全 文 ：第 18 卷第 6期
2004 年 12月 水土保持学报Journal of Soil and Water Conservation Vol.18 No.6Dec., 2004
东南景天提取污染土壤中锌的潜力研究
李廷强 , 杨肖娥 , 龙新宪
(浙江大学 环资学院资源科学系 , 杭州 310029)
摘要:通过盆栽实验研究了两种生态型东南景天提取污染土壤中锌的能力 , 结果表明 ,超积累生态型东南景天具
有很强的忍耐土壤中高浓度锌 、铅和镉的能力 , 并能从土壤中吸收和转移大量锌到地上部 ,超积累生态型东南景
天地上部的 Zn 含量为 7 062～ 9 558 mg/ kg ,非超积累生态型为 256 ～ 407 mg/kg ,超积累生态型东南景天地上部的
Zn总积累是非超积累生态型的41～ 62倍。矿山土壤添加稻草后 , 促进了超积累生态型东南景天的生长 , 地上部
生物量显著提高 , 且锌含量也明显增加。种植超积累生态型东南景天后土壤乙酸铵提取态锌有上升趋势 ,和种植
前比较 , 在矿山土壤和污染土壤上分别增加了 4.3%和 9.4%, 种植超积累生态型东南景天后土壤交换态锌和有
机结合态锌明显增加 , 残渣态锌减少 ,而对非生态型 ,种植前后土壤中锌的化学形态没有什么变化。添加菜籽饼
和稻草对两种土壤中 Zn 的化学形态转化均没有显著性影响 ,其原因有待进一步研究。这些研究结果表明 , 超积
累生态型东南景天具有较强的修复锌污染土壤的潜力。
关键词:植物提取; 植物修复; 东南景天; 锌污染; 重金属
中图分类号:X173;X53 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2004)06-0079-05
Zinc Phytoextraction Ability from Polluted Soil of Hyperaccumulating
Ecotype of Sedum alfredii Hance
LI Ting-qiang , YANG Xiao-e , LONG Xin-xian
(Department of Resource Science , Zhejiang University , Hangzhou 310029)
Abstract:Zinc phytoextraction ability from polluted soil of the hyperaccumulating ecotype of Sedum alfredii Hance and the
non-hyperaccumulating ecotype of Sedum alfiedii Hance were investigated by pot experiment.The results showed that hy-
peraccumulating ecotype of Sedum alfrediiHance could not only tolerate high soil Zn , Pb , and Cd , but also effectively ab-
sorbed and translocated Zn from soils to plant shoots , shoot Zn concentration ranged from 7 062 to 9 558 mg/kg forthe hy-
peraccumulating ecotype , but it only 256 to 407 mg/kg for the non-hyperaccumulating ecotype.The total Zn accumulated in
the shoots of hyperaccumulating ecotype was 41 ～ 62 times greater than that of the non-hyperaccumulating ecotype.The
growth of hyperaccumulating ecotype on the mining soil was prompted by appending RS and shoot Zn concentration in-
creased.The concentration of NH4OAcextractable Zn in mining soil and polluted soil increased by 4.3%and 9.4%respec-
tively after growth of hyperaccumulating ecotype of Sedum alfrediiHance for one season , the concentration of Zn in the ex-
changeable and organic fraction increased distinctly and draff fraction decreased slightly , while the non-hyperaccumulating
ecotype had no obvious effects on soil Zn form.Appending OSC and RS had no obvious effects on soil Zn form.All the re-
sults suggested that hyperaccumulating ecotype of Sedum alfredii Hance had great potential for phytoremediation of Zn con-
taminated soils.
