楊金山，羅小三*，張欣悅，陳志懷，童欣，李平，劉欣，姜海波，邱丹

（1.南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境系，南京210044；2.江蘇省耕地質(zhì)量與農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)站，南京210036）

土壤污染作為典型環(huán)境問(wèn)題已受到廣泛關(guān)注[1]，《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》指出我國(guó)耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)19.4%，其中重金屬污染物以鎘（Cd）為主。Cd 作為有害元素易被小麥、水稻等農(nóng)作物富集進(jìn)而威脅人類健康[2-4]，且由于重金屬無(wú)法被降解，其農(nóng)田污染治理除了通過(guò)鈍化等降低土壤重金屬生物有效性從而減少作物可食部位重金屬積累的安全利用類技術(shù)，要想實(shí)現(xiàn)土壤中重金屬的絕對(duì)減量，只能通過(guò)植物吸收移除等有限的修復(fù)方法。

植物修復(fù)與其他土壤污染修復(fù)技術(shù)相比具有操作簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)可行等特點(diǎn)，針對(duì)“凈土”目標(biāo)具有廣泛的應(yīng)用前景[5-7]。自1976 年Jaffré 發(fā)現(xiàn)超富集植物以來(lái)，國(guó)內(nèi)外已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了400 多種重金屬超富集植物[2]，約45 種Cd 的超富集植物被報(bào)道[8]。但已知的Cd 超富集植物通常生物量較小、生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)[9]、不耐寒，且大多是在礦區(qū)或者實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)中篩選得到[10]，而這些條件下的重金屬含量通常遠(yuǎn)高于實(shí)際農(nóng)田，且氣候條件、養(yǎng)分狀況等因素也與需要治理的污染土壤存在較大差異，從而可能造成引種困難等現(xiàn)實(shí)情況，田間應(yīng)用時(shí)也可能會(huì)因重金屬污染水平、化學(xué)形態(tài)[11]、土壤類型以及氣候而影響修復(fù)效果。因此，從實(shí)地污染生境中篩選出重金屬高積累的功能性植物并用于原位修復(fù)的方法既能有效獲得植物修復(fù)資源，又可解決其環(huán)境適應(yīng)性等問(wèn)題。

鑒于Cd污染土壤徹底減量及綠色治理的植物修復(fù)需求，本研究通過(guò)實(shí)地調(diào)查Cd 污染農(nóng)田的優(yōu)勢(shì)雜草，并對(duì)其Cd積累特性進(jìn)行分析比較，以期篩選出易于推廣且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的Cd富集植物，為重金屬中、高污染農(nóng)田土壤的凈化修復(fù)提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)概況

調(diào)查區(qū)位于江蘇北部某農(nóng)田，該地屬暖溫帶濕潤(rùn)性氣候區(qū)，年平均氣溫14.0 ℃，降水量約774 mm。該田塊（0.533 hm2）是已拆除的金屬提煉回收工廠附近的歷史污染耕地管控區(qū)，周邊農(nóng)田仍在進(jìn)行稻麥輪作，土壤類型為砂姜黑土，平均pH 值為4.54。

1.2 樣品采集

2021年6月下旬在所選田塊內(nèi)搜尋所有自然生長(zhǎng)的植物物種，通過(guò)植株-土壤協(xié)同采樣，共采集到19種整株植物及其根區(qū)土壤樣品。具體采樣操作為將各種植物連同土壤整株挖出，將其根部放入塑料袋中抖落黏附在根系上的土壤作為根區(qū)土壤（100～200 g），再將植物剪斷分為地上部和根部后裝入尼龍網(wǎng)袋中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室及時(shí)處理。所有植物都經(jīng)《中國(guó)植物志》進(jìn)行核對(duì)，確定拉丁學(xué)名及其隸屬的科、屬，具體信息見(jiàn)圖1和表1。

表1 實(shí)際Cd污染農(nóng)田中采集的野生植物Table 1 Wild plants collected from Cd contaminated farmland

圖1 Cd污染農(nóng)田實(shí)地采集的野生植物和景觀環(huán)境照片F(xiàn)igure 1 Pictures of wild plants collected in the Cd contaminated field

