两种景天修复Cd/Zn污染土壤效果的比较

朱凰榕，周良华，阳峰，梁诗琪，赵秋香

广东省地质实验测试中心，广东 广州 510080

重金属污染土壤的修复主要采用物理、化学和生物修复技术，植物修复是一种新兴的、高效的生物修复途径（周东美等，2004），因其具有效果好、投资省、费用低、易于管理与操作、不产生二次污染等优点受到人们的重视（Rascio et al.，2011），已成为污染土壤修复研究的热点。杨肖娥等（2002）发现了一种Zn的超富集植物——东南景天（Sedum alfredii），营养液培养试验表明，东南景天的地上部分Zn质量分数最高值可达19674 mg·kg-1。熊愈辉等（2004）将东南景天置于 500 μmol·L-1Cd 水平下水培，叶和茎中的 Cd质量分数分别可达 5.677 g·kg-1和 5.274 g·kg-1。吴龙华等（2006）发现了景天科植物的新种伴矿景天（Sedum plumbizincicola），喜生于富含Pb、Zn矿地区。李思亮等（2010）研究表明，水培条件下，伴矿景天新叶和成熟叶中Zn质量分数最高分别可达 43107 mg·kg-1和 33774 mg·kg-1，Cd 质量分数最高分别为 15057 mg·kg-1和9060 mg·kg-1（干重）。在此基础上，近年来不少研究者分别针对这两种植物进行了研究。刘朋等（2018）研究表明，东南景天与玉米轮作体系中，覆盖黑网能显著提高东南景天产量、Cd含量和提取率。伴矿景天生物量大，生长速度快，适用于Cd污染农田的土壤修复（Li et al.，2014；Deng et al.，2016），但是土壤紧实胁迫会显著降低伴矿景天地上部生物量及其Cd、Zn吸收量，影响其对污染土壤的Cd、Zn修复效果（王丽丽等，2017）。

已有的研究显示，东南景天与伴矿景天均为较好的Cd/Zn超富集植物，但是目前的研究基本上都是针对两种植物进行单一研究，没有在同一污染条件下对两种植物的修复效果优劣进行对比研究。本文通过盆栽与田间试验，比较研究了东南景天与伴矿景天这两种重金属超富集植物对Cd/Zn复合污染土壤的修复效果，旨为重金属Cd/Zn复合污染土壤的植物修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试植物

Cd/Zn超富集植物东南景天和伴矿景天采自浙江衢州古老铅锌矿山。

1.2 供试土壤

盆栽试验土壤取自广东省韶关市仁化县董塘镇某重金属污染农田，自然风干后过6 mm筛（韶关是中国著名的有色金属之乡，也是重金属铅锌镉污染突出的地区）。根据《土壤环境质量标准》（GB 15618—2018），盆栽供试土壤主要为Cd、Zn复合污染、镉超标11.8倍的镉重度污染土壤，且pH值较低。韶关试验田位于广东省韶关市仁化县董塘镇某重金属污染农田，主要为Cd、Zn复合污染，pH值较低。东莞试验田位于东莞沙田镇某重金属污染农田，为Cd单一污染，pH值偏弱酸性。盆栽及田间试验土壤基本理化性质详见表1。

1.3 试验设计

（1）盆栽试验：装土2.5 kg·pot-1，分别种植东南景天与伴矿景天，5 plant·pot-1，每处理3个平行，种植全程采用底盘浇水。试验跨度两年，每年采集景天2次，采集土壤1次。试验景天第一季从2016年11月份种植到2017年4月份，剪取植株地上部留根部继续生长；第二季从2017年4月份生长到2017年6月份，剪取植株地上部和采土壤样品；第三季从2017年10月份种植到2018年4月份，剪取地上部分留根部继续生长；第四季从 2018年 4月份生长到2018年6月份，剪取地上部分并采土壤样品。

（2）田间试验：从2016年11月种植，到2017年5月收获，共种植6个月。分别种植东南景天与伴矿景天，株行距10 cm×10 cm，每小区2 m×2 m，4个平行。

