全 文 ：第 36 卷第 3 期
2016年 2月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.36,No.3
Feb.,2016
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:环境保护部公益性行业科研专项(201009047)
收稿日期:2014鄄05鄄04; 摇 摇 网络出版日期:2015鄄06鄄12
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail:qrzeng@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201405040883
杨洋, 陈志鹏, 黎红亮, 廖柏寒, 曾请如.两种农业种植模式对重金属土壤的修复潜力.生态学报,2016,36(3):688鄄695.
Yang Y, Chen Z P, Li H L, Liao B H, Zeng Q R.The potential of two agricultural cropping patterns for remediating heavy metals from soils.Acta Ecologica
Sinica,2016,36(3):688鄄695.
两种农业种植模式对重金属土壤的修复潜力
杨摇 洋1, 陈志鹏2, 黎红亮2, 廖柏寒1, 曾清如1,2,*
1 湖南农业大学生物科学与技术学院, 长沙摇 410128
2 湖南农业大学资源与环境学院, 长沙摇 410128
摘要:植物修复农田土壤重金属污染需要经历一个长期的过程,而大部分用来修复的植物都不具备利用价值,不能给当地农民
带来经济收入。 因此,一些农作物由于其较大的生物量和一定的经济价值,在植物修复土壤重金属污染的应用中受到广泛关
注。 是在重金属(Cu、Zn、Pb、Cd、As、Hg)复合污染的郴州矿区废弃农田种植油菜、玉米和油葵,研究油菜鄄玉米和油鄄油葵两种种
植模式对土壤重金属污染的修复潜力。 实验结果表明:三种作物在复合污染土壤中对重金属都表现出一定的耐性及吸收积累
能力。 向日葵的根和叶中重金属 Cd、Cu的含量都很高,其中 Cd在向日葵的各个部位的富集系数(BCF)及 Cu在向日葵的根和
叶的富集系数(BCF)都大于 1。 两种轮作模式对作物的产量没有明显的影响,收获得到的干物质量都很高,每年每公顷分别为
油菜 16.6t、玉米 25.29t、油葵 22.5t。 两种种植模式都可以对土壤中的重金属进行有效的提取,油菜鄄油葵种植模式下提取重金属
Cu、Pb、Cd、As的量较高,分别为:Cu 2408g hm-2 a-1,Pb 2027g hm-2 a-1,Cd 658.5g hm-2 a-1,As 250g hm-2 a-1,油菜鄄玉米模式下
Zn和 Hg的提取量较高,分别为 Zn 4987g hm-2 a-1和 Hg 7.92g hm-2 a-1;对于多种重金属复合污染的土壤来说,油菜鄄油葵的种植
模式要优于油菜鄄玉米的种植模式。 总的来说,利用 3种作物两两轮作的种植模式,在不影响作物产量的前提下大大的提高了
作物对重金属的提取总量。 3种作物在收获以后又可以用做工业原料,这就使得当地农民充分利用矿区废弃农田修复污染的
同时又能从中获得一定经济效益。
关键词:耕地; 重金属污染; 农业种植模式; 大生物量; 植物修复
The potential of two agricultural cropping patterns for remediating heavy metals
from soils
YANG Yang1, CHEN Zhipeng2, LI Hongliang2, LIAO Bohan1, ZENG Qingru1,2,*
1 College of Bioscience and Biotechnology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
2 College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128,China
Abstract: Plants needs cost many years to remediateheavy metal鄄contaminated croplands, and because some plants lack
economic value, farmers often have no income during this period. Therefore, selecting suitable plants tolerant to heavy
