六种乡土树种重金属富集特性试验研究

邹春萍 陈金峰 张佩霞

摘 要 有针对性地选取广东地区常见的六种绿化乡土树种进行重金属富集特性试验研究。在轻度污染的Cd-Pb-Cu土壤上，六种植物生物量均未显著下降。植物重金属富集系数与土壤重金属质量分数相关，与植株生物量没有显著相关关系。香樟、小叶榕、构树、人面子的根部Cd的富集系数大于1，石斑木地上部及根部Cd的富集系数均大于1；香樟、小叶榕、构树的根部Pb的富集系数大于1；小叶榕的根部Cu的富集系数大于1。六种植物对重金属均有不同程度的富集能力，且表现为根部富集能力大于地上部，并非超富集植物。抗逆性强、根系发达、生物量大的乡土树种可作为修复城市低Cd-Pb-Cu复合污染场地的园林植物。

关键词 乡土树种；重金属污染；植物修复；生物量；质量分数；富集系数

中图分类号：S-3；X53 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.16.006

知网出版网址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/50.1186.s.20160705.2329.003.html 网络出版时间：2016-7-5 23：29：00

城市化过程中的工业发展、城建工程的实施和居民日常生活等人类活动排放的污染物，以各种形式直接或间接地进入城市土壤，改变城市土壤的理化属性，造成城市土壤的重金属污染[1]。城市土壤 Pb、Zn、Cu、Cd等重金属多介质复合污染给人体健康带来极大的风险[2]。城市土壤为园林绿化植物提供养分，为微生物提供栖息地，对维护城市生态平衡起着重要的作用。受污染土壤是一种特殊的介质，清除其中的污染物极为困难。科学家从20世纪80年代起提出利用植物清除土壤污染的新思路，即利用超富集植物吸收土壤中的重金属，通过收割植物带走重金属，进而将重金属提纯为有用的工业原料，以达到清污和回收双重目的。其运作成本低，对环境扰动少，且能永久性解决重金属污染问题，因而在重金属污染土壤修复的应用中越来越受到重视。

有研究表明，一个环境优良的城市，林木覆盖率应达到40%；加强城市的生态建设，搞好城市绿化，才能让城市实现可持续发展。乡土植物最能适应当地气候、土壤等生态环境，是城市园林绿化的首选植物。广东自然条件优越，植物种类繁多，维管植物有8000多种，其中有着丰富的园林绿化优良乡土树种。同时，广东乡土树种大多为阔叶喜光树种，喜温暖湿润气候，主根发达，须、侧根少，深根性好[3]，生物量大，从中筛选污染修复种类具有坚实的物质基础。本研究选取的六种供试材料是广州地区常见的绿化用乡土树种，采用田间盆栽模拟实验的方法，探讨乡土树种对重金属的积累特性、土壤重金属复合污染状况对植物富集系数的影响以及富集系数与植株生物量的相关情况，以期从乡土植物中筛选出具有修复利用潜力的種类，为城市污染土壤修复提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 对照土壤

试验场地设在广东省农业科学院内（113°04′E，23°08′N），属亚热带地区海洋性季风气候，年平均气温23°C，年均降水量1860 mm，全年无霜，光照充足，雨量充沛。采用本院内鸡笼山的表层土壤为实验用土，土壤类型为红黄壤土。土壤基本理化性质测定结果：土壤pH=6.15，有机质含量为18.7 g/kg，全N、全P、全K含量分别为0.965， 0.657， 24.7 mg/kg。以未添加重金属的土壤作为对照。

1.2 污染处理土壤

土壤模拟Cd-Pb-Cu复合污染模式，往对照土壤中添加一定浓度重金属作为污染处理。具体方法是：均匀剥离地表土壤，自然风干后过4 mm筛，往土中投加Cd、Pb、Cu三种重金属，形态分别为CdCl2·2.5H2O、Pb（CH3COO）2·3H2O和CuSO4·5H2O，试剂均为分析纯等级。根据土壤背景值情况，重金属质量分数分别达到1.8 mg/kg、350 mg/kg和300 mg/kg，Cd是国家土壤环境质量标准二级标准的3倍，Pb超过二级标准，Cu是二级标准的3倍，处于轻度污染状态（见表1）。三种重金属均配成水溶液投加在土壤中，每3 d将土壤彻底翻动1次，并始终保持湿润状态，平衡30 d后待用。

