全 文 ：收稿日期:2013 － 10 － 24
基金项目:湖南省科学技术厅科技计划一般项目(项目编号:2012FJ3144)。
作者简介:肖力(1972— ) ，男，助理工程师，大专。
* 通讯作者:汤春芳(1970— ) ，女，副教授，硕士，研究方向:环境化学与污染控制。
doi:10． 3969 / j． issn． 2095 － 4565． 2014． 01． 007
短轮伐期矮林柳对污染土壤中镉的修复
肖 力1，汤春芳2*
(1 衡东县环境保护监测站，湖南 衡东 421400;2 中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004)
摘 要:在调研国内外柳树修复土壤镉污染文献的基础上，综述了短轮伐期矮林柳对土壤镉污染的
提取情况，旨在为土壤重金属污染的植物修复提供科学依据。研究表明，种植某些短轮伐期矮林柳并
收割其地上部分，在一定的生命周期内对土壤镉(Cd)污染治理效果较好。与其他重金属和物种相
比，柳树地上部分生物量较大、Cd的累积浓度较高，柳树对 Cd的吸收量也较高。柳树对 Cd 的有效提
取要求:①选择适合的污染土壤;②每年落叶之前反复收割其地上部分;③最后对整个植株(包括根以
及地上茎)进行收割。结果表明，柳属植物是提取土壤中 Cd的一种既环保又经济的植物修复材料，尤
其适用于低 Cd污染的棕地和农田土壤修复。
关键词:土壤;镉;植物修复;短轮伐期矮林柳
中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:2095 － 4565(2014)01 － 0025 － 05
Phytoextraction of Cadmium － contaminated Soil by
Short － rotation Coppice Willow
Xiao Li1 ，Tang Chunfang2*
(1Environmental Protection Monitoring Station of Hengdong，Hengdong Hunan 421400;
2College of Forestry，Central South University of Forestry and Technology，Changsha Hunan 410004)
Abstract:This paper reviews the phytoextraction of cadmium in soil using short － rotation coppice willow ai-
ming to offer scientific support for phytoremediation of heavy metal polluted soil． Studies show that Cd － pol-
luted soil can be cleaned effectively by cultivating and harvesting the aboveground parts of some short － rota-
tion 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．
Key words:soil;cadmium;phytoremedaition;short － rotation coppice willow
土壤环境重金属污染是全球最重要的环境问
题之一，它能对生态安全以及人类健康造成严重影
响。由于磷肥、生活污水及其污泥的长期施用以及
金属冶炼，许多国家的耕地、棕地或工商业废弃地
(brownfield land)都受到重金属 Cd的轻度、中度污
染，甚至重度污染。土壤中重金属的去除方法有物
第 30 卷 第 1 期
2014 年 2 月
湖 北 理 工 学 院 学 报
JOUＲNAL OF HUBEI POLYTECHNIC UNIVEＲSITY
Vol． 30 No． 1
Feb． 2014
理法、化学法和生物法。植物修复是一种原位的生
物修复技术，它通过植树种草去除环境重金属或降
低其毒性。目前，植物修复已成为土壤重金属污染
修复的重要方法，其相比物理化学法，更具有经济
可行、环境友好以及美化、绿化环境等美学效果。
重金属污染植物修复的研究以前一直着重于
超富集植物的寻找，超富集植物多为草本植物，虽
然其对重金属的累积含量较高，但生物量较低，对
土壤重金属总的吸收量并不高。相比而言，一些
木本植物虽然富集的重金属量稍低，但其生物量
大，对重金属总的吸收量比草本植物高。因此，木
