肖 力，湯春芳

(1衡東縣環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，湖南 衡東 421400；2中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

短輪伐期矮林柳對(duì)污染土壤中鎘的修復(fù)

肖 力1，湯春芳2*

(1衡東縣環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，湖南 衡東 421400；2中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

在調(diào)研國(guó)內(nèi)外柳樹修復(fù)土壤鎘污染文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，綜述了短輪伐期矮林柳對(duì)土壤鎘污染的提取情況，旨在為土壤重金屬污染的植物修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。研究表明，種植某些短輪伐期矮林柳并收割其地上部分，在一定的生命周期內(nèi)對(duì)土壤鎘(Cd)污染治理效果較好。與其他重金屬和物種相比，柳樹地上部分生物量較大、Cd的累積濃度較高，柳樹對(duì)Cd的吸收量也較高。柳樹對(duì)Cd的有效提取要求：①選擇適合的污染土壤；②每年落葉之前反復(fù)收割其地上部分；③最后對(duì)整個(gè)植株(包括根以及地上莖)進(jìn)行收割。結(jié)果表明，柳屬植物是提取土壤中Cd的一種既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的植物修復(fù)材料，尤其適用于低Cd污染的棕地和農(nóng)田土壤修復(fù)。

土壤；鎘；植物修復(fù)；短輪伐期矮林柳

土壤環(huán)境重金屬污染是全球最重要的環(huán)境問題之一，它能對(duì)生態(tài)安全以及人類健康造成嚴(yán)重影響。由于磷肥、生活污水及其污泥的長(zhǎng)期施用以及金屬冶煉，許多國(guó)家的耕地、棕地或工商業(yè)廢棄地(brownfield land)都受到重金屬Cd的輕度、中度污染，甚至重度污染。土壤中重金屬的去除方法有物理法、化學(xué)法和生物法。植物修復(fù)是一種原位的生物修復(fù)技術(shù)，它通過植樹種草去除環(huán)境重金屬或降低其毒性。目前，植物修復(fù)已成為土壤重金屬污染修復(fù)的重要方法，其相比物理化學(xué)法，更具有經(jīng)濟(jì)可行、環(huán)境友好以及美化、綠化環(huán)境等美學(xué)效果。

重金屬污染植物修復(fù)的研究以前一直著重于超富集植物的尋找，超富集植物多為草本植物，雖然其對(duì)重金屬的累積含量較高，但生物量較低，對(duì)土壤重金屬總的吸收量并不高。相比而言，一些木本植物雖然富集的重金屬量稍低，但其生物量大，對(duì)重金屬總的吸收量比草本植物高。因此，木本植物用于重金屬污染的修復(fù)也成為研究重點(diǎn)。

目前，木本植物提取污染土壤中的重金屬已有綜述報(bào)道。植樹可以減少重金屬帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)重金屬等污染物的自然降解。同樣，通過種植并收獲快速生長(zhǎng)的樹木來提取土壤中的重金屬越來越受關(guān)注。研究表明，自然生長(zhǎng)的柳樹特別適合去除土壤中的Cd。種植快速生長(zhǎng)的柳樹已被認(rèn)為是低成本、可持續(xù)和生態(tài)安全的重金屬污染土壤修復(fù)方法。近年來的生態(tài)工程研究表明，柳樹生物量以及重金屬累積含量都較大，對(duì)土壤重金屬污染具有顯著的修復(fù)潛能。因此，柳樹被認(rèn)為是治理農(nóng)田土壤和棕地Cd污染的重要樹種之一。