根据土壤肥力状况，对照土壤及污染处理土壤均加入适量商品有机肥，有机肥的N、P、K总含量≥7%，有机质含量≥30%，施用量为300 kg/667 m2。土壤装入塑料盆中（φ=32 cm，H=25 cm，配φ>32 cm、可分离的盆托），每个盆内装土10.0 kg。

1.3 供试植物

采用六种广东绿化用乡土树种为供试植物，即香樟（Cinnamomum camphora）、石斑木（Rhaphiolepis indica）、红花羊蹄甲（Bauhinia blakeana）、小叶榕（Ficus concinna）、构树（Broussonetia papyrifera）、人面子（Dracontomelon duperreanum）。2014年4月初，选取大小一致、生长健壮、无病虫害的一年生幼苗，剪去主根，将幼苗根系浸泡于ABT生根粉溶液中（质量分数为50 mg/kg），处理时间为8 h。将浸泡处理后的树苗在基质（耕作土、细河沙质量比为3∶1）中扦插培育，待苗木长出10～12 cm长的新芽后，选取长势均匀一致的幼苗备用。

1.4 试验方法

（1）2014年5月中旬，选择长势均匀的六种植物幼苗分别栽种在对照土壤和加有三种重金属处理土壤的盆中，每盆栽种1株植物，每个处理设置12次重复，置于半控制性的遮雨塑料大棚栽培，根据盆土干湿情况，不定期浇灌不含Cd、Pb、Cu等重金属的自来水，每次浇水避免过多的水渗漏出培养盆，盆托内的水要回浇至培养盆土内，以免重金属流失。

（2）处理4个月后，于2014年9月中旬整株收获植物，植株表面先用自来水冲洗，再用去离子水反复冲洗。晾干材料表面水分，将植株置于牛皮纸袋中，先放入105℃烘箱杀青，30 min后将烘箱温度降至70℃，处理12 h，待样品至恒质量后取出。将样品分为地上部和根部，分别称量干质量，然后磨碎混合均匀。

（3）按照Chen JF等[4]的方法消解，火焰原子吸收分光光度计法测定重金属质量分数。

富集系数BCF=植株中重金属质量分数/土壤中重金属质量分数

1.5 数据处理与统计分析

实验数据采用Excel XP、SPSS 19.0进行处理和统计分析，采用单因素方差分析的最小显著性法（LSD）对不同处理间的差异性进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 植物生物量

六种植物种植在对照与处理土壤上相比，外观整体长势一致，地上部及根部生物干质量两者也没有显著差异（P<0.05），构树的地上部干重、石斑木和小叶榕的根部干重在处理土壤上还略有增加（见表2），表明植物虽然受到重金属污染但生长正常，未受明显抑制。

2.2 植物体及其不同部位对重金属的吸收特点

富集系数反映了植物对重金属的积累能力，富集系数越大，单位重量内能积累越多的重金属。由表2可见，不同乡土植物种类以及同一种植物不同器官对重金属的吸收能力明显不同：对照土壤中，三种重金属质量分数很低，香樟、构树、人面子根部Cd的富集系数大于1，石斑木地上部及根部Cd富集系数均大于1，香樟根部的富集系数远远大于其余9种植物；小叶榕根部Pb的富集系数大于1；污染土壤中，植株内三种重金属质量分数大幅提高，且香樟、小叶榕、构树、人面子根部Cd的富集系数大于1，石斑木地上部及根部Cd富集系数均大于1；香樟、小叶榕、构树根部Pb的富集系数大于1；小叶榕根部Cu的富集系数大于1。从植物地上部和根部对重金属的富集系数看，均表现为根部富集系数大于地上部富集系数。

2.3 富集系数与土壤重金属质量分数的相关性

表3为六种植物对三种重金属的富集系数与土壤重金属质量分数的相关系数。由表可见，地上部与根部的重金属富集系数与土壤中重金属质量分数均表现极显著相关，且地上部和根部相关系数接近。

由表4可见，六种植物对三种重金属的富集系数与植株地上部及根部生物量均没有显著相关关系，说明生物量大小与植株内重金属质量分数无关，生物量大的植物也可以富集更多的重金属。

