栽种柳树修复镉污染土壤的研究

廖启林，刘 聪，华 明，金 洋，朱伯万，范 健

(1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏 南京 210018;2.江苏省地质调查研究院，江苏南京 210018;3.江苏省国土资源厅，江苏 南京 210017)

0 引言

重金属污染对环境的影响一直是生态学领域的研究热点，镉污染相对更引人关注(韦朝阳等，2001;陈怀满，2002;李培军等，2006;王晓蓉等，2006;Singh et al，2003;Murakami et al，2009;Cao et al，2010;Teuchies et al，2013)。针对 Cd 等重金属污染土壤的植物修复技术研究更是人们关注的重点(韦朝阳等，2001;苏德纯等，2002;龙新宪等，2002;李培军等，2006;Kumar et al，1995;Ebbs et al，1997;Sanità di Toppi et al，1999;Singh et al，2003;Pulford et al，2003;Rosa et al，2004;Ghosh et al，2005;Licht et al，2005;Teuchies et al，2013)。目前，国内所报道的镉污染土壤植物修复技术研究主要集中在对超累积植物，如冬蓝景天、遏蓝菜、籽粒苋等的研究，尽管这些植物富集土壤中的镉均取得过显著效果(龙新宪等，2008;李凝玉等，2012)。但由于超累积植物的生物量较小，修复效果还难以保证，因此在野外大面积推广应用的先例并不太多。与超累积植物不完全相同的高生物量植物修复技术也是目前国内研究比较看好的一个方向，柳树就是一种高生物量植物，生长过程中能吸收重金属镉也被前人所证实，但并非所有的柳树都能用于修复镉等重金属污染土壤，而且国内目前关于运用柳树修复技术成功修复镉污染农田的实例并不多。

针对江苏典型镉等重金属农田土壤污染防治的现实需要，选择苏柳795、苏柳172这2种高生物量乔木型柳树作为修复植物，采用小规模室内盆栽试验及一定规模的大田修复试验研究相结合，初步研究柳树对镉污染土壤的去除效果，期望所获结果能为防治农田土壤中镉等重金属污染提供新的借鉴。

1 研究方法

1.1 盆栽试验

依据江苏全省国土资源1∶25万多目标地球化学调查结果和相关地区土壤Cd含量分布特征，在苏锡常地区新发现了数片土壤Cd含量＞3.0 mg/kg的农田，从中优选出数处镉污染明显的耕地用于修复试验。在所选定的田块上实地取回约1 000 kg土壤分装在20个陶盆中，每盆盛土约50 kg、厚度40～50 cm，经初步细碎、除杂(草)、整平、压实、湿水后，于植树节期间插上柳树枝条(插柳前保留少量原土供后面对比用)。柳树枝条长15～20 cm、入土5 cm以上，由园艺技师专门剪成(江苏省林业科学研究院指定苗圃销售)。每盆土中插柳枝3根、盆土表面积约0.15 m2，保证3根柳枝中至少能长成1棵柳树。栽种的柳树为苏柳795、172(皆为乔木类品种)，盆栽柳树全部在露天环境生长，安排有园艺经验的管护人员定期对成活柳树浇水、防病虫害等，确保柳树正常生长，柳树生长到一定规模后分不同时间段定期取样分析化验。

1.2 现场试验

租用上述2块耕地现场分别栽种苏柳795、苏柳172，试验地占地0.33 hm2。栽柳前先对租用土地进行整理，通过机耕将30 cm深度以上土壤细碎整平，开沟分垄，每块地分成5垄、每垄宽约2 m、长约80 m(由田块自然长度限定)，垄与垄之间留排水沟兼管护人员行走通道，按照上述盆栽试验的方法，于2012年4月初在每垄地上插满柳树枝条，2块地大小基本相同，一块地全部栽种苏柳795，另一块地全部栽种苏柳172，按照30 cm×40 cm间距插柳、0.33 hm2地一次性插栽柳条2万余根(每块地均超1万根)，每块试验地四周用深沟(80 cm以上)与其他土地隔开，四周深沟同时兼做灌溉用水蓄水沟及雨水排水沟。在每块土地上各留一小块空白地，用于与种柳土地进行空白对比。自试验地上插完柳枝开始，聘用专人对试验地进行维护管理，包括定期浇水、除草、治虫、移苗与间苗、冬天树叶回收与定点焚烧等。柳树生长中，由专业人员定期取样分析化验。

