经济作物对铅污染土壤的吸附试验研究

梁 峙，芦之凡，刘喜坤，梁 骁，马 捷，孙晓虎，张双圣（.徐州工程学院 环境工程学院，江苏 徐州 08；.徐州市水利局，江苏 徐州 08；.上海财经大学 经济学院，上海　00；.中国矿业大学，江苏 徐州 008）



经济作物对铅污染土壤的吸附试验研究

梁 峙1，芦之凡1，刘喜坤2，梁 骁3，马 捷4，孙晓虎2，张双圣2
（1.徐州工程学院 环境工程学院，江苏 徐州 221018；2.徐州市水利局，江苏 徐州 221018；3.上海财经大学 经济学院，上海200433；4.中国矿业大学，江苏 徐州 221008）

摘 要：随着城市的快速发展，人们对搬迁化工类企业原厂地土壤中重金属污染日趋重视。本文利用经济作物取原污染场地土壤进行箱体种植，试验表明，山药植物地上部分吸收系数随土壤铅含量升高呈现先增大后减小的趋势，且在轻度污染农田中，修复效果最好；山药吸收的铅主要聚集在块根表皮，中轻度铅污染农田中种植的山药去皮后仍可食用；观察表明土壤铅污染程度对山药的生长影响不明显，说明山药对土壤铅有一定的耐受性，可以在铅污染农田种植。

关键词：山药作物；重金属；污染土壤；修复

0 引言

土壤是人类生存必需的资源之一，是陆生植物生活的基质和陆生植物生活的基底，不仅为植物提供必需的营养和水分，而且也是土壤动物赖以生存的栖息场所。对于人类来说，有了土壤才能发展农业、工业以及城市现代化建设。目前，由于工业搬迁企业原址中重金属废弃物的堆放与填埋，以及采矿、冶金、铅酸蓄电池企业等造成了土壤中重金属的污染越发严重。国土资源部统计表明，目前全国耕种土地面积的10％以上已受重金属污染。环保部南京环科所研究认为，华南部分城市约有一半的耕地遭受镉、砷、汞等有毒重金属和石油类有机物污染[1]。

我国普遍栽种山药，山药供人类食用的块根的主要成分是淀粉，是在叶片上合成的，合成后经过筛管运送到地下。如果块根在土壤中较少地吸收铅，茎、叶片在地上较多地吸收铅，这样就实现同时利用被污染的耕地和对土壤污染物进行修复。根据查阅的文献和实地的调查结果，决定用例如山药块根类作物来做铅金属污染土壤的试验作物。在此试验的基础上，对试验结果分析为田间中试提供可靠的数据支持和经验，实现项目的顺利完成。

1 材料与方法

对山药在铅污染的土壤中生长情况的实验是在五个1.16×1.4×0.3m的植物箱体中进行。实验选用污染场地样本土壤，对照样本选用某大学校区绿化土作为参照。先将土壤风干一天，筛去植物残渣和大颗粒的石子和固体，再用5mm的筛子将土样过筛使土样的颗粒保持均匀大小。再将有机粪肥均匀地混在过筛后的土样中，形成基肥，把它分成五等份，加入不同量的硝酸铅溶液，使土样中的铅含量呈现梯度变化。每份混合均匀后取100g土样作为初始土样留用[2]。

将混合后的土样分别装入实验植物箱体，编号为1～5，其中取1号作为空白对照，不加入硝酸铅，将实验箱体静置五天。实验所采用的植物是某地区普遍种植的山药品种。每个实验植物箱体内种植5～10棵植株，按照一定的行距种植，每两棵之间间距25cm。按照农业生产种植规律夏季开始实验，共计135天，在实验过程中，根据植株的实际生长状况进行施肥浇水等。

待山药成熟后将该植株地下根系、地上茎秆秆、叶片分别采摘单独处理，同时采集种植山药后的土壤样品各100g作为留用。将土壤样品自然风干后用陶瓷研钵研磨，将研磨过的土样过100目的尼龙筛，再用HCl-HNO3-HF-HClO4混酸消解的方法进行预处理。将采集的植株地下根系、地上茎秆秆、叶片用去离子水清洗，置于105℃的烘箱内杀青30min，再在80℃的环境下烘干2h，用陶瓷研钵研磨后过60目尼龙筛，最后用HNO3-HClO4进行预处理。

