农田重金属污染土壤的植物修复工程研究

赵怡阳，陶祥运，张易旻，王燕

(浙江博世华环保科技有限公司，浙江 杭州 310015)

中国经济快速发展的几十年中，粗放的发展模式对生态环境造成了严重的破坏，农产品食用安全和人体健康风险不容忽视。2016年出台的《土壤污染防治行动计划》明确提出，要以保障农产品质量和人居环境安全为出发点，坚持预防为主、保护优先、风险管控，对突出重点区域、行业和污染物，实施分类别、分用途、分阶段治理，严控新增污染、逐步减少存量，形成政府主导、企业担责、公众参与、社会监督的污染防治体系[1]。

植物修复技术与其他修复技术相比具有治理成本低、易实施、修复后的土壤利用率高、绿色无污染等优势，成为重金属污染土壤修复领域研究的热点。我国近年土壤重金属修复技术发明专利中，针对土壤镉、铅、铜污染的植物修复专利申请比例分别达占48.4%、25.4%及21.8%，是微生物修复、化学淋洗、固化稳定化修复专利数量的1.3～8.0倍、5.3～12.2倍和2.0～7.6倍[2]。

植物修复技术关键在于筛选适宜的富集植物，例如针对镉污染土壤的甘蓝型油菜[3]、籽粒苋[4]、紫花苜蓿、伴矿景天[5]、黑麦草[6]、蓖麻[7]、东方香蒲[8]等；东南景天、东方香蒲、紫花苜蓿、黑麦草等植物可同时对多种重金属进行修复。虽然植物修复方面的研究较多，但是大多停留在盆栽或试验田研究阶段，种植规模小，工程推广实例少。同时，大多数研究对收获后富集植物的处置问题未给出合理的意见。

本研究依托湖北省大冶市土壤污染综合防治先行区中受周边工业企业复合重金属污染的农田土壤进行植物修复，结合研究区域气候条件以及土壤污染特征，探索合适的植物修复方法，以期满足相应的土壤修复工程要求，解决收获后富集植物的处置问题，为植物修复技术在土壤修复领域提供有益的工程借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究区农田位于大冶市金湖街办，属典型的大陆性季风气候，冬冷夏热，四季分明，光照充足，雨量充沛，年平均气温16.9 ℃，年无霜期261 d，年降水量为1 385.8 mm。根据研究区前期调查资料，耕地土壤主要存在镉、铜和铅污染，需要进行修复治理工程。待修复面积约为10.53 hm2，污染土壤主要集中于表层(0～20 cm)。工程修复目标为：修复后土壤中镉含量<1.0 mg·kg-1，铜含量<100 mg·kg-1，铅含量<90 mg·kg-1。修复前，研究区土壤镉含量在空间上差异性较大，污染也较为严重，具体土壤重金属含量与污染指数详见表1。土壤基本理化性质为：pH 7.45，有机质19.9 g·kg-1，全氮792 mg·kg-1，速效钾370.5 mg·kg-1，有效磷74.0 mg·kg-1。

表1 研究区土壤的重金属含量及污染指数

1.2 工程实施

本研究区农田修复工程主要采取植物修复，同时添加少量活化剂增强植物修复效果，并辅以田间管理措施。根据文献资料及田间小区试验筛选出的植物品种包括：伴矿景天(Sedumplumbizincicola)、蓖麻(RicinuscommunisL.)、籽粒苋(AmaranthushybridusL.)香蒲(TyphaorientailsPresl)、甘蓝型油菜(BrassicanapusL.)、黑麦草(LoliumperenneL.)。根据植物的生长周期轮作一年，共种植两季。工程具体实施步骤如下：

研究区待修复面积约10.53 hm2，根据研究区耕地河流水系分布及田埂，将耕地自然划分为24个小块，每个小块随机种植一种植物，每种植物种植6小块，每季每种富集植物种植面积约2.63 hm2，种植密度为3.0万～4.5万株·hm-2。第一季富集植物种植时期为2019年4—8月，种植植物为伴矿景天、蓖麻、籽粒苋和香蒲；第二季种植时期为2019年9月至2020年3月，种植植物为甘蓝型油菜、黑麦草、伴矿景天和香蒲。

