全 文 ：土壤pH对东南景天修复镉污染土壤的影响研究
廉梅花 1 孙丽娜 2* 胡筱敏 1 汤家喜 3 王刚 4
（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110004；2.沈阳大学区域污染环境生态修复教育部重点实验室，辽宁沈阳 110044；
3.沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳 110866；4.辽宁省易派环保职业培训学校，辽宁沈阳 110161）
摘 要：东南景天是一种镉和锌的超积累植物，改变土壤 pH能否有效提高其吸收镉的效率，需要进一步验证。采用盆栽实
验研究不同土壤 pH下东南景天吸收和积累 Cd的差异以及对 CaCl2提取有效态镉的影响。结果表明，降低土壤 pH值显著提高
了土壤镉的有效态含量。弱酸性土壤即 pH接近 5.5时东南景天生物量及累积镉的量最大，土壤镉去除率也最高，达 6.6%。强酸
性即当 pH接近 4时，虽然植物地上与地下镉含量均最高，但生物量最小，植物去除率较其他处理低。研究证实降低土壤 pH是提
高植物提取效率的有效办法，这为进一步利用东南景天修复镉污染土壤，提高修复效率提供了科学依据。
关键词：植物提取；东南景天；超积累；土壤 pH；镉
Abstract：Sedum alfredii Hance is an important hyperaccumulator of Cd and Zn, whether adjusting soil pH is an
efficient way to enhance metal uptake must by clarified. Different pH levels were designed to measure the CaCl2
extractable soil Cd concentrations and metal concentrations in Sedum alfredii Hance tissue. Results showed that
the available metal form of Cd was greatly increased with decreasing pH. Lowering pH significantly influenced
plant metal uptake. Highest plant biomass and accumulation of Cd in plant existed at the second lowest soil pH
(5.5), while plant also extract the most total Cd in soil as to 6.6% .The highest shoot and root metal concen-
tration were at the lowest pH (4.0) , but due to smallest biomass , plant extracted the smallest Cd. Overall ,
decreasing pH was a useful approach to enhancing the phytoremediation efficiency of Cd contaminated soils
by Sedum alfredii Hance ．
Key words：phytoextraction;Sedum alfredii Hance hyperaccumulator;soilpH;cadmium
中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1674-1021（2014）10-0047-04
1 引言
土壤重金属的污染及其治理是目前国际上研究
的热点，重金属镉（Cd）因其极易通过食物链在人体
内累积并危害人体健康而引起人们关注［1］。植物修
复（phytoremediation）技术是近年来国际上兴起的一
种治理重金属污染土壤的新技术，然而由于重金属
Cd毒性极强，绝大多数植物发生 Cd中毒的临界浓
度较低，一般不超过 3 mg/kg［2］。近年来，杨肖娥等［3］
在古老铅锌矿堆及其污染土壤上发现一种锌镉超积
累植物——东南景天。这种植物不仅生物量较大，忍
耐、吸收和富集 Zn与 Cd的能力很强，而且具有多年
生、无性繁殖、适于刈割的特点，是实施植物修复和
研究超积累机制的良好材料。
重金属进入土壤后受到土壤水分、质地、pH值、
有机质等环境因素的影响，很大程度上影响了植物
修复的效率，而 pH是影响土壤重金属生物有效性的
重要因子之一［4］。研究表明，降低土壤 pH可以提高
土壤重金属的生物有效性，进而提高植物修复效率。
但目前通过改变土壤 pH提高东南景天修复效率的
研究鲜见报道。本研究通过盆栽实验比较研究东南
景天在不同土壤 pH中的生长、Cd富集能力、提取效
率及对土壤 Cd有效性的影响，以期进一步探讨东南
景天对土壤 Cd的耐性、吸收和积累特征，为今后东
南景天应用于 Cd污染土壤的植物修复提供更多的