1.3 樣品處理

將采集的植株樣品根、莖、葉、花及果實(shí)等各部位分開(kāi)。用自來(lái)水充分沖洗，去除灰塵等雜質(zhì)，再用去離子水潤(rùn)洗干凈，放入烘箱在105 ℃下殺青30 min，然后在70 ℃下烘干至質(zhì)量恒定，最后將植物各個(gè)器官分別稱取干質(zhì)量并記錄后磨碎備用。采集的根區(qū)土壤在室內(nèi)自然風(fēng)干，挑出小石塊、植物殘?bào)w，研磨過(guò)100 目篩備用。植物和土壤樣品分別經(jīng)HNO3-H2O2和王水（HNO3-HCl）法電熱消解后，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，129 NexIO300X，PerkinElmer）測(cè)定Cd元素含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

Cd 生物富集系數(shù)（BCFCd）是穩(wěn)定反映植物從土壤中富集重金屬能力的特征參數(shù)，為植物某一器官Cd含量與土壤Cd含量的比值。

Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TFCd）可反映植物根從土壤中吸收重金屬后再向地上部遷移的能力，為植物地上部某一器官Cd含量與植物根部Cd含量的比值。

單株植物地上部Cd 移除量為單株植物地上部Cd含量與其干質(zhì)量的乘積。

使用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Origin 2021制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物根區(qū)土壤Cd含量

從生境分析的角度，本實(shí)地調(diào)查所采集到的19種植物根區(qū)土壤Cd 含量為1.72～16.5 mg·kg-1，平均5.06 mg·kg-1。根據(jù)我國(guó)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中管制值的要求，土壤pH≤5.5 時(shí)Cd 含量超過(guò)1.5 mg·kg-1原則上禁止種植食用農(nóng)產(chǎn)品，所調(diào)查的土壤Cd 含量均超過(guò)該值，且差異較大（圖2），其中青葙生長(zhǎng)的根區(qū)土壤Cd 含量最高（16.5 mg·kg-1，超過(guò)管制值10 倍），杠板歸最低（1.72 mg·kg-1）。

圖2 各植物根區(qū)土壤的Cd含量Figure 2 Cd contents in root zone soil of various plants

2.2 各植物不同部位的Cd富集情況

Cd 在各植物不同器官中的含量有較大差異（圖3）。所采集植物根中Cd含量為1.54～30.4 mg·kg-1，其中碎米莎草最高，杠板歸最低。莖中Cd 含量為1.79～44.0 mg·kg-1，其中碎米莎草、水莧菜和青葙較高，分別是44.0、39.3、31.6 mg·kg-1。葉中Cd 含量為2.32～37.1 mg·kg-1，最低和最高的植物分別是一年蓬和商陸。碎米莎草、青葙、野胡蘿卜、飛廉、一年蓬的花中Cd含量分別為30.6、19.3、2.43、1.18、0.86 mg·kg-1。水莧菜和齒果酸模果中Cd 含量分別為47.4 mg·kg-1和4.00 mg·kg-1。

圖3 不同植物的各個(gè)器官中Cd含量分布Figure 3 Distribution of Cd contents in various organs of different plants

2.3 不同植物各器官的Cd富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

通常植物的BCF 和TF 超過(guò)1 被視作超富集植物的條件之一。如圖4 所示，所采集植物根部BCFCd的范圍為0.23～6.50，馬瓟瓜、商陸、飛廉、野燕麥等根BCFCd均超過(guò)1，都表現(xiàn)出較好的從土壤中吸收Cd 的能力，其中最高的是水莧菜（6.50），其次是碎米莎草（5.13）、野老鸛草（4.50）。莖BCFCd在0.20～18.7 之間，除野胡蘿卜、藜、酸模葉蓼、一年蓬、飛廉和小蓬草外，其余植物莖BCFCd均超過(guò)1，其中最高的水莧菜達(dá)到了18.67。葉片BCFCd范圍為0.33～5.44，其中超過(guò)1 的分別是鬼針草、苘麻、杠板歸、馬瓟瓜、商陸和翅果菊，其中翅果菊（5.44）和商陸（4.58）較高?；˙CFCd超過(guò)1 的有碎米莎草（5.17）和青葙（1.17）。水莧菜和齒果酸模的果BCFCd分別為22.55 和2.12，且水莧菜果BCFCd在所有植物器官中最高。

