全 文 ：第 34 卷第 18 期
2014年 9月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.18
Sep.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家“973冶课题(2013CB934302);赣鄱英才 555工程;国家科技支撑计划课题(2011BAD41B01);中国科学院院地合作项目; 2010年
度国家重金属污染防治专项资金; 国家自然科学基金重点项目(U1033004); 中国科学院“STS冶项目(KFJ鄄EW鄄STS鄄016)资助
收稿日期:2014鄄05鄄09; 摇 摇 修订日期:2014鄄08鄄11
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: zhoujing@ issas.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201405110960
徐磊,周静,梁家妮,崔红标,陶美娟,陶志慧,祝振球,黄林.巨菌草对 Cu、Cd污染土壤的修复潜力.生态学报,2014,34(18):5342鄄5348.
Xu L, Zhou J, Liang J N, Cui H B, Tao M J, Tao Z Q, Zhu Z Q, Huang L.The Remediation Potential of Pennisetum sp On Cu、Cd Contaminated Soil .
Acta Ecologica Sinica,2014,34(18):5342鄄5348.
巨菌草对 Cu、Cd污染土壤的修复潜力
徐摇 磊1,2,3,周摇 静1,2,3,5,*,梁家妮1,2,崔红标1,2,3,陶美娟1,2,3,
陶志慧1,2,4,祝振球1,2,3,黄摇 林1,2,4
(1.中国科学院南京土壤研究所,南京摇 210008; 2. 国家红壤改良工程技术研究中心,中国科学院红壤生态实验站, 鹰潭摇 335211;
3.中国科学院大学, 北京摇 100049; 4.安徽农业大学资源与环境学院, 合肥摇 230036;
5. 江西省科学院生物资源研究所,南昌摇 330029)
摘要:通过田间小区试验,对比研究了土著植物金黄狗尾草、香根草、海州香薷、巨菌草分别与 0.21%石灰联合对 Cu、Cd 复合污
染土壤的修复效果。 结果表明,石灰处理可以显著提高土壤 pH,降低土壤有效态 Cu、Cd 含量。 4 种植物在与石灰联合后均有
一定的生产潜力,且表现为巨菌草>海州香薷>香根草>金黄狗尾草;修复潜力方面表现出与生产潜力相同的趋势。
关键词:石灰;巨菌草;土壤;重金属污染;修复
The Remediation Potential of Pennisetum sp On Cu、Cd Contaminated Soil
XU Lei1,2,3, ZHOU Jing1,2,3,5,*, LIANG Jiani1,2, CUI Hongbiao1,2,3, TAO Meijuan1,2,3, TAO Zhihui1,2,4, ZHU
Zhenqiu1,2,3, HUANG Lin1,2,4
1 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China
2 National Engineering Research and Technology Center for Red Soil Improvement, Red Soil Ecological Experiment Station, Chinese Academy of Sciences,
Yingtan 335211, China
3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
4 Anhu Agricultural University School of resources and environment, Hefei 230036,China
5 Institute of Biology Resource,Jiangxi Academy of Science,Nanchang 330029,China
Abstract: A field plot experiment was set up to test the remediation effects in a Cu and Cd contaminated soil by applying
indigenous plants Setaria lutescens, Vetiver zizanioides, Elsholtzia splendens, Pennisetum sp combined respectively with
0郾 21% lime. The results showed that lime treatment can significantly improve the soil pH and reduce soil available Cu, Cd
content. Four plants combined with lime has certain production potential, and for the performance of Pennisetum sp >
Elsholtzia splendens > Vetiver zizanioides > Setaria lutescens. Remediation potential showed the same trend with the
production potential.