本植物用于重金属污染的修复也成为研究重点。
目前，木本植物提取污染土壤中的重金属已
有综述报道。植树可以减少重金属带来的环境风
险，促进重金属等污染物的自然降解。同样，通过
种植并收获快速生长的树木来提取土壤中的重金
属越来越受关注。研究表明，自然生长的柳树特
别适合去除土壤中的 Cd。种植快速生长的柳树
已被认为是低成本、可持续和生态安全的重金属
污染土壤修复方法。近年来的生态工程研究表
明，柳树生物量以及重金属累积含量都较大，对土
壤重金属污染具有显著的修复潜能。因此，柳树
被认为是治理农田土壤和棕地 Cd 污染的重要树
种之一。
1 镉污染
Cd是生物非必需营养元素，是毒性较大的重
金属之一。这是因为 Cd 不能生物降解，其在环
境中累积可能会导致环境污染与生态破坏。Cd
在生态系统中的移动性强，可通过食物链的生物
放大给人类健康带来潜在危害。Cd 对植物的毒
害作用不明显，但易被植物吸收，增加了通过食物
链转移到人类及其他动物的环境风险。
环境与经济社会发展不协调导致土壤环境中
的 Cd经常超标。Cd 污染主要源于磷肥施用、污
水灌溉以及金属采选、冶炼加工等。工商业废弃
地(棕地)Cd污染治理的工程费用及化学处理费
用往往超过用地本身的价值。因此，进行经济有
效及环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属污染物的方
法有限。物理法既费土又费钱，化学法易破坏土
壤生态及功能完整性。考虑到 Cd 的高移动性及
环境风险，物理法、化学法都不是土地所有者、管
理者或使用者采纳的最好方法。
2 植物提取
重金属污染的植物修复方法相比物理法、化学
法更绿色环保以及经济可行。土壤重金属污染的
植物修复有植物提取、根际过滤、植物固定、植物降
解、植物挥发、根际降解等多种方法。植物提取是
利用生物量较高的植物将土壤重金属吸收并转运
到植物地上部分，通过收获植物地上部分去除重金
属，这种方法不破坏土壤结构和功能，不需要土壤
填埋处置［1 － 5］。植物修复常采用的植物是超富集
植物。已发现的重金属超积累植物可以提取 Ni、
Zn、Cu、As、Co 和 Pb，一些树种还可以有效地吸收
和转化 Hg和 Se，但是选择性吸收 Cd 的超富集植
物较少，只有少量的草本植物(Thlapsi caerulescens
和 Arabidopsis halleri)可以积累含量高达100 mg /kg
的 Cd。然而，与其他金属离子和其他物种相比，快
速生长的几种柳树及其无性系对 Cd的吸收能力较
强［6 － 10］。杨树也有较强的吸收能力，尤其是对 Pb
的吸收。研究表明，蒿柳 (Salix viminalis)的无性
系及其他几种柳树已作为能源树种广泛栽种于重
金属污染的农田，3 年进行 1 次轮伐，而且其应用
于治理重金属污染的棕土可能性也较大。
3 矮林柳修复土壤镉污染的研究
3． 1 柳树对镉的吸收量
一些繁殖能力、抗逆性以及基因变异能力强，
生物量大的柳树品种，尤其适用于重金属污染土
壤的植物修复。通过短期轮伐柳树，可以达到降
低土壤重金属含量的目的。尽管存在种间差异，
但柳树对 Cd 的吸收量一般随着土壤中 Cd 含量
的增加而增加。多年田间研究表明，黄花柳
(Salix caprea)叶片 Cd含量高达 116 mg /kg干重，
年际间叶片 Cd 含量变化较小，说明不同年份调
26 湖 北 理 工 学 院 学 报 2014 年
研的数据一致性较强［11］。底泥污染土壤栽培各
种柳树(黄花柳、蒿柳、白柳 Salix alba)Cd含量达
6． 6 mg /kg［12］。研究还表明，水淹有利于降低土
壤 Cd等重金属的生物可利用性，因此这可能是
重金属污染土壤的潜在有效管理方式［12］。Mlec-
zek 等评价了波兰森林 12 种柳树对 Cd 的累积能
力，结果表明，Salix． purpurea Green Dicks 和
Salix． purpurea var． angustifolia Kerner对 Cd 的吸
收量最大，有些柳树，比如 Salix． purpurea Utilis-
sima对 Cd的吸收量很小，说明同一品种的不同
植物对 Cd 的吸收能力不同，同时说明柳树并不
是超富集植物，但考虑到柳树生物量较大，植物修
复能力较强，其应用受到普遍关注［13］。Li等将本
土柳树 (Salix × aureo － pendula CL J1011)种植
于 Cd污染的扬子江岸田间，实验 45 d后，单独栽
培柳树、柳树 + EDTA 处理、柳树 + EDTA +乳酸
乙酯处理，分别使土壤 Cd 浓度下降 5%、20%和
