几类常见植物对重金属镉污染土壤的修复作用研究

摘要针对土壤中重金属Cd污染的治理开展研究，采用植物修复方法，分析了一串红、皱叶狗尾草、牛筋草3种典型植物在不同的种植方式下对重金属Cd污染土壤的修复能力。研究表明，3种植株对土壤中Cd的修复能力具有独立性，单植株种植方式对土壤中Cd的修复作用优于组合种植，3类植物中皱叶狗尾草的修复效果最佳；在单株种植造成植物疯长的情况下，适宜采用组合种植方式，组合种植时应将修复能力强的植株分散种植，以增强修复效果。

关键词土壤；重金属污染；镉；植物修复

中图分类号S181.3文献标识码

A文章编号0517-6611（2015）07-091-03

Research on Phytoremediation by Common Plants to Soils Contaminated by Heavy Mental Cadmium

GAO Si-wen（College of Materials Science & Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124）

AbstractThis research focused on the phytoremediation of heavy metal pollution （cadmium） in the soil. The experiment was carried out to analyze the capability of soil restoring by three kinds of common plants （Salvia splendens， Setaria plicata and goosegrass） in different planting ways. The results showed that the soil restoring capability of Setaria plicata was the best among three plants， while the singlespecies planting way was also better than the other ones. On the other side， multi-species planting way should be adopted on the condition of excessive growth caused by single species plant. Moreover， the plants with higher soil restoring capability should be planted dispersedly in order to enhance the restoring capability.

Key words Soil； Heavy metal pollution； Cadmium； Phytoremediation

自古以来，土壤作为人类的衣食之源和生存之本被广泛地开发与利用。工业革命初期“大量生产、大量消费与大量废弃”的粗放型工业路线使得土壤重金属污染问题逐渐显现。直至21世纪的今天，土壤污染已成为影响生态环境与人类健康的重大难题。有关部门的统计结果显示，我国受到重金属汞、镉污染的土壤已经超过4万hm2，每年生产的大米仅镉污染造成的就达500万t以上，因重金属污染而损失的粮食超过1 200万t，严重影响我国的粮食生产和食品安全[1]。重金属对环境与人类的危害主要体现在以下3个方面。①对农作物的影响。土壤中过量的重金属会引起植物生理功能紊乱、营养失调，重金属污染物在土壤中移动性较小，不易随水淋滤，不为微生物降解，而且在经过食物链进入人体后，潜在危害极大。②对动物的影响。某些重金属（如镉、汞等）即使在土壤中含量超标，也不会影响植物的生长、发育和产量，但金属元素在植物体内堆积，并且通过食物链层层传递，最终会对处于食物链上层的动物物种造成危害。③对人体健康的影响。重金属在物种体内的积累量将随着生物在食物链中的级别而递增，处于食物链顶端的人类将会受到最大的危害；土壤中的重金属通过某些方式流入地下水，与水中的其他毒素结合生成毒性更大的有害物质，人们饮用之后毒性在体内会放大；重金属会引起人的头痛、头晕、失眠、关节疼痛、结石等，尤其对消化系统、泌尿系统的细胞、脏器、皮肤、骨骼、神经破坏极为严重。

土壤重金属污染的治理一直是国内外研究的热点问题[2-4]。目前的治理手段可以分为植物修复、物理方法修复与化学方法修复三类。①植物修复，是指利用植物吸收、分解、转化或固定土壤中有毒有害元素[5]。最新的方法有植物提取、植物降解与植物根滤等，其中植物提取修复即利用超积累植物的特性来修复重金属污染土壤应用最广泛[6]。目前文献报道的超富集植物近20科、500种，其中十字花科分布较多，主要集中于芸苔属、遏蓝菜属等[7-9]。植物修复技术具有保护土壤结构、成本较低、无二次污染、操作难度相对较低等优点，是未来土壤治理的主要发展方向[10]。②物理方法修复，是指通过对受到污染的土壤采取新土引入、旧土去除和填埋污土等物理的方法来减少土壤中重金属污染。主要修复手段有翻土法、客土法、换土法等[11]。传统物理法修复的优势在于治理方法简单、快速，但缺陷则为并没有真正将有害元素从土壤中去除，具有潜在的危害性。另外，国外报道中有学者通过在污染土壤两侧施加直流电压，使得土壤中的污染物质在电场作用下富集到电极两端，从而去除污染土壤中的重金属，亦属于物理修复方式[12]。③化学方法修复，是指通过化学改良剂的投入，对污染土壤中重金属进行固定转换、溶解抽提和提取分离等方法，对土壤中重金属含量进行控制，改善土壤条件。碱性改良剂（石灰、钙镁磷肥等）、黏土矿物（沸石、海泡石等）、拮抗物质（硫酸锌、稀土镧等）和有机质（泥炭、有机堆肥等）目前是较常用的土壤重金属污染修复化学材料[13]。此外，一些金属螯合剂和表面活性清洗剂目前也逐渐被应用于镉污染土壤修复[14]。传统的化学修复方法并没有真正去除掉土壤中的重金属，而是仅仅改变了重金属在土壤中的形态，存在再度活化危害的可能性。