1.1 试验器材

1）器材：ZYA-QY汽油动力土壤采样器；AA6300原子吸收光谱仪，岛津；（Pb）元素灯；手持式全球定位仪（GARMIN GPS72）；便携式多参数水质检测仪（HI9143 Hanna Instruments）；5141AW型采集器。

2）标准样：（Pb标准样）（100μg/mL）。

1.2 采样点分布形式

本研究确定的采样坐标仪器为手持式全球定位仪（GARMIN GPS72），在原污染场地采集土样，采样过程中，采样点尽量避免污水排出口的干扰因素，此外还要排除包含建筑垃圾混合物、浅层积水影响、植物繁殖过剩的影响等干扰因素。

原污染场地剖面层：按照原污染场地的深度不同，在0～100cm范围内分别取五份相同分量的样本，混匀后袋装并密封，带回实验室作进一步分析。

1.3 采样时间

结合当地原污染场地环境尤其是当地堆放地形地貌、四周环境以及当地的水文天气情况，确定20天为采样周期。

1.4 原污染场的初级处理

取样品在装袋前进行简易筛选，剔除粒径较大的固体颗粒物，然后密封于聚乙烯塑料袋中，放置于阴凉处封存同时减少样品相互排除反应影响试验分析的准确性。将样本置于干燥通风处，利用自然风吹干，同时去除样品中的碎石头、植物的根系以及其他杂物，用研磨机碾碎样品，通过2mm孔径的木制筛筛选后选取筛下物，袋装封存。试验前期，取出约100g的处理后的样品，经由研磨器磨碎，通过100目尼龙筛筛选取出筛下物，袋装封存以供备用[3-4]。称取经100目木制尼龙筛筛选的筛下物的样本0.5g，在170℃下恒温干燥5h左右，然后把处理后的样本置于铂金坩埚中。采用湿法消解（硝酸—氢氟酸—高氯酸），精确称取经过粒径为0.15mm的木筛筛选后的筛下物原污染场样品0.5g置于四氟坩埚中，滴取硝酸7.5ml，高氯酸2.5ml，氢氟酸加盖10ml，隔夜放存，再置于电热板上调至355℃高温加热120min，揭去顶盖继续加热到样品几乎不含水分，冷却至25℃左右，进一步再滴入硝酸3ml+高氯酸1ml+氢氟酸4ml，仪器调至高温档加热样品直至液体中不含有任何酸，当高氯酸不再产生白烟，滴加硝酸镧5ml，将其全部转移到容量为50ml的容量瓶中，最后用水确定至容器的标准刻度线[5-6]。原污染场重金属（Pb）含量采用AA6300原子吸收光谱仪测定[7-8]。

1.5 供试材料理化性质供试材料理化性质

本实验在原污染场地进行实验，原污染场地理化性质如表1所示。

表1　原污染场理化性质

本实验供试植物，其植物苗均从当地农科所购得。

1.6 实验设计与分析方法

本实验分为Pb单因素实验进行。Pb设置0、300、500、1 000、2 000 mg/kg五个水平。具体实验设计方案如表2所示。

表2　实验方案设计

在污染场地设置五个1.16×1.4×0.3m的植物箱体，为使重金属与原污染场土壤能够充分混合，将Pb(NO3)2、Cd(NO3)2·4H2O研磨成粉状，与1 kg研磨后的原污染场土壤均匀混合，然后将重金属与原污染场土壤的混合物均匀，撒入植物箱体，再将其于植物箱体表层原污染场混合均匀，之后每块植物箱体撒入800g有机鸡粪以增加植物箱体肥力。植物箱体种植山药5～10棵植株[9-10]。

原污染场铅含量对植物生长的影响采用植物长势和产量两个方面因素表征。实验中采用植物地上部分鲜重代表长势，植物果实鲜重代表产量，山药种植120天后收获。将冲洗干净的植物按照地下根系、地上茎秆、叶片分开，将这些植物组织分别杀青、烘干，用电子天平称量各部分干重，然后将其研磨过筛备用；采集的原污染场样品首先去掉其中的植物组织，在常温下晾干，然后烘干至恒重，研磨过筛备用。