圖4 不同植物各個(gè)器官的Cd富集系數(shù)（BCFCd）Figure 4 Cd bio-concentration factors of different plant organs

如圖5所示，調(diào)查到的19種植物中莖TFCd值范圍為0.44～2.87，其中超過(guò)1 的有11 種，分別是馬瓟瓜（1.12）、商陸（1.13）、杠板歸（1.18）、野燕麥（1.19）、青葙（1.30）、碎米莎草（1.45）、鬼針草（1.50）、小蓬草（1.52）、翅果菊（1.84）、苘麻（2.22）、水莧菜（2.87），都表現(xiàn)出較高的將重金屬?gòu)母邢蚯o部轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，藜（0.98）、酸模葉蓼（0.89）、野胡蘿卜（0.88）的莖TFCd也接近1。葉片TFCd值總體高于莖，TFCd值為0.84～3.03，一年蓬（0.84）和酸模葉蓼（0.93）的TFCd略低于1。此外，野胡蘿卜和碎米莎草的花TFCd也超過(guò)1，水莧菜和齒果酸模的果TFCd分別為3.47和0.56。

圖5 不同植物各個(gè)器官的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TFCd）Figure 5 Cd transfer factors of different plant organs

2.4 植物移除修復(fù)Cd污染土壤的潛力評(píng)估

考慮到植物修復(fù)方法通常是地上部整體移除的方式，通過(guò)植物地上部各個(gè)器官干質(zhì)量比折算相加得到植物地上部整體Cd積累量、BCFCd和TFCd，結(jié)果如圖6所示。植物地上部Cd 積累量最高的是水莧菜，達(dá)到了43.2 mg·kg-1，其次是碎米莎草（28.1 mg·kg-1）、青葙（22.7 mg·kg-1）和商陸（20.7 mg·kg-1），杠板歸最低（1.20 mg·kg-1）。鬼針草、馬瓟瓜、商陸、野燕麥、翅果菊、水莧菜的地上部綜合BCFCd和TFCd均大于1，具備了超富集植物的特征。青葙、獨(dú)行菜、野老鸛草和碎米莎草均是BCFCd＞1，TFCd接近1，也有成為超富集植物的潛力。

圖6 不同植物地上部綜合Cd富集特征Figure 6 Aboveground Cd accumulation characteristics of different plants

地上部生物量是植物修復(fù)能力評(píng)價(jià)需要考慮的重要因子，本次實(shí)地調(diào)查時(shí)采集的19 種植物的地上部單株干質(zhì)量如圖7 所示。單株地上部干質(zhì)量較大的有一年蓬（69.0 g·株-1）、野胡蘿卜（60.8 g·株-1）、齒果酸模（56.9 g·株-1）和酸模葉蓼（41.0 g·株-1），干質(zhì)量小于10 g·株-1的有小蓬草（9.87 g·株-1）、野老鸛草（8.70 g·株-1）、馬瓟瓜（7.76 g·株-1）。

圖7 不同植物單株地上部干質(zhì)量Figure 7 Aboveground dry weight of different plants

3 討論

根據(jù)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—2018）和耕地分類管理要求，土壤pH≤5.5 時(shí)，Cd 含量高于0.3 mg·kg-1存在污染風(fēng)險(xiǎn)（黃區(qū)，安全利用類耕地），高于1.5 mg·kg-1時(shí)污染風(fēng)險(xiǎn)較高（紅區(qū)，嚴(yán)格管控類耕地），禁止種植食用農(nóng)產(chǎn)品?；谖廴緟^(qū)實(shí)地采集到的19種植物的BCFCd及其單株生物量進(jìn)行估算，對(duì)于Cd 含量0.3 mg·kg-1的輕污染和1.5 mg·kg-1的中高污染土壤，單株地上部Cd 移除量分別為0.002～0.085 mg·株-1和0.082～0.424 mg·株-1（圖8），移除量最大的是水莧菜，其次是齒果酸模、碎米莎草和翅果菊。