在各类土壤重金属污染中，Cd是毒性最强的重金属元素之一，具有生物迁移性强、极易被植物吸收和积累的特点[15-16]。笔者针对土壤中重金属Cd污染的治理方法开展研究，采用植物修复方法，分析一串红、皱叶狗尾草、牛筋草3种典型植物在不同的种植方式下对重金属Cd污染土壤的修复能力，并且尝试采用混合种植法突破单一植物对重金属修复作用的局面，探究不同植物组合对重金属的修复作用及Cd对植物生长的影响，确定对土壤重金属镉吸附的最佳途径。

1材料与方法

选取长势相近的一串红、皱叶狗尾草、牛筋草3种植物幼苗作为重金属吸附植株。种植环境为尺寸10*20 cm、20*20 cm、30*30 cm的塑料盆。选取通用营养土与60 mg/kg Cd（NO3）2的溶液与土壤均匀混合制成重金属土壤，对照组为通用营养土与蒸馏水混合达到一定湿度的土壤，测得土壤pH略小于7。将幼苗种在通用营养土中缓苗14 d后进行重金属处理，分别按照单一种植每盆2株，两种植物组合种植每盆4株，三种植物组合种植每盆9株的方式进行种植（图1）。每种种植方式按加镉处理、不加镉处理（对照组）和无植物空白土壤对照各重复3次。在植株生长期间及时补充水分，待植株生长60 d进行收割，用蒸馏水洗净根系及整个植物表面，用吸水纸吸干表面水分，在干燥通风处晾置10 min，将地上部和地下部分离，然后置于85 ℃干燥箱中烘干2 h至恒重，用电子秤称取各部分干重，并且研磨成粉末。采用硝酸-高氯酸法消煮和原子吸收分光光度仪测定Cd的浓度。利用统计软件分析地上部和地下部吸镉量和对土壤的净化率。生物量数据采用平均数±标准误差，重金属含量为3次重复的混合样进行测定，0.05水平下LSD多重比较检验各处理平均值之间的差异显著性。

注：A代表一串红植株；B代表皱叶狗尾草植株；C代表牛筋草植株。

图1植物种植方式

2结果与分析

2.1单种植物种植方式对土壤中Cd吸收的影响

按照试验设计的单种植物种植方式，经过60 d的栽培观察，统计分析其地上部分、地下部分的干重，并且对各植物中Cd含量进行测定。

图2对比了在镉污染土壤与正常土壤中生长3种植物的生物量。单种植株种植时生长在被Cd污染土壤中植株的生物量略低于生长在正常土壤中的植株，其中一串红植株的生物量受Cd的影响最大，生物量约下降8.1%，而牛筋草则几乎不受金属Cd的影响。图3对比了3种植物对金属镉的吸收情况。在单植物种植时皱叶狗尾草对土壤中Cd的地下部分与地上部分吸收量均明显高于其他2种植株。因此，在单植物种植方式时皱叶狗尾草相比较于其他2种植株更适合用于修复土壤中的Cd污染。3种植物地下部分的Cd含量明显高于地上部分，说明植物在修复土壤中的Cd时，地下部分起更大的作用，因此在选取修复植株时应选植株根部比较发达的植株。