Key Words: lime; Pennisetum sp; soil; heavy metal contamination; remediation
摇 摇 土壤重金属污染由于其隐蔽性、长期性和不可
逆转性的特点,加之其对作物的高毒性并能通过食
物链进入人体,同时对社会和经济造成巨大的危害,
近年来对重金属污染土壤进行修复已成为人们关注
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的热点问题之一[1鄄2]。 传统的重金属污染土壤修复
方法有物理分离、溶剂浸提、化学淋洗、电化学修复
等[3鄄4],这些方法大都存在修复成本高、工程量大、容
易破坏土体结构、修复效果不稳定甚至还会产生二
次污染的特点而不利于实际应用[5]。 通过向土壤中
加入化学试剂,利用其与土壤中重金属的反应将重
金属固定或降低毒性的技术被称为稳定化修复技
术[6],该技术操作简便、修复成本低,但也存在不能
根除土壤中重金属的缺点。 植物修复技术是指利用
植物自身的生理特性,以及其与根际微生物的联合
作用,对土壤中的重金属进行吸收、富集,并通过代
谢活动,达到降低土壤中重金属的目的[7]。 作为一
种新兴的修复方法,植物修复技术具有治理过程的
原位性、效果的永久性、经济性、后期处理简易性和
美学与环境的兼容性等诸多优势[8鄄9],但同时也存在
由于重金属的毒害作用而抑制植物生长,使生物量
降低,修复周期延长的技术瓶颈[10鄄11]。 因此,采用稳
定化技术和植物修复相结合的方法,具有降低重金
属毒性以及通过植物吸收和迁移的结合而达到去除
土壤中重金属的特点。
Marchiol 等[12]于 2004 年提出了理想的土壤修
复植物标准:一是能吸附和迁移土壤中的重金属;二
是具有一定的重金属耐性;三是生长速度快且生物
量大;四是适应性强并易于收割。 巨菌草作为一种
草本能源植物,兼具生物量巨大(鲜重 200—400 t /
hm2,按 75%含水量,干重为 50—100 t / hm2)、生长速
度快、热值高、可以用来提供能源的优点[13鄄14]。 但是
其用于重金属污染土壤修复的效果却鲜见报道。
因此本研究将巨菌草作为修复植物,与对铜具
有较强的耐受富集能力的海州香薷[15]、具有极强生
态适应性的香根草[16鄄17]以及当地土著植物金黄狗尾
草进行对比试验,以某冶炼厂周边农田污染土壤为
供试对象,投加 0.21%的石灰(0—20cm 土壤质量,
下同),从土壤鄄植物系统来评价石灰处理对污染土
壤 Cu和 Cd的钝化效果,并对比不同植物的修复效
果,为应用改良剂和植物联合进行原位重金属污染
土壤修复提供技术指导和理论依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究地概况
试验区位于某 Cu 冶炼厂污水和废气污染的农
田,主要污染物是 Cu、Cd,以《国家土壤环境质量标
准》二级标准为参照标准,通过内梅罗单因素指数法
进行评价,得到 PCu = 24.32,PCd = 4.37,均达到重度污
染水平。 加上该地区处于我国南方红壤典型酸雨沉
降区域,土壤酸化情况严重,导致该区农作物无法正
常生长,部分区域寸草不生并开始出现沙化现象。
该区土壤质地为砂质壤土,基本理化性质见表 1。
表 1摇 供试土壤基本理化性质
Table 1摇 The physical鄄chemical properties of tested soil
pH
有机质
SOM /
(g / kg)
碱解氮
Available N /
(mg / kg)
速效 P
Available P /
(mg / kg)
速效 K
Available K /
(mg / kg)
全 Cu
Total Cu /
(mg / kg)
全 Cd
Total Cd /
(mg / kg)
5.64 28.45 161.7 83.84 143.2 1216 1.310
1.2摇 供试材料
供试改良剂为石灰(熟石灰,60 目),pH 12.24,
Cu、Cd含量分别为 1.36 mg / kg和 0.87 mg / kg。
巨菌草(Pennisetum sp.)幼苗(多年生草本植物)