1 鎘污染

Cd是生物非必需營(yíng)養(yǎng)元素，是毒性較大的重金屬之一。這是因?yàn)镃d不能生物降解，其在環(huán)境中累積可能會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染與生態(tài)破壞。Cd在生態(tài)系統(tǒng)中的移動(dòng)性強(qiáng)，可通過食物鏈的生物放大給人類健康帶來潛在危害。Cd對(duì)植物的毒害作用不明顯，但易被植物吸收，增加了通過食物鏈轉(zhuǎn)移到人類及其他動(dòng)物的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不協(xié)調(diào)導(dǎo)致土壤環(huán)境中的Cd經(jīng)常超標(biāo)。Cd污染主要源于磷肥施用、污水灌溉以及金屬采選、冶煉加工等。工商業(yè)廢棄地(棕地)Cd污染治理的工程費(fèi)用及化學(xué)處理費(fèi)用往往超過用地本身的價(jià)值。因此，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效及環(huán)境友好的治理方法研究很有必要。

目前，能有效去除土壤中重金屬污染物的方法有限。物理法既費(fèi)土又費(fèi)錢，化學(xué)法易破壞土壤生態(tài)及功能完整性?？紤]到Cd的高移動(dòng)性及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，物理法、化學(xué)法都不是土地所有者、管理者或使用者采納的最好方法。

2 植物提取

重金屬污染的植物修復(fù)方法相比物理法、化學(xué)法更綠色環(huán)保以及經(jīng)濟(jì)可行。土壤重金屬污染的植物修復(fù)有植物提取、根際過濾、植物固定、植物降解、植物揮發(fā)、根際降解等多種方法。植物提取是利用生物量較高的植物將土壤重金屬吸收并轉(zhuǎn)運(yùn)到植物地上部分，通過收獲植物地上部分去除重金屬，這種方法不破壞土壤結(jié)構(gòu)和功能，不需要土壤填埋處置[1-5]。植物修復(fù)常采用的植物是超富集植物。已發(fā)現(xiàn)的重金屬超積累植物可以提取Ni、Zn、Cu、As、Co和Pb，一些樹種還可以有效地吸收和轉(zhuǎn)化Hg和Se，但是選擇性吸收Cd的超富集植物較少，只有少量的草本植物(Thlapsicaerulescens和Arabidopsishalleri)可以積累含量高達(dá)100 mg/kg的Cd。然而，與其他金屬離子和其他物種相比，快速生長(zhǎng)的幾種柳樹及其無(wú)性系對(duì)Cd的吸收能力較強(qiáng)[6-10]。楊樹也有較強(qiáng)的吸收能力，尤其是對(duì)Pb的吸收。研究表明，蒿柳 (Salixviminalis) 的無(wú)性系及其他幾種柳樹已作為能源樹種廣泛栽種于重金屬污染的農(nóng)田，3年進(jìn)行1次輪伐，而且其應(yīng)用于治理重金屬污染的棕土可能性也較大。

3 矮林柳修復(fù)土壤鎘污染的研究

3.1柳樹對(duì)鎘的吸收量

一些繁殖能力、抗逆性以及基因變異能力強(qiáng)，生物量大的柳樹品種，尤其適用于重金屬污染土壤的植物修復(fù)。通過短期輪伐柳樹，可以達(dá)到降低土壤重金屬含量的目的。盡管存在種間差異，但柳樹對(duì)Cd的吸收量一般隨著土壤中Cd含量的增加而增加。多年田間研究表明，黃花柳(Salixcaprea)葉片Cd含量高達(dá)116 mg/kg干重，年際間葉片Cd含量變化較小，說明不同年份調(diào)研的數(shù)據(jù)一致性較強(qiáng)[11]。底泥污染土壤栽培各種柳樹(黃花柳、蒿柳、白柳Salixalba) Cd含量達(dá)6.6 mg/kg[12]。研究還表明，水淹有利于降低土壤Cd等重金屬的生物可利用性，因此這可能是重金屬污染土壤的潛在有效管理方式[12]。Mleczek 等評(píng)價(jià)了波蘭森林12種柳樹對(duì)Cd的累積能力，結(jié)果表明，Salix.purpurea"Green Dicks"和Salix.purpureavar. angustifolia Kerner對(duì)Cd的吸收量最大，有些柳樹，比如Salix.purpurea"Utilissima"對(duì)Cd的吸收量很小，說明同一品種的不同植物對(duì)Cd的吸收能力不同，同時(shí)說明柳樹并不是超富集植物，但考慮到柳樹生物量較大，植物修復(fù)能力較強(qiáng)，其應(yīng)用受到普遍關(guān)注[13]。Li等將本土柳樹 (Salix×aureo-pendulaCL J1011) 種植于Cd污染的揚(yáng)子江岸田間，實(shí)驗(yàn)45 d后，單獨(dú)栽培柳樹、柳樹+EDTA處理、柳樹+EDTA+乳酸乙酯處理,分別使土壤Cd濃度下降5%、20%和29%；EDTA與乳酸乙酯結(jié)合施用能顯著提高土壤Cd的去除率，因此，三者結(jié)合構(gòu)成的植物提取系統(tǒng)對(duì)土壤Cd污染具有較高的修復(fù)潛能[14]。