29%;EDTA与乳酸乙酯结合施用能显著提高土
壤 Cd的去除率，因此，三者结合构成的植物提取
系统对土壤 Cd污染具有较高的修复潜能［14］。
另外，一些措施可以增加柳树对镉的吸收能
力。当土壤 pH值为 5． 5 ～ 7． 0 时，蔬菜叶和根的
BCF能增加一个数量级。旱柳镉吸收量与土壤
pH值有很大的关联性。廉价的有机及无机酸性
土壤改良剂很可能增加旱柳对 Cd 的吸收。在其
他植物研究中，施用钾肥可以使植物茎中 Cd 含
量增加 2 倍。同时，植物提取重金属的影响包括
作物生长及植物作为生物质在燃烧过程中对生态
系统食物链、环境以及人类健康的潜在风险。
柳属间树种可以广泛杂交。蒿柳生物量较
大，但其重金属含量不高，而 Salix burjatica Ger-
many和 Salix calodendron Wimm 能去除土壤中大
量 Cd及其他金属离子，它们是蒿柳、黄花柳(S．
caprea)和灰柳(Salix cinerea)的杂交，这有利于
将蒿柳生物量大的特性结合到生长慢但能自然入
侵到受 Cd污染土壤的黄花柳与灰柳中。Cd在不
同植物体内移动性不同的生理生化机制尚不清
楚，但吸收能力强的物种能快速生长繁殖，少数木
本植物插条扦插后能快速长成新植株。
污染场所田间实验表明，从收获的柳树中计
算出的 Cd 吸收量比较低，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，蒿柳生物量为 10 t·DM·
ha －1·a －1，虽然茎中 Cd含量仅有 2 mg·kg －1，但
Cd吸收量为 20 g·ha －1·a －1。这一吸收量比稻
草 Cd吸收量高 100 多倍，超过瑞典土壤由于磷肥
反复施用而通过大气污染进入土壤中的 Cd。欧
洲农田及工业地区大气沉降的 Cd 含量分别高达
0． 7 和 1． 9 g·ha －1·a －1。然而，田间实验柳树收
割部分的 Cd 吸收量与理论计算值存在偏差［16］。
最近调查显示，在英国南部种植园中，30%柳树的
根系在 0 ～ 10 cm深的土壤中，75% ～ 95%的根在
0 ～ 36 m 的土壤中。在质量平衡方程中，柳树 Cd
含量为 25 mg·kg －1，年产量为 15 t·ha －1·a －1，
27 年大约能将表层 20 cm土壤中的 Cd从 8 mg·
kg －1减小到 3 mg·kg －1［17］。
理论计算和田间实验实际金属去除量不一致
的原因:其一，可能与土壤污染的空间变异有关。
通常，植物根系能避开重金属含量高的土壤，主动
向污染较小的土壤生长。然而，在受 Cd 污染的
土壤中，15 mg·kg －1以上或者更高浓度的植物根
系不敏感;其二，可能是植物地上部分 20% ～
40%的 Cd大多数存在于叶中，而植物地上部分
收获通常是在冬天落叶后;其三，包括柳树在内的
植物根中 Cd含量通常高于地上部分。有许多关
于根生物量和产量的报道中提到，柳树生物量中
根通常占 33% ～ 58%。可以推断，收获末期，根
去除的 Cd至少是茎中 Cd 去除量的 30%。在修
复末期，收获的叶子和根中 Cd 含量相当于茎中
Cd含量。
3． 2 柳树对镉的富集因子
生物富集因子(Bioconcentration factors，BCF)
是指植物吸收的重金属含量与植物生长土壤重金
属含量的比值，它是用来衡量植物富集重金属能
力大小的指标。BCF ＞1，说明植物能有效富集金
属。柳树能生长于 Cd 轻度污染(由工业粉尘以
及污水、污泥中 Cd 造成的污染)和 Cd 重度污染
(矿区)的土壤中，其对 Cd 的生物富集因子都有
报道。在大田实验中，木本植物对 Cd 的 BCF 值
在 0． 05 ～ 16． 8 之间，草本植物对 Cd 的 BCF值在
第 1 期 肖 力，汤春芳:短轮伐期矮林柳对污染土壤中镉的修复 27
0． 17 ～ 27． 9 之间，不同实验土壤柳树的生物富集
因子如表 1 所示［4 － 10］。在重度污染的土壤中，虽
然柳树植株的 Cd含量高，但 BCF值不高，表明植
物不能有效地将 Cd 从土壤转运到植物中。柳树
叶中 BCF值高于茎，尽管叶只占地上部生物量的
25%，而茎中 Cd 的总含量较高。重度污染土壤
栽培的蒿柳叶片 Cd 浓度高达 80 mg /kg，但其生
长受到严重抑制;中度污染土壤中 Cd 年均提取
量为总量的 0． 13%［15］。
表 1 不同实验土壤柳树的生物富集因子(BCF)
土壤 Cd含量与植物种类 BCF 参考文献
7． 9 mg /kg，蒿柳 2． 8 Greger和 Landberg，1999