采购于当地村民。
香根草(Vetiveria zizanioides)幼苗(多年丛生草
本植物)购于江西省红壤研究所。
海州香薷(Elsholtzia splendens) (多年生草本植
物)采用种子室内育苗。
金黄狗尾草(Setaria lutescens)为该区土著植物,
不需要人工栽种。
1.3摇 试验设计
(1)试验设计
本试验共设计 5个处理,每个处理 3 个重复,共
15个小区,每个小区面积 4m2(2m伊2m),各个小区采
用水泥板隔开,水泥板地上部分 20cm,地下深度
30cm,用来防止相邻小区的相互影响。
(2)试验处理
将 0.21%的石灰添加入除空白(CK)外的 4个处
理 12个小区中,在添加石灰的小区中,不种植植物
处理(施加石灰后会有土著植物金黄狗尾草生长)记
为 LW,其他分别栽种香根草、海州香薷和巨菌草,处
3435摇 18期 摇 摇 摇 徐磊摇 等:巨菌草对 Cu、Cd污染土壤的修复潜力 摇
理编号分别记为 LV、LE、LP;LW 处理金黄狗尾草生
长旺盛,基本覆盖整个小区,CK、LV、LE 和 LP 处理
小区也有少量金黄狗尾草生长,于 6 月 20 日对 LV、
LE和 LP 处理小区的金黄狗尾草进行清除,各个小
区施肥等田间管理方式相同。
(3)试验过程
试验小区于 2013 年 4 月 25 日施加石灰后进行
混匀平整,于平整后第 1 次降水日 5 月 8 日栽种植
物,其中海州香薷株距为 20cm伊20cm,香根草和巨菌
草均为 50cm伊50cm。 于 7月 10日追施一次尿素,每
个小区 80g。 2013年 5月 10日采集土壤样品,12 月
5日收获植物地上部分,并同时采集土壤样品,装入
自封袋中,带回实验室分析。
1.4摇 分析方法
1.4.1摇 分析方法
土壤基本理化性质测定采用常规分析测试方
法[18]。 土壤 pH 采用 1颐2.5 土水比,pH 计测定;Cu、
Cd全量采用 HF鄄HClO4鄄HNO3消煮,原子吸收分光光
度法(火焰和石墨炉)测定[19鄄20],有效态 Cu、Cd 采用
0.1 mol / L CaCl2以 1颐5 的土水比振荡提取 2h,3000r /
min离心 10 min,过滤后测定[18]。
植物地上部分 Cu、Cd 含量测定:采用 HNO3鄄
HCLO4消煮,原子吸收分光光度法测定。
1.4.2摇 植物的生产潜力与修复潜力
收获植物时测定每个小区内作物株高、鲜重,取
适量植物地上部分带回实验室,先用自来水冲洗植
株上的泥沙,然后用蒸馏水冲洗干净,105益杀青
30min,并在 70益下烘干至恒重。 称重后根据干重评
价 4 种植物的生产潜力;通过重金属富集系数和重
金属绝对富集量衡量 4种植物对重金属污染土壤的
修复潜力[13]。 重金属富集系数=植物地上部分重金
属浓度 /土壤重金属浓度;重金属绝对富集量 =植物
地上部重金属含量伊地上部干重[21鄄22]。
1.5摇 数据处理
所有数据处理采用 Excel 2010、Spss 20.0 进行
处理。
2摇 结果与分析
2.1摇 石灰对土壤 pH及有效态 Cu、Cd含量的影响
如图 1所示,4种植物与石灰联合后,5 月 10 日
和 12月 5日 4个处理土壤 pH 值均较 CK 处理有了
显著提高,与对照相比,5 月 10 日 LW、LV、LE 和 LP
分别使土壤 pH值提高了 0.64、0.47、1.06、0.99,12月
5日 4 个处理分别提高土壤 pH 值 0.85、0.70、0.61、
0郾 82,均与对应日期对照处理有显著性差异,但两个
日期 4个处理间差异并不显著。 并且随着时间的推
移,除 CK处理外,其他 4 个处理的土壤 pH 值均有
一定程度的降低,但降低幅度并不明显。
图 1摇 不同处理对土壤 pH的影响
Fig.1摇 The influence of different processing on soil pH
小写字母不同表示在 P<0.05水平上差异显著
不同处理对土壤有效态 Cu、Cd含量变化的影响
如图 2、图 3所示。 4种植物与石灰联合修复均降低
了土壤有效态 Cu、Cd 的含量,5 月 10 日 LW、LV、
