狼尾草對鉻、鎳復合型污染土壤修復的潛力

程薛霖,賈麗萍,常粟淮,黃旭光

（閩南師范大學化學化工與環(huán)境學院,污染控制與監(jiān)測福建省高校重點實驗室,福建 漳州 363000）

由于全世界工業(yè)與經(jīng)濟的飛速發(fā)展，土壤重金屬污染已成為一個危及人類生活質(zhì)量的環(huán)保問題，在眾多土壤重金屬污染中，鉻（Cr）和鎳（Ni）是土壤污染的主力軍[1]，在土壤Cr 污染中，Cr 主要以Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）形式存在，Cr（Ⅲ）的活性差，極易被土壤膠體吸附或沉淀，難被植物吸收，而Cr（Ⅵ）具有強氧化性、強移動性和生物可利用性，極易被植物吸收；在土壤中常見的Ni形態(tài)有Ni2+、Ni(H2O)62+、Ni(OH)+和Ni(OH)3-，這些價態(tài)會隨著土壤理化性質(zhì)的不同而改變.Cr和Ni的累積性和不可逆轉(zhuǎn)性使其修復困難、成本高昂[2].土壤中Cr 和Ni 的釋放、遷移都會對周圍土壤生態(tài)環(huán)境形成不可估量的污染，并直接或間接地通過接觸、食物鏈等途徑危害人類健康，所以對Cr、Ni污染土壤修復技術(shù)的研究有重大意義.

Cr、Ni等土壤污染修復的方法有很多，主要有電動修復法、客土法及固化/穩(wěn)定化修復法[3]的物理修復法；還有利用化學還原法、化學淋洗法和電動修復法的[4]化學修復法等，但這些方法存在成本高、土壤性質(zhì)不可逆、二次污染等缺點，尋找一種成本低、技術(shù)簡單、修復效果較佳的修復方法刻不容緩.植物修復法是一種利用植物對重金屬的吸收作用，從而減少被污染土壤中重金屬的含量或毒性的修復方法[5]，具有可持續(xù)性強、修復效果穩(wěn)定、對土壤環(huán)境污染小、綠色廉價、后處理簡單等優(yōu)點[6].

狼尾草（Pennisetum alopecuroides）屬多年生草本植物，具有生長迅速、分布廣、抗逆性強、管理便捷、維護成本低等優(yōu)點，可作飼料和造紙的原材料[7].狼尾草作為超富集植物應(yīng)用于重金屬Cr 和Ni 等研究已被廣泛的報道[8-10]，但這些研究多集中在單一污染金屬的盆栽實驗.其對復合型重金屬污染土壤的修復能力研究，特別是現(xiàn)場復合型污染土壤的應(yīng)用研究卻未見有報道.本研究以狼尾草做為修復植物，通過田間實驗，探究其對Cr、Ni的富集能力和重金屬在植物中的分布，評估其對不同程度Cr、Ni復合污染土壤的修復潛力.

1 材料與方法

1.1 實驗方案

研究區(qū)域位于福建省東山縣陳城鎮(zhèn)澳角村某金屬表面處理加工廠，由于不法工廠制備淋洗液及廢水的隨意排放致使大量重金屬Cr、Ni 進入到土壤，造成工廠附近土壤重金屬超標.該區(qū)域土壤平均pH 為5.17，土壤Cr、Ni污染的空間分布不均勻，沿排污口向外側(cè)及水流方向呈現(xiàn)濃度遞減態(tài)勢；考慮到田間試驗期間中試驗地的重要性，選擇日照充足、空間開闊、容易管理，相對平緩的地塊進行試驗.本研究將污染區(qū)域按Cr、Ni濃度分為三個區(qū)域，面積分別為0.037 hm2（1號試驗區(qū)）、0.035 hm2（2號試驗區(qū)）、0.036 hm2（3號試驗區(qū)）土壤污染平均濃度見表1，并種植狼尾草修復污染土壤,探討狼尾草對不同程度Cr、Ni污染土壤的修復能力.試驗過程中，進行松土和澆水等農(nóng)藝管理措施，狼尾草播種時期同時施加復合肥，播種時應(yīng)盡量保證播種均勻，深度一致，避免漏播，覆土0.3～0.8 cm.狼尾草在生長過程中，每平方米土壤需要施用2.25 kg 有機肥和0.030 kg 過磷酸鈣，以維持植物正常的營養(yǎng)需求，并適當清除其他雜草，全程未噴灑農(nóng)藥，生長約兩個月后，對土壤及相對應(yīng)的試驗區(qū)植物取樣（圖1），測定狼尾草根系土壤及其地上和地下部分樣品中Cr、Ni含量.