Key words:phytoextraction; phytoremediation; Sedum alfredii Hance; Zn contaminated; heavy metal
随着工业的发展和农业生产的现代化 ,土壤重金属污染日益严重 ,并通过食物链危及人类的生命和健
康[ 1] 。植物提取(Phytoextraction)是一条集永久性和广域性于一体的植物修复途径 ,是修复重金属污染土壤的
一种全新技术 , 在全球得到迅速发展和应用[ 2] 。限制植物提取技术的主要因素包括:土壤重金属的生物有效
性低 ,重金属从根系向地上部的转运能力差 ,大多数超积累植物的生长速率慢 、生物量小[ 3] 。土壤中的重金属
以多种形态存在 ,不同化学形态的重金属的生物有效性不同 ,通过改良土壤环境提高重金属的生物有效性是提
高植物修复的一条有效途径。矿山废弃地和一些重金属污染土壤的物理结构不良 ,持水保肥能力差 ,较贫瘠 ,
N 、P 、K和有机质含量极低 ,养分不平衡 ,不利于植物生长 ,重金属主要以矿物态存在 ,其生物有效性低[ 4] 。因
此在植物修复的过程中 ,采取有效的辅助措施 ,增加重金属的生物有效性 ,提高修复效率是必要的 。改良矿山
收稿日期:2004-07-08
基金项目:国家杰出基金(39925024)、国家重点基础研究“973”项目(2002CB410804)和国家自然科学基金资助项目(20277035)
作者简介:李廷强 ,男 ,生于 1976年 ,博士。主要从事环境生态 、污染环境的生物修复等研究 ,发表论文 9篇。E-mai l:litq555@sohu.com
DOI :10.13870/j.cnki.stbcxb.2004.06.019
废弃地的材料很广泛 ,包括表土 、化学肥料 、有机废弃物 、绿肥和固氮植物等 。作物的秸秆和菜籽饼等可作为废
弃地的覆盖物 ,改善土壤表面温度状况和基质的物理结构 ,促进微生物的生长 ,固定和保持养分 。有机物料对
土壤中重金属的化学形态及其在土壤-植物系统 、乃至整个生态系统中的迁移均具有显著影响。
东南景天(Sedum alfredii Hance.)是在我国东南部地区一些古老的铅锌矿上首次发现的一种锌超积累植
物 ,同时对铅具有富集作用[ 5] ,而且其为一种多年生草本植物 ,营养繁殖为主 ,生物量大 ,可能具有很大的修复
重金属污染土壤的潜力。本研究采用盆栽试验 ,旨在探讨:(1)东南景天提取污染土壤中锌的能力;(2)添加有
机物料对东南景天提取土壤锌的影响;(3)种植东南景天和添加有机物料对土壤锌的化学形态的影响 ,为进一
步开发利用东南景天修复重金属污染土壤提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
植物材料为两种生态型东南景天 ,超积累生态型东南景天(hyperaccumulating ecotype HE)取自浙江省衢州
市的一个古老铅锌矿 ,非超积累生态型(non-hyperaccumulating ecotype NHE)取自浙江省杭州市郊茶园地。两种
植物于2003年 4月移至浙江大学玻璃温室 ,繁殖 ,培育新枝芽 ,供试验用 。供试有机物料包括稻草和菜籽饼 ,
经风干 ,70℃烘干 ,粉碎 ,备用 。
供试土壤有两种 ,矿山土壤(mining soil MS)取自浙江省衢州市古老铅锌矿 ,该矿在明末清初期间曾盛开采
过 ,现已恢复植被 ,主要优势植物为东南景天;工业污染土壤(polluted soil PS)取自浙江省富阳市环山乡 ,该乡自
1989年开始发展小高炉炼铜业 ,到 1995年发展到 34只小高炉 ,大部分冶炼厂为小型家庭作业 ,厂房简陋 ,原料
绝大多数为大型冶炼厂的下脚料 ,原材料和废渣露天随地乱堆 ,再加上无任何环保设备 ,排出的烟尘直接排向
空气 ,导致附近农田严重污染 ,粮食产量大幅度下降 ,一些田块甚至颗粒无收 ,成片农田荒废。两种土壤的基本
理化性质见表 1。
表 1 供试土壤的基本性质
土壤类型 污染土壤 矿山土壤
pH (H2O) 7.03 6.29
有机质(%) 4.2 2.9
CEC(cmol/ 100g) 7.09 8.34
全 N(%) 0.13 0.14
水解 N(mg/ kg) 98.4 149.9