0． 17 ～ 0． 45 mg /kg，蒿柳 茎 2． 9 ～ 16． 8，叶 4． 8 ～ 27． 9 Klang － Westin和 Eriksson，2003
6． 0 mg /kg，蒿柳无性系 茎 0． 56 ～ 1． 3，叶 1． 9 ～ 2． 5 Mircka等，2005
45． 6 mg /kg，20 株柳树无性系 木质部和树皮 0． 5 ～ 0． 45 Pluford等，2002
255 mg /kg，灰柳 茎 0． 3，叶 0． 17 Punshon和 Dickinson，1999
3 mg /kg，蒿柳 茎 0． 83，叶 0． 72 Vervaeke等，2003
小于 1． 8 mg /kg，蒿柳 茎 1． 2，叶 1． 4 Ｒosselli等，2003
注:BCF =植物组织重金属含量(mg /kg)/土壤重金属含量(mg /kg)。
4 结论
柳属植物提取土壤中的 Cd 是一种有效、低
耗的治理方法，尤其是对低 Cd 污染的棕土和农
田土壤，但对长期受矿区开采影响及严重污染的
土壤不太适合。用筛选出的柳属树种去除土壤中
的 Cd需要:①选择适合的污染土壤;②每年落叶
之前反复收割柳树地上部分;③最后对整个植株
(包括根以及地上茎)进行收割。用柳树作为 Cd
的植物修复材料，在理想的时间内能使土壤恢复
到轻污染状态，在治理过程中可实现绿色技术和
作物经济循环的双赢。
参 考 文 献
［1］ 徐爱春，陈益泰，王树凤，等． 镉胁迫下柳树 5
个无性系生理特性的变化［J］． 生态环境，
2007，16(2) :410 － 415．
［2］ 周晓星． 柳树植物对重金属镉胁迫的生长与
生理响应［D］． 北京:中国林业科学研究院，
2012．
［3］ 徐爱春，陈益泰，陈庆红，等．镉胁迫下旱柳无
性系耐镉性变异及生理变化［J］．浙江林学院
学报，2009，26(5) :674 － 678．
［4］ Greger M，Landberg T． Use of willows in phytoex-
traction［J］． International Journal Phytoremedi-
ation，1999(1) :115 － 123．
［5］ Klang － Westin E，Eriksson J． Potential of Salix
as phytoextractor for Cd on moderately contami-
nated soils［J］． Plant and Soil，2003，249:127 －
137．
［6］ Mircka J，Isebrands J G，Verwijst T，et al． Devel-
opment of short － rotation willow coppice systems
for environmental purposes in Sweden［J］． Bio-
mass 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 phytore-
mediation［J］． International Journal Phytoreme-
diation，2002，4:59 － 72．
［8］ Punshon T，Dickinson N M． Heavy metal resist-
ance and accumulation characteristics in willows
［J］． International Journal Phytoremediation，
1999(1) :361 － 385．
［9］ Vervaeke P，Luyssaert S，Mertens J，et al． Phy-
toremediation prospects of willow stands in con-
taminated sediment:a field trial［J］． Environ-
mental Pollution，2003，126:275 － 282．
［10］ Ｒosselli W，Keller C，Boschi K． Phytoextraction
capacity of trees growing on a metal － contamina-
ted 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
28 湖 北 理 工 学 院 学 报 2014 年
contaminated sites in Central Europe［J］． Envi-