圖1 修復現(xiàn)場狼尾草生長初期(左)和成熟期(右)Fig.1 Repair the early growth stage(left)and mature stage(right)of P.alopecuroides

1.2 樣品分析

采集試驗區(qū)所有植物的地上部分后，稱重用于計算狼尾草的生物量.不同小區(qū)植物樣品與根系土壤同步采集，將其置于編號塑料袋中，將收獲的狼尾草先用自來水浸泡根部，洗掉表面泥土，再用去離子水多次沖洗，瀝干水分，將植物分成根、莖和葉，并將其剪碎.準確測定植株各部位的鮮重，烘箱溫度105 ℃時，將狼尾草先殺青30 min，再在烘箱（85 ℃左右）中烘干至恒重.此時，干重用于計算狼尾草的水分含量和生物量.采集的土壤除去石塊和植物根系，放于105 ℃烘箱中烘干4 h 至恒重用陶瓷研缽研磨，使用0.1 mm 尼龍篩網(wǎng)篩分.土壤和植物樣品分別采用HNO3-HF-HCl法和HNO3-HCl-H2O2[11]法進行消解，樣品中的重金屬Cr（總Cr）和Ni（總Ni）使用火焰原子分光光度法測定（前期預實驗中Cr（VI）比例較低，本研究僅討論總Cr）.酸性土壤重金屬有效態(tài)適合用0.1 mol/L HCI浸提[12]，稱取5.00 g土壤加入25.0 mL 0.1 mol/L HCl浸提液，振蕩器振蕩1.5 h，離心過濾，濾液用于分析Cr和Ni的有效態(tài).土壤pH 采用土水比為1∶2.5的pH電位法測定[13].

1.3 富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)和去除率的測定

富集系數(shù)（BCF）是衡量植物吸收和積累重金屬能力的重要指標[14]，轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF）能夠體現(xiàn)植物體內(nèi)重金屬的遷移與分布情況[15]，計算方法如下：

BCF=地上部分Cr、Ni含量/土壤中Cr、Ni含量，

TF=地上部Cr、Ni含量/根部中Cr、Ni含量，

重金屬總?cè)コ剩剑╩0-m1）/m0×100%，

植物吸收率=（植物生物量（干重）×整株植物重金屬累積量）/土壤含有重金屬質(zhì)量×100%，

植物重金屬積累總量=莖重金屬含量×莖生物量+葉重金屬含量×葉生物量+根重金屬含量×根生物量，其中，Cr、Ni 含量/（mg/kg）；m0為修復前土壤中Cr 和Ni 的初始質(zhì)量/（mg/kg）；m1為土壤修復后Cr 和Ni 的質(zhì)量/（mg/kg）；生物量/g；重金屬含量/（mg/kg）.

試驗數(shù)據(jù)使用MicrosOft Excel 2016、SPSS 26.0 進行整理和統(tǒng)計分析.每個實驗一式三份進行，計算結(jié)果為平均值±標準偏差.

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗田土壤修復前后Cr、Ni含量特征

田間試驗區(qū)土壤修復前后Cr、Ni 含量特征見表1.1、2、3 號試驗區(qū)修復前土壤中Cr 含量分別為296.43、596.00、476.83 mg/kg，修復后Cr 含量分別為207.50、448.75、341.00 mg/kg，較修復前分別降低了30.00%、24.71%和28.48%；土壤中修復前Ni的含量分別為121.80、66.10、31.25 mg/kg，修復后Ni的含量分別為64.17、20.29、14.02 mg/kg，較修復前分別降低了47.31%、69.30%和55.13%.值得注意的是，重金屬Ni 的有效態(tài)含量從13.21～28.05 mg/kg 下降到6.94～23.85 mg/kg，1～3 號試驗區(qū)中Ni 的有效態(tài)提取率分別降低了14.97%、22.18%、47.73%；不同于Ni，重金屬Cr 的有效態(tài)含量從10.78～15.85 mg/kg 升高至11.05～16.05 mg/kg，1～3號試驗區(qū)中有效態(tài)比例分別增加2.51%、1.25%、1.71%.因為修復前各試驗區(qū)土壤pH 呈弱酸性，修復后pH 均明顯增加（0.52～1.61）.在修復的過程中，土壤對重金屬吸附能力增強可能源于pH 值的升高，因此降低了土壤重金屬有效態(tài)的含量[16]，并且狼尾草吸收了土壤中的有效態(tài)重金屬，共同解釋了Ni 有效態(tài)含量和比例的降低.然而，也有研究表明，土壤pH 對重金屬有效態(tài)的影響可能不是絕對的線性關(guān)系[17],如Zeng等[18]研究表明，土壤pH 為5.00～7.00時，Cr和Cu等元素有效態(tài)含量并沒有顯著的變化.