metals and producing products ofeconomicvalue may be a key factor in promoting the practical application of
phytoremediation polluted soils. Many studies have demonstrated that some cash crops, which have the ability to attain large
biomasses and accumulate metals, are highly tolerant to metal pollution.In order to fully utilize farmland contaminated with
heavy metalsfrom mine tailings in Chenzhou, three cash crops ( rape, corn, and sunflower) wereinvestigated as candidate
phytoextraction plants with the potential to overcome these disadvantages of phytoremediation. To identify the potential of two
seasonal cropping patterns (rape and corn, rape and sunflower) to remediate heavy metal contaminated land in Chenzhou,
field experiments were conducted using rape, corn, and sunflower at a site highly contaminated with heavy metals(Cu, Zn,
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Pb, Cd, As, and Hg) from mine tailings.The three cash crops demonstrated the potential to tolerate and accumulate heavy
metals. Significant accumulations of Cu and Cd were found in leaves and roots of sunflower. The bioconcentration factors
(BCF) of Cd in all sunflower parts (roots, stems, leaves, flower heads, and seeds) and the BCF of Cu in sunflower leaves
and roots were more than 1. Both cropping patterns ( rape鄄corn, rape鄄sunflower) performed well and had no significant
effect on yield. Three cash crops produced high annual yields of dry biomass ( rape: 16. 6t / hm2, corn: 25. 29t / hm2,
sunflower: 25.25t / hm2)after one year rotations. Both cropping patterns absorbed a wide range of heavy metals from thesoil
due to their highbiomass yields.Data obtained from the field experiment were used to estimate the amounts of heavy metals
(g hm-2 a-1) extracted by the three cash crops grown in each of the two cropping patterns. The rape鄄sunflower cropping
system extracted large amounts of Cu (2408g hm-2 a-1), Pb (2027g hm-2 a-1), Cd (658.5g hm-2 a-1), As (250g hm-2
a-1), while Zn (4987g hm-2 a-1) and Hg (7.92g hm-2 a-1) were extracted by the rape鄄corn cropping system. The rape鄄
