二季香蒲對(duì)鎘、銅、鉛的去除率為15.7%、16.6%和11.0%。第二季香蒲對(duì)鉛的去除率較第一季下降4.9百分點(diǎn)，對(duì)鎘、銅的去除率較第一季增長(zhǎng)4.0、2.8百分點(diǎn)。

2.2 富集特性

植物從土壤環(huán)境中吸收重金屬元素并轉(zhuǎn)移到地上部植株的能力用富集系數(shù)表示。植物富集系數(shù)是植物重金屬濃度與土壤中該重金屬全量濃度的比值。富集系數(shù)越大，說明植物對(duì)該種重金屬吸收能力越強(qiáng)。本次研究取整株植物中的重金屬含量計(jì)算富集系數(shù)。針對(duì)鎘、銅、鉛富集系數(shù)的統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

圖2 富集植物對(duì)土壤鎘、銅、鉛的富集特性

第一季富集植物對(duì)重金屬鎘的富集能力大小順序?yàn)樽蚜Ｇ{>伴礦景天>蓖麻>香蒲。籽粒莧、伴礦景天對(duì)鎘表現(xiàn)出較好的富集能力，富集系數(shù)分別為香蒲的2倍和1.6倍。富集植物對(duì)鎘的富集系數(shù)為0.79(0.09～2.34)。第二季植物對(duì)鎘的富集能力大小排序?yàn)榘榈V景天>黑麥草>甘藍(lán)型油菜>香蒲。富集植物對(duì)鎘的富集系數(shù)為0.81(0.09～1.46)。伴礦景天、黑麥草對(duì)鎘的富集能力較強(qiáng)，伴礦景天、黑麥草對(duì)鎘的富集能力分別是香蒲的8.1倍和7.8倍。

第一季富集植物對(duì)重金屬銅的富集能力大小排序?yàn)榘榈V景天>籽粒莧>蓖麻>香蒲。富集植物對(duì)銅的富集系數(shù)為0.82(0.01～1.38)。籽粒莧、伴礦景天對(duì)銅有較好的富集能力，富集系數(shù)分別為香蒲的1.3倍和1.5倍。第二季富集植物對(duì)銅的富集能力排序?yàn)楦仕{(lán)型油菜>黑麥草>伴礦景天>香蒲。富集植物對(duì)銅的富集系數(shù)為1.27(0.01～2.14)。甘藍(lán)型油菜、伴礦景天、黑麥草對(duì)銅的平均富集系數(shù)分別為香蒲16倍、10.8倍和14.8倍。

第一季富集植物對(duì)重金屬鉛的富集能力大小排序?yàn)榘榈V景天>蓖麻>香蒲>籽粒莧。本組富集植物對(duì)鉛的富集能力較鎘、銅弱，僅有一組伴礦景天樣品的富集系數(shù)>1，其余均<1。富集植物對(duì)鉛的富集系數(shù)為0.38(0.04～1.13)。第二季富集植物對(duì)鉛的富集能力排序?yàn)榘榈V景天>黑麥草>甘藍(lán)型油菜>香蒲。富集植物對(duì)鉛的平均富集系數(shù)為0.58(0.09～1.26)。伴礦景天、黑麥草對(duì)鉛的富集系數(shù)分別為香蒲的6.3倍和5.4倍。

針對(duì)兩季都種植的伴礦景天和香蒲，第一季種植伴礦景天對(duì)鎘、銅、鉛的富集系數(shù)分別為1.03、1.24和0.84；第二季伴礦景天對(duì)鎘、銅、鉛的富集系數(shù)分別為1.13、1.29和0.94。第二季伴礦景天對(duì)鎘、銅、鉛的富集能力較第一季分別增長(zhǎng)9.7%、4.0%和11.9%。

第一季香蒲對(duì)鎘、銅、鉛的富集系數(shù)分別為0.14、0.07和0.12；第二季香蒲對(duì)鎘、銅、鉛的富集系數(shù)為0.14、0.12和0.15。第二季香蒲對(duì)鎘的富集能力與第一季相同，對(duì)鎘、鉛的富集能力較第一季分別增長(zhǎng)71.4%和25.0%。

綜上，第一、二季富集植物對(duì)鎘的平均富集能力大小順序?yàn)樽蚜Ｇ{>伴礦景天>黑麥草>甘藍(lán)型油菜>蓖麻>香蒲；對(duì)銅的平均富集能力大小順序?yàn)楦仕{(lán)型油菜>黑麥草>伴礦景天>籽粒莧>蓖麻>香蒲；對(duì)鉛的平均富集能力大小順序?yàn)榘榈V景天>黑麥草>籽粒莧>蓖麻>甘藍(lán)型油菜>香蒲。說明籽粒莧、伴礦景天、黑麥草、甘藍(lán)型油菜和蓖麻可以作為潛在富集植物進(jìn)行農(nóng)田鎘、銅、鉛的土壤污染修復(fù)工程。香蒲對(duì)3種重金屬富集不佳，原因可能是相對(duì)其他植物其對(duì)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)叵募狙谉岣邷馗稍?、冬季寒冷氣候條件適應(yīng)性差，長(zhǎng)勢(shì)不好，生物量小，從而影響了其對(duì)重金屬的吸收。

3 討論

植物修復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明，籽粒莧、伴礦景天、黑麥草、甘藍(lán)型油菜和蓖麻對(duì)土壤鎘、銅、鉛有較好的去除率。研究區(qū)內(nèi)土壤中重金屬去除率順序?yàn)殂~>鎘>鉛，土壤中鎘、銅、鉛的超標(biāo)率分別從75.0%、29.2%、29.2%降低至0，證明富集植物輪作的方法適用于修復(fù)復(fù)合重金屬污染農(nóng)田土壤。伴礦景天和香蒲的富集系數(shù)均呈上升趨勢(shì)，該類植物可能在多季度種植后更好地適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境。但香蒲較其他植物富集系數(shù)較低，可能是香蒲為好水生多年生草本植物，對(duì)于田間持水量的要求較為苛刻，生物量增加速度較為緩慢所導(dǎo)致。整體而言，黑麥草、籽粒莧、伴礦景天、甘藍(lán)型油菜、蓖麻對(duì)鎘、銅、鉛有較好的富集特性，可以作為潛在的富集植物，應(yīng)用于植物修復(fù)領(lǐng)域。