表1 修復前后田間試驗區(qū)土壤Cr、Ni質(zhì)量比特征Tab.1 Content characteristics of Cr and Ni in soil of field test area before and after remediation

2.2 狼尾草生物量的測定

表2為不同試驗區(qū)中狼尾草的整株生物量、地上部分和地下部分生物量及每平方米的生物量.土壤無污染時，每平方米狼尾草最大的生物量是28.08 kg[19]，均高于1～3 號試驗區(qū)的生物量.由表1可知，1 號試驗區(qū)低濃度Cr 高濃度Ni 作用下，狼尾草有一定的耐金屬脅迫能力，該試驗區(qū)中狼尾草植株正常生長，葉片茂盛，說明狼尾草對Cr 和Ni都具較強的抗性.雖然1 號試驗區(qū)Ni污染濃度最最高，但對狼尾草的影響不大，表明Ni 對狼尾草生物量的影響不及Cr.2 和3 號試驗區(qū)Cr 濃度含量較高，狼尾草生長速度遲緩，葉片泛黃，植株矮小并且生物量低.有研究表明土壤環(huán)境中重金屬離子濃度的越高,對植物的毒害程度越深，干擾植物生長的能力越強[20].也可能是因為Cr、Ni 復合重金屬脅迫較大、pH 值較低時，具有重金屬修復功能的植株生長速度緩慢[21].

表2 不同試驗區(qū)中狼尾草的生物量Tab.2 Biomass of P.alopecuroides in different test areas

2.3 狼尾草對Cr、Ni富集的效果

測定3 個試驗區(qū)狼尾草的根、葉和莖的Cr、Ni含量和含水率，確定狼尾草對Cr、Ni的富集能力和狼尾草在Cr、Ni 脅迫下各部位的重金屬含量的分布情況（表3）.數(shù)據(jù)表明，狼尾草不同部位富集Ni 能力為：根＞葉＞莖；Cr表現(xiàn)為：根＞莖＞葉.Cr和Ni主要集中在狼尾草的根系，莖和葉中含量相對較少.因為根系可直接吸收土壤中的重金屬[22]，莖葉中的重金屬則是通過根系傳遞營養(yǎng)的過程而富集的[23].同時植物根細胞壁有大量交換位點，這些位點可以固定或吸收Ni2+和Cr3+，從而阻止其向葉片和莖遷移[24].

表3 田間試驗區(qū)植物Cr、Ni含量、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)Tab.3 Contents,bioconcentration factor,and translocation factor of Cr and Ni in plants in the field test area

任鋸等[25]的研究表明土壤中重金屬濃度的高低是影響狼尾草富集重金屬含量的重要因素，同種植物積累重金屬的潛力主要由土壤中重金屬的濃度所決定.比較Cr 和Ni在不同小區(qū)的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運系數(shù)知，3 號試驗區(qū)植物對Ni 的BCF 最大，意味著3 號小區(qū)狼尾草對Ni 的富集效率最高，2 號次之，1 號最差.不同試驗區(qū)Cr的BCF的差異不同于Ni，1號試驗區(qū)的富集效率最高，2號次之，3號最差.轉(zhuǎn)運系數(shù)值越大表明重金屬被植物轉(zhuǎn)運到地上部分的能力越強.狼尾草對Ni的TF 為3 號＞1 號＞2 號，對Cr的TF 為3 號＞2號＞1號.植物富集重金屬的能力和生物量決定了植物的修復潛力[26]，在3個污染區(qū)中，狼尾草對Ni的富集系數(shù)均大于1，且隨著Ni濃度越小，富集系數(shù)越大，轉(zhuǎn)運系數(shù)也越大，對Ni的富集效果也越強.但狼尾草對Cr的富集效果較弱，富集系數(shù)最高僅為0.5，這與盛海軍等[27]的研究一致，這可能是Cr元素具有的特殊性，Cr元素毒害性強、形態(tài)可變性高，一般不與植物酶系統(tǒng)發(fā)生作用[28]，也有可能是狼尾草吸收的Cr、Ni主要積累在根部，共質(zhì)體只能輸送少量的Cr和Ni到地上部分[29].