田间管理包括播前翻耕(每季种植前进行)、施肥、浇水、除草等措施。其中：底肥为复合肥与有机肥按1∶1比例混拌均匀后施入，施用量为450 kg·hm-2，每季施用1次；追肥为尿素150 kg·hm-2，每季追施1次。

土壤改良主要以溶液形式施加柠檬酸活化[8-9]，用量根据田块污染程度不同，设定为270～360 kg·hm-2，第一季在植物生长前期和生长快速期分别添加，第二季于12月底与肥料一起添加。本研究区灌溉水源中的镉、铜、铅含量符合《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005)要求，肥料及活化剂中的镉、铜、铅含量符合《肥料中砷、镉、铅、铬、汞生态指标》(GB/T 23349—2009)要求。

收获的所有富集植物经晾晒、破碎处理后交由湖北省阳新县凯迪绿色能源开发有限公司进行生物质发电。

1.3 样品采集与分析

采样严格按照《农、畜、水产品污染监测技术规范》(NY/T 398—2000)要求进行。第一季采样时期为2019年9—11月，分批进行研究区土壤、富集植物的采样，每个小块分别采集土壤表层样品1份，每份样品约1 kg，共24个样品。植物采样点位置与土壤采样点相对应，采集鲜重2 kg的整株植物混合样品备用，共24个样品。

第二季采样时期为2020年4—5月，分批进行研究区土壤、富集植物的采样。第二季土壤、植物采样点位置、数量和份样量与第一季一致，总土壤样品24个，整株植物混合样品24个。

采集的样品送有资质的检测单位进行检测，检测指标为污染因子镉、铜和铅。土壤重金属的分析方法严格按照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中表4执行。植物重金属分析方法严格按照《农、畜、水产品污染监测技术规范》(NY/T 398—2000)执行。

所获数据采用Excel处理。

1.4 土壤污染物评价

土壤环境质量状况调查对污染状况的评价采用单因子指数法。根据《全国土壤污染状况评价技术规定》(环发[2008]39号)，单因子污染指数法评价模式为：

Pi=Ci/Si。

式中：Pi为土壤中污染物i的单因子污染指数；Ci为土壤中污染物i的实测数据；Si为污染物i的评价标准[10]。Pi≤1时，表示土壤未受污染物i污染；15时，表示土壤重度污染。

2 结果与分析

2.1 重金属含量变化

2.1.1 土壤

表2显示，种植第一季植物后，土壤中镉含量为0.06～5.00 mg·kg-1，平均值为1.79 mg·kg-1，铜含量为8.79～110.20 mg·kg-1，平均值为41.00 mg·kg-1，铅含量为10.12～119.96 mg·kg-1，平均值为57.60 mg·kg-1；种植第二季植物后，土壤中镉含量为0.04～0.98 mg·kg-1，平均值为0.60 mg·kg-1，铜含量为0.72～95.90 mg·kg-1，平均值为17.95 mg·kg-1，铅含量为1.82～89.30 mg·kg-1，平均值为39.45 mg·kg-1。第一、二季镉平均含量分别降低61.2%和87.0%，铜平均含量分别降低52.2%和79.1%，铅平均含量分别降低25.0%和48.6%。由此可见，经两季种植后，镉的平均降幅最大，铜次之，铅第三，有效降低了研究区土壤中镉、铜、铅含量。

表2 植物修复工程后研究区土壤重金属含量的变化

修复前、修复第一季和第二季土壤中镉的超标率分别为75.0%、62.5%和0，铜的超标率分别为29.2%、8.3%和0，铅的超标率分别为29.2%、4.1%和0。表明筛选出来的富集植物对本研究区农田土壤中镉、铜、铅的去除有积极贡献，将镉污染区由重度污染变成了无污染，铜、铅污染区由轻度污染变成了无污染，大幅降低了土壤重金属超标率，达到了土壤修复目标值。

