桑树修复土壤重金属污染的研究进展

2015-04-29徐宁俞燕芳毛平生杜贤明彭晓虹石旭平

农学学报 2015年1期

徐宁俞燕芳毛平生杜贤明彭晓虹石旭平

摘要：重金属污染修复已成为当前国际环境科学研究的热点问题，利用桑树修复土壤重金属污染也是一种有效的植物修复技术。笔者简单介绍了土壤重金属与植物修复技术的概念，并阐述了桑树的生长特性，桑树生长与土壤中镉、铅、锌、砷等重金属元素的关系，并结合江西省土壤重金属污染的形势，探讨了桑树作为江西省土壤重金属污染修复树种的潜力。

关键词：桑树;土壤重金属;污染;植物修复;江西

中图分类号：X-1 文献标志码：A 论文编号：2014-0350

Research Progress of Remedying the Heavy Metal Contaminated Soils with Mulberry

Xu Ning， Yu Yanfang， Mao Pingsheng， Du Xianming， Peng Xiaohong， Shi Xuping

（Jiangxi Sericulture and Tea Research Institute， Nanchang 330203， Jiangxi， China）

Abstract： Remediation of heavy metals has become a hot topic of international environmental science， and remedying the heavy metal contaminated soils with mulberry was an effective phytoremediation technology. This paper briefly introduced the concept of heavy metals in soil and phytoremediation technology， described the growth characteristics of mulberry， and mulberry growing relationship with Cd， Pb， Zn， As and other heavy metals pollution. Combined with the heavy metals pollution situation in Jiangxi Province， and discussed the potential of repair tree in soil heavy metal pollution with mulberry.

Key words： Mulberry; the Heavy Metal Soils; Contamination; Phytoremediation; Jiangxi

0 引言

江西省拥有全国最好的生态环境，具备大力发展绿色农业的潜力，但矿山开发、资源消耗、农用化学品投入等给江西留下较大的重金属污染区域，成为江西绿色崛起进程中绕不过的坎。江西作为绿色资源大省，在生态环境良好的条件下，坚持以人为本，在经济发展的同时，将重金属污染治理作为民生工程的一件大事来抓，并积极探索重金属污染区域环境修复新路，切实保护好江西的一草一木，让全省人民都能享受到一流的生态环境，让青山绿水永存。笔者以近年来桑树用于修复土壤重金属领域的研究报道为基础，系统总结了重金属元素镉、铅、锌、砷与桑树生长关系的研究现状，并分析了利用桑树进行土壤重金属污染修复的潜力以及可行性，以期为未来该领域的研究提供参考。

1 土壤重金属污染与植物修复

土壤重金属污染是指由于人类活动，导致土壤中的重金属含量过高，通常是密度大于5 g/m3，并对生态环境质量产生不良的影响[1-2]。常见对土壤造成污染的重金属包括铅、锌、镍、铜、铬、镉、汞等元素[3-6]。重金属污染具有隐蔽性、不可逆性、长期性和后果严重性的特点。植物修复技术是指通过超富集植物的根系部分吸收固定重金属元素，并转移到地面部分，然后采用收割植物的方式去除土壤中重金属元素[7-8]。植物修复技术是一种环境亲和性修复技术，以其有效、非破坏、经济等特点，正成为土壤重金属污染修复的主要手段之一[9]。

2 桑树的特性

桑，桑科桑属，落叶乔木或灌木，属速生木本植物。桑树的生命力极其旺盛，适应性很强，分布范围广泛。桑树能在-35～40℃的温度范围内存活。桑树喜欢深厚、疏松、肥沃的土壤，同时也能适应土层瘠薄、养分贫乏的土地[10-11]。桑树在pH 4.5～8.5、土壤含盐量0.2%的条件下都能正常生长[10，12]，可以看出桑树对土壤酸碱度的适应性较强。