sunflower system performed better than rape鄄corn at remediating the heavy metal contaminated soil. Overall, the three cash
crops tested are more suitable for phytoextraction than most conventional hyperaccumulator plants due to their larger
biomass, although they have low bioconcentration factors. Cropping pattern had no effect on crop yield, but increased
annual extraction of heavy metals from soil comparedsingle crop systems. Furthermore, rape, corn and sunflower are widely
used as biofuel crops, so their seed oil could be for this purpose and the stems have great commercial value in ethanol and
paper production. Using these crops and cropping systems for phytoextraction offers thepossibility of producing some
economic returns for farmers during the remediationprocess.
Key Words: farmland; heavy metal pollution; cropping patterns; high biomass; phytoremediation
随着全球经济的发展,人们对金属制品的需求日益增大,使得采矿和冶金行业的迅速发展,由此引发的矿
区周边土壤重金属污染和其他环境问题已经引起人们的严重关注[1鄄2]。 采矿过程中会产生大量的矿石、矿
渣、尾矿及粉尘,它们都含有较高浓度的重金属,是土壤重金属污染的主要来源之一[3]。 这些废物中的重金
属可以通过大气沉降、土壤的径流和淋溶等各种途径转移到矿区周边的农田和水体当中,造成重金属污染,从
而影响农作物的产量和质量,并且通过食物链逐步进入人体,危害到人类的身体健康,严重制约了我国农业生
产以及农产品安全问题[4鄄5]。 湖南是有名的“有色金属之乡冶,矿产资源十分丰富,已发现的有色金属矿产 17
种,可开发的矿床 340多处[6鄄7]。 研究发现,有色金属开发所引起的 Pb、Cd、As、Hg 等重金属土壤污染面积高
达 2.8万 km2,占全省总面积的 13%[8]。 近二三十年的调查表明,湖南省由于有色金属采矿引起的重金属污
染事件屡见不鲜。 湘潭、郴州、衡阳、冷水江等地的矿区周边大部分农田都受重金属严重污染,使得当地的粮
食、蔬菜和引用水都有不同程度的重金属污染,当地居民由于长期食用这些重金属超标的食物,他们的癌症和
各种疾病的发病率都有明显高于其他地区[9鄄12]。
植物修复相对于物理、化学等其他修复方法,属于安全、成本低、环境友好型的重金属污染治理措
施[13鄄14],在矿区土壤重金属污染治理中得到广泛的应用。 自植物修复发展以来,已经发现了几百种超富集植
物可以用来提取土壤中的重金属,但通常这些超富集植物对于环境的适应力较差、生长缓慢、生物量小,在实
际的农田环境下不能很好生长,对重金属的吸收积累量达不到理想的效果[15鄄17]。 因此,在治理矿区农田重金
属污染时,采用一些生物量较大、符合当地种植条件的、有较强重金属耐受能力、又可以吸收提取重金属的非
食用性农作物或者其他大生物量植物来进行修复[14鄄15,18鄄19],比野外的一些超富集植物在应用和修复潜力上有
明显的优势,在修复重金属污染的同时又可能带来一定的经济效益。
在一些农作物修复土壤重金属的研究当中,大部分的研究都还是集中在盆栽实验和实验室水培研
究[20鄄21],很少有人在野外条件下研究农作物对重金属修复潜力[22]。 本文是在郴州矿区受重金属污染的荒废
农田,调整其传统的水稻、蔬菜种植结构,选取油菜、油葵和玉米 3 种农作物,以油菜鄄油葵、油菜鄄玉米这种两
两结合的轮作种植模式来治理污染矿区废弃地。 油菜、油葵及玉米都是南方较常见的经济作物,将它们应用