ronmental Pollution，2008，148:107 － 114．
［12］ Vandecasteele B，Quataert P，Genouw G，et al．
Effects of willow stands on heavy metal concen-
trations and top soil properties of infrastructure
spoil land lls and dredged sedimentderived 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 differ-
ent genotypes of Salix ［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 remedia-
tion of the cadmium － contaminated soil by au-
tochthonous willow (Salix × aureo － pendula CL
‘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 po-
tential of willow for remediation of heavy metal
polluted calcareous urban soils ［J］． Environ-
mental Pollution，2009，157:931 － 937．
［16］ Berndes G，Fredrikson F，Borjesson P． Cadmium
accumulation and salix － based phytoextraction
on arable land in Sweden［J］． Agriculture Eco-
system Environment，2004，103:207 － 223．
［17］ Crow P，Houston T J． The influence of soil and
coppice cycle on the rooting habit of short rota-
tion poplar and willow coppice ［J］． Biomass
Bioenergy，2004，26:497 － 505．
(责任编辑 高 嵩)
(上接第 20 页)
这将直接威胁酒业的发展。国酒特殊水源保护区
的污染物绝大部分来自上游河两岸的农村生活污
水及白酒企业的废水，各水平年 COD 和 NH3 － N
都没有环境容量。
茅台酒业发展离不开优良的赤水河水，建议
采取如下措施以确保赤水河环境健康:
1)赤水河流域全面发展高效生态农业，调整
农业产业结构，降低农业化肥、农药的使用量，有
效降低农业面源对赤水河水环境恶化的风险。
2)逐步关停沙坝河小流域的采煤、造纸等企
业;加强酒厂废水达标治理。
3)加快建设中枢、鲁班、五马等城镇污水处
理设施。
4)对赤水河干流实施严格的功能分区保护。
5)赤水河流域实施流域协调管理战略，通过
国家机构的协调，成立包括云南、贵州、四川在内
的赤水河流域发展环境综合协调机构，综合协调
赤水河流域的环境保护问题以及产业发展问题，
确保赤水河环境健康。
参 考 文 献
［1］ 王忠锁，姜鲁光，黄明杰，等．赤水河流域生物多
样性保护现状和对策［J］． 长江流域资源与环
境，2007，16(2) :175 － 180．
［2］ 段方情，陆安良，苏泽志．国酒基地内矿业开发
引发的地址环境问题及其对策［J］．贵州地质，
2010，27(2) :137 － 138．
［3］ 许宇慧． 对完善赤水河流域综合管理的思考
［J］．决策管理，2010(10) :60．
［4］ 任晓冬，黄明杰．赤水河流域产业状况与综合流
域管理策略［J］． 长江流域资源与环境，2009，
18(2) :97 － 103．
［5］ 杨发洪．做好环境保护工作，促进酒都经济腾飞
［J］．科教文汇，2007(6) :204．
［6］ 胡锋平，侯娟，罗健文，等．赣江南昌段污染负荷
及水环境容量分析［J］． 环境科学与技术，
2010，33(12) :192 － 195，205．
［7］ 田旭东，汪晓泉．钱塘江流域污染负荷及水环境
容量研究［J］． 环境污染与防治，2008，30(7) :
74 － 77．
［8］ 仝伟，张文志．水环境容量计算一维模型中设计
条件和参数影响分析［J］． 广东水利水电，2006
(3) :9 － 11．
(责任编辑 高 嵩)
第 1 期 肖 力，汤春芳:短轮伐期矮林柳对污染土壤中镉的修复 29