LE、LP 4 个处理土壤有效态 Cu 含量较对照处理分
别降低了 90.32%、92.10%、87.67%和 91.54%,有效
态 Cd含量分别降低了 57.87%、58.58%、52.69%和
68郾 66%,显著低于对照处理。 与土壤 pH 相同的是,
同一日期 4种不同植物处理之间有效态 Cu、Cd 浓度
并不存在显著性差异。
图 2摇 不同处理对土壤有效态 Cu的影响
Fig.2摇 The influence of different processing of soil available Cu
4435 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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图 3摇 不同处理对土壤有效态 Cd的影响
Fig.3摇 The influence of different processing of soil available Cd
2.2摇 4种植物的生产潜力
在土地平整后 15d,未施用石灰的 CK 处理和单
施石灰未种植物的 LW 处理均有金黄狗尾草发芽,
但 CK处理的金黄狗尾草在一段时间后逐渐枯萎、变
黄,最后整体枯死,其他处理植物均正常生长。 收获
后测得 4 种植物的生长状况、生物量情况如表 2 所
示。 在该重度污染土壤,4种植物与石灰联合后均有
一定的生产潜力,在鲜重方面,以巨菌草最大,并与
其它 3 种植物形成显著性差异,海州香薷和金黄狗
尾草次之,香根草最小。 但由于金黄狗尾草含水率
较高,使得干重表现为巨菌草>海州香薷>香根草>
金黄狗尾草,分别为达到 25.25、10.53、3.86t / hm2 和
1.67t / hm2。
表 2摇 4种植物的生长状况和生物量
Table 2摇 The growth situation and biomass of the four plant
处理
Treatment
株高 / cm
Plant height
鲜重 / g( /小区)
Fresh biomass
干重 / (g /小区)
Dry biomass
CK
LW 120b 4920b 669c
LV 81b 2149c 1542c
LE 91b 7366b 4213ab
LP 215a 25167a 10101a
摇 摇 表示无植物生长; 不同字母间表示差异显著
2.3摇 4种植物的修复潜力
如表 3 所示,4 种植物对 Cu、Cd 均有一定的吸
收和富集能力,对 Cu 的富集系数,香根草(LV)最
大,海州香薷(LE)次之,而对 Cd 的富集系数则表现
为海州香薷最强,香根草次之,巨菌草和金黄狗尾草
对 Cu和 Cd也有一定的吸收能力,但都处于较低水
平。 在评价植物对重金属污染土壤的修复潜力中,
主要考虑其绝对富集量,4种不同植物对同一种重金
属的绝对富集量差异显著,以巨菌草对 Cu、Cd 的绝
对富集量最大,达到 3781g / hm2 和 28.8g / hm2,海州
香薷和香根草对 Cu、Cd 的绝对富集量也相当可观,
分别达到 2706、27.3g / hm2 和 1261、5.1g / hm2,金黄狗
尾草在对 Cu、Cd 的绝对富集量上都是最低的,只有
247g / hm2 和 1.72g / hm2。
表 3摇 4种植物对 Cu、Cd的吸收和富集
Table 3摇 Content and accumulation of Cu and Cd in the four plants
处理
Treatment
Cu /
(mg / kg3)
Cd /
(mg / kg-3)
累积量 / mg /小区 Accumulation
Cu Cd
富集系数 Accumulation factor
Cu Cd
CK
LW 147.81c 1.03b 98.88c 0.69b 0.121c 0.786c
LV 429.58a 1.74b 504.76ab 2.04b 0.353a 1.328ab
LE 262.06ab 2.59a 1104.06a 10.91a 0.215ab 1.977a
LP 149.75c 1.14b 1512.62a 11.51a 0.123c 0.870c