2.4 狼尾草對Cr和Ni的去除率

由不同試驗區(qū)植物的生物量和重金屬含量可知，狼尾草對Cr 和Ni 的吸收率見表4，每平方米地種植的狼尾草可以吸收1 號試驗區(qū)土壤中11.39%的Ni 和6.49%的Cr；在2 號試驗區(qū)中，對重金屬Ni 和Cr 的吸收率分別為5.84%和2.09%；3號試驗區(qū)狼尾草對重金屬Ni和Cr的吸收率為18.22%和1.91%，占土壤中的Cr、Ni 總?cè)コ实?.70%～21.64%和8.43%～33.06%，其中因雨水和地形等造成的重金屬Cr、Ni 流失、遷移的去除率為18.22%～28.09%和28.67%～63.47%，基于該數(shù)據(jù)，后續(xù)將采取措施減少該部分的去除率.1～3號試驗區(qū)中Ni的去除率均高于Cr，污染地塊中Cr濃度較高導致其相對去除率不高應(yīng)是主要原因.除此之外，植物在修復過程中，土壤pH增加，土壤溶液中[OH-]增加，為了補償平衡，土壤中Ni2+因而快速減少，而Cr與土壤溶液中的[OH-]發(fā)生反應(yīng)較弱，減少量也相對較少[30].

表4 田間試驗區(qū)植物重金屬Cr、Ni吸收量及去除量Tab.4 Absorption and removal rate of Cr and Ni by plants in the field test area

狼尾草作為Cr污染修復植物的研究較多，但作為Ni和Cr復合污染修復植物的研究少見，狼尾草對復合型重金屬的積累不是簡單的加和或拮抗，不同濃度的土壤重金屬污染物對植物的富集能力起著決定性作用[31].當Ni含量約為100 mg/kg時，狼尾草對Ni的去除率（11.39%）比蘿卜（6.90%）和A.murale（8.80%）高，且BCF（2.41）均超過薺菜（1.05）、蘿卜（0.83）[32]；當Cr 含量約為300 mg/kg 時，狼尾草對Cr 的BCF 為0.51，均高于高丹草（0.36）和黑麥草（0.21）[33]對Cr的富集系數(shù).通過對不同植物的對比，說明狼尾草對于土壤中Cr、Ni具有較為可觀的去除和富集，在一定程度上具有修復Cr、Ni混合型污染土壤的潛力.本試驗中的狼尾草雖然單株生物量較小，但該植物屬于多年生禾本科植物，種植成本低，所以可通過增加單位面積內(nèi)植株數(shù)量的方法提高地上部重金屬積累量.同時，狼尾草根系發(fā)達，生長周期短，可通過增加年輪種植次數(shù)來富集土壤中的Cr和Ni，提高修復效率，縮短修復年限[34].此外，將狼尾草焚燒，回收利用灰分中的重金屬，可獲得良好的經(jīng)濟效益[35].因此將狼尾草作為Ni和Cr復合污染土壤修復應(yīng)用前景較好.

圖2 修復場地Cr、Ni的分布Fig.2 Distribution of Cr and Ni in the restoration site.

3 結(jié)論

（1）重金屬污染濃度對狼尾草生長有較大的影響，Cr（596.00 mg/kg）、Ni（66.10 mg/kg）污染會顯著抑制狼尾草生長，導致葉片細小，植株矮小.

（2）狼尾草對Ni有較好的富集效果，不同部位Ni含量表現(xiàn)為:根＞葉＞莖；狼尾草對Cr的富集效果較差，不同部位Cr含量表現(xiàn)為：根＞莖＞葉.

（3）狼尾草對土壤中Cr、Ni的吸收率分別為1.91～6.49%，5.84～18.22%；占土壤中的Cr、Ni的總?cè)コ实?.70%～21.64%和843%～33.06%.

可見，狼尾草可增強Cr、Ni復合污染土壤中重金屬的去除，且其根系發(fā)達，生長快速、可美化環(huán)境，對Cr、Ni復合污染土壤具有一定的修復潛力.