桑树生长迅速，生物产量高，有固碳放氧，净化大气的功效。桑林1年吸收固定CO2的量为4929117 kg/hm2，折合成纯碳为1346717 kg/hm2，1年释放的O2为3628814 kg/hm2[11]。桑树还可以对有害气体如硫化物、氟化氢等进行部分吸收，对粉尘也有阻挡、过滤和吸附作用[13-15]。

桑树的根系极其发达，桑树的根垂直分布可达4 m以上，根系水平分布达7m2，其地下根系分布的面积通常为树冠投影面积的4～5倍，有的甚至高达10倍以上，桑树根系分布近地面部分是水平根，深土层是垂直根，水平根和垂直根构成一个贮水功能极强的立体交叉的吸水贮水网络，具有强大的吸水固土能力[12]，可以改变土壤的理化性状和土壤结构，提高土壤肥力和保持水土，减少土壤侵蚀，有极强的抗干旱、遏制风沙能力。

桑树极其发达的根系利于吸收土壤的营养成分，同时在一定程度上也能促进土壤中重金属元素的吸收。桑树对镉、铅、铅、锌、砷等有一定的耐受性，桑树吸收的重金属离子会有一定的量被运输并积累于茎干和叶片中，而后通过伐条可以移除，起到去除土壤重金属的作用。

3 土壤重金属污染与桑树生长关系

3.1 土壤镉污染与桑树生长

镉是一种有毒的重金属，也是自然界的一种主要污染源，镉胁迫严重影响植物的生长发育，降低作物的产量和质量[16]。镉元素对桑树的影响已有比较深入的研究，桑树对镉有比较强的耐性和富集转运能力[16-21]。陈朝明[17，20]对桑树Cd耐受性的试验研究表明，当土壤Cd浓度小于22.3 mg/kg时，桑叶产量、可溶性糖和含氯化合物含量都高于或接近对照处理;当土壤Cd浓度大于22.3 mg/kg时，Cd对桑叶产量、营养物质含量、生理生化作用的影响明显，并表现其毒害作用，当浓度高于145 mg/kg时，分支较少而纤细，叶黄而小，接近死亡状态;而桑树根部当Cd浓度达到75 mg/kg时，才出现大小不等的瘤状结节和菌丝状绒毛，根表皮皱裂，根尖分叉，并有明显的木质。土壤Cd浓度为8.49～ 75.8 mg/kg时，桑树各器官对土壤Cd均有富集作用，各器官Cd含量大小顺序为：须根>主根>主茎>叶片>分支。桑树根部对镉有较高的富集能力，约40%的镉富集在根部，须根的Cd含量是其他器官Cd含量的1.63～4.6倍，主根的Cd含量是其他器官（除须根外）Cd含量的1.41～49.7倍。转到桑树主茎和分枝的量约占总累积量的41%，而运转到叶片的镉量相对较少，约占总累积量的16%，这对利用镉污染土壤栽桑养蚕具有实际意义。万飞[21]认为桑树是具有一定耐Cd性的经济作物之一，在一定的Cd浓度下不会影响家蚕的生长发育和蚕茧的质量。当土壤Cd含量为8.48 mg/kg时，不会影响桑树的生长发育和桑叶的产量，反而会有一定的刺激作用，当土壤含Cd量在20～50 mg/kg之间时，桑叶的产出量降低10%～30%;当土壤含Cd量超过 140 mg/kg时，桑树的生长发育受到不良影响，叶片小黄，养分和水分的吸收受到阻碍，1～2年后整株桑树死亡;另外，Cd含量主要集中在桑树的根系部分，其次是茎杆部分，最后进入叶片的Cd含量很少，当土壤中的含Cd量达到145 mg/kg时，即桑树致死浓度，桑叶中的含Cd量并没有超过2.5 mg/kg。