全P(%) 0.11 0.19
有效P(mg/ kg) 37.2 20.3
全Zn(mg/ kg) 2001 2900
全 Pb(mg/ kg) 1500 23346
全Cd(mg/ kg) 21.1 40.3
NH4OAc-Zn(mg/ kg) 312.0 230.5
NH4OAc-Pb(mg/ kg) 49.0 198.5
NH4OAc-Cd(mg/ kg) 3.2 2.7
1.2 盆栽试验
每种供试土壤设 3个处理(对照 CK 、添加稻草 RS 、添加菜籽饼
OSC),各处理重复 4次 ,稻草和菜籽饼的加入量为 10.0 g/kg 土 ,每
盆装风干土 1 kg ,将土壤 、有机物料和 NPK 基础肥料(N=100 mg/
kg , P=80 mg/ kg , K=100 mg/kg ,以NH4NO3和 KH2PO4形态供给)
拌匀 ,加水至田间持水量的 60%～ 70%,装盆 ,分别取两种生态型东
南景天 ,用自来水冲洗干净 ,取大小均匀一致的枝条移栽 ,每盆 4
株。植物移栽 70天后 ,收获植物地上部 ,分别在移栽前和收获植株
后取土壤样品进行分析。
1.3 测定方法
植物样品先用自来水冲洗表面灰尘 ,再用去离子水洗净 ,吸水
纸吸干表面水 ,测定鲜重。然后在 65℃下烘干至恒重 ,最后用不锈
钢粉碎机磨细 , 过 60目尼龙网筛 ,供分析测定用。植物中Zn含量采用干灰化-原子吸收分光光度计测定(岛
津AA-6800型)。
表 2 两种生态型东南景天地上部生物量 g/株
鲜 重 干 重
土壤
处理
超积累
生态型
非超积累
生态型
超积累
生态型
非超积累
生态型
对照 18.186a 7.751a 1.053a 0.695a
污染土壤 稻草 17.914a 7.413a 1.028a 0.651a
菜籽饼 17.835a 6.558b 0.954a 0.409b
对照 9.439b 3.449b 0.492b 0.258b
矿山土壤 稻草 10.284a 4.027a 0.537a 0.312a
菜籽饼 8.784b 2.821c 0.495b 0.183c
注:a ,b , c 表示在 P ≤0.05的水平上差异显著。
土壤经自然风干后 ,过20目筛 ,供分析测定。土壤含水
量 、有机质 、全氮 、速效氮 、全磷 、速效磷 、pH 值和 CEC 值均
采用常规分析方法测定[ 6] 。土壤全 Zn测定采用HF-HClO4
消煮—原子吸收分光光度法测定[ 7] ,土壤有效 Zn测定采用
1 mol/L NH4OAc 浸提(pH7.5)—原子吸收分光光度法测定 ,
土壤Zn形态分析以 Tessler(1979)的连续提取分级方法进
行[ 8] 。
2 结果与分析
2.1 不同农艺措施对东南景天生物量的影响
盆栽实验结果表明 ,在两种土壤上 ,超积累生态型东南景天生长正常 ,未表现出任何中毒症状 ,其地上部的
干物质产量的范围在 0.492 ～ 1.053 g/株 ,以生长在工业污染土壤上的生物量最大 ,约是矿山土壤上的 2倍 ,而
80 水土保持学报 第 18卷
非超积累生态型均受到严重抑制 ,尤其是生长在矿山土壤上的 ,地上部的干物质产量急剧下降(表 2)。土壤添
加稻草后 ,对东南景天地上部生物量的影响与土壤类型有关 ,在污染土上 ,对两种生态型东南景天地上部的生
长无影响 ,在矿山土壤上 ,两种生态型表现为正效应 ,地上部的生物量增加 ,其原因可能在于稻草对土壤肥力的
改善 ,促进了植物的生长 。添加菜籽饼后 ,均不利于两种生态型东南景天的生长 ,地上部的生物量减少 ,这表明
菜籽饼并不是一种有效的矿山废弃地或重金属污染土壤的植物修复改良物质。
2.2 不同农艺措施对东南景天地上部锌含量的影响
表 3 两种生态型东南景天地上部锌含量及富集系数
土壤 处理 超积累生态型 非超积累生态型含量(mg/kg) 富集系数 含量(mg/kg) 富集系数
污染 对照 7672.8±214.9 3.834 258.48±15.96 0.129
土壤 稻草 8944.2±895.8 4.470 255.87±47.58 0.127菜籽饼 7061.8±802.5 3.529 264.64±38.22 0.132
矿山 对照 8528.9±540.8 2.941 394.19±69.97 0.136