实验样品的预处理与测定工作均在山东省分析测试中心进行，由于样品量较大，在测定过程中为确保数据的可靠性，采用了10％的样品进行平行样测定。

利用Microsoft Excel、Origin7.5对论文数据进行处理做图，分析山药铅、吸收系数与转运系数随着原污染场重金属含量的变化规律。

2 结果与讨论

2.1 土壤中的铅含量对山药生长状况的影响

山药的地上茎秆的长度一般在为0.6m左右，但是由于实验箱体的大小有限，导致其中的山药的地上茎秆的长度都大致在0.5m，且在不同的铅含量的土样中生长的山药，其地上茎秆的长度区别不大[3]。山药在五个实验箱体中的产量呈现出先增大后减小的趋势，但是变化不明显，分别是1 290 g、1 450g、1 440g、1 330g、1 210g。

2.2 不同土壤铅含量对山药修复效果的影响

用种植前后土样中的铅含量变化和变化率来表示山药对土壤中的铅污染的修复情况。铅含量的变化率是指山药种植前后土样中铅含量的减少量与原始土样中铅含量的比值。将试验数据绘制成图，如图1所示。

图1　种植前后土壤铅含量及其变化率

从图1看出，土壤铅含量从400～1 300mg/kg的四个实验中，种植山药后铅含量都有降低，能明显地看出五号箱体的铅含量降低程度最大，土壤中的铅含量在种植前后减少了449mg/kg，随着土壤铅含量的增大，变化率也在增大。可以得出：把山药种植在铅含量不大于1 300mg/kg的土壤中，可以对土壤进行修复，而且随着土壤的铅含量的升高，修复效果也会加强。

2.3 不同土壤中的铅含量对山药块根的铅吸收量的影响

山药-1、山药-2、山药-3分别代表山药块根由内到外的3个部分，其中山药-3代表山药块根的外表皮。山药不同部分的铅含量测试结果见表3。

表3　山药块根中的铅含量（mg/kg）

从表中得知，山药块根对的外表其对土壤中的铅的富集量较大，最高的五号箱体，达到7.2231 mg/kg块根芯的富集量较少，在1、2号中都未监测出铅的含量。当土壤铅含量达到732 mg/kg时，山药块根芯的铅含量还在国家食品安全标准对污染物限值（GB2762-2012）的要求（＜0.2 mg/kg）范围内，只是山药块根表皮的铅含量超过了标准限值；当土壤铅含量≥1000 mg/kg，无论是块根表皮还是芯的铅含量都超过标准限值，这样的食品存在安全问题[4]。

试验认为将山药种植在铅中度污染的土壤（铅含量不大于700 mg/kg）中，食用时只要去皮或者用在淀粉制品上都是安全可靠的。随着土壤中铅含量的上升，块根的芯对铅的吸收量呈现出先慢后快的趋势，但是块根的表皮表现出的规律与块根的芯正好相反。

2.4 山药的地上茎秆、叶片部分对土壤中的铅的吸附状况

常用富集系数或者吸附指数来衡量植物对土壤重金属的修复情况。吸收指数是指植物体中的铅含量与其生长的土壤中的铅含量的比值。图2中是山药地上部分总的吸收系数和地上茎秆、叶片的吸收系数随土壤铅含量的变化趋势。

从图中的变化趋势可以看出，地上茎秆、叶片对铅的吸收系数都是随着铅含量的升高先变大后变小。能从图中看出地上茎秆的铅吸收系数大于叶片，所以地上茎秆对于土壤铅的吸收能力强于叶片。叶片的吸收系数在土壤铅含量450～550 mg/kg时达到最大值，约2.2 ％；而地上茎秆的吸收系数则在380～450 mg/kg的土壤铅含量下达到最大值5.3％。综合分析山药地上部分的吸收系数，也是随着土壤铅含量的升高先增大后减小，在400～500 mg/kg土壤铅含量之间达到最大值。因此，山药种植在轻度铅污染的土壤中，其地上部分能起到对污染的最佳修复效果[5]。

3 结论

对不同含量铅污染土壤中山药地上、地下不同组织铅含量进行比较，得出以下结论。

1）山药地上部分吸收系数随土壤铅含量升高呈现先增大后减小的趋势，且在轻度污染农田中，修复效果最好。

2）通过观察山药在不同铅含量土壤中的生长情况和产量，可以发现土壤铅污染的程度对山药的生长影响不明显，说明山药对土壤铅有一定的耐受性，可以在铅污染农田种植。

3）通过对山药块根铅含量的分析可以看出，山药吸收的铅主要聚集在块根表皮。在中轻度铅污染农田中种植的山药去皮后仍可食用，仍符合国家食品安全标准。

【参考文献】

[1]张雁秋，曹文平，汪银梅.复合填料曝气生物滤池净化校园化粪池出水中的营养盐简推荐[J].徐州工程学院学报(自然科学版)，2015，30(4):45-47.