另外，一些措施可以增加柳樹對(duì)鎘的吸收能力。當(dāng)土壤pH值為5.5～7.0時(shí)，蔬菜葉和根的BCF能增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。旱柳鎘吸收量與土壤pH值有很大的關(guān)聯(lián)性。廉價(jià)的有機(jī)及無(wú)機(jī)酸性土壤改良劑很可能增加旱柳對(duì)Cd的吸收。在其他植物研究中，施用鉀肥可以使植物莖中Cd含量增加2倍。同時(shí)，植物提取重金屬的影響包括作物生長(zhǎng)及植物作為生物質(zhì)在燃燒過程中對(duì)生態(tài)系統(tǒng)食物鏈、環(huán)境以及人類健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

柳屬間樹種可以廣泛雜交。蒿柳生物量較大，但其重金屬含量不高，而SalixburjaticaGermany和SalixcalodendronWimm能去除土壤中大量Cd及其他金屬離子，它們是蒿柳、黃花柳(S.caprea)和灰柳(Salixcinerea) 的雜交，這有利于將蒿柳生物量大的特性結(jié)合到生長(zhǎng)慢但能自然入侵到受Cd污染土壤的黃花柳與灰柳中。Cd在不同植物體內(nèi)移動(dòng)性不同的生理生化機(jī)制尚不清楚，但吸收能力強(qiáng)的物種能快速生長(zhǎng)繁殖，少數(shù)木本植物插條扦插后能快速長(zhǎng)成新植株。

污染場(chǎng)所田間實(shí)驗(yàn)表明，從收獲的柳樹中計(jì)算出的Cd吸收量比較低，只有2.6～76.7 g·ha-1·a-1[5]。最近研究表明，在Cd含量小于0.4 mg·kg-1的土壤中，蒿柳生物量為10 t·DM·ha-1·a-1，雖然莖中Cd含量?jī)H有2 mg·kg-1，但Cd吸收量為20 g·ha-1·a-1。這一吸收量比稻草Cd吸收量高100多倍，超過瑞典土壤由于磷肥反復(fù)施用而通過大氣污染進(jìn)入土壤中的Cd。歐洲農(nóng)田及工業(yè)地區(qū)大氣沉降的Cd含量分別高達(dá)0.7和1.9 g·ha-1·a-1。然而，田間實(shí)驗(yàn)柳樹收割部分的Cd吸收量與理論計(jì)算值存在偏差[16]。最近調(diào)查顯示，在英國(guó)南部種植園中，30%柳樹的根系在0～10 cm深的土壤中，75%～95%的根在0～36 m的土壤中。在質(zhì)量平衡方程中，柳樹Cd含量為25 mg·kg-1，年產(chǎn)量為15 t·ha-1·a-1，27年大約能將表層20 cm土壤中的Cd從8 mg·kg-1減小到3 mg·kg-1[17]。