理论依据。
2 材料与方法
2.1 实验材料
供试土壤采自沈阳农业大学试验田，为黄土状
收稿日期：2014－03－07；修订日期：2014-10-08。
作者简介：廉梅花，女，1983年生，博士研究生在读，主要研究方向为土壤污染的生态修复。
*通讯作者：孙丽娜，女，1960年生，教授，博士后，主要研究方向为污染土壤的生态修复，E-mail：lymeihua1983@163.com。
基金项目：“973计划”项目（2014CB441100）；国家自然科学基金重点项目（21037002）；中华环境保护基金会格平绿色行动辽宁环
境科研教育“123工程”（CEPF2011-123-1-2）；辽宁省创新团队项目（LT2011017）。
47生态环境
EcologicalEnvironment
2.2 实验方法
2.2.1 不同 pH土壤的制备
设计 4个不同 pH水平，以下简称 A0（pH 7.0），
A1（pH 4.0），A2（pH 5.5）和 A3（pH 8.5）。实验用土
pH值为 6.82，近似视为 A0土，其他 3个 pH水平使
用 H2SO4和 CaO进行调节。在制备不同 pH水平的
土壤之前进行预实验，根据土壤的酸碱滴定曲线确
定 pH缓冲容量，分别利用酸和碱缓冲容量计算达
到目标 pH值所施用 H2SO4和 CaO的量。
2.2.2 盆栽实验
实验用土风干过2 mm筛并添加分析纯 3CdSO4·
8H2O溶液，使最终土壤全镉含量为 100 mg/kg，混匀
后的土壤在温室中风干并平衡稳定 1个月，盆栽时
每盆装土 1 000 g。土壤共设计 4个 pH水平（如前所
述），每个处理 4次重复，植物生长 70 d后收获。收
获时沿土面剪断植株，收获地上部，再将盆中的土壤
倾倒在白纸上，轻轻敲下植物根系上的土，收集根系
供分析测试。
2.2.3 样品处理与分析
实验收获的植物样品拿回实验室后，用自来水
冲洗以洗去表面浮沉与泥土，再用去离子水反复冲
洗，将植物按地上与地下部分开进行烘干处理。土壤
基本理化性质测定参考鲁如坤的《土壤农业化学分
析》［5］。土壤有效镉采用 pH=7.0的 0.05 M CaCl2做萃
取剂进行提取，石墨炉原子吸收法测定有效镉含量。
植物消煮采用 HNO3和 HClO4（4∶1，v/v），石墨炉原子
吸收法进行测定，分析过程用标准物质进行质量控
制，样品回收率 95±2%。
实验数据分析与制图采用 SPSS19.0 和 Excel
2007软件完成。
3 结果与讨论
3.1 不同土壤pH对重金属镉有效态的影响
土壤 pH与 CaCl2提取有效态镉的浓度关系见
图 1，两者呈显著负相关（p＜0.01），R2=0.783。
pH下降使得镉有效态含量显著增加有 5个方
面原因。
（1）土壤 pH的降低使土壤中黏粒矿物、水合氧
化物和有机质表面负电荷减少［6］，降低对镉的吸附
能力，促进土壤镉向有效态转化。
（2）土壤腐植酸中的酚羟基（R-OH）与羧基
（-COOH）都可与金属离子络合，但 pH的下降使得
络合物的稳定性降低，促使 S-O-Cd++H+→S-OH+Cd2+
反应向右进行，土壤溶液中的镉离子的浓度上升［7］。
（3）低 pH值时 H+浓度较高，其对镉离子存在竞
争吸附，使镉离子在氧化物表面的专性吸附下降。
（4）随着土壤 pH的降低，土壤溶液中镉离子和
氢氧根离子的离子积减小，生成 Cd（OH）2沉淀的机
会降低，导致土壤自由态 Cd含量升高。
（5）pH 升高时土壤中 Mn2+和 Fe2+开始水解为
Mn（OH）2和 Fe（OH）2，增加铁锰氧化物与Cd的结合［8］。
Naidu［9］认为，土壤 pH升高，有利于 Cd2++H2O=CdOH++
H+反应向右进行，CdOH+的存在使得其易于被土壤
颗粒表面吸附，从而降低有效态镉含量。
3.2 不同pH对植物生物量的影响
不同土壤 pH下植物地上部与地下部生物量见
图 2。
母质发育的棕壤，采样深度 0~20 cm，其基本理化性
质见表 1。供试植物为矿山生态型东南景天（Sedum
alfredii Hance），由中科院南京土壤研究所提供。
表1 土壤的基本理化性质
注：（1）是指1mol/LNH4OAc浸提；（2）是指以质量分数计。
项目
pH
（水浸）
有机质/（g·kg-1） CEC/（cmol·kg-1） 总镉/（mg·kg-1）有效镉（1）/（mg·kg-1）
颗粒组成（2）/%
＜0.002 mm 0.002～0.020 mm ＞0.020 mm
数值 6.82 25.70 17.08 0.11 0.046 26.42 9.81 63.77
pH（H2O）
R2=0.783
Ca
Cl
2
提
取
有
效
态
镉
/（
m
g·
kg
-1 ） 6
5
4
3
2
1
0
654 7 8 9
图1 土壤pH与CaCl2提取有效态镉的相关性分析
环境保护与循环经济48
处理 A1 A2 A0 A3
富集系数 6.1±0.47 5.32±0.21 4.1±0.34 3.78±0.06
转移系数 3.24±0.28 4.09±0.64 2.67±0.28 3.01±0.73
镉积累量/
（μg镉·株-1） 854±127 1 649±342 1 120±209 945±245