土壤 稻草 9557.8±1838.7 3.295 400.35±43.51 0.138菜籽饼 8998.8±1997.8 3.103 407.47±74.94 0.141
盆栽实验结果表明 ,超积累生态型东南景天
在两种土壤中地上部 Zn 含量均显著高于非超积
累生态型(表 3)。超积累生态型东南景天地上部
Zn含量为7 062 ～ 9 558 mg/kg ,非超积累生态型为
256 ～ 407 mg/kg ,前者是后者的 21 ～ 34 倍。根据
地上部 Zn含量/土壤全 Zn含量 ,可计算富集系数
(Baker et al.,1994)。超积累生态型的富集系数为
2.94 ～ 4.47 ,非超积累生态型为 0.127 ～ 0.141。稻
草或菜籽饼对植株地上部 Zn含量的影响效应与土壤类型和植物生态型密切相关。对于超积累生态型 ,污染土
壤和矿山土壤添加稻草后 ,地上部 Zn含量显著增加 ,而其它处理均无显著影响;而对于非超积累生态型 ,除了
在矿山土壤添加菜籽饼后 ,地上部 Zn含量显著增加 ,其它处理对地上部Zn含量无显著影响。
供试土壤中铅 、镉的含量均很高(表 1),但超积累生态型东南景天的生长并未受到影响 ,地上部的 Pb含量
达212 mg/g 、Cd含量达 462 mg/kg ,这表明超积累生态型东南景天具有较强的忍耐和富集 Pb和 Cd的能力。
图 1 两种生态型东南景天地上部积累的总锌量
2.3 东南景天对土壤锌的清除量
植物修复效率不仅取决于植物地上部的金属含量 ,
而且与地上部的生物量密切相关 ,因而植物地上部的金
属总积累量更能准确地反应植物修复污染土壤的潜力。
不同土壤的物理结构 、肥力状况及金属的来源和形态不
同 ,导致植物的生长状况和吸收金属的能力不同 ,最终影
响植物清除土壤重金属的能力 。盆栽试验结果表明 ,超
积累生态型东南景天地上部 Zn总积累量是非超积累生
态型的 41 ～ 62倍 ,由于污染土壤的结构良好 ,有机质含
量高 ,植物生长健壮 ,因而超积累生态型东南景天地上部
积累的Zn最多 ,约是矿山土壤的 2 倍。土壤添加稻草
后 ,超积累生态型东南景天地上部的 Zn总积累增加 ,尤
其是在矿山土壤 ,与对照之间的差异达显著水平 ,而菜籽
饼无明显效果。
2.4 东南景天对土壤乙酸铵提取态锌含量的影响
土壤重金属的生物有效性和移动性是影响重金属污
染土壤植物修复效率的重要因素之一[ 3] 。化学提取剂目
前广泛用于评价重金属对植物有效性 ,乙酸铵提取态锌主要来源于土壤中水溶态 、交换态和一部分松结合态
锌 ,其含量主要取决于土壤中结合态锌向交换态锌的转化以及植物对水溶态锌的吸收 ,是目前常用的评价重金
属对植物有效性的提取剂 。由图 2可以看出 ,种植超积累生态型东南景天后土壤乙酸铵提取态锌有上升趋势 ,
和种植前比较 ,在矿山土壤和污染土壤上分别增加了 4.3%和 9.4%,表明该种植物具有活化结合态锌的作用 ,
使其向乙酸铵提取态转化 。同时可以看出 ,这种增加的趋势在两种土壤间也不同 ,污染土壤的乙酸铵提取态锌
在种植超积累生态型东南景天后明显增加 ,而矿山土壤增加不明显。原因可能是污染土壤交换态 Zn的绝对含
量较高 ,且大部分Zn以有机结合态存在 ,容易被乙酸铵提取 。
2.5 土壤中锌形态的变化
土壤的理化性质及土壤中 Zn的来源不同 ,导致两种土壤中 Zn的形态分布存在明显的差异(图 3)。污染
土壤中Zn的形态为:有机结合态(61.6%)>残渣态(24.6%)>铁锰结合态(10.3%)>碳酸盐态(1.6%)>交换
81第 6 期 李廷强等:东南景天提取污染土壤中锌的潜力研究
图 2 东南景天对土壤乙酸铵提取态锌含量的影响
态(1.7%)>水溶态(0.2%);矿山土壤为残渣态(53.28%)
>有机结合态(30.71%)>铁锰结合态(13.51%)>碳酸盐
态(2.09%)>交换态(0.4%)>水溶态(0.01%)。上述结果
也表明 ,污染土壤中 Zn主要来源周边环境小高炉炼铜厂排
放的工业废水和排出的烟尘颗粒 ,该土壤的有机质含量高 ,
因而绝大部分 Zn以有机结合态存在 ,且交换态 Zn的绝对
含量较高(34.3 mg/kg)。矿山土壤中 Zn主要来源于尾矿
渣 ,因此以残渣态Zn占优势。