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到重金属污染的农田很容易被当地农民接受,且这 3种作物都对重金属有很强的耐性和吸收富集的能力,被
认为是一类对土壤重金属有修复潜力的非超富集植物[23]。 本文的目的在于研究这些作物在该污染地区对重
金属的吸收富集特性,探讨利用油菜鄄油葵、油菜鄄玉米这种种植模式对复垦及治理重金属污染废弃农田的可
行性,为类似地区的重金属污染耕地的农业安全利用和农业种植模式提供有利的技术支撑。
1摇 材料和方法
1.1摇 试验地点概况
试验地点位于郴州市苏仙区塘溪乡石虎埔村(N25毅49.572忆,E113毅09.223忆),该地区年平均气温 15—
18益,气候湿润,适合植物生长。 “有色金属博物馆冶之称的柿竹园有色金属矿区就位于该区,多年的采矿、选
矿以及对矿渣的随意堆积,已经对周围的生态环境和人们的生活造成了危机[9,24]。 试验用地选在尾砂矿污染
的废弃农田,在上面进行油菜鄄油葵和油菜鄄玉米两种轮作模式的种植。
1.2摇 试验设计
在试验田上划分两个相邻的 15m伊5m的试验小区,前一年的 11月份在两个小区上都种植油菜,来年 5月
份进行油菜的收割;接着继续翻耕土地,6月中上旬分别在两个小区种植玉米和油葵,9、10月份陆续收割玉米
和油菜。 油菜和油葵的种植密度为 40cm伊65cm(约 5 株 / m2),玉米的种植密度为 40cm伊50cm(约 9 株 / m2)。
整个过程进行常规的除草、防虫害等田间管理。 收获的油菜分别对根、茎、叶、荚和菜籽进行分析,玉米分别对
根、茎、叶、穗轴和玉米粒进行分析,油葵分别对根、茎、叶、花盘、果实进行分析。
1.3摇 样品的采集和分析方法
土壤样品:在种植作物的小区上按照梅花布点法,随机采取深度为 0—30 cm的表层土壤,一共 10 个土壤
样品。 去掉石块、树枝等杂物,自然风干,分别过 10目和 80目尼龙筛,备用测试土壤重金属总量和不同形态。
植物样品:收获后的植物样品,先用自来水将植株表面的泥土彻底清洗干净,把植株体的各个部位分离
开,将水沥干后称其鲜重。 然后再用去离子水将植物各部位清洗 3 遍,沥干水分后装入信封袋,放入烘箱内。
先在 105益杀青 2h,然后调至 60益下烘 48h。 烘好的植物品称其干重,计算其各部分的干物质总量。 随后用
粉碎机粉碎,装入自封袋内保持,待测重金属含量。
土壤中重金属 Cu、 Zn、 Pb、 Cd 全量的测定:用 HCL鄄HNO3鄄HF鄄HCLO4 消解,用 ICP ( ICPMA8300,
Perkinelmer)测定;土壤中重金属 As、Hg:用王水水浴法消解,用原子荧光光谱仪(AFS鄄920,北京吉天仪器有限
公司)测定。 植物中重金属的测定:用 HNO3鄄HCLO4消解,用 ICP( ICPMA8300, Perkinelmer)及原子吸收石墨
炉(GTA120,Varian)测定 Cu、Zn、Pb、Cd的含量,用原子荧光光谱仪(AFS鄄920,北京吉天仪器有限公司)测定
As、Hg的含量;土壤的 pH值用 pH计进行测定。
土壤重金属的形态分级:采用欧盟的 BCR三步提取法[25],用 ICP (ICPMA8300, Perkinelmer)和原子荧光
光谱仪(AFS鄄920,北京吉天仪器有限公司)测定。 该方法测得的土壤重金属形态分为:可交换态及碳酸盐结
合态(酸溶态)、Fe / Mn 氧化物结合态(可还原态)、有机物及硫化物结合态(可氧化态)以及残渣态,其中残渣
态是由土壤重金属全量减去前面 3种形态之和得到的。
1.4摇 修复潜力的计算
植物重金属的富集系数是判断其修复土壤重金属能力的一个重要因素[26]。 油菜、玉米、油葵中各组织部
位对重金属的富集系数 BCF=植物各部位重金属的含量 /土壤中重金属的含量。 各种植模式下对土壤重金属
的修复潜力用植物对重金属的提取总量表示,详细计算如下:
(1)每年植物地上部分提取重金属总量( g hm-2 a-1) = 茎的生物量( kg hm-2 a-1) 伊茎中重金属浓度
(mg / kg)+叶的生物量(kg hm-2 a-1)伊叶中重金属浓度(mg / kg) +花的生物量(kg hm-2 a-1) 伊花中重金属浓度
(mg / kg)+果实的生物量(kg hm-2 a-1)(包括果壳和籽实)伊果实中重金属浓度(mg / kg);
(2)植物地下部分提取重金属总量(g hm-2 a-1)=根的生物量(kg hm-2 a-1)伊根中重金属的浓度(mg / kg);
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(3) 植物对重金属的提取总量(g hm-2 a-1)=植物地上部分提取重金属总量(g hm-2 a-1)+植物地下部分
提取重金属总量(g hm-2 a-1)