1.3 取样与分析测试

自种柳之日开始，每过0.5年定期采样1次。每次分别采集柳树叶及土壤样品，土壤样品采集于柳树生长地20 cm以上表土、每份200 g;树叶采集同地同类柳树上若干棵柳树的新鲜树叶、样品质量每份100 g。盆栽试验以盆为取样单元，大田试验以每垄地10 m长范围为取样单元，每次都实施土壤与树叶同步采样。盆栽试验满3年后，将盆中柳树全部移出，并挑选部分柳树分别对树叶、树枝、树皮、树木(树干去皮)、树根进行取样分析。土壤样品经自然风干后，用石英玛瑙罐机械磨细到0.075 mm，再送实验室做Cd等元素含量分析;树叶等植物样品先用清水清洗2遍，再用去离子水清洗1次，低温烘干至植物全部脱水，然后再由实验人员依据植物样测试流程进行Cd等元素含量分析。样品元素含量分析基本手段为ICP－MS(电感耦合等离子体质谱法)、石墨炉原子吸收、AES(原子发射光谱法)。分析中插入5%盲样和2%国家标准样品进行质量监控，土壤样品及植物样品分析测试均参照中国地质调查局的相关行业技术标准执行。本次试验累计分析测试土壤样品300多个，柳树叶等植物样品330多个。

2 试验结果与讨论

盆栽与大田试验的柳树成活率都在95%以上，1年内每根柳条可长成高3 m、质量3 kg的柳树，每棵柳树2年内可长高到5 m、质量约5.5 kg。盆栽试验因为后期受条件限制，柳树生长速度放缓。大田栽柳1.5年左右，每棵柳树即具有一定使用价值，作为苗木出售、其售价约15元/棵。栽种柳树对除去土壤中残留的Cd等试验效果表现在以下几个方面。

2.1 盆栽试验结果

表1列出20盆污染土壤栽种柳树后1年内Cd等元素的含量变化，可以看出土壤中Cd含量相对于未栽种柳树前都有所降低，最高降幅达31.7%、即从8.73 mg/kg降低到5.96 mg/kg;20盆污染土壤的平均Cd含量从6.37 mg/kg降低到5.26 mg/kg，平均降幅为17%。苏柳795、172吸收土壤中Cd的差异不明显，半年时间与1年时间相比，总体趋势是栽种柳树1年降低土壤Cd含量的效果比栽种半年更明显，如有一盆土的Cd含量为8.76 mg/kg，栽种苏柳172半年后其Cd含量降低到8.10 mg/kg、1年后降低到7.53 mg/kg。栽种苏柳795、172对降低土壤中的Cd含量有显著效果，前者平均降幅达16.3%、后者为17.2%，但并没有改变土壤中的Se、Fe等元素的含量，对Hg、Pb等重金属元素含量也没有任何影响，说明栽种苏柳795、172的修复实效主要针对Cd。

表1 柳树盆栽试验土壤样Cd等元素含量分析结果Table 1 Concentrations of Cd，Se and Fe in pot soil of willows

表2是上述20盆土壤栽种柳树满3年时对柳树进行系统采样所获取的部分代表性样品的Cd含量分析结果，从中可看出：柳树中各部位的Cd含量总体上已明显高于盆中土壤的Cd含量，以树根中Cd含量最高，其次为树皮，再次为树叶，更次为树枝，树木中的Cd含量相对最低。苏柳795之树叶吸收土壤Cd的生物富集系数BCF(BCF=植物中元素含量/土壤中相应元素含量)为1.4～3.7，平均为2.3，苏柳172之树叶吸收土壤Cd的BCF值平均为1.8，上述2种柳树之树皮吸收土壤Cd的BCF值平均为3.8，树根的BCF值平均为4.2。柳树生长时间越长，从土壤中吸收的Cd相对越多。

2.2 现场试验结果

表3是现场试验所获取的柳树叶吸收土壤中Cd的分析结果对比，柳树生长半年时，苏柳795树叶中的平均Cd含量为17.4 mg/kg、平均BCF值为9.2;苏柳172树叶中的平均 Cd含量为20.4 mg/kg、平均 BCF值为7.0。生长1年时，苏柳795树叶之平均Cd含量为18.4 mg/kg、平均BCF值为15.5;苏柳172树叶之平均Cd含量为29.7 mg/kg、平均BCF值为15.9。

现场试验的柳树叶分析结果还表明，栽种苏柳795、172这2种乔木型柳树，其树叶从土壤中吸收Cd的效果要比盆栽试验更显著，盆栽试验中柳树叶从土壤中吸收Cd的BCF值很少超过5.0，而现场试验柳树生长1年时其树叶从土壤中吸收Cd的BCF值正常都在5以上、最高可达40以上。现场试验指示柳树叶吸收土壤Cd的能力远强于盆栽试验，也说明模拟(盆栽)试验有一定局限性。现场试验也重现了柳树生长时间越长、吸收土壤Cd越多的特点。现场试验还发现柳树叶中的Cd含量与Zn含量有一定的共消长关系，柳树生长1年相比半年而言，柳树叶中的Cd含量有显著的增长，Zn含量也随之显著增长。柳树生长半年时，柳树叶的Zn/Cd比值多稳定在3～6之间;柳树生长1年时，柳树叶的Zn/Cd比值多稳定在5～10之间(表3)。