圖8 各種野生植物對(duì)于土壤Cd含量為0.3 mg·kg-1（輕污染）和1.5 mg·kg-1（中高污染）時(shí)的單株地上部Cd移除量估算Figure 8 Estimated aboveground Cd removal amount of different plants for soil Cd content of 0.3 mg·kg-1 and 1.5 mg·kg-1，respectively

因此，若耕層土壤按20 cm深、容重1.3 g·cm-3，以每公頃60萬(wàn)株種植量結(jié)合圖7的樣品干質(zhì)量數(shù)據(jù)（實(shí)際應(yīng)用中可以生長(zhǎng)更大）估算，種植收獲1 季水莧菜、齒果酸模、碎米莎草和翅果菊移除污染土壤中Cd 的修復(fù)效率見(jiàn)表2。對(duì)于0.5 mg·kg-1的Cd 中度污染土壤，要實(shí)現(xiàn)其質(zhì)量達(dá)標(biāo)（綠區(qū)，非污染），大概只需種植7 茬水莧菜；對(duì)于2.0 mg·kg-1的Cd 高污染土壤，要實(shí)現(xiàn)使其從嚴(yán)格管控類耕地（紅區(qū)，禁止種植食用農(nóng)產(chǎn)品）環(huán)境質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)橹形廴镜陌踩妙惛兀S區(qū)，可種植食用農(nóng)產(chǎn)品），需種植4 茬水莧菜，若要進(jìn)一步凈化農(nóng)田實(shí)現(xiàn)土壤Cd徹底達(dá)標(biāo)（綠區(qū)，非污染），大概需14茬水莧菜。

表2 基于植物BCF和生物量的污染土壤Cd移除凈化效果估算Table 2 Estimation of removal efficiency of Cd by plants from contaminated soils based on BCF and biomass weight

綜合植株地上部BCFCd、TFCd、Cd積累量和干質(zhì)量來(lái)看，本實(shí)地調(diào)查的植物中水莧菜、齒果酸模、碎米莎草和翅果菊的移除修復(fù)應(yīng)用潛力較大。

水莧菜是一年生草本植物，高10～50 cm，莖直立多分枝，常見(jiàn)于潮濕地塊和水田中，冬春始見(jiàn)[12]，在南京晚稻收獲后的農(nóng)田中仍有該植物生長(zhǎng)。本調(diào)查首次發(fā)現(xiàn)雖然其根區(qū)土壤Cd 含量?jī)H為2.10 mg·kg-1，但地上部BCFCd和TFCd分別達(dá)到20.5 和3.16，地上部Cd積累量高達(dá)43.2 mg·kg-1，且地上部干質(zhì)量占比達(dá)94.2%。由于其能適應(yīng)水田環(huán)境，且自然狀態(tài)下的富集能力較強(qiáng)，尤其適合水田或濕潤(rùn)多雨的南方地區(qū)。

齒果酸模是一年生草本植物，高30～70 cm，自基部分枝，葉長(zhǎng)為4～12 cm，寬1.5～3.0 cm，花序?yàn)榭偁罨ㄐ?，長(zhǎng)達(dá)35 cm，且多花，我國(guó)各地均有分布，常見(jiàn)于溝邊濕地、山坡路旁，海拔30～2 500處[13]，適用于旱地農(nóng)田的土壤修復(fù)。

碎米莎草是一年生草本植物，莖稈叢生，高8～85 cm，基部具少數(shù)葉，葉寬2～5 mm，常見(jiàn)于田間、山坡、路旁陰濕處[14]。本調(diào)查采集的樣品根區(qū)土壤Cd 含量為5.92 mg·kg-1，地上部BCFCd和TFCd分別為4.75 和0.93，地上部Cd積累量為28.1 mg·kg-1。其適應(yīng)能力極強(qiáng)，是水田和旱田常見(jiàn)雜草，種子萌發(fā)最佳溫度為20～35 ℃[15]，可用于水稻田和旱田的Cd污染土壤修復(fù)。