在这里植物的生物量为干物质量,植物收获时,随机设置 5 个点,采取每个点所在的单位 m2的完整植株
体,计算平均每株完整植物体的干物质量,根据种植密度最后得出植物的生物量。
1.5摇 数据分析
实验数据使用 Origin 8.0、Excel2007软件分析,所以数据均用平均值加标准偏差表示。
2摇 结果分析
2.1摇 试验农田土壤重金属污染情况
通过随机采样检测得到的结果表明(表 1),试验农田土壤基本呈酸性,pH 值在 5.25依0.54 范围内;根据
《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)可知,试验地区中的 Cu 的全量在国家二、三级标准之间,Zn、Hg 的全
量在三级标准之内,而土壤中 Pb、Cd、As的全量最高浓度分别是三级标准的 1.6 倍、10.79 倍、21 倍。 说明该
试验区土壤属于重金属复合污染,其中 Cu、Zn、Hg 为中度污染;Pb、Cd、As 浓度都相当高,属于严重污染;Cd
和 As污染最为严重。 土壤重金属的总量是衡量污染程度的一个指标,而重金属的生物毒性不完全由总量决
定,更大程度上取决于化学形态的分布[27]。 通过 BCR法提取得到土壤中不同形态的重金属(表 1),除 Hg 有
96.7%属于残渣态,其他几种重金属 50%以上都属于非残渣态; Cu、Zn、Pb、Cd 中 Fe / Mn 氧化物结合态(可还
原态)的含量最高,As是残渣态含量最高。 重金属各形态的分布比例如下,Cu:Fe / Mn 氧化物结合态>残渣态
>有机物及硫化物结合态>酸溶态,Zn:Fe / Mn 氧化物结合态>残渣态>酸溶态>有机物及硫化物结合态,Pb:
Fe / Mn 氧化物结合态>残渣态>有机物及硫化物结合态>酸溶态,Cd:Fe / Mn 氧化物结合态>酸溶态>有机物及
硫化物结合态>残渣态,As:残渣态> Fe / Mn 氧化物结合态>有机物及硫化物结合态>酸溶态,Hg:残渣态>酸溶
态> Fe / Mn 氧化物结合态>有机物及硫化物结合态。 研究表明,可交换态及碳酸盐结合态(酸溶态)最容易被
植物吸收,Fe / Mn 氧化物结合态、有机结合态在一定条件下也能产生生物毒性,残渣态重金属几乎很难被植
物吸收[28]。
表 1摇 土壤中重金属的本底值
Table 1摇 Background values of heavy metals in soil
重金属的形态
The partitioning of heavy metals
铜 / (mg / kg)
Cu
锌 / (mg / kg)
Zn
铅 / (mg / kg)
Pb
镉 / (mg / kg)
Cd
砷 / (mg / kg)
As
汞 / (mg / kg)
Hg pH
重金属全量
The total metal concentration 90.68依12.2 439.41依62.85 699.23依124.15 10.32依0.47 528.53依99.91 1.32依0.44 5.25依0.54
酸溶态
Acid extractable fraction 3.42依1.46 77.63依4.21 7.95依1.68 2.06依0.47 8.73依1.96 0.0058依0.0004
Fe / Mn 氧化物结合态
Fe / Mn oxide fractions 41.63依2.61 209.59依7.14 643.75依5.67 6.23依1.96 173.06依7.62 0.038依0.012
有机物及硫化物结合态
Oxidisable fraction 8.18依1.85 26.06依1.56 23.36依2.75 1.75依0.25 100.74依10.47 0
残渣态
Residual fraction 37.46依4.31 126.13依5.36 24.17依1.47 0.26依0.01 246依14.36 1.28依0.14
二级标准*
Secondary standards
臆100 臆250 臆300 臆0.3 臆25 臆0.5
三级标准*
Standard III
臆400 臆500 臆500 臆1.0 臆30 臆1.5
摇 摇 *表示土壤环境质量标准(GB15618—1995),数值为 10个土壤样品平均值依标准误差
2.2摇 两种种植模式下植物对重金属的富集特征
在石虎埔村试验农田,上半年种植油菜,同一试验区下半年分别种植玉米和油葵,对成熟期的农作物进行
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随机采样分析,由表 2、表 3可知两种种植模式下的 3种农作物不同组织器官对重金属 Cu、Zn、Pb、Cd、As的富
集浓度和富集系数,油菜、玉米、油葵的各个部分都能吸收积累一定浓度的重金属。 油菜叶中 Hg 的含量相当