表2 盆栽试验柳树不同组织样品Cd含量分析结果Table 2 Concentrations of Cd and its BCF of some samples from different willow tissues in potting experiment

现场试验栽种柳树接近1年时，种柳地与空白地土壤同时采样分析结果显示，在栽种苏柳795的土地上所采集的8个土壤样品的Cd含量为2.0～4.4 mg/kg、平均2.7 mg/kg，其对应空白地土壤的Cd含量为5.0 mg/kg;在栽种苏柳172的土地上所采集的8个土壤样品的 Cd含量为2.2～6.2 mg/kg、平均4.4 mg/kg;其对应空白地土壤的Cd含量为10.8 mg/kg。种柳土地上土壤的Cd含量分布不均匀，但种柳土地相对于空白土地，土壤Cd含量有显著下降，如图1所示(S01—S08所代表的8个样品采自种柳土地、空白样采自预留下的未种柳空地)。来自现场的土壤Cd含量分析数据也证实在污染土地上栽种柳树对降低土壤Cd含量有显著效果，同一块污染土地，栽种柳树后的土壤Cd含量明显低于未种树的空白土地，2个品种柳树均如此。

2.3 讨论

上述模拟(盆载)及现场试验的数据都显示栽种苏柳795、172这2类乔木型柳树都能取得降低土壤中残留Cd的显著效果，柳树叶等植物组织持续吸取土壤中的Cd是导致污染土壤中Cd含量显著下降的直接原因。以前国内外也有人报道过柳树有吸收土壤Cd的潜能(徐爱春等，2007;汪有良等，2011;Lebeau et al，2008;Wahsha et al，2012;Trakal et al，2013)，但缺乏系统的试验数据支撑，也很少对柳树吸收土壤Cd的原因做系统研究。这次试验不仅获得了柳树作为一种高生物量植物能除去土壤残留Cd的多项直接证据，还掌握了柳树吸收土壤中Cd的部分机理方面的素材。植物从土壤中吸收Cd的机理研究一直在不断深化中，基于采矿、冶炼等周边土壤环境植物吸收重金属的特点，植物吸收重金属的原理也屡有新的收获(崔爽等，2006;魏敏等，2008;刘月莉等，2009;佘玮等，2011;Millis et al，2004)，对于植物吸收重金属主要是靠地上部分还是地下部分的争议从未间断过。因为污染土壤中Cd含量分布的不均匀性(龙新宪等，2008;Millis et al，2004)，给修复技术的推广应用带来了一些不确定因素。试验数据证实柳树吸收土壤中的Cd，其树根、树皮、树叶的作用都比较明显，说明柳树吸收土壤中的Cd既有地上部分的贡献、也有地下部分的贡献。现场试验还证实仅柳树叶从土壤吸收Cd的能力就可以与籽粒苋(李凝玉等，2012)相比，而且柳树叶吸收土壤Cd的生物富集系数(BCF)1年内可达到10以上，现场试验获取的柳树叶BCF比模拟试验大很多，都说明柳树作为1种高生物量植物，在修复Cd污染土壤的应用前景上还有诸多未被充分认识到的优势。

表3 栽种柳树现场试验树叶与土壤样品Cd、Zn含量分析结果Table 3 Analytical results of Cd and Zn concentrations in leaves and soil samples from experimental sites planted with willows

图1 种柳试验地不同区间土壤Cd含量变化趋势Fig.1 Spatial variations of Cd concentrations in soil from experimental sites planted with willows

柳树在镉污染土壤中生长很快，试验未在柳树成长中进行任何施肥，这与水稻、小麦、蔬菜等常见农作物从土壤中吸收重金属受施肥的影响(陈同斌等，2002;李凝玉等，2012)有较大差异。柳树生长主要靠浇水与治虫，正常镉污染农田中的养分已足够满足柳树生长的需求。前3年内，柳树生长时间越长、吸收土壤中的Cd就越多;柳树生长得越好，吸收土壤中的Cd也越多。像苏柳795、172这类柳树吸收土壤中的一定量Cd后，既不影响柳树的生长，也不影响柳树作为苗木等的使用价值，说明利用柳树这种高生物量植物修复镉污染土壤具有其他植物难以替代的优势。我国南方平原地区多不缺水，也存在不少镉污染农田，预示栽种乔木型柳树修复镉污染土壤的应用前景会更广阔。