1.4 样品采集与处理

（1）土样的采集和处理

用竹制采样器采样，盆栽试验每盆土采集5个点土样，采样深度为整个土层厚度，约12 cm；田间试验每个小区沿S形路线采集5个点土样，采样深度为20 cm，混合为1 kg左右土样。样品运回实验室，风干，粉碎，过0.850 mm和0.0750 mm的尼龙筛，贮存于封口袋中备用。

（2）景天的采集和处理

盆栽及田间试验均用不锈钢剪刀剪取植株地上部，置于编号封口袋中，带回实验室，用自来水冲洗干净，再用蒸馏水漂洗3遍，晾干加液氮冷冻固化后用搅拌机粉碎，贮存于封口袋中，备用。

1.5 测定方法与数据分析

土壤测定项目的分析方法参考《土壤农化分析》（鲍士旦，2000）。

阳离子交换量（CEC）：氯化钡法，采用Optima 8000型ICP-OES测定。有机质：重铬酸钾-外加热法。碱解氮：碱解扩散法。有效磷：0.05 mol·L-1HCl-0.025 mol·L-1（1/2H2SO4）浸提法，Spectrumlab S22PC可见分光光度计比色测定。速效钾测定：醋酸铵浸提法，采用Optima 8000型ICP-OES测定。土壤pH值：玻璃电极法，水土比（V∶m）为2.5∶1.0，采用Sartorius PB-10型pH计测定。土壤总Cd、Zn质量分数：用 HF、HCl、HNO3、HClO4的混合酸（体积比 10∶4∶4∶2）于 250 ℃消解，用 GSS-16、GSS-27土壤标准物质进行质量控制，测定以Rh作内标，采用NexION 300X型电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定。土壤 Cd有效态质量分数：采用DTPA-TEA浸提法，采用NexION 300X型ICP-MS测定。植物Cd、Zn质量分数：样品经过微波消解后，采用NexION 300X型ICP-MS测定。植物含水率：采用重量法。

数据处理采用Excel和SAS 9.0分析软件，SAS中多重比较的显著性分析基于0.05水平。

2 结果与分析

2.1 盆栽试验结果分析

2.1.1 两种景天地上部的生物产量

共种植了4季景天，各季生物产量（以干重计）见图 1。东南景天和伴矿景天第一季的生物量分别为 20.9 g·pot-1和 17.5 g·pot-1，第二季为 6.02 g·pot-1和 6.49 g·pot-1，第三季为 15.0 g·pot-1和 11.9 g·pot-1，第四季为 1.96 g·pot-1和 2.14 g·pot-1。第一季与第三季东南景天生物量显著高于伴矿景天，东南景天与伴矿景天生物量均表现出第一季＞第三季＞第二季＞第四季，呈显著递减趋势。

2.1.2 两种景天Cd、Zn质量分数对比

对每季盆栽的东南景天和伴矿景天进行 Cd、Zn质量分数测定，结果见图2。图2a显示，从第一季到第四季，东南景天Cd平均质量分数分别为219、194、97.6、65.6 mg·kg-1，伴矿景天 Cd 平均质量分数分别为 263、202、90.5、53.6 mg·kg-1，两种景天 Cd质量分数均呈显著降低趋势。结合各季景天生物量，东南景天第一到第四季对Cd的提取量分别为 4.56、1.17、1.47、0.129 mg·pot-1，伴矿景天的分别为 4.61、1.31、1.08、0.115 mg·pot-1。如表2所示，东南景天和伴矿景天对Cd的总提取量分别为 7.33 mg·pot-1和 7.12 mg·pot-1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

图1 东南景天和伴矿景天地上部的生物量（g·pot-1，DW）Fig. 1 Biomass production of Sedum alfredii and Sedum plumbizincicola(shoots) in pot experiment (g·pot-1, DW)

图2 东南景天和伴矿景天的Cd、Zn质量分数（mg·kg-1，DW）Fig. 2 Heavy metal contents in Sedum alfredii and Sedum plumbizincicola of the 4 croppings in pot experiment (mg·kg-1, DW)