3 结论与讨论

（1）植物地上部和根部干重与对照没有显著差异，表明轻度Cd-Pb-Cu复合污染不显著影响植物生长，说明香樟、石斑木、红花羊蹄甲、小叶榕、构树、人面子这六种乡土植物对土壤重金属污染有较强的耐受性，没有受到毒害，特别是石斑木和小叶榕的根部干重还略有增加，表现出比其余植物更强的耐性特征。六种植物根部富集系数均高于地上部富集系数，表明根系比茎叶部能积累更多的重金属，这可能也是大部分植物对污染物的普遍反应。耐性强、根系发达的植物可以优先考虑作为植物稳定修复的筛选对象。

（2）污染土壤中，除了红花羊蹄甲，其余植物对Cd的富集系数大部分高于或接近对Pb和Cu的富集系数，表明Cd具有更强的活性和迁移性，适合利用高生物量植物进行提取修复，即通过收割地上部将重金属移出土壤，从而达到降低污染程度的目的。对迁移性不强的Pb、Cu也可以通过改善土壤微环境等措施提高活性，促进植物吸收效率。如结合施肥、培土等作业，搅动土壤，改善根际圈环境，促进根系发育，加大与污染物的接触面积，促进吸收；适当降低土壤pH值，提高金属可溶性，增加土壤溶液中的重金属浓度，也能促进植物吸收。还有研究表明，EDTA能够促进土壤中Pb的移动性，从而促进油菜植物对Pb的吸收[5]；加入改良剂（CaCO3）和有机肥（菜枯）能使生长在Pb、Zn尾矿污染土壤上的4种草坪草Cu的质量分数上升[6]。

（3）六种植物地上部与根部的重金属质量分数与土壤中重金属质量分数均表现极显著相关，而富集系数与植株生物量没有显著相关关系，表明在不受毒害情况下，提高土壤重金属质量分数，植物能吸收更多重金属，同时生物量大的植物也可以积累更多的重金属。六种植物地上部富集系数均小于根部富集系数，不是传统意义上的超富集植物，但从地上部与根部的生物量比例看，植株吸收的重金属总量的50%以上分布在可收割的部位，也能达到提取修复的目的。因此植物修复技术走向工程实践的主要任务是筛选与开发大生物量、富集重金属能力强且具有观赏性的复合型修复植物[2]。乡土树种生命旺盛，吸收光、水、肥的能力强，生长迅速，能积累极大的生物量，是筛选修复植物的理想种类。

（4）在广东，清洁土壤只占11%，轻度污染耕地占耕地总量的77%，重度污染耕地占耕地總量的12%左右[7]，Pb污染最为普遍，Cd和Cu是主要的污染物[8-9]，土壤修复刻不容缓。城市土壤同样成为制约城市生态功能发挥的制约因素，土壤质量急需提升。园林绿化对改善人们生活环境、美化城市、维护生态平衡起着重要作用。乡土树种在园林中栽培应用易获得良好生长，养护成本低廉，能保持优良的生长发育特性和世代相传的稳定性，不构成对生态安全的危害，具有适地适树和可持续发展的生态价值。

参考文献：

[1]Chen J. Rapid urbanization in China： a real challenge to soft protection and food security[J].Catena，2007，69（1）：1-15.

[2]张芳芳，赵立伟，苏亚勋，等.城市土壤重金属污染的大生物量植物修复技术研究进展[J].天津农业科学，2014，20（3）：47-51.

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[4]Chen JF， Yuan JG， Yang ZY，et al. Distribution of trace element contamination in sediments and riverine agricultural soils of Zhongxin River， South China and evaluation of local plants for biomonitoring[J]. Journal of Environmental Monitoring， 2012，14：2663-2672.

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[8]魏秀国，何江华，陈俊坚，等.广州市蔬菜地土壤重金属污染状况调查及评价[J].土壤与环境，2002，11（3）：252-254.

[9]刘玮宁，张炜哲，罗锡文.院士谈因污染而导致的食品安全问题：3亿亩地遭重金属污染 广东仅一成耕地幸免[N].羊城晚报，2011-10-12.

（责任编辑：丁志祥）