高,为(1.16依0.05)mg / kg,远远高于其他部位及其在油葵和玉米中的含量,富集系数为 0.84;而其他重金属在
油菜中的含量都不高,富集系数都在 0.5 以下。 Zn 在玉米根、油葵根和叶中的含量较高,分别达(311.8 依
16.90)mg / kg、(238.68依12.72)mg / kg和(214.07依6.22)mg / kg,富集系数分别为 0.71、0.54、0.49。 Pb和 As在 3
种作物中的积累含量都不高,其中 Pb的最高浓度出现在玉米根中(158.4依59.61)mg / kg,As 的最高浓度是油
葵的根部(84.27依4.82)mg / kg,但都远远小于土壤的本底值。 油葵对重金属 Cu 和 Cd 有很好的吸收富集能
力,根和叶中的 Cu含量都高于土壤本底值,富集系数分别为 1.61、1.27;花盘和果实对 Cu 的富集系数也接近
1.0。 油葵地上和地下部分各组织器官对 Cd的富集系数都大于 1,且最高浓度出现在油葵叶中(41.05依8.56)
mg / kg,富集系数为 3.98大于地下部分的富集系数 3.45,表现出对 Cd的超富集能力。
表 2摇 3种作物各组织中重金属的积累含量
Table 2摇 The concentration of heavy metals in tissues of three crops
植物 Plants 不同部位Different parts
铜 / (mg / kg)
Cu
锌 / (mg / kg)
Zn
铅 / (mg / kg)
Pb
镉 / (mg / kg)
Cd
砷 / (mg / kg)
As
汞 / (mg / kg)
Hg
油菜 Rape 根摇 19.92依14.03 97.82依23.58 50.66依19.14 2.34依0.22 14.42依1.71 0.1依0.07
茎摇 6.11依0.69 51.62依13.07 10.30依1.69 1.23依0.18 1.27依0.29 0.32依0.31
叶摇 27.22依10.39 146.88依22 44.78依1.26 2.55依0.30 11.37依3.39 1.11依0.05
荚摇 11.36依3.93 79.57依50.17 37.73依3.05 2.49依0.33 3.50依1.23 0.18依0.14
籽粒 9.62依2.99 101.81依33.4 10.10依10.29 0.88依0.12 1.08依0.24 0.08依0.03
玉米 Corn 根摇 41.75依4.03 311.80依16.90 158.40依59.61 7.10依1.83 40.99依6.31 0.21依002
茎摇 4.85依0.64 185.10依23.41 6.40依3.61 1.30依0.05 2.23依0.12 0.12依0.01
叶摇 12.65依1.34 162.90依5.58 34.95依2.47 4.60依0.14 24.78依3.61 0.20依0.12
穗轴 4.75依0.07 100.85依1.84 3.60依0.28 0.10依0.08 5.24依1.26 0.01依0.01
果实 8.80依0.42 58.40依2.05 — 0.25依0.07 0.27依0.06 0.06依0.01
油葵 Sunflower 根摇 146.07依14.53 238.68依12.72 74.88依5.76 35.58依13.89 84.27依4.82 0.12依0.01
茎摇 44.17依3.69 85.12依3.92 11.38依0.02 16.39依5.27 6.02依0.33 0.06依0.01
叶摇 115.43依7.72 214.07依6.22 27.27依1.96 41.05依8.56 24.94依2.42 0.10依0.02
花盘 84.61依1.63 183.22依9.57 8.49依0.63 22.53依8.17 9.11依0.50 0.07依0.00
果实 78.68依1.89 8.45依5.30 6.03依1.03 12.53依0.88 7.27依0.60 0.05依.0.01
摇 摇 数值为 5植物样品平均值依标准误差
表 3摇 两种种植模式下农作物对重金属的富集系数
Table 3摇 Bioconcentration Factors for different tissues of crops by two cropping patterns
植物 Plants 不同部位Different parts
铜
Cu
锌
Zn
铅
Pb
镉
Cd
砷
As
汞
Hg
油菜 Rape 根 0.22 0.22 0.07 0.23 0.03 0.08
茎 0.07 0.12 0.01 0.12 0.002 0.23
