七种本土植物对土壤中镉的富集效果比较研究

王振艳 丁军 孙向辉 赵京 陈婉秋

摘要：针对河南省新乡市王村镇及其周边地区镉污染现状，选取7种长势较好的本土植物，对其镉富集特征和修复效果进行了对比分析。结果表明，草本植物的镉耐受能力整体高于灌木或乔木，但紫薇（Lagerstroemia indicaL）表现出较高的富集能力和转移系数;狗尾草[Setaria viridis（L）Beauv.]根中镉含量达82.5 mg/kg，根部富集系数为3.149;苋菜（Amaranthus tricolor L）各部分镉含量、转移系数和富集系数在7种植物中均处于优势地位。综合分析认为，苋菜、狗尾草和紫薇可作为该区域Cd高富集植物来净化土壤。

关键词：镉污染;土壤修复;本土植物;富集特征

中图分类号：X53

文献标识码：A

文章编号：0439-8114（ 2020）12-0061-03

DOl：10.1408 8/j .cnki.issn043 9- 8114.2020.12.012

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

2014年环保部与国土资源部发布《全国土壤污染状况调查公报》，结果显示，全国土壤总的点位超标率为16.1%，污染类型以无机型为主，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%，重金属污染物镉点位超标率为7.0%[1]。镉是毒性较强的重金属元素，在环境中具有生物遷移性强、毒性持久、难降解等特点[2]，不仅会引起土壤功能失调、土质下降，还会通过食物链富集、转移，长期摄人受到镉污染的食品，会造成镉在体内蓄积，从而危害人类的生命和健康。因此对镉污染农田土壤的治理已经引起国内外的广泛重视。

河南省新乡市被中国轻工业联合会、中国电池工业协会联合授予“中国电池工业之都”荣誉称号。王村镇位于新乡市西北部，地理坐标东经113°50'10”-113°52'17”，北纬35°20'57”-35.21 '50”。自20世纪80年代，该区域企业开始生产镍铬电池，聚集几十家电池及其配套企业，由于工艺水平落后、缺乏配套的污染防治措施，污染物通过大气沉降、污水灌溉、固废随意堆放等形式进入环境中造成不同程度的重金属污染。21世纪初期，牧野区政府采取强力措施，按照“断水断电、拆除设备、清除原料、恢复原貌”的标准，先后取缔和关闭了当地的涉重金属作坊式企业和涉海绵镉或氧化镉企业生产线，基本消除了涉镉污染源。但是，经过30多年的积累，给周边的居住用地、耕地及其工业场地环境造成了不同程度的污染，其中镉污染土壤已对农业生产和人群健康产生一定影响。因此，镉污染土壤治理修复势在必行。

镉污染土壤修复技术按其修复机理可分为物理修复、化学修复和生物修复。植物修复技术是指利用植物吸收、固定、降解、挥发、根滤等作用固定土壤、沉积物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染物的原位修复技术[3]。因其具有成本低廉、操作简便、应用范围广、有利于改善生态环境等优点，得到了很大的发展。植物修复技术的关键是筛选对重金属镉具有一定耐性和富集能力强的植物，通过其生长将污染物吸收并转移贮藏到植物茎、叶等地上部分。据统计，发现的对重金属具有累积作用的超富集植物400多种[4]。由于镉是植物非必需的有毒元素，植物对其吸收量很少，发现的镉超富集植物较少。近年来发现的镉超富集植物达20余种[5]，如印度芥菜（镉最高累积量>100 mg/kg）[6]、天蓝遏兰菜（镉最高累积量3 200 mg/kg）[7]、杨桃（镉最高累积量487mg/kg）[8]等。但这些超富集植物在不同地域随着环境条件和土壤理化性质等的改变，并不能大范围推广使用[9]。因此，通过对污染地块长势良好的本土植物或种植植物进行试验分析，探索这些植物对镉的吸收、富集和迁移特点，筛选出具有较强富集能力的植物品种，为区域性镉污染土壤的修复及相关研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤和植物

根据该区域前期场地调查和环境风险评估报告得知，所选试验地块土壤中镉的平均含量为26.2mg/kg。河南省A层土壤中镉的平均背景值是0.074 mg/kg[10]，该试验地块镉含量为河南省背景水平的354倍。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（ GB15618-2018）中规定，当pH>7.5时，镉的风险筛选值为0.6 mg/kg，风险管制值为4.0 mg/kg，由此可以判断本试验地块土壤中镉的平均含量超出农用地土壤污染风险筛选值约43倍，超出农用地土壤污染风险管制值约6倍。本次试验选取该污染地块中长势良好的7个品种作为供试植物，其中有一年生草本植物狗尾草、苋菜、小蓬草共3个品种，种植2年的乔木和灌木树种有紫薇、冬青、梧桐、木槿共4个品种。各种植物的基本信息如表1所示。

1.2 样品的采集与处理

在选定的试验场地随机采集7种供试植物的根、茎、叶样品带回实验室，依次用自来水、去离子水清洗3次，在120℃下杀青30 min，然后在80℃条件下烘干至恒重，最后将干样粉碎、称重备用。

1. 3样品测定

准确称取粉碎后的植物样品0.1 g，加入体积比为4：1的HNO3-HCIO4混合液10 mL，采用微波密闭消解系统在190℃、2.5x10⁶Pa下进行消解2 min，消解液中Cd含量采用石墨炉原子吸收分光光度计测定。