理論計(jì)算和田間實(shí)驗(yàn)實(shí)際金屬去除量不一致的原因：其一，可能與土壤污染的空間變異有關(guān)。通常，植物根系能避開重金屬含量高的土壤，主動(dòng)向污染較小的土壤生長(zhǎng)。然而，在受Cd污染的土壤中，15 mg·kg-1以上或者更高濃度的植物根系不敏感；其二，可能是植物地上部分20%～40%的Cd大多數(shù)存在于葉中，而植物地上部分收獲通常是在冬天落葉后；其三，包括柳樹在內(nèi)的植物根中Cd含量通常高于地上部分。有許多關(guān)于根生物量和產(chǎn)量的報(bào)道中提到，柳樹生物量中根通常占33%～58%?？梢酝茢?，收獲末期，根去除的Cd至少是莖中Cd去除量的30%。在修復(fù)末期，收獲的葉子和根中Cd含量相當(dāng)于莖中Cd含量。

3.2柳樹對(duì)鎘的富集因子

生物富集因子(Bioconcentration factors，BCF)是指植物吸收的重金屬含量與植物生長(zhǎng)土壤重金屬含量的比值，它是用來衡量植物富集重金屬能力大小的指標(biāo)。BCF>1，說明植物能有效富集金屬。柳樹能生長(zhǎng)于Cd輕度污染(由工業(yè)粉塵以及污水、污泥中Cd造成的污染)和Cd重度污染(礦區(qū))的土壤中，其對(duì)Cd的生物富集因子都有報(bào)道。在大田實(shí)驗(yàn)中，木本植物對(duì)Cd的BCF值在0.05～16.8之間，草本植物對(duì)Cd的BCF值在0.17～27.9之間，不同實(shí)驗(yàn)土壤柳樹的生物富集因子如表1所示[4-10]。在重度污染的土壤中，雖然柳樹植株的Cd含量高，但BCF值不高，表明植物不能有效地將Cd從土壤轉(zhuǎn)運(yùn)到植物中。柳樹葉中BCF值高于莖，盡管葉只占地上部生物量的25%，而莖中Cd的總含量較高。重度污染土壤栽培的蒿柳葉片Cd濃度高達(dá)80 mg/kg，但其生長(zhǎng)受到嚴(yán)重抑制；中度污染土壤中Cd年均提取量為總量的0.13%[15]。

表1 不同實(shí)驗(yàn)土壤柳樹的生物富集因子(BCF)

注：BCF=植物組織重金屬含量(mg/kg)/土壤重金屬含量(mg/kg)。

4 結(jié)論

柳屬植物提取土壤中的Cd是一種有效、低耗的治理方法，尤其是對(duì)低Cd污染的棕土和農(nóng)田土壤，但對(duì)長(zhǎng)期受礦區(qū)開采影響及嚴(yán)重污染的土壤不太適合。用篩選出的柳屬樹種去除土壤中的Cd需要：①選擇適合的污染土壤；②每年落葉之前反復(fù)收割柳樹地上部分；③最后對(duì)整個(gè)植株(包括根以及地上莖)進(jìn)行收割。用柳樹作為Cd的植物修復(fù)材料，在理想的時(shí)間內(nèi)能使土壤恢復(fù)到輕污染狀態(tài)，在治理過程中可實(shí)現(xiàn)綠色技術(shù)和作物經(jīng)濟(jì)循環(huán)的雙贏。

[1] 徐愛春，陳益泰，王樹鳳，等.鎘脅迫下柳樹 5個(gè)無(wú)性系生理特性的變化[J].生態(tài)環(huán)境，2007,16(2):410-415.

[2] 周曉星.柳樹植物對(duì)重金屬鎘脅迫的生長(zhǎng)與生理響應(yīng)[D].北京：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，2012.

[3] 徐愛春，陳益泰，陳慶紅，等.鎘脅迫下旱柳無(wú)性系耐鎘性變異及生理變化[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào),2009,26(5):674-678.

[4] Greger M,Landberg T.Use of willows in phytoextraction [J].International Journal Phytoremediation,1999(1):115-123.

[5] Klang-Westin E,Eriksson J.Potential of Salix as phytoextractor for Cd on moderately contaminated soils[J].Plant and Soil,2003,249:127-137.