图2b显示，从第一到第四季，东南景天Zn平均质量分数分别为 18883、11580、11830、6772 mg·kg-1，伴矿景天的为19660、7964、9583、6597 mg·kg-1。4个季节比较，两种景天 Zn质量分数均呈显著降低趋势。结合各季景天生物量，东南景天对 Zn 提取量分别为 394、69.7、178、13.3 mg·pot-1，伴矿景天对Zn提取量分别为344、51.7、114、14.1 mg·pot-1。如表2所示，东南景天和伴矿景天对Zn的总提取量分别为 655 mg·pot-1和 524 mg·pot-1。

表2 两种景天对重金属Cd、Zn生物富集系数Table 2 Bioconcentration factors of two kinds of Sedum in the first and third croppings of pot experiment

2.1.3 土壤Cd、Zn质量分数变化

图3a显示，在2016年试验前、2017年两季后、2018年四季后，种植东南景天的土壤Cd平均质量分数分别为3.51、1.17、0.46 mg·kg-1，伴矿景天的的为 3.44、1.05、0.55 mg·kg-1。结合每盆土壤重 2.5 kg，种植东南景天的土壤在 2017年降低了 5.86 mg·pot-1，在 2018 年降低了 1.77mg·pot-1；种植伴矿景天的土壤在 2017年降低了 5.98 mg·pot-1，在2018年降低了1.24 mg·pot-1。综上，如表2所示，种植东南景天的土壤 Cd质量分数两年总共降低7.63 mg·pot-1，降低率达到 86.9%，提取贡献达到96.1%；种植伴矿景天的土壤Cd质量分数两年共降低7.22 mg·pot-1，降低率达到83.9%，提取贡献达到98.6%。

图3b显示，在2016年试验前、2017年两季后、2018年四季后，种植东南景天的土壤 Zn平均质量分数分别为865、614、516 mg·kg-1，种植伴矿景天的为 852、638、577 mg·kg-1。结合每盆土壤重 2.5 kg，种植东南景天的土壤于2017年和2018年分别降低了 629 mg·pot-1和 245 mg·pot-1；种植伴景天的土壤降低了 533 mg·pot-1和 152 mg·pot-1。综上，如表 3所示，种植东南景天的土壤Zn质量分数两年总共降低874 mg·pot-1，降低率为86.9%，提取贡献达75.0%；种植伴矿景天的土壤Zn质量分数两年总共降低685 mg·pot-1，降低率为32.2%，提取贡献达76.5%。

图3 两年盆栽试验土壤Cd、Zn质量分数变化Fig. 3 Changes of content of Cd and Zn in soil after 2 years in the pot experiment

表3 两种景天对重金属Cd、Zn总提取量及修复效率（2年）total extract quantityTable 3 Cd/Zn extraction amount and remediation efficiency of two kinds of Sedum in the pot experiment (2years)

2.1.4 两种景天重金属生物富集系数及修复效率对比

重金属超累积植物生物富集系数（Bioconcentration Factor）是指植物重金属质量分数与土壤中相应重金属质量分数的比值，是评价修复植物对重金属吸收累积能力的重要指标（Mcgrath et al.，2003）。本盆栽试验是按年度在种植第一、三季景天前采集土壤样品，对比第一、三季试验中两种景天对重金属Cd、Zn生物富集系数（表2）。在第一季试验中，东南景天和伴矿景天对Cd生物富集系数分别为62.6和76.6，对Zn生物富集系数为21.8和23.1，二者比较均无显著性差异。到第三季试验时，东南景天、伴矿景天对Cd生物富集系数均有提高，分别为84.3、86.3，仍无显著性差异；但是对 Zn生物富集系数均为降低，分别为19.3、15.0，且此时东南景天对Zn生物富集系数显著高于伴矿景天。

植物修复效率以植物可收获部分提取的重金属总量占污染土壤中重金属总量的百分比表示（骆永明等，2015）。对比两种景天的重金属修复效率（2年）可知（表3），对Cd/Zn复合污染土壤中的重金属元素 Cd、Zn，东南景天修复效率分别为83.5%、30.3%，伴矿景天的修复效率分别为82.8%、24.6%。因此，在盆栽试验条件下，东南景天重金属修复效率高于伴矿景天。