重金属在土壤中的存在形态是重金属与土壤中各组分
相互作用的结果 ,不同形态的重金属的活性或生物有效性
注:P0, P1 , P2分别代表种植前 、种植HE后 、种植 NHE后
图 3 东南景天收获后土壤中 Zn 形态分布
是不同的 。因此 ,植物体内金属含量不仅与土壤金
属全量有关 ,而且受土壤中金属的存在形态的影响。
图 3表明 ,种植超积累生态型东南景天后土壤交换
态锌和有机结合态锌明显增加 ,残渣态锌减少 ,而对
非生态型 ,种植前后土壤中锌的化学形态没有什么
变化 ,可见超积累生态型东南景天能够促进锌由难
溶态向易溶态转化 ,增加生物有效性 ,促进锌的吸收
和转运 。同时本研究的结果表明 ,添加菜籽饼和稻
草对两种土壤中 Zn 的化学形态转化均没有显著性
影响(图 3)。
3 讨 论
东南景天是在我国东南部地区一些古老的铅锌
矿上首次发现的一种锌超积累植物[ 5] 。实验结果表
明 ,超积累生态型东南景天在两种土壤中地上部 Zn
含量均显著高于非超积累生态型(表 3)。超积累生
态型东南景天地上部 Zn 含量为 7 062 ～ 9 558 mg/
kg ,非超积累生态型为 256 ～ 407 mg /kg ,前者是后者
的21 ～ 34倍 。这进一步证明超积累生态型比非超积
累生态型具有更强的吸收生长介质中的锌并将其转
运到地上部的能力 ,这与我们以前的水培试验结果
相吻合[ 9] 。两种供试土壤中铅 、镉的含量均高于环
境质量标准(表 1),但超积累生态型东南景天的生长
并未受到影响 ,地上部的 Pb含量达 212 mg/ kg 、Cd含量达 462 mg/ kg ,这些研究表明 ,超积累生态型东南景天
同时具有较强的忍耐和富集 Pb和 Cd的能力。东南景天无性繁殖(以株芽为主)的速率很快 ,在较短的生长期
内即可形成良好的地面覆盖 ,其覆盖几乎达 100%。另一方面东南景天还具有适于刈割的特点 ,在大田条件
下 ,东南景天地上部能长到 30 ～ 40 cm高度 ,便于机械化收割 。由此可见 ,在 Zn 、Pb 、Cd等复合污染的土壤修复
中 ,东南景天具有广阔的应用前景 。
超积累植物能改变根际环境 ,活化根际土壤中的重金属[ 10] 。种植超积累生态型东南景天增加乙酸铵对土
壤锌的提取率(图 2),表明该种植物具有活化结合态锌的作用 ,使其向乙酸铵提取态转化 ,推测超积累生态型
东南景天根系有可能分泌特殊物质 ,可以专一螯合溶解根系附近的难溶态锌 ,从而提高土壤溶液中的锌浓度 。
也有可能是由于超积累生态型根际存在特殊的微生物区系 ,通过微生物的活动或微生物的特殊分泌物来溶解
难溶态锌 ,提高土壤锌的生物有效性 ,促进根系对锌的吸收和积累。无论是何种原因 ,超积累生态型促进土壤
乙酸铵提取态锌含量的增加可能与其超积累锌的特性有关 ,其机理有待于进一步的研究证实 。
土壤中的重金属以多种形态存在 ,不同化学形态的重金属的生物有效性是不同 ,通过改良土壤环境提高重
金属的生物有效性是提高植物修复的一条有效途径。研究表明 ,有机物料对土壤重金属活性及其在土壤—植
物系统中迁移的影响比较复杂 ,它们可以降低土壤金属的有效性 ,也可能增加土壤金属的有效性或没有明显影
82 水土保持学报 第 18卷
响[ 11] 。导致这些矛盾结论的一个可能原因是水溶性的有机物能和重金属形成络合物 ,增加重金属的移动性和
生物有效性 ,但是大分子的固相有机物会同土壤中的粘土矿物一起吸附重金属 ,限制其移动性 。本研究的结果
表明 ,添加菜籽饼和稻草对两种土壤中 Zn的化学形态转化均没有显著性影响 ,其原因有待进一步研究。而从
超积累生态型东南景天地上部的生物量来看 ,添加稻草后 ,在矿山土壤上表现为正效应 ,且地上部锌的含量也
增加(表 2 ,表 3),可以看出 ,在养分含量较低的矿山废弃地和一些持水保肥能力差 ,N 、P 、K和有机质含量极低 ,
或是养分不平衡的重金属(锌)污染土壤上 ,在利用超积累生态型东南景天进行修复的过程中 ,通过增施稻草等
有机物料来促进生长 ,提高生物量 ,从而提高植物修复效率是可行的 。
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83第 6 期 李廷强等:东南景天提取污染土壤中锌的潜力研究