3摇 讨论
在一定的范围内,随着石灰用量的增加土壤 pH
会不断升高[23],综合考虑改良效果、推广中的成本
等问题,本试验将石灰的用量设定为 0.21%。 结果
表明,石灰的施用提高了供试土壤的 pH,并显著降
低了有效态 Cu、Cd 的含量,这是因为石灰作为一种
碱性物质,加入土壤中后,一方面可以提高土壤 pH,
增加土壤溶液中 OH-浓度,OH-与土壤中的 Cu、Cd
等重金属元素形成氢氧化物沉淀,同时 OH-还会与
CO2反应生成 CO2
-
3 , CO2
-
3 进而与土壤中的 Cu2
+、Cd2+
反应生成难容的碳酸盐沉淀,而且 OH-还可以使土
壤中的 Mn、Fe等形成羟基化合物,从而为重金属元
素提供更多的吸附位点[24鄄26];另一方面石灰的添加
降低了 H+浓度,H+在土壤胶体表面的竞争作用减弱
而被 Ca2+等取代,进而增加了土壤固相中的阳离子
5435摇 18期 摇 摇 摇 徐磊摇 等:巨菌草对 Cu、Cd污染土壤的修复潜力 摇
交换量,使得重金属元素可以与重金属的主要吸附
载体(铁锰氧化物、黏土矿物、有机质等)更加牢固地
结合,从而降低了土壤中有效态重金属的含量[27]。
土壤 pH控制着重金属在土壤鄄溶液系统中的溶解平
衡,对控制重金属的移动性和生物有效性起着至关
重要的作用[28鄄29]。 石灰作为一种廉价高效提高土壤
pH的材料,将其作为受重金属污染的酸性土壤的改
良剂是一种降低重金属毒性、减少植株对重金属吸
收的有效措施[30]。 试验中随着时间的推移,石灰处
理后的土壤 pH呈现一定的下降趋势,但就试验期间
的 7个月来看,并没有达到显著下降的水平。
试验中未施用石灰的 CK处理,金黄狗尾草发芽
后生长较为缓慢,并慢慢变黄、枯死,这可能是由于
土壤有效态 Cu、Cd 浓度较高,破坏了植物细胞膜系
统,影响了细胞器的结构和功能,如使植物叶绿素合
成受到抑制,降低了光合作用,从而使植物生长受到
抑制[31鄄32]。 在施用 0.21%石灰后,4种植物均可以正
常生长,单从干生物质量对 4 种植物的生产潜力进
行评价,发现 4种植物均有一定的生产潜力,且表现
为巨菌草>海州香薷>香根草>金黄狗尾草,巨菌草
有绝对的优势。 作为一种草本能源植物,巨菌草在
生物质能源发展过程中有重要的地位[33鄄36],同时其
较强的生态适应性和较高的生态价值使其在退化和
污染土壤的修复中有一定的应用潜力[37]。 在修复
潜力方面,本研究表明,4 种植物对 Cu、Cd 的富集能
力有较大差异,与土著植物金黄狗尾草相似,巨菌草
对 Cu、Cd的富集系数均较低,而海州香薷和香根草
的富集系数相对较高。 但由于巨菌草其根系发达,
植株高大,生物质产量高[38],对重金属的绝对富集
量较大,这些特点符合 Maric[39]等提出的重金属污
染土壤修复植物的要求,仍然可以较好地起到修复
重金属污染土壤的作用。 由于生物质产量高,巨菌
草对 Cu、Cd的绝对富集量较大,通过收割成熟后的
巨菌草进行生物质原料加工转化生物质能源,其积
累的 Cu、Cd进入灰分后,可以考虑将其集中堆放,待
技术成熟后进行回收利用[40]。 从试验结果来看,海
州香薷和香根草单位面积生物量并不大,但对 Cu、
Cd的富集能力较强,绝对富集量较大,也有一定的
修复潜力,这与姜理英、杨兵等的研究结果一
致[41鄄42]。 金黄狗尾草由于干生物量小、富集能力差,
不适宜作为修复植物。
本研究在 Cu、Cd 重度污染土壤上,通过添加石
灰改良土壤后,对比分析巨菌草和其它 3 种植物修
复重金属污染土壤的潜力,由于植物对重金属污染
土壤的修复效果与土壤中重金属浓度紧密相关[43],
今后可以进行不同污染程度土壤上巨菌草与其它 3
种植物生长状况、重金属富集能力等的研究,进一步
阐明巨菌草对重金属污染土壤的修复能力和适用条
件;同时还可进行长期生态监测试验,监测石灰与巨
菌草联合后土壤-植物系统性质的动态变化,为重金
属污染土壤的原位修复以及巨菌草在重金属污染土
壤上的规模化种植和应用提供参考。
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