2.1.2 植物

图1显示，第一季富集植物对镉的去除率大小顺序为籽粒苋>伴矿景天>蓖麻>香蒲，籽粒苋、伴矿景天、蓖麻、香蒲的去除率依次为75.5%、68.4%、42.8%和11.7%。第二季富集植物对镉的去除率大小顺序为黑麦草>伴矿景天>甘蓝型油菜>香蒲，黑麦草、伴矿景天、甘蓝型油菜、香蒲的去除率依次为76.4%、75.2%、48.5%和15.7%。

图1 富集植物对土壤镉、铜、铅的去除率

第一季富集植物对铜的去除率大小顺序为伴矿景天>籽粒苋>蓖麻>香蒲，伴矿景天、籽粒苋、蓖麻、香蒲的去除率依次为76.7%、63.8%、54.8%和13.8%。第二季富集植物对铜的去除率顺序为甘蓝型油菜>黑麦草>伴矿景天>香蒲，甘蓝型油菜、黑麦草、伴矿景天、香蒲的去除率依次为80.9%、80.1%、71.9%和16.6%。

第一季富集植物对铅的去除率大小顺序为伴矿景天>蓖麻>香蒲>籽粒苋，伴矿景天、蓖麻、香蒲、籽粒苋的去除率依次为55.7%、29.4%、15.9%和6.0%。第二季富集植物对铅的去除率顺序为伴矿景天>黑麦草>甘蓝型油菜>香蒲，伴矿景天、黑麦草、甘蓝型油菜、香蒲的去除率依次为67.7%、48.9%、25.2%和11.0%。

富集植物对3种重金属的去除率顺序为铜>镉>铅(表3)。其中，富集植物对镉的去除率大小顺序为黑麦草>籽粒苋>伴矿景天>甘蓝型油菜>蓖麻>香蒲；对铜的去除率为甘蓝型油菜>黑麦草>伴矿景天>籽粒苋>蓖麻>香蒲；对铅的去除率为伴矿景天>黑麦草>蓖麻>甘蓝型油菜>香蒲>籽粒苋。

表3 各季富集植物对土壤重金属的去除率

针对两季都种植的伴矿景天和香蒲，在重金属去除率上呈现不同变化。第一季伴矿景天对镉、铜、铅的去除率为68.4%、76.7%和55.7%；第二季伴矿景天对镉、铜、铅的去除率为75.2%、71.9%和67.7%。第二季伴矿景天对铜的去除率较第一季下降4.8百分点，对镉、铅的去除率较第一季增长6.8和12.0百分点。

第一季香蒲对镉、铜、铅的平均去除率为11.7%、13.8%和15.9%；第二季香蒲对镉、铜、铅的去除率为15.7%、16.6%和11.0%。第二季香蒲对铅的去除率较第一季下降4.9百分点，对镉、铜的去除率较第一季增长4.0、2.8百分点。

2.2 富集特性

植物从土壤环境中吸收重金属元素并转移到地上部植株的能力用富集系数表示。植物富集系数是植物重金属浓度与土壤中该重金属全量浓度的比值。富集系数越大，说明植物对该种重金属吸收能力越强。本次研究取整株植物中的重金属含量计算富集系数。针对镉、铜、铅富集系数的统计如图2所示。

图2 富集植物对土壤镉、铜、铅的富集特性

第一季富集植物对重金属镉的富集能力大小顺序为籽粒苋>伴矿景天>蓖麻>香蒲。籽粒苋、伴矿景天对镉表现出较好的富集能力，富集系数分别为香蒲的2倍和1.6倍。富集植物对镉的富集系数为0.79(0.09～2.34)。第二季植物对镉的富集能力大小排序为伴矿景天>黑麦草>甘蓝型油菜>香蒲。富集植物对镉的富集系数为0.81(0.09～1.46)。伴矿景天、黑麦草对镉的富集能力较强，伴矿景天、黑麦草对镉的富集能力分别是香蒲的8.1倍和7.8倍。

