污灌地重金属镉污染的伴矿景天修复试验研究*

龙家寰 刘鸿雁，2 赵志鹏 涂刚琴 刘艳萍

(1.贵州大学资源与环境工程学院, 贵阳 550025； 2.贵州大学环境规划设计研究所， 贵阳 550025)

污灌地重金属镉污染的伴矿景天修复试验研究*

龙家寰1刘鸿雁1，2赵志鹏1涂刚琴1刘艳萍1

(1.贵州大学资源与环境工程学院, 贵阳 550025； 2.贵州大学环境规划设计研究所， 贵阳 550025)

针对城郊污灌地土壤重金属Cd污染，利用超富积植物伴矿景天(Sedumplumbizincicola)进行Cd污染土壤的植物修复正交试验研究，以探讨Cd污染土壤的最优田间修复措施。研究表明：修复植物-伴矿景天茎叶中Cd的含量均值达到8.80mg/kg，约为玉米茎叶的58倍，芹菜茎叶的135倍；土壤-植物系统中Cd的迁移量由高到低的顺序为：伴矿景天>玉米>芹菜；对正交试验中伴矿景天的Cd提取率进行极差分析，最佳试验因素结果为：因素A：种植方式为扦插10株/m2、因素C种植模式为单作、因素B调控剂硫粉施用量为2g/m2，试验结果中此方案伴矿景天对土壤中Cd的提取率达到8.49%，是9个处理组中最高的，与极差分析结果一致。实际应用中，本文推荐选择A1C3B3方案(种植方式为扦插10株/m2、因素C种植模式为与玉米间作、因素B调控剂硫粉施用量为6g/m2)作为伴矿景天植物修复的最优田间农艺措施方案，以达到边修复边生产的农业土壤修复模式。

土壤；重金属Cd；伴矿景天；植物修复

生活污水以及养殖废水中含有作物可以吸收利用的N、P、K、Cu、Zn等多种营养元素，经适当处理后作为灌溉的替代性水源，已成为缓解农业水资源紧缺的重要途径，但同时污水中也含有重金属、非金属、有毒物质和无机盐类等物质，不合理污水灌溉对土壤、地下水、农作物品质造成的危害已备受关注[1-3]，成为影响农村生态环境安全和制约农业可持续发展的重要因素之一[4]。根据有关部门的调查统计，目前我国工业企业年排放的未经处理的污水达300～400 亿t，用这些工业污水灌溉农田的面积占污灌总面积的45%，造成严重的土壤重金属污染[5]。土壤Cd污染造成我国水稻、蔬菜等农产品的质量下降，严重威胁人体健康，影响农业可持续发展[6]。在贵阳市主要蔬菜基地的农产品质量检测中，Cd在芹菜、菠菜、白菜和甘蓝菜中的累计量大于国家食品卫生标准规定的0.1 mg/kg限值，超标检出率达到42%。

重金属污染的农田耕地土壤修复技术要求能原位地有效消除影响到粮食生产和农产品质量的微量有毒有害污染物,同时既不能破坏土壤肥力和生态环境功能,也不会导致二次污染的发生。于是在众多修复技术中，植物修复成本较低、能适用于大面积污染农地土壤的治理,具有技术和经济上的双重优势，已有许多专家学者致力于植物修复重金属的研究[7-10]。本文利用超积累植物-伴矿景天(Sedumplumbizincicola)进行植物修复，并通过正交试验得到种植的最优模式，为污染耕地的植物修复提供技术上的支持，通过伴矿景天与其他作物间套作的田间试验来探讨一种能将土壤植物修复和农业生产结合在一起的土地修复模式，为我国重金属轻度污染土壤的植物修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试植物及间套作作物选择

本研究选择的修复植物伴矿景天(Sedumplumbizincicola)是一种Zn、Cd超积累植物，具有多年生、生物量大、生长速率快等优点，是进行重金属修复的良好资源[11]。另选择与其间套作的作物为芹菜和玉米，在重金属修复实验中玉米大多作为Pb和Cd的受试植物，以往研究发现，玉米对重金属Cd富集能力较弱，芹菜是一种根部易富集Zn、Cd元素且难转移到地上部的普通蔬菜作物[12]。样地所在区域是贵阳市主要蔬菜种植基地，选择玉米、芹菜作为研究对象讨论植物修复对食物链的影响。