[2]刘喜坤，梁峙，肖扬，孙小虎，陈奎章.曝气生物滤柱处理生活污水工艺研究[J].徐州工程学院学报.2015，30(4): 61-65.

[3]韩伟，刘曦，黄伯骏.Box-Behnken响应面法优化枇杷叶熊果酸的提取工艺[J].徐州工程学院学报(自然科学版)，2015，30(1):62-68.

[4]高淑云.响应面法优选银杏果中异黄酮提取工艺研究[J].徐州工程学院学报(自然科学版)[J].徐州工程学院学报(自然科学版)，2014，29(4):23-28.

[5]曾义聪，陈奇，谢秋敏，李峰.颗粒粒径对海洋采矿扬矿泵固液两相流影响的分析[J].徐州工程学院学报，2013，28(2):46-52.

[6]颜家保，王巧凤，魏鑫，游海.Elizabethkingia sp.DBPWUST对邻苯二甲酸二丁酯的降解特性研究[J].徐州工程学院学报，2012，27(3):16-21.

[7]LIANG Zhi，HANBaoping，LIUHong.Optimum conditions to treat high-concentration microparticle slime water with bioflocculants[J].Mining Science and Technology，2010，20(3)478-484.

[8]高兆建，樊陈，鞠民友，杜永凯.枯草芽孢杆菌抗菌肽在食品防腐中的应用性研究[J].徐州工程学院学报，2013，28(2):67-72.

[9]LIANG Zhi， HAN Bao-ping.White-rot Fungus Growth Conditions and Its Metabolic Kinetic Models [J].Agricultural Science and Technology，2008，9(6):1-9.

[10]刘怀忠，梁峙，赵海明.益生菌共轭亚油酸奶工艺优化研究[J].徐州工程学院学报，2014，29(3):25-29.

Research on Commercial Crop Absorption Effect in Lead-Contaminated Soil

LIANG Zhi1，LU Zhifan1，LIU Xikun2，LIANG Xiao3，MA Jie4，SUN Xiaohu2，ZHANG Shuangsheng2
(1.Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221018, China; 2.Water Affairs Bureau of Xuzhou, Xuzhou 221018, China; 3.Shanghai University of Finance and Economics, Shanghai 200433, China; 4.China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

Abstract：With the rapid development of cities, the problem on heavy metal contamination in original factory sites of the removed chemical enterprises has attracted more and more concern among residents.Our research conducts on a cabinet growing experiment based on the soil from the original factory lands.According to empirical work, we summarize three main conclusions: the partial absorption coefficient of Chinese yam initially increases then decreases with soil lead levels and the soil restoration effect performs best in lightly polluted lands planted with Chinese yam; the lead absorbed by yam mainly accumulates in the root epidermis which means peeled yam in the mild contaminated lands is still edible; soil lead contamination has few influence on the growth of the Chinese yam which means yam has certain tolerance on lead pollution.In brief, Chinese yam can be planted in lead-contaminated land for soil restoration.

Key words：Chinese yam; heavy metals; contaminated soil; soil restoration

作者简介：梁 峙（1961-），男，广东中山人，博士，教授，主研方向为环境工程。

基金项目:水利部科技推广计划项目“徐州矿井废水综合生态治理示范技术”(项目编号:TG1517)，主持人刘喜坤; 江苏水利科技重点项目“徐州矿井水综合生态治理技术及开发利用模式”(项目编号:2014052)，主持人刘喜坤; 住建部科学技术计划项目“太阳能驱动一体化反应器处理分散型农村污水模块化研究”(项目编号: 2015-K6-018)，主持人梁峙；江苏省住建厅科技计划项目“农村生活垃圾高效处理技术研究”（项目编号:2015JH07），主持人梁峙; 国家建筑材料行业科技创新计划-研究开发类项目“改性锰渣烧制外墙保温轻质瓷砖研究”(项目编号:2014-M3-3)，主持人梁峙; 徐州市科技发展基金计划项目“典型企业周边土壤铅锌污染修复关键技术及综合治理示范”(项目编号:KC15SM032)，主持人梁峙。

收稿日期：2016-02-25

中图分类号：X53

文献标识码：B

文章编号：1674-943X(2016)01-0001-04