2 结果与分析

2.1 各类植物不同器官的镉富集量和富集系数

超富集植物是指能利用根部吸收高浓度的重金属，并将吸收的重金属富集在根、茎、叶里。通常草本植物重金属富集能力高于灌木和乔木[11]。由图1和图2可以看出，各类植物对镉的富集量和富集系数整体趋势是草本植物>灌木>乔木。而落叶灌木紫薇表现出较强的镉富集能力，地上部分镉含量和富集系数均大于草本植物狗尾草和小蓬草。不同植物地上部分Cd含量有较大差别，其中，苋菜、紫薇茎中Cd含量分别为51.0、16.5 mg/kg，茎部富集系数分别为1.947和0.630，叶中Cd含量分别为47、32mg/kg，叶部富集系数分别为1.794和1.221，两种植物的地上部分表现出较强的Cd富集能力。其他几种植物茎、叶中Cd含量均较低，茎、叶部Cd富集系数均小于1，对Cd的富集能力处于较低水平。

植物根系主要通过吸附、沉淀等方式降低土壤中重金属的可移动性和有效性，防止污染物流失和扩散。根系对镉的吸收效率除了受生物量影响外，还取决于土壤中根一土交互界面镉的生物有效性，生物有效性主要受土壤理化性质和根系分泌物的影响，根系分泌物可通过交互界面重金属离子的吸附一解吸、配位一电离等化学反应促进重金属的吸收[12];同时重金属也可刺激根系分泌小分子有机酸提高重金属的生物有效性[13]。结果（图1和图2）显示，狗尾草和苋菜根中镉含量分别为82.5、35.0 mg/kg，根部富集系数分别为3.149和1.336，具有较强的富集能力。

2.2 各类植物不同器官的镉转运系数

根茎转移系数是衡量植物将根部重金属向茎、叶部分转运能力的重要指标之一。由图3可见，苋菜、小蓬草和紫薇的根茎转移系数分别为1.457、1.092、1.571，均大于1，表明根部对Cd具有较强的转运能力。小蓬草、紫薇、冬青、梧桐的茎叶转移系数分别为1.589、1.939、2.569、2.818，均大于1，说明这4种植物茎中Cd向叶中转移能力较强。这些富集了重金属Cd的植物器官会通过腐烂、落叶等途径使重金属元素重返土壤，因此必须通过收割地上部分和清扫落叶等方式来收集富集了重金属的植物器官，并将其通过焚烧、高温分解、灰化、压缩填埋等途径进行无害化處理。狗尾草根系耐受性好于地上部分，大部分吸收的镉贮存在根系中，但转运能力相对较差，根茎转运系数和茎叶转运系数均小于1。

3 结论及建议

本试验对狗尾草、苋菜、小蓬草3种一年生草本植物和紫薇、冬青、梧桐、木槿4种种植两年的乔木和灌木树种进行了不同部位Cd含量的测试分析，以期筛选出富集能力强、适合Cd污染土壤修复的植物品种。结果表明，一年生草本植物中狗尾草和苋菜对Cd呈现出显著的富集特征，从根茎转移系数和地上部富集系数来看，苋菜具有较高的富集和转运能力;小蓬草的各部位富集系数均较低，但根茎转移系数大于1。两年生乔木和灌木树种中，紫薇表现出较高的富集能力和转移系数;紫薇、冬青、梧桐均有较高的茎叶转移系数;木槿的各部位富集系数和转运能力均较低。综合分析认为，狗尾草、苋菜和紫薇可作为该区域Cd高富集植物来净化土壤。

本试验供试植物直接取自污染地块，与污染场地自然土壤环境条件完全一致，筛选出的镉高富集植物可直接推广应用于污染地块的修复治理。有研究认为，镉超富集植物应该具备的基本特征包括：植物地上部镉含量应达100 mg/kg;转运系数大于1;植物地上部富集系数大于1;植物对镉有较强的耐性，即能在污染场地正常生长且地上部生物量没有减少[14]。而本次试验中所筛选出的镉高富集植物均未达到镉超富集植物标准，今后应进一步开展更多品种的本土植物种植试验，以期筛选出适合污染场地环境条件的镉超富集植物。

参考文献：

[1]环境保护部，国土资源部.全国土壤污染状况调查公报[J].中国环保产业，2014（5）：10-11

[2]易泽夫，余杏，吴景.镉污染土壤修复技术研究进展[J].现代农业科技，2014（9）：251-253.

[3]杨六脚，重金属污染土壤修复技术及修复实践[J].乡村科技，2016（24）：79-80.

[4]骆永明.金属污染土壤的植物修复[J].土壤，1999，31（5）：261-265.280.

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[6]孙涛，张玉秀，柴团耀.印度芥菜（BrassicajunceaL）重金属耐419292203@qq.com。性机理研究进展[J].中国生态农业学报，2011，19（1）：226-234.

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[9]茹淑华，苏德纯，王激清土壤镉污染特征及污染土壤的植物修复技术机理[J].中国生态农业学报，2006，14（4）：29-33

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[11]毕德，吴龙华，骆永明，等浙江典型铅锌矿废弃地优势植物调查及其重金属含量研究[J].土壤，2006，38（5）：591-597

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[13]卢豪良，严重玲.秋茄EKandelia candel （L）]根系分泌低分子量有机酸及其对重金属生物有效性的影响[J].生态学报，2007，27（ 10）：4173-4181

[14]魏树和，周启星，王新，等一种新发现的镉超积累植物龙葵（Solanum nigrum L）[J]科学通报，2004，49（ 24）：2568-2573

基金项目：河南省科技厅科技攻关项目（ 182102311002）;河南省科技开放合作项目（182106000054）;河南省科技攻关项目（182102311048）

作者简介：王振艳（1976-），女，内蒙古赤峰人，副教授，硕士，主要从事土壤污染控制与修复技术研究，（电话）15836106862（电子信箱）gryxshuo@163.com。