叶 0.30 0.33 0.06 0.25 0.02 0.84
荚 0.13 0.18 0.05 0.24 0.01 0.14
籽粒 0.11 0.23 0.01 0.09 0.002 0.06
玉米 Corn 根 0.46 0.71 0.23 0.69 0.08 0.156
茎 0.05 0.42 0.01 0.13 0.004 0.09
叶 0.14 0.37 0.05 0.45 0.05 0.15
穗轴 0.05 0.23 0.01 0.01 0.01 0.07
果实 0.10 0.13 0.00 0.02 0.001 0.04
油葵 Sunflower 根 1.61 0.54 0.11 3.45 0.16 0.09
茎 0.49 0.19 0.02 1.64 0.01 0.05
叶 1.27 0.49 0.04 3.98 0.05 0.08
花盘 0.93 0.42 0.01 2.18 0.02 0.06
果实 0.87 0.45 0.01 1.21 0.01 0.04
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2.3摇 两种种植模式下作物的生物量及对重金属的提取总
油菜、玉米和向日葵在该重金属复合污染的土壤上基本能够正常生长,由图 1 可知,3 种作物单位植株体
的干物质总量以及作物各部位干物质量的比例。 油菜地下和地上部分的干物质量基本各占一半,玉米地上部
分的干物质量比例高达 95%,向日葵地上部分的干物质量为 68%。 根据试验设计的种植密度,油菜和向日葵
为 5株 / m2、玉米为 9株 / m2以及平均每株的干物质量,可以得出表 4 中每公顷油菜、玉米和向日葵的生物量。
3种作物的地上部分秸秆的生物量都达到了 6000kg hm-2 a-1,玉米的秸秆量高达 11682kg hm-2 a-1。 尽管 3种
作物能够在污染土壤中正常生长并且没有发现毒害作用,其产量还是未能达到实验室优良条件下的高产水
平,但是它们的生物量相对于那些野外的超富集生物来说是相当可观的。
图 1摇 油菜、玉米、向日葵的干物质量 / (g /株)
Fig.1摇 The dry matter of rape, corn and sunflower
表 4摇 三种作物的生物量 / (kg hm-2a-1)
Table 4摇 The biomass of three crops
植物不同部位
Different parts of plant
油菜
Rape
玉米
Corn
向日葵
Sunflower
根 Roots 8750 1260 7710
茎 Stems 6050 11682 6250
叶 Leaves 945 2268 1740
荚鄄穗轴鄄花盘
Pods鄄Cobs鄄Heads 250 2070 2800
果实 Seeds 600 8010 4000
总量 Total 16595 25290 22500
摇 摇 在油菜鄄玉米、油菜鄄油葵种植模式下的 3 种作物除
了油葵对 Cd 的富集能力达到真正的超富集植物的定
义,油菜、玉米以及油葵相对于其他重金属都不属于超
富集植物,但是它们能够在污染严重的尾矿区土壤中正
常的生长,且对重金属有一定的吸收积累能力,它们较
高的生物量决定了其从土壤中提取重金属的能力。 以
往植物修复所采用的超富集植物虽然富集系数很高,但
是生长缓慢,生物量很小,对土壤重金属的去除效率并
不高[14]。 而像油菜、玉米和油葵这类的农作物和经济
作物的生物量都远远超过了超富集植物,他们对于土壤
中重金属的去除效果更好。 经过野外大田试验的结果
表明(表 5),油葵对重金属 Cu、Cd 和 As 的提取量明显
高于玉米和油菜,单独一季地上部分加地部分下土壤中提取的重金属总量分别为:Cu 2.14 kg hm-2 a-1、Cd
0.592 kg hm-2 a-1、As 0.218 kg hm-2 a-1;玉米对 Zn的提取效果最好,高达 3.6 kg hm-2 a-1;油菜一季对 Pb的提
取总量高达 1.26 kg hm-2 a-1。 而将 3种作物两两组合,分上、下半年进行种植,就使得一年中重金属的提取量
进一步增加了,可以看出两种种植模式都能够有效的提取土壤中的重金属,油菜鄄玉米、油菜鄄油葵结合后对重
金属的提取量都要比单独种植要好。 其中 Cu、Pb、Cd 及 As 在油菜鄄油葵的模式下提取量最高,分别为 2.4、
2.0、0.66、0.25 kg hm-2 a-1;油菜鄄玉米模式下的 Zn和 Hg提取量较高,分别为4.99、0.0079 kg hm-2 a-1。 结果表
明,油菜鄄玉米、油菜鄄油葵的种植模式,能够对重金属进行有效的提取,其中油菜鄄油葵的种植模式对各重金属
的提取效果都不错,十分有利于土壤重金属复合污染的修复。