3.2 土壤铅污染与桑树生长

近年来，由于工业“三废”的乱排和大量机动车辆的使用，使用污水灌溉农田以及滥用农药、除草剂和化肥，已严重地污染了土壤、水体和大气的质量，导致环境中Pb的含量明显增加[22]。任立研等[23]研究了土壤不同浓度铅污染对桑树生长及桑叶品质的影响，结果表明在50～600 mg/kg试验范围内，低浓度铅[<200 mg/（kg·干土）]处理使桑树的株高呈现上升趋势，中、高浓度铅[>300 mg/（kg·干土）]处理使桑树的株高呈现下降趋势;而桑叶中叶绿素总量、可溶性糖含量、淀粉含量均随着外加铅浓度梯度的增加呈先上升后下降的趋势，转折点为200 mg/（kg·干土）（土壤一级标准）。土壤中的铅浓度超过200 mg/（kg·干土）后，桑树生长及桑叶品质开始受到明显胁迫。在含Pb 50、125、250、500 mg/kg的土壤中生长的桑树植株生长缓慢、叶柄下垂、叶片失绿，有的叶片上出现褐色斑，这些情况随着土壤中金属含量的增加而趋于严重[24]。桑叶的叶绿素含量和单位面积重量与土壤中Pb的含量呈显著负相关，在高Pb含量土壤，桑叶Pb含量随土壤Pb浓度的增大而显著增大，在低Pb含量土壤中嫩桑叶吸收Pb优于老桑叶。覃勇荣等[25]研究表明，在相同的重金属Pb2+胁迫背景下，加入0.55 mmol/L EDTA的桑树对Pb2+的吸收量比不添加EDTA的对照组明显增高。桑树具有较强的重金属Pb耐性，可作为修复植物应用于重金属污染地区。

3.3 土壤砷污染与桑树生长

砷虽不属于重金属，但因其来源以及危害都与重金属相似，故通常列入重金属。被As污染的农田土壤生态系统，不仅作物产量降低，质量变差，而且会通过食物链危害人体健康。吴浩东等[26]运用盆栽试验和实验分析的方法，研究了土壤砷污染对桑树品质的影响，结果表明，在一定的含量范围内（≤300 mg/kg），随着砷质量浓度增加，桑叶叶绿素含量先降后升，影响不明显，而可溶性糖含量先上升后下降，砷含量>160 mg/kg时桑树可溶性糖含量显著下降。

3.4 土壤重金属复合污染与桑树生长

桑树对土壤重金属复合污染金属也有很强的耐性。谭勇壁[27]调查了广西环江受尾矿污染的桑园情况，明显看出，桑树在Pb、Zn、As含量分别高达734、1194、53 mg/kg的污染土壤上仍然可以正常生长发育，并且在外观上没有表现出明显的受胁迫现象[28]。桑叶Zn、As的积累量随桑叶生长周期的延长而增加。张兴等[29]在湖南浏阳七宝山矿区污染土壤上Cu（593.56 mg/kg）、Pb（825.41 mg/kg）、Cd（8.11 mg/kg）、Zn（705.41 mg/kg），以‘湖桑一号为试验材料，分别测定植物各部分和土壤中Cu、Pb、Cd、Zn 4种重金属元素的含量。结果表明：桑树总体生长情况为第3季（5个月）>第2季（3个月）>第1季（1个月）。桑树各部位单位重量中Cu 的含量的趋势为根（33.13 mg/kg）> 叶（13.38 mg/kg）> 皮（7.51 mg/kg）> 骨（4.93 mg/kg），Pb 的含量的趋势为根（33.13mg/kg）> 叶（10.32 mg/kg）> 皮（3.35 mg/kg）> 骨（1.73 mg/kg），Cd的含量的趋势为根（4.53 mg/kg）> 叶（1.90 mg/kg）> 皮（1.57 mg/kg）> 骨（1.03 mg/kg），Zn的含量的趋势为根（317.72 mg/kg）> 叶（186.53 mg/kg）> 皮（105.07 mg/kg）> 骨（89.16 mg/kg）。每平方米耕作层土壤上桑树对Cu的修复年限为2.01年，迁移总量为12116.1 mg，对Pb的修复年限为15.45年，迁移总量为7409.83 mg，对Cd的修复年限为1.26年，迁移总量为2056.4 mg，对Zn的修复年限为0.39年，迁移总量为254532.8 mg。唐翠明等[30]对广东韶关市大宝山矿区周边重金属污染农田桑园进行了调查，调查结果表明，土壤中铅、锌、铜、镉及砷的含量远远超过了土壤环境二级标准值，但是桑树的生长不受影响，桑叶产量也能达到正常水平。