植物去
除率/% 3.6 6.6 4.5 3.8
图2 不同土壤pH下植物地上部与地下部生物量
由图 2可见，不同土壤 pH条件下东南景天的生
长反应有所不同。与中性土 A0相比，A1处理下东南
景天地上部干重下降了 34.8%，而A2处理与A3处理下
东南景天地上部干重均有所提高，分别提高了
33.7%和 13.0%，4个水平下植物地上部干重差异均
显著（p＜0.05）。与地上部植物干重不同，4个 pH水平
下地下部干重则是 A1下降明显，其余 3个水平相比
均无显著性差异（p＞0.05）。此外，实验过程中发现 A1
处理下的东南景天植株有枯萎和落叶等症状，而且收
集植物根系发现在此 pH水平时的植物根系明显发
育不良，分支少且无细根，这是典型的 Al中毒现象。
Wang［10］认为一般来讲，当土壤 pH＜5.0以及土壤溶
液中 Al离子浓度＞1～2 mg/L时，土壤就会表现出潜
在的 Al毒性，抑制植物根系及植株的生长。因此在考
虑通过改变土壤 pH值而提高重金属生物有效性及
植物吸收重金属效率时，应考虑 pH值过低对植物的
毒害效应，合理设置 pH水平，不能过度酸化。
3.3 不同pH对植物吸收和转运镉的变化影响
不同土壤 pH下东南景天地上部与地下部镉含
量见图 3。
由图 3可见，土培条件下不同 pH水平时东南
景天体内镉含量差异明显。地上部镉含量随着 pH
的升高逐渐减小，变化范围从 A1时的 610 mg/kg降
到 A3时的 378 mg/kg，4 个水平下的差异显著（p＜
0.01）。与地上部不同，地下部的镉含量随着 pH的改
变没有表现出一定的规律性，但仍是 A1时浓度最
大，为 188 mg/kg，A2与 A3差异不显著（p＞0.05）。这
是由于随着土壤 pH的改变，重金属镉在土壤中的
存在形态会发生改变，随着 pH的升高，镉有效态含
量逐渐减小，进而影响了植物的生物有效性。
土壤 pH的变化同样引起镉在植物器官中转移
与累积的差异，具体见表 2。
由表2可见，植物的富集系数随着 pH的升高逐
渐减小，在 A1时达到最大为 6.1，最小为 A3时的
3.78；而植物转移系数在 A2时最大，其次是 A1，这
说明与对照 A0相比，pH的降低不仅增大了土壤中
镉的活性，同时促进了镉从土壤向植物的富集，说明
东南景天具有镉超积累植物的典型特征。此外，从表
2可以看出，植物富集重金属的能力在 A2时最大，
平均为 1 649 μg镉/株，植物去除率高达 6.6%，其次
是 A0和 A3，而 A1处理下的植物富集量最小，仅为
854 μg镉/株，植物去除率仅有 3.6%。这是因为尽管
A1处理时植物地上与地下部的镉浓度均高于其他
处理，但因植株在此处理即土壤过度酸化时生长受
到毒害（如前文所述），生物量过小，导致植株的富集
量及植物去除率较其他要低。
4 结论
（1）有效镉含量与土壤 pH呈显著负相关，即土
壤 pH越低，CaCl2提取有效态镉含量越高。
（2）与对照相比，强酸性（pH接近 4.0）时东南景
天生物量最小，比对照下降了 34.8%，其余两个水平
与对照相比均无显著性差异。
（3）不同 pH 水平下东南景天体内镉含量差异
明显。地上部镉含量随着 pH的升高逐渐减小，地下
图2 不同土壤pH下植物地上部与地下部生物量
pH（H2O）
植
物
地
上
与
地
下
部
干
重
/（
g·
株
-1 ）
4
3
2
1
0
A1 A2 A0 A3
地上部
地下部
A1 A2 A0 A3
地上部
地下部
植
物
镉
含
量
/（
m
g·
kg
-1 ）
600.00
400.00
200.00
0.00
a
A
b
C
c
B
d
C
土壤 pH
注：同一系列不同字母表示不同pH条件下植物地上部与地下部镉含
量存在显著差异（P<0.05）。
表2 不同pH对东南景天积累和去除重金属镉的影响
49
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（上接 38页）
部的镉含量随着 pH的改变没有表现出一定的规律
性，但仍是 pH 4.0时最大。
（4）东南景天的富集系数随着 pH 的升高逐渐
减小，pH在 4.0时达到最大为 6.1，最小为 pH 8.5时
的 3.78。而植物转移系数在 pH 5.5时最大，此时植
物富集镉的能力也最大，平均为 1 649 μg镉/株，去
除率高达 6.6%。
值得注意的是，在降低土壤 pH值提高东南景
天修复效率时应根据土壤固有性质进行适度的酸
化，如若酸化过度，土壤溶液中各离子平衡将被打
破，诸如 Al 和 Mn等有毒元素会更多地溶解，抑制
植株生长，不利于植物修复的实施。不仅如此，pH过
低也会破坏土壤结构，加重养分和重金属的流失，污
染水环境。
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环境保护与循环经济50
遗失声明
温英君，男，不慎将《中华人民共和国职业资格证书》（五级/初级技能） 遗失，证书编号：
1307000000500753，身份证号：211002195903264732，发证时间：2013-05-15，现声明作废。