图2单种植物种植方式时不同植物生物量的变化情况

图3单种植物种植方式时不同植物对金属镉的吸收情况

2.2两种植物种植方式对土壤中Cd吸收的影响

根据试验设计的两种植物物种种植方式进行试验，经过栽培观察、植物风干与测试后，得到不同种植方式下植物的生物量与Cd含量，并与对照组进行比较。

两种植物种植时不同植物组合在有Cd与无Cd土壤中的生长情况见图4。植株生物量的变化趋势与单植物种植时基本相同。在单独种植时一串红的生物量受Cd影响最大，在两种植物种植时有一串红出现组合的生物量同样受Cd的影响较大，其中一串红+皱叶狗尾草组合最明显，生物量下降率达8.7%。这说明植株受Cd的影响具有独立性，不会因其他植株的存在而抵消。对于皱叶狗尾草+牛筋草组合，试验组相较于对照组反而有所提高，经过多次试验，其结果仍是如此，因此排除因偶然性造成的误差。分析原因，可能是由于皱叶狗尾草和牛筋草组合种植时对土壤中Cd的修复能力最强，即皱叶狗尾草和牛筋草组合吸收的Cd比其他组合多，因此在最后的生物量测量时比对照组高。两种植物种植时不同植物组合对Cd的吸收情况见图5。皱叶狗尾草和牛筋草组合的地上部分和地下部分对土壤中Cd的修复作用都强于其他2种组合，而一串红和牛筋草组合的修复能力最差。

图4两种植物种植方式时不同植物生物量的变化情况

图5两种植物种植方式时不同植物对金属镉的吸收情况

2.3三种植物种植方式对土壤中Cd吸收的影响

按照试验设计的三种植物混合种植方式进行试验。经过60 d的栽培观察，将植物风干后统计其地上部分与地下部分的干重，统计不同植物生物量与植物中Cd含量，并且与对照组进行比较。图6显示了三种植物种植方式时不同植物组合在有Cd与无Cd土壤中生长情况，不论是对照组还是试验组都与2种植物种植方式时有着相似的曲线趋势，但其与单种植株种植时有明显不同的，在皱叶狗尾草紧排在对角线上时生物量明显低于其他组合，且植物平均生物量明显低于单独种植。原因为三种植株混种时Cd对生物量的影响不占主要因素。不同植株间的竞争成为影响生物量的主要因素。三种植物种植方式时不同植物组合对Cd的吸收情况见图7。一串红位于对角线位置种植时植物组合对Cd的修复作用最强，原因是在单独种植时皱叶狗尾草对Cd的修复作用最强，牛筋草次之，一串红最差。在一串红位于对角线位置种植方式时，皱叶狗尾草和牛筋草较分散地分布在整个盆中，增加它们吸收Cd的范围，而且降低同种物种间的生存竞争。而在皱叶狗尾草位于对角线位置种植时，其高效的修复作用由于位置较集中而无法发挥，而由于要与相邻的同物种竞争，进一步降低了其修复效率，所以皱叶狗尾草位于对角位置时的组合修复土壤中Cd的效果最差。

图6

三种植物种植方式时不同植物生物量的变化情况

图7三种植物种植方式时不同植物对金属镉的吸收情况

43卷7期

高思雯几类常见植物对重金属镉污染土壤的修复作用研究

2.4不同植物种植方式对土壤中Cd吸收的影响

将单独种植、两种植物种植与三种植物种植情况下植物对金属镉的吸附情况进行对比。结果表明，在单独种植情况下对金属镉的吸收效果最好，尤其是狗尾草单独种植时吸附效果最佳，而随着植物种类的增加，对重金属的吸附效果呈下降趋势。这一方面是由于另两种植物的吸附效果低于皱叶狗尾草，另一方面是不同物种之间的竞争削弱了对重金属的吸附。因此，在条件允许的情况下，应优先选用单独种植方式进行土壤修复。但是，有文献报道在单株种植的情况下可能会产生单种植物疯长、单一植物的生态系统脆弱等问题，在此情况下应选取混合种植的方式，而在混合种植时应将修复能力强的植株分散种植，以增强修复效果。

3结论

针对土壤中重金属Cd污染的治理方法开展研究，采用植物修复方法，研究一串红、皱叶狗尾草、牛筋草3种典型植物在不同的种植方式下生物量的改变以及对重金属Cd污染土壤的修复能力，与对照组进行对比分析。

研究表明， 在单株种植的情况下，皱叶狗尾草对土壤中金属Cd的地下部分吸收量与地上部分吸收量均明显高于其他两种植株，三类植物地下部分的Cd吸收量均明显高于地上部分，应优先选取根部较发达的土壤修复植株；在组合种植的情况下，单一植株受金属镉污染后的生物量变化不会因

其他植株的存在而产生很大的改变，三种植株对土壤中Cd

的修复能力具有独立性，不会随着组合方式的改变而改变，而单植株种植对土壤中Cd的修复作用要优于组合种植的情况；在单株种植造成植物疯长的情况下，宜采用组合种植方式，组合种植时应将修复能力强的植株分散种植，以增强修复效果。

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