[6] Mircka J,Isebrands J G,Verwijst T,et al.Development of short-rotation willow coppice systems for environmental purposes in Sweden[J].Biomass and Bioenergy,2005,28:219-228.

[7] Pulford I D,Riddell-Black D,Stewart C.Heavy metal uptake by willow clones from sewage sludge-treated soil: the potential for phytoremediation [J].International Journal Phytoremediation,2002,4:59-72.

[8] Punshon T,Dickinson N M.Heavy metal resistance and accumulation characteristics in willows [J].International Journal Phytoremediation,1999(1):361-385.

[9] Vervaeke P,Luyssaert S,Mertens J,et al.Phytoremediation prospects of willow stands in contaminated sediment: a field trial[J].Environmental Pollution,2003,126:275-282.

[10] Rosselli W,Keller C,Boschi K.Phytoextraction capacity of trees growing on a metal-contaminated soil [J].Plant and Soil，2003,256:265-72.

[11] Unterbrunner R,Puschenreiter M,Sommer P,et al.Heavy metal accumulation in trees growing on contaminated sites in Central Europe[J].Environmental Pollution,2008,148:107-114.

[12] Vandecasteele B,Quataert P,Genouw G,et al.Effects of willow stands on heavy metal concentrations and top soil properties of infrastructure spoil landfills and dredged sediment derived sites [J].Science of the Total Environment,2009,407:5289-5297.

[13] Mleczeka M,Rissmanna I,Rutkowski P,et al.Accumulation of selected heavy metals by different genotypes ofSalix[J].Environmental and Experimental Botany,2009,66:289-296.

[14] Li J H,Sun Y Y,Yin Y,et al.Ethyl lactate-EDTA composite system enhances the remediation of the cadmium-contaminated soil by autochthonous willow (Salix×aureo-pendulaCL ‘J1011’) in the lower reaches of the Yangtze River[J].Journal of Hazardous Materials,2010,181:673-678.

[15] Jensen J K,Holma P E,Nejrup J,et al.The potential of willow for remediation of heavy metal polluted calcareous urban soils [J].Environmental Pollution,2009,157:931-937.

[16] Berndes G,Fredrikson F,Borjesson P.Cadmium accumulation andsalix-based phytoextraction on arable land in Sweden[J].Agriculture Ecosystem Environment,2004,103:207-223.

[17] Crow P,Houston T J.The influence of soil and coppice cycle on the rooting habit of short rotation poplar and willow coppice [J]. Biomass Bioenergy, 2004, 26: 497-505.

(責(zé)任編輯高嵩)

Phytoextraction of Cadmium-contaminated Soil by Short-rotation Coppice Willow

XiaoLi1,TangChunfang2*

(1Environmental Protection Monitoring Station of Hengdong,Hengdong Hunan 421400;2College of Forestry, Central South University of Forestry and Technology,Changsha Hunan 410004)

This paper reviews the phytoextraction of cadmium in soil using short-rotation coppice willow aiming to offer scientific support for phytoremediation of heavy metal polluted soil. Studies show that Cd-polluted soil can be cleaned effectively by cultivating and harvesting the aboveground parts of some short-rotation coppice willow within a certain crop lifecycle.Cd uptake rates into Salix are high compared with other trace elements and plants.Effective phytoextraction would require:①selection of suitable contaminated soil;②repeated harvest prior to leaf fall;③final removal of the whole plant. Results suggest that willow is one of the environment friendly and economic materials for remediation of cadmium-contaminated soil,especially for agricultural soil and brownfield land.

soil;cadmium;phytoremedaition;short-rotation coppice willow

2013-10-24

湖南省科學(xué)技術(shù)廳科技計(jì)劃一般項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)2012FJ3144)。

肖力(1972— )，男，助理工程師，大專。

*通訊作者：湯春芳(1970— )，女，副教授，碩士，研究方向：環(huán)境化學(xué)與污染控制。

10.3969/j.issn.2095-4565.2014.01.007

X53

A

2095-4565(2014)01-0025-05