3摇 油菜鄄玉米和油菜鄄油葵种植模式修复潜力的讨论
通常植物修复提取重金属的有效性由两个因素决定:植物对重金属的积累能力和植物的生物量[29],而植
物的生物量和生物富集系数(BCF)又是衡量一种植物是否具有修复潜力的关键要素[30]。 超富集植物的生物
396摇 3期 摇 摇 摇 杨洋摇 等:两种农业种植模式对重金属土壤的修复潜力 摇
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富集系数(BCF)一般都非常高,但是它们生长缓慢、生物量都比较低,而一般的农作物生物量都要高于超富集
植物[31]。 试验结果表明,在重金属复合污染的土壤中,油菜、玉米、油葵 3 种植物一季的生物量分别高达:
16.6t / hm2、玉米 25.29t / hm2、油葵 22.5t / hm2。 研究发现的一些超富集植物如遏兰菜在大田中种植一季的生物
量却只有 0.38t / hm2 [21];东南景天的生物量为 0.85—1.5t / hm2[32],高的时候也只有 5.5t / hm2[17];宝山堇菜的生
物量也只有 6.5t / hm2[17]。 玉米、向日葵等高生物量的农作物的地上部分却能高达 25—30t / hm2 [33],是超富集
植物生物量的几倍甚至十几倍。 由此可见,在植物修复重金属应用到实践时,生物富集系数仅仅只是一个参
照指标,植物的生物量往往直接关系到土壤重金属的去除总量,在一定的条件下生物量较大的农作物对重金
属的提取效果要高于超富集植物。
表 5摇 3种作物不同部位对重金属的提取总量 / (g hm-2 a-1)
Table 5摇 The amount of heavy metals extracted by three crops
植物
Plant
作物地下部分 The amount of heavy metals in underground part of crops
Cu Zn Pb Cd As Hg
油菜 Rape 175 856 440 50.5 12.6 0.09
玉米 Corn 52 393 198 8.1 5.13 0.027
油葵 Sunflower 1126 1840 578 274.5 64.95 0.1
作物地上部分 The amount of heavy metals in aerial part of crops
Cu Zn Pb Cd As Hg
油菜 Rape 71 530 829 11 20 1.5
玉米 Corn 166 3208 162 27.9 95.4 6.3
油葵 Sunflower 1018 1454 180 317.5 154 1
整个植物体 The amount of heavy metals in whole crops
Cu Zn Pb Cd As Hg
油菜 Rape 246 1386 1269 66.5 32.6 1.59
玉米 Corn 218 3601 360 19.1 100.5 6.327
油葵 Sunflower 2144 3294 758 592 218 1.1
油菜鄄玉米 Rape鄄Corn 464 4987 1629 85.6 133.1 7.92
油菜鄄油葵 Rape鄄Sunflower 2408 4680 2027 658.5 250 2.69
随着人类需求的加大,石油、天然气等能源危机的到来不得不使人们开始发掘新的能源,其中生物能源材
料在很大程度上能够取代石化能源[34]。 玉米是用来提取生物乙醇的原料[5],油菜、油葵可以作为生物柴油的
原料,由于它们有可再生、环境友好型、安全性等特点,很早就是国内外能源作物的研究热点,且发展规模和技
术都很成熟[35鄄36]。 因此,使用油菜鄄玉米、油菜鄄油葵这 3 种农作物两两结合的轮作模式来修复重金属污染的
矿区农田既可以有效的去除土壤中的重金属,不会对环境造成危害;同时这 3 种作物收获后都可以进行回收
利用(如做能源植物),这样就不会通过食物链影响到人类的健康,又能带来一定的经济收益。 这种植物提取
的修复方式更侧重于如何对污染土地合理利用及降低风险,而不是提高金属提取效率等机理性的研究,更具
有可行性。
4摇 结论
两种种植模式的作物都能在矿区重金属复合的废弃农田上正常生长,且生物量较大,能有效地提取土壤
中的重金属。 其中,油菜鄄油葵种植模式虽然对 Zn和 Hg 的提取量略低于油菜鄄玉米种植模式,对 Cu、Pb、Cd、
As的提取量都体现出明显的优势。 油菜、玉米、油葵收获以后又可作物生物柴油、生物乙醇的原料,而非进入
食物链的食用原料。 因此这样的种植模式是在合理利用废弃的污染农田和降低风险的基础上,逐步将重金属
从土壤中提取出来。
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