2.1.5 土壤有效态Cd、Zn质量分数变化情况

处理前后对比，土壤中的有效态Cd、Zn质量分数均逐年显著降低（图4）。图4a显示，种植东南景天的土壤中有效态 Cd平均质量分数分别为1.63、0.62、0.28 mg·kg-1，分别占土壤 Cd 全量的46.3%、52.1%、51.3%；种植伴矿景天的土壤中Cd平均质量分数分别为1.76、0.60、0.29 mg·kg-1，占土壤Cd全量的51.1%、56.3%、50.1%。图4b显示，种植东南景天的土壤中有效态 Zn平均质量分数分别为 116、65.4、30.5 mg·kg-1，分别占土壤 Zn全量的16.0%、12.0%、6.53%；种植伴矿景天的土壤中Zn平均质量分数分别为 133、81.2、45.0 mg·kg-1，占Zn全量的18.8%、14.7%、9.04%。

2.2 田间试验结果分析

2.2.1 两种景天重金属质量分数及产量情况

韶关田间试验结果表明（表4），东南景天地上部生物产量为2098 kg·hm-2，Cd质量分数为162.6 mg·kg-1，Zn 质量分数为 13713 mg·kg-1；伴矿景天地上部生物产量为 4036 kg·hm-2，Cd质量分数为160.7 mg·kg-1，Zn 质量分数为 12313 mg·kg-1。如表6所示，东南景天对Cd和Zn的提取量分别为341 g·hm-2和 28.8 kg·hm-2；伴矿景天对 Cd 和 Zn的提取量为 649 g·hm-2和 49.7 kg·hm-2。

东莞田间试验结果表明（表4），东南景天地上部生物量为 1372 kg·hm-2，Cd质量分数为 25.8 mg·kg-1，Zn 质量分数为 1699 mg·kg-1；伴矿景天地上部生物量为2962 kg·hm-2，Cd质量分数为16.4 mg·kg-1，Zn 质量分数为 801 mg·kg-1。如表 6 所示，东南景天对Cd和Zn的提取量为40.1 g·hm-2和2.60 kg·hm-2；伴矿景天对 Cd和 Zn的提取量为 49.3 g·hm-2和 2.40 kg·hm-2。

图4 土壤有效态Cd、Zn质量分数变化Fig. 4 Changes of DTPA-extractable Cd and Zn content in soil in the pot experiment

表4 东南景天与伴矿景天产量、重金属质量分数及生物富集系数Table 4 Biomass production, heavy metal contents and bioconcentration factors of two kinds of Sedum in field experiment

两地试验田均表现为为伴矿景天生物量显著高于东南景天。这是由于两地试验田到5月份雨水增多后，东南景天均表现出生病腐烂，而伴矿景天长势仍然很好，说明伴矿景天在野外环境下比东南景天具有更好的适应性及生长能力。但是两地东南景天对Cd、Zn的重金属生物富集系数均显著高于伴矿景天（表4）。

2.2.2 土壤重金属质量分数变化情况

对比试验前后土壤Cd质量分数可知，种植景天能使土壤中的Cd、Zn质量分数显著降低。韶关田间试验结果表明（表 5），种植东南景天前后土壤 Cd质量分数分别为 1.38 mg·kg-1和1.07 mg·kg-1，降低率达 22.3%；土壤 Zn质量分数分别为 501 mg·kg-1和 462 mg·kg-1，降低率达 7.86%。种植伴矿景天前后土壤 Cd质量分数分别为 1.71 mg·kg-1和0.93 mg·kg-1，降低率达45.2%；土壤Zn质量分数分别为 585 mg·kg-1和 505 mg·kg-1，降低率达13.7%。从表6得知，种植东南景天的土壤中Cd、Zn 质量分数分别降低了 800 g·hm-2、102 kg·hm-2，其中东南景天的提取贡献率分别为42.6%、28.1%，对土壤Cd、Zn的修复效率分别为9.52%、2.21%；种植伴矿景天的土壤中Cd、Zn质量分数分别降低了 2006 g·hm-2、208 kg·hm-2，其中伴矿景天的提取贡献率分别达32.3%、23.8%，对土壤Cd和Zn的修复效率分别为14.6%和3.27%。