翅果菊為多年生草本植物，莖直立，高0.6～2.0 m，中下部莖葉，長(zhǎng)14～30 cm，寬4.5～17.0 cm。花果期7—10 月，在我國(guó)分布廣泛，耐寒，多生于山谷、山坡林緣、灌叢、草地及荒地，海拔300～2 000 m[16]?；ü陂L(zhǎng)，一年內(nèi)能多次刈割，適用于旱地農(nóng)田修復(fù)。

本文結(jié)果是Cd污染農(nóng)田實(shí)地生長(zhǎng)的植物調(diào)查結(jié)果，其中水莧菜的Cd富集優(yōu)勢(shì)為首次發(fā)現(xiàn)，具有較好的修復(fù)應(yīng)用潛力，其BCFCd均大于已知植物修復(fù)資源中的龍葵（0.83）、萬(wàn)壽菊（1.76）、羽葉鬼針草（1.90）[17]。有研究表明青葙在20 mg·kg-1Cd 含量下葉片富集量最大可達(dá)到388 mg·kg-1，但其BCFCd為19.4[18]，仍小于水莧菜地上部的BCFCd，且植物對(duì)不同形態(tài)的Cd 富集能力存在顯著差異，如對(duì)CdSO4和CdCl2的富集能力顯著高于Cd（NO3）2、CdCO3、Cd（OH）2、CdS和CdO。被認(rèn)為是Cd超富集植物的小蓬草[19]在本實(shí)地調(diào)查中Cd富集量和富集系數(shù)則尚未達(dá)到超富集植物的篩選值。因此在超富集植物實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該先了解植物重金屬富集量達(dá)到100 mg·kg-1這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的土壤重金屬含量，修復(fù)的土壤重金屬含量及土壤性質(zhì)應(yīng)與篩選出目標(biāo)植物的環(huán)境相似，特別是農(nóng)田土壤相對(duì)尾礦等場(chǎng)地污染含量更低，因此更需多加考慮。農(nóng)田土壤重金屬污染管控嚴(yán)格，其風(fēng)險(xiǎn)管制值通常遠(yuǎn)小于其他場(chǎng)地類型，因此在建設(shè)用地和尾礦土壤修復(fù)中適用的超富集植物不一定適用于污染農(nóng)田土壤修復(fù)。目前我國(guó)中、輕度重金屬污染農(nóng)田土壤治理多采用原位鈍化、水肥調(diào)控、葉面阻控、低積累作物品種篩選種植等安全利用技術(shù)，以保障農(nóng)產(chǎn)品達(dá)標(biāo)[20-22]，但均不能使土壤自身Cd 含量達(dá)標(biāo)。因此植物修復(fù)體現(xiàn)出凈化土壤自身污染物的突出優(yōu)勢(shì)，但植物修復(fù)也不必局限于超富集植物，也可以通過(guò)種植富集量高、生物量大、生長(zhǎng)周期短的高富集植物，同時(shí)加強(qiáng)從低含量重金屬污染土壤中篩選適用于農(nóng)田修復(fù)的植物也非常重要。未來(lái)重金屬污染土壤治理修復(fù)也應(yīng)充分利用發(fā)現(xiàn)的植物資源和固碳減排相結(jié)合，開(kāi)創(chuàng)減污固碳的綠色修復(fù)新模式。

4 結(jié)論

（1）污染農(nóng)田實(shí)地采集的植物均能適應(yīng)生長(zhǎng)在高于農(nóng)用地污染風(fēng)險(xiǎn)管制值Cd含量的土壤。

（2）水莧菜、翅果菊、野燕麥、商陸、馬瓟瓜、鬼針草等6 種植物的地上部Cd 富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均超過(guò)1，具備重金屬Cd超富集植物的特征。

（3）水莧菜（首次發(fā)現(xiàn)）、齒果酸模、碎米莎草和翅果菊具有較高的農(nóng)田Cd污染植物修復(fù)應(yīng)用潛力。