1.2 正交试验设计

本试验采用田间试验进行，田间试验基地位于贵阳市乌当区新庄路小谷龙村村口一处约180m2的长方形农田。种植修复植物和农作物的时间为2013年3月30日-2013年7月26日，期间芹菜生长期为2个月，玉米生长期为4个月，收获的植物带回实验室进行制样并分析测试。

田间试验选择种植模式、施用调控剂硫粉用量、间套作模式3个因素作为试验设计参数，每个因素设置3个水平(见表1)，选用L3(34)正交表[13]来安排实验，根据DPS9.50软件进行试验设计[14]，得到表2，共9个处理组，每个处理组2次重复，得到最终试验小区为18个。每个小区为6.0m×1.5m，面积约为9m2，每两个小区间设置0.2m保护行。本试验的田间试验处理组排列采用抽签法，先将所有田间小区依次编号，然后将每个处理组的组号写在同样的纸片上，然后将所有纸片混合在一起摇匀，从中随机抽取处理组组号写在区号上，直到所有小区写满为止。

表1 正交试验因素水平表

表2 L3(34)正交表

1.3 植物样品中重金属含量分析

分别用自来水、去离子水洗涤植物地上部分，75 ℃杀青1h，60 ℃烘至恒量，称量，用不锈钢植物粉碎机磨碎，用于测定植物中重金属Cd含量。植物样品采用HNO3-HClO4消化(体积比3:2)，ICP-MS测定其重金属Cd的含量，所用试剂均为优级纯，标准样品测定结果均在允许范围内。

1.4 修复植物重金属提取率

植物重金属提取率(Phytoextractionrates)是指修复植物对土壤中的重金属的提取效率，植物的提取率取决于生物富集系数、植物的生物量以及土壤本身的质量。植物富集是指植物通过各种方式从周围的土、大气、土壤中积累某种元素或其他难降解物质使得其体内浓度超过周围环境中这种物质的浓度的现象，一般用生物富集系数(BCF，Bio-ConcentrationFactors)来表示，见公式(1)。Mertens[15]等将植物生物量、地上部重金属含量、土壤密度及根际土壤深度4个参数作为植物修复土壤重金属中植物对重金属的提取效率的计算指标，并假设受污染土壤的密度为1.3t/m3，且重金属污染主要集中发生位于根际20cm土壤处，其提出的植物提取率计算公式见公式(2)。同时，植物对污染土壤中重金属的迁移总量是评价修复植物修复重金属污染土壤潜力的另外一个重要指标，植物重金属迁移总量的计算见公式(3)。

BCF=Cb/Ce

(1)

式中：BCF——生物富集系数；

Cb——某种元素或难降解物质在机体内的浓度；

Ce——某种元素或难降解物质在机体周围环境的浓度。

植物提取率(PER)=(植物地上部分浓度×植物生物量)/(根际土壤质量×污染土壤重金属含量)×100%

(2)

重金属迁移总量=植物地上部分重金属含量×植物地上部分的生物量

(3)

2 结果与分析

2.1 试验田的基本理化性质

本田间试验基地土壤基本理化性质[16]见表3：

表3 试验田土壤的基本理化性质

从表中的相关数据可知，该样点土壤呈现弱碱性，且有机质相对偏高，根据GB15618-1995《国家土壤环境质量标准》，As、Pb、Cu的含量均未超过二级标准限值，Zn和Cd的含量均超过土壤环境质量的二级标准，Zn超标3.35倍，Cd超标4.73倍。根据实际调查[17]，该样点农田土壤主要是由于长期利用含有重金属的养殖废水和生活污水进行灌溉，从而导致土壤中重金属超标，但尚属轻度污染，可通过植物修复等有针对性的措施缓解或去除该样点农田土壤中低浓度的Cd污染。