东莞田间试验结果表明（表 5），种植东南景天前后土壤Cd质量分数分别为0.48、0.43 mg·kg-1，降低率为11.0%；土壤Zn质量分数分别为134、122 mg·kg-1，降低率为8.60%。种植伴矿景天前后土壤Cd质量分数分别为0.57、0.52 mg·kg-1，降低率为8.51%；土壤 Zn质量分数分别为 135、120 mg·kg-1，降低率为10.6%。从表6得知，种植东南景天的土壤中Cd、Zn质量分数分别降低了138 g·hm-2、29.9kg·hm-2，提取贡献率分别为 29.2%、8.71%，对土壤Cd、Zn的修复效率分别为3.20%、0.75%；种植伴矿景天的土壤中 Cd和 Zn质量分数分别降低了126 g·hm-2和 37.2 kg·hm-2，提取贡献率为 39.2%和6.46%，对土壤 Cd和 Zn的修复效率为 3.33%和0.69%。

表5 田间试验前后土壤重金属Cd、Zn质量分数变化Table 5 Changes of content of Cd and Zn in soil in the field experiment mg·kg-1

表6 两种景天对重金属Cd、Zn提取量及修复效率（1年）Table 6 Cd/Zn extraction amount and remediation efficiency of two kinds of Sedum in the field experiment (1 year)

表7 田间试验前后土壤有效态Cd、Zn质量分数变化Table 7 Changes of DTPA-extractable Cd and Zn content in soil in the field experiment mg·kg-1

韶关田间试验显示，伴矿景天对Cd、Zn的总提取量及总降低量均显著高于东南景天，对重金属的修复效率高于东南景天，但是，东莞田间试验却没有表现出很好的差异性。这可能是由于韶关试验田土壤Cd、Zn质量分数较高而pH值较低，利于景天对重金属的吸收累积；而东莞试验田土壤Cd、Zn质量分数较低且pH值接近中性，景天对重金属的吸收累积有限。

2.2.3 土壤重金属有效态质量分数的变化

韶关田间试验结果（表 7）表明，种植两种景天均能使土壤重金属有效态Cd、Zn质量分数显著降低。种植东南景天前后土壤有效态Cd质量分数分别为0.68、0.55 mg·kg-1，降低率为18.4%；土壤有效态Zn质量分数分别为57.0、47.9 mg·kg-1，降低率为 16.1%。种植伴矿景天前后土壤有效态 Cd质量分数分别为 0.79、0.44 mg·kg-1，降低率达44.8%；土壤有效态Zn质量分数分别为77.0、41.7 mg·kg-1，降低率达 45.8%。

东莞田间试验结果（表 7）表明，种植两种景天前后，土壤中的有效态Cd、Zn质量分数并没有显著性差异，而且种植后的土壤有效态Cd、Zn质量分数均有一定程度的提高。这可能是由于景天根系对土壤重金属起到了一定的活化作用，以利于其吸收。

3 讨论

本研究结果表明，超累积植物东南景天与伴矿景天对酸性Cd/Zn复合污染土壤具有很好的提取修复效果。这与前人的研究结果相一致，周建利等（2014）在大田条件下将东南景天与玉米间套种， 3年后土壤镉从 1.21－1.27 mg·kg-1降为 0.29－0.30 mg·kg-1，锌从 280－311 mg·kg-1降为 196－199 mg·kg-1。刘维明等（2016）在广西大环江流域重金属污染土壤中种植的东南景天，土壤中镉的去除效率能达到12.23%。本研究在盆栽试验中，试验前后种植东南景天与伴矿景天的土壤中Cd质量分数分别降低了86.7%、83.9%，Zn质量分数分别降低了40.4%、32.2%；在韶关田间试验前后种植东南景天与伴矿景天的土壤中 Cd质量分数分别降低了28.1%、51.7%，Zn质量分数分别降低了 7.86%、13.7%。但是，东莞田间试验结果显示，种植两种景天前后土壤Cd质量分数降低率很小，可能跟土壤Cd质量分数较低且pH值偏中性有关，说明两种景天均更适合用于韶关酸性Cd中重度污染土壤的修复。