4 桑树应用于土壤重金属污染修复的潜力

重金属污染土壤植物修复技术的关键是修复植物的选择。已知的重金属超积累植物绝大多数为野生型稀有植物，分布具有较强的区域性，且生物量小，生长缓慢，根圈范围有限，只能对浅层土壤起到修复作用，修复速率较缓慢;超富集植物往往只能富集某种重金属，而土壤重金属污染大多是复合污染，修复周期较长，很难实际应用[31-32]。桑树耐重金属复合污染，而且栽培技术成熟，对土壤和环境适应性强、生长快、根系发达、生物量大、耐剪伐，相对于目前使用的修复植物具有明显优势。

江西省具有丰富的矿产资源，如赣南钨矿、稀土矿、赣西北铜金矿、赣东北铜业及多金属开发区，以及煤矿、瓷土矿等，矿山的开发给社会经济发展做出了巨大贡献，但同时带来的矿产废弃物造成矿区周围土壤Cu、Cd、Pb、Zn、As等重金属富集污染，大片田地荒芜，生态环境恶劣，而且随着社会经济的发展，重金属污染有加重的趋势，防治土壤重金属污染的形势十分严峻。以重金属污染严重的赣州市大余县为例，其土壤中Cd、Pb、Cu、Zn、As分别超过污染起始值的3.78、3.04、2.95、1.16和8.66倍[33]，桑树在这些土壤重金属毒性剂量范围之内，可以正常生长，而且桑树适应性强，在矿区土壤修复上有其独特的优势。栽植桑树能在保持水土、防风固沙、绿化荒山、净化空气、美化环境等方面起到良好的作用，对构建生态景观、改善生活环境具有较高的实用价值[34]。王凯荣等[35]也表示种桑养蚕是治理镉污染农田的一种成功的经济生态模式。因此，将桑树应用于重金属污染土壤的修复具有广阔的前景。

5 展望

重金属污染土壤修复方法的选择需要考虑到土壤现状、修复成本，以及修复技术成熟可靠等因素，需要对不同类型的土壤进行实验，确定处置工艺和参数，以达到污染土壤修复到目标值。从目前的研究成果来看，桑树作为修复树种，相对于目前所使用的修复植物，具有明显的优势，但是也存在一些问题，主要表现为以下几个方面：（1）采用桑树修复中度污染土壤3～5年可达到复耕标准或稍微超标，所需费用大致在1万元每亩左右，需要时间较长，经济负担较大。（2）由于受劳动力紧缺和蚕桑产业整体发展趋势影响，栽桑不一定会用于养蚕，桑树经济效益得不到有效实现。（3）桑树本身对土壤重金属并没有修复去除的功能，积累重金属的桑树如果处理不当会造成“二次污染”，目前也没有简便有效的处理技术，应当寻求一种高效的植物产后处理技术，在污染桑树剪伐后，以及采用栽桑养蚕方法治理重金属污染土壤时，合理处理养蚕过程中含重金属的蚕沙及蚕蛹，真正将污染物永久去除，真正实现“变废为宝”的目的。（4）目前关于桑树修复重金属土壤研究大都停留在试验阶段，在野外示范时受气候地理环境以及外界持续的污染源等因素影响，修复效果与实验室试验研究结果会有较大差距。（5）在栽植桑树方面，要充分考虑当地的地貌及土壤特征，尽量推广种植适生型桑树品种，以提高桑树的成活率，并以植被恢复、修复土壤为主要任务，合理选择桑树品种，在今后的育种工作中，对桑树品种进行筛选，筛选生物量大、生长效率快、生