第一季富集植物对重金属铜的富集能力大小排序为伴矿景天>籽粒苋>蓖麻>香蒲。富集植物对铜的富集系数为0.82(0.01～1.38)。籽粒苋、伴矿景天对铜有较好的富集能力，富集系数分别为香蒲的1.3倍和1.5倍。第二季富集植物对铜的富集能力排序为甘蓝型油菜>黑麦草>伴矿景天>香蒲。富集植物对铜的富集系数为1.27(0.01～2.14)。甘蓝型油菜、伴矿景天、黑麦草对铜的平均富集系数分别为香蒲16倍、10.8倍和14.8倍。

第一季富集植物对重金属铅的富集能力大小排序为伴矿景天>蓖麻>香蒲>籽粒苋。本组富集植物对铅的富集能力较镉、铜弱，仅有一组伴矿景天样品的富集系数>1，其余均<1。富集植物对铅的富集系数为0.38(0.04～1.13)。第二季富集植物对铅的富集能力排序为伴矿景天>黑麦草>甘蓝型油菜>香蒲。富集植物对铅的平均富集系数为0.58(0.09～1.26)。伴矿景天、黑麦草对铅的富集系数分别为香蒲的6.3倍和5.4倍。

针对两季都种植的伴矿景天和香蒲，第一季种植伴矿景天对镉、铜、铅的富集系数分别为1.03、1.24和0.84；第二季伴矿景天对镉、铜、铅的富集系数分别为1.13、1.29和0.94。第二季伴矿景天对镉、铜、铅的富集能力较第一季分别增长9.7%、4.0%和11.9%。

第一季香蒲对镉、铜、铅的富集系数分别为0.14、0.07和0.12；第二季香蒲对镉、铜、铅的富集系数为0.14、0.12和0.15。第二季香蒲对镉的富集能力与第一季相同，对镉、铅的富集能力较第一季分别增长71.4%和25.0%。

综上，第一、二季富集植物对镉的平均富集能力大小顺序为籽粒苋>伴矿景天>黑麦草>甘蓝型油菜>蓖麻>香蒲；对铜的平均富集能力大小顺序为甘蓝型油菜>黑麦草>伴矿景天>籽粒苋>蓖麻>香蒲；对铅的平均富集能力大小顺序为伴矿景天>黑麦草>籽粒苋>蓖麻>甘蓝型油菜>香蒲。说明籽粒苋、伴矿景天、黑麦草、甘蓝型油菜和蓖麻可以作为潜在富集植物进行农田镉、铜、铅的土壤污染修复工程。香蒲对3种重金属富集不佳，原因可能是相对其他植物其对当时当地夏季炎热高温干燥、冬季寒冷气候条件适应性差，长势不好，生物量小，从而影响了其对重金属的吸收。

3 讨论

植物修复试验结果表明，籽粒苋、伴矿景天、黑麦草、甘蓝型油菜和蓖麻对土壤镉、铜、铅有较好的去除率。研究区内土壤中重金属去除率顺序为铜>镉>铅，土壤中镉、铜、铅的超标率分别从75.0%、29.2%、29.2%降低至0，证明富集植物轮作的方法适用于修复复合重金属污染农田土壤。伴矿景天和香蒲的富集系数均呈上升趋势，该类植物可能在多季度种植后更好地适应了当地的环境。但香蒲较其他植物富集系数较低，可能是香蒲为好水生多年生草本植物，对于田间持水量的要求较为苛刻，生物量增加速度较为缓慢所导致。整体而言，黑麦草、籽粒苋、伴矿景天、甘蓝型油菜、蓖麻对镉、铜、铅有较好的富集特性，可以作为潜在的富集植物，应用于植物修复领域。