但是，目前有关伴矿景天和东南景天修复能力及环境适应性方面的对比研究仍然很少。李盛（2013）曾经将伴矿景天和东南景天组培苗置于含有不同浓度CdCl2的培养基中同时培养两个月，发现伴矿景天的整体生长趋势都明显好于东南景天，说明在组培条件下伴矿景天比东南景天对Cd有更高的抗性。本研究发现，在盆栽试验每年新种的一、三季中，东南景天的长势及产量均显著优于伴矿景天；但是在韶关及东莞田间试验均表现出在野外环境下伴矿景天的长势及环境适应性优于东南景天，因此伴矿景天的产量显著高于东南景天。

重金属超累积植物地上部分的生物量及其对土壤重金属生物富集系数是决定其修复能力和效果的两大最重要指标（Rascio et al.，2011）。本研究盆栽试验中，东南景天、伴矿景天对Cd生物富集系数第一季分别为 62.6、76.6，第三季分别为84.3、86.3，且无显著性差异；两种景天在第一季时对 Zn的生物富集系数无显著性差异，在第三季时东南景天对 Zn的生物富集系数显著高于伴矿景天；但是在第一、三季东南景天的生物产量显著高于伴矿景天。由此说明，在盆栽试验条件下，东南景天对Cd、Zn的提取修复能力高于伴矿景天。在韶关田间试验中，东南景天对Cd、Zn的生物富集系数分别为118、27.4，均显著高于伴矿景天对Cd、Zn生物富集系数（94.2、21.0）；在东莞田间试验中，东南景天对Cd、Zn的生物富集系数分别为51.6、12.5，均显著高于伴矿景天对 Cd、Zn生物富集系数（28.3、5.98）。本研究田间试验结果与韩存亮等（2018）在粤北某矿区周边镉锌污染稻田的研究结果伴矿景天地上部对Cd和Zn的生物富集系数分别在83.5－100和10.0－14.5之间基本一致。但是田间试验中伴矿景天的适应性强，产量达到东南景天的1.92倍，说明在野外试验条件下，伴矿景天对Cd、Zn的提取修复能力高于东南景天。

此外，在本研究盆栽试验中，东南景天对土壤Cd、Zn修复效率（2年）分别为83.5%、30.3%，明显高于伴矿景天对土壤 Cd、Zn的修复效率（82.8%、24.6%），进一步说明在盆栽试验中东南景天对Cd、Zn的提取修复效果高于伴矿景天。刘玲等（2009）研究表明，在田间试验条件下，伴矿景天对土壤Cd、Zn的吸取修复效率分别可以达到21.1%和4.60%。本研究韶关田间试验中伴矿景天的土壤Cd、Zn修复效率（1年）分别能达到14.6%、3.27%。在相同条件下，东南景天的土壤 Cd、Zn修复效率分别为9.52%、2.21%，显著低于了伴矿景天。因此同样说明了在田间伴矿景天对Cd、Zn的提取修复效果高于东南景天。

4 结论

（1）盆栽试验表明，种植东南景天和伴矿景天2年后，二者分别使土壤中的Cd质量分数分别从3.51 mg·kg-1降到0.46 mg·kg-1及从 3.44 mg·kg-1降到0.55 mg·kg-1，植物提取贡献率均达到90%以上。种植东南景天的土壤Zn质量分数从865 mg·kg-1降为516 mg·kg-1，伴矿景天使土壤Zn质量分数从852 mg·kg-1降为577 mg·kg-1。东南景天与伴矿景天对酸性Cd/Zn复合污染土壤均具有很好的提取修复效果。

（2）田间试验表明，韶关种植东南景天的土壤Cd 质量分数从 1.38 mg·kg-1降为 1.07 mg·kg-1、Zn质量分数从 501 mg·kg-1降为 462 mg·kg-1，对 Cd 和Zn的修复效率分别为9.52%和2.21%；种植伴矿景天的土壤 Cd质量分数从 1.71 mg·kg-1降为 0.93 mg·kg-1、Zn 质量分数从 585 mg·kg-1降为 505 mg·kg-1，对 Cd和 Zn的修复效率分别为 14.6%和3.27%。韶关及东莞田间试验均显示伴矿景天在野外环境下比东南景天具有更好的适应性及生长能力，生物量更高。

（3）在盆栽条件下，东南景天对重金属 Cd、Zn修复能力与效果好于伴矿景天，但在野外田间条件下，伴矿景天对Cd、Zn的提取修复效果好于东南景天。