关于超累积植物与高生物量植物修复镉污染土壤的效果比较也是令人关注的问题(杨勇等，2009)，超累积植物从土壤中吸收Cd的BCF值通常很大(韦朝阳等，2001;龙新宪等，2002;Singh et al，2003)，比柳树的BCF大很多，这点不用质疑，但超累积植物在固定时间内从土壤中除去Cd的总量是否高于柳树目前还无法比较，因为超累积植物的年产量本身就难以统计、加上有关这方面的公开报道也不多。

柳树无疑是一种高生物量植物，本次试验没发现其吸收土壤中Cd的BCF值超过50者，但依据获取的数据可对柳树这类高生物量植物提取土壤中Cd的效率做一近似定量测算。以柳树叶为例，1棵柳树1年可生产树叶1 000 g(实际采样因为落叶没法精确统计，但实地2棵柳树上最后能收集的树叶都在700 g以上)，1 m2土地每年可生长6棵柳树，年产柳树叶6 000 g，现场试验柳树叶生长1年时的Cd含量都在10 mg/kg以上，可算出柳树叶每年从土壤中提取的Cd应大于60 g/m2。而本次试验的土地上，1 m220 cm深度以上土壤的总Cd量约1 500 g(土壤相对密度为 1.5、平均 Cd含量按5 mg/kg计算)，算得仅柳树叶每年就能提取当地土壤总残留Cd的4%(假设在完全切断污染源的情况下，余同)。

再以柳树为例，盆栽试验显示在树根、树木、树皮、树枝、树叶这5类柳树组织中，柳树叶的Cd含量刚好居中(低于树跟、树皮，高于树枝和树木)。而实地试验结果显示，1棵柳树年生长质量为3 000 g属正常，假设柳树叶的Cd含量与1棵柳树的整体Cd含量基本相当，按上述推算，柳树生长1年可从当地土壤中提取总残留Cd的12%。

从栽种柳树前后的土壤Cd含量变化数据来看，20个盆栽试验样(相当于完全切断了污染源)栽种柳树1年从土壤中提取其总残留Cd的实际量最低为7.6%，平均为16.7%;2块现场试验地栽种柳树1年后从各自土壤中提走Cd的实际量最低也达到12%，说明在试验区栽种苏柳795、172这些乔木型柳树1年内提取土壤残留Cd达到12%是有充分保障的。实际上，栽种柳树对土壤Cd的提取效果可能比上述测算还要好。栽种柳树有把握在一定的时间段内将污染土壤的Cd含量降低到一些大宗农作物生长所允许的水平，这个时间段一般不会超过8年(多数可能为3～5年)，这个能测算的修复期限或是许多超累积植物所难以实现的。

柳树生长过程中，除了可以提取土壤中的Cd外，还对提取土壤中的Zn也有一定效果。土壤中Zn与Cd的生物地球化学特征有相似性已经为前人所证实(陈怀满，2002;刘月莉等，2009)，本次现场试验也证实了柳树叶中的Cd与Zn含量有相对稳定的比值，树叶中的Cd、Zn含量的共消长关系比较明显，可为研究植物从土壤中吸收Cd等重金属的机理提供相关线索。

3 结论

(1)栽种苏柳795、172这类乔木型柳树对镉污染土壤有显著的除镉效果，盆栽试验结果显示栽种苏柳795后，1年可使污染土壤中的Cd含量平均降低16.3%，栽种苏柳172在1年内使污染土壤中的Cd含量平均下降17.2%。

(2)柳树各组织中的Cd含量分布不均匀，从高到低排序依次为树根＞树皮＞树叶＞树枝＞树木，其中树叶中Cd的BCF值高达10以上，具备植物修复去除土壤Cd的潜力。大田试验还表明，随着柳树生长年限的增加，树根向下延伸、深部土壤Cd含量可能趋于正常，从而导致树叶后期的Cd含量呈逐渐下降趋势。

(3)实地试验结果显示，栽种苏柳795、172除了能从污染土壤中吸收大量的Cd外，同时还能吸收一定量的 Zn，柳树叶中存在相对稳定的 Zn/Cd比。

(4)柳树生物量大、生长区域广、管养容易，同时还可作为经济苗木，在修复我国农田土壤镉污染方面具有较广阔的前景。如何将特殊品种的柳树吸收土壤中残留Cd的植物修复技术与柳树的苗木用途有机结合起来，是推广应用这一植物修复技术需要有效解决的另一新课题。

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