短轮伐期矮林柳对污染土壤中镉的修复

肖 力，汤春芳

(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)

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)

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。

土壤；镉；植物修复；短轮伐期矮林柳

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(Thlapsicaerulescens和Arabidopsishalleri)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 (Salixviminalis) 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(Salixcaprea)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Salixalba) 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]。Mleczek 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.purpureavar. angustifolia Kerner对Cd的吸收量最大，有些柳树，比如Salix.purpurea"Utilissima"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-pendulaCL 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SalixburjaticaGermany和SalixcalodendronWimm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(Salixcinerea) 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)

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。

[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 phytoextraction [J].International Journal Phytoremediation,1999(1):115-123.

[5] Klang-Westin E,Eriksson J.Potential of Salix as phytoextractor for Cd on moderately contaminated soils[J].Plant and Soil,2003,249:127-137.

[6] Mircka J,Isebrands J G,Verwijst T,et al.Development of short-rotation willow coppice systems for environmental purposes in Sweden[J].Biomass 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 phytoremediation [J].International Journal Phytoremediation,2002,4:59-72.

[8] Punshon T,Dickinson N M.Heavy metal resistance and accumulation characteristics in willows [J].International Journal Phytoremediation,1999(1):361-385.

[9] Vervaeke P,Luyssaert S,Mertens J,et al.Phytoremediation prospects of willow stands in contaminated sediment: a field trial[J].Environmental Pollution,2003,126:275-282.

[10] Rosselli W,Keller C,Boschi K.Phytoextraction capacity of trees growing on a metal-contaminated 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 contaminated sites in Central Europe[J].Environmental Pollution,2008,148:107-114.

[12] Vandecasteele B,Quataert P,Genouw G,et al.Effects of willow stands on heavy metal concentrations and top soil properties of infrastructure spoil landfills and dredged sediment derived 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 different genotypes ofSalix[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 remediation of the cadmium-contaminated soil by autochthonous willow (Salix×aureo-pendulaCL ‘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 potential of willow for remediation of heavy metal polluted calcareous urban soils [J].Environmental Pollution,2009,157:931-937.

[16] Berndes G,Fredrikson F,Borjesson P.Cadmium accumulation andsalix-based phytoextraction on arable land in Sweden[J].Agriculture Ecosystem Environment,2004,103:207-223.

[17] Crow P,Houston T J.The influence of soil and coppice cycle on the rooting habit of short rotation poplar and willow coppice [J]. Biomass Bioenergy, 2004, 26: 497-505.

(责任编辑高嵩)

Phytoextraction of Cadmium-contaminated Soil by Short-rotation Coppice Willow

XiaoLi1,TangChunfang2*

(1Environmental Protection Monitoring Station of Hengdong,Hengdong Hunan 421400;2College of Forestry, Central South University of Forestry and Technology,Changsha Hunan 410004)

This paper reviews the phytoextraction of cadmium in soil using short-rotation coppice willow aiming to offer scientific support for phytoremediation of heavy metal polluted soil. Studies show that Cd-polluted soil can be cleaned effectively by cultivating and harvesting the aboveground parts of some short-rotation 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.

soil;cadmium;phytoremedaition;short-rotation coppice willow

2013-10-24

湖南省科学技术厅科技计划一般项目(项目编号2012FJ3144)。

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。

10.3969/j.issn.2095-4565.2014.01.007

X53

A

2095-4565(2014)01-0025-05