2.2 植物地上部分重金属Cd的含量、富集系数和迁移量

2.2.1 植物地上部分重金属Cd的含量

表4为修复植物-伴矿景天和间套作的玉米与芹菜在按照试验设计的处理组的种植条件下，植物生长一定时期后，伴矿景天和芹菜的地上部分(茎叶)以及玉米的地上部分(茎叶和果实)的重金属Cd的含量。修复植物-伴矿景天茎叶中Cd的含量为7.06～12.51mg/kg，是3种植物中茎叶部分Cd含量最高的，均值可达8.80mg/kg。玉米茎叶中重金属Cd的含量远低于伴矿景天，其含量范围在0.092～0.21mg/kg，均值为0.15mg/kg，伴矿景天茎叶中Cd的平均含量约是玉米茎叶的58倍，两者Cd的平均含量差异极大。玉米果实中的重金属Cd含量最低，均值仅为0.031mg/kg，玉米茎叶中Cd的平均含量是其果实的4.8倍，可以发现玉米茎叶富集Cd的能力较果实富集Cd的能力强。芹菜茎叶中重金属Cd的含量范围在0.059～0.069mg/kg之间。

根据GB2715—2005《粮食卫生标准》中Cd含量的限量标准，麦类、玉米及其他作物的Cd含量应≤0.1mg/kg，从实验结果数据分析，处理组2、6、7产出的玉米茎叶和果实中重金属Cd的平均含量分别为0.15mg/kg、0.031mg/kg，玉米茎叶中Cd含量超标1.5倍，玉米果实未超标。在利用修复植物-伴矿景天对该Cd污染土壤进行一定时期修复后，玉米中Cd含量能达到安全食品标准。处理组3、4、8中产出的芹菜茎叶Cd的平均含量为0.065mg/kg，均能达到安全食用标准。

表4 植物地上部分重金属Cd的含量 mg/kg

2.2.2 植物地上部分重金属Cd的富集系数和迁移量

植物富集是指植物从周围土壤环境中吸附重金属的能力，从表5可以看出，在试验田植物自然生长状态下，作物玉米果实、茎叶和芹菜茎叶对重金属Cd的富集系数均小于1，玉米果实、茎叶对Cd的富集系数范围分别在0.01～0.026和0.05～0.12之间，芹菜茎叶对Cd的富集系数范围在0.034～0.040之间，都不具备超富集特性。修复植物-伴矿景天茎叶中Cd的富集系数在3.95～7.28之间，说明伴矿景天能够从其生长的周围土壤中蓄积重金属Cd，并使得其体内Cd的含量超过了周围土壤中浓度，具备对重金属Cd的超富集特性。供试3种植物体内对Cd的富集系数由高到低排列顺序为：伴矿景天茎叶>玉米茎叶>芹菜茎叶>玉米果实。

表6是3种植物在试验农田不同处理组条件下，生长一定时期后重金属Cd的迁移量。3种植物对土壤中重金属Cd的迁移量由高到低的顺序为：伴矿景天>玉米>芹菜，其中不同处理组玉米对土壤中重金属Cd的迁移量平均值为0.42mg/m2，芹菜对土壤中重金属Cd的迁移量平均值为0.21mg/m2，伴矿景天对土壤中重金属Cd的迁移量平均值为7.43mg/m2，分别是芹菜和玉米的35.38倍和17.69倍。虽然玉米的生物量明显高于修复植物-伴矿景天的生物量，但是由于伴矿景天对重金属Cd的的富集系数平均值为5.12，是玉米的58.85倍，因此伴矿景天对Cd的迁移量反而高于玉米，由此可以看出高生物量的植物对重金属污染土壤的植物修复不具备明显优势，修复植物的修复潜力是根据其对目的重金属的富集能力来决定。修复植物-伴矿景天对其目的重金属Cd较一般作物有较高的迁移量，所有处理组中种植的伴矿景天对重金属Cd的迁移总量达66.90mg/m2，对于受到Cd污染的农田土壤，可以通过种植伴矿景天吸附土壤中的重金属Cd，使得土壤中一定量的重金属Cd迁移至伴矿景天植物体内，再从土壤中移除伴矿景天后能有效地减少土壤中重金属Cd的含量，对于收获的伴矿景天应妥善处理，防止其通过其他渠道产生二次污染。

表5 植物地上部分重金属Cd的富集系数

表6 植物中重金属Cd的迁移量 mg/m2

2.3 正交试验极差分析及最优方案

2.3.1 伴矿景天的Cd提取率及其相关研究对比

根据植物提取率公式计算得到本次田间试验3种植物对试验农田土壤中重金属元素Cd的提取率，详见图1。

图1 伴矿景天地上部分对土壤中Cd的提取率

由图1可见，9个处理组中修复植物-伴矿景天对土壤中重金属Cd的提取效率最低的是处理组6，其提取率均值为0.53%，最高的为处理组1，提取率均值为8.49%，是处理组6的16.02倍。结合表4伴矿景天茎叶中重金属Cd含量可以发现，处理组2伴矿景天的Cd含量是所有处理组中最高的，为12.51mg/kg，但由于其与玉米进行间套作，生长受到光照等限制，导致处理组2的伴矿景天单位生物量较低，所以对重金属Cd的提取率反而较低。同理，处理组6和处理组7的伴矿景天生物量也较低，同时其重金属Cd的含量是所有处理组中最低，所以处理6和处理7伴矿景天对土壤中重金属Cd的提取率是最低的，分别为0.53%和0.71%。处理组3、4和8均为伴矿景天和芹菜间套作，伴矿景天对土壤中重金属Cd的提取率差异较大，分别为3.45%、1.40%和1.55%，这可能和其他种植条件的影响有关(如种植模式、硫粉施用量等因素)。另，处理3和处理9是继处理1以外Cd提取率最高的两个处理组，两者均是施用54g调控剂硫粉，试验用地均为弱碱性土壤，因此硫粉施用量较多会活化土壤中的Cd，因此使得伴矿景天对土壤系统中Cd的提取率有所增加。

根据任静[18]研究结果，在田间微区利用伴矿景天对Zn、Cd污染土壤连续修复，1年间4次收获的伴矿景天地上部Cd含量分别为28mg/kg、48mg/kg、53mg/kg、27mg/kg，和本研究中9个处理组中伴矿景天地上部分Cd含量最高的12.51mg/kg差距较大。研究发现，土壤中重金属的有效性与环境pH关系密切，对阳离子而言，pH越低则其生物有效性越高，植物吸收量也越高[19]，而本研究的试验田土壤pH为7.11，属于弱碱性土壤，一定程度上会影响植物对Cd的吸收量。另本研究中伴矿景天种植的时间较短且1次收获，同时种植期间因干旱伴矿景天生长状况较弱，同进行多次修复污染土壤的上述研究相比，Cd的含量相对较低。

2.3.2 伴矿景天Cd提取率的正交试验极差分析

为了更加科学、直观地从不同处理组中伴矿景天Cd提取率分析每个因素对其的影响，需要通过极差分析来得出合理结论。表7是DPS数据处理系统对本次田间试验所得伴矿景天对重金属Cd的提取率的极差分析。

表7 伴矿景天Cd提取率的极差分析

由表7极差分析结果可知：因素A对伴矿景天的Cd提取率影响最大，所以因素A是本次试验中所得的主要考虑的因素。因素C是本次试验中所得的第二考虑的因素。因素B的水平改变时对田间试验中伴矿景天的Cd提取率影响是3个因素中最小的。

从以上分析可以得出结论：本次田间试验中3个因素对试验最终指标(伴矿景天Cd提取率)的影响按大小次序来排列应当是A(种植方式)、C(种植模式)、B(调控剂硫粉施用量)。

A：种植方式 第1水平 扦插10 株/m2

C：种植模式 第1水平 单作

B：硫粉施用量 第1水平 2g/m2

分析得到的最优方案A1C1B1在以上9个处理组中出现，其实际结果是处理组1中修复植物-伴矿景天对土壤中重金属Cd的提取率为8.49%，是9个处理组试验数据中最高的，说明以上极差分析得到的最优方案A1C1B1是符合实际的，单作条件下伴矿景天生长状况良好，所得到的提取率也是所有处理组中最高，但在实际农业生产中，修复植物的长期种植会降低土地的经济效益，且也有研究表明[18]，连作效应会影响植物的生物量，不利于伴矿景天对重金属Cd的提取，因此本文推荐选择处理组3的种植方案(种植方式为扦插10 株/m2、种植模式为与玉米间作、调控剂硫粉施用量为6g/m2)作为实际方案替代最优方案，不仅能达到修复污染土壤的目的，也能实现农业生产不间断，并能生产出符合食品安全标准的作物，最终达到将土壤植物修复和农业生产结合在一起的土地修复模式。

3 结论

(1) 田间试验结果显示，修复植物-伴矿景天茎叶中Cd的含量均值达到8.80mg/kg，约为玉米茎叶的58倍，富集系数在3.95～7.28之间，对Cd表现出较强的富集能力，玉米果实、茎叶和芹菜茎叶对重金属Cd的富集系数均小于1。土壤-植物系统中Cd的迁移量由高到低的顺序为：伴矿景天>玉米>芹菜，伴矿景天中Cd的迁移量平均值为7.43mg/m2，分别是芹菜和玉米的35.38倍和17.69倍。

(2) 田间试验9个处理组中修复植物-伴矿景天对土壤中Cd的提取效率最低的是处理组6，其提取率均值为0.53%，最高为处理组1，提取率均值为8.49%，是处理组6的16.02倍。处理3和处理9是继处理1以外Cd提取率最高的两个处理组，施用一定量的硫粉有利于土壤中的Cd的活化，提高伴矿景天对Cd的提取率。

(3) 正交试验结果显示3个因素对试验中伴矿景天Cd提取率的影响按大小次序来排列是因素A：种植方式为扦插10 株/m2、因素C种植模式为单作、因素B调控剂硫粉施用量为2g/m2，即最优方案为A1C1B1。田间试验结果为处理1伴矿景天的生物量为2.69kg/m2，其对土壤中Cd的提取率达到8.49%，均是9个处理组中最高的，与极差分析结果一致。但从农业生产实际考虑，本研究推荐选择A1C3B3方案替代最优方案作为伴矿景天植物修复的最优田间农艺措施方案，以达到土壤植物修复和农业生产结合在一起的土地修复模式。

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Experimental study on cadmium removal bySedumPlumbizincicolafor sewage irrigated lands

Long Jiahuan1, Liu Hongyan1, 2, Zhao Zhipeng1, Tu Gangqin1,Liu Yanping1

(1.College of Resource and Environmental Engineering, Guizhou University; 2. Institute of Environmental Science and Resource, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

In this study,Sedumplumbizincicola,ahyperaccumulatorplantwasusedtorepairtheCdcontaminatedsoilwhichwaslocatedinsuburbanandirrigatedbysewage.Orthogonalexperimentswereconductedtoinvestigatetheoptimumrestorationmeasures.Theresultshowedthat,theaverageCdcontentinstemsandleavesofSedumplumbizincicolareached8.80mg·kg-1,about58timesofthatincorns,and135timesinceleries.TheCdmigrationratefromsoiltoplantindescendingorderwas:Sedumplumbizincicola>corn>celery.ArangeanalysisfortheCdextractionrateofSedumplumbizincicolarevealedtheoptimumtreatmentwaslikebelow,FactorAforplantingpattern:cuttagein10plantspersquaremeters,FactorCforcroppingpattern:monoculture,FactorBformodulatorusage:sulfurdosageas2g/m2.Withthistreatment,theCdextractionratecouldreach8.49%,whichwasthehighestamongthe9experimentaltreatments,consistentwiththerangeanalysis.Whileinpracticalapplication,theA1C3B3treatmentwasrecommendedastheoptimalagronomicprogram: cuttage in 10 plants per square meters, intercropping with maize, sulfur dosage as 6 g/m2, in this way, soil remediation could get along well with the agricultural production at the same time.

soils; cadmium;Sedumplumbizincicola;phytoremediation

2014-08-21；2014-10-24修回

龙家寰，女，1989年生，硕士研究生，研究方向：土壤的植物修复研究。E-mail：fayre@126.com

刘鸿雁，E-mail: hongyan.L@163.com; re.hyliu@gzu.edu.cn

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A

* 黔科合[2012]4005号；筑科合同[2012103]号；黔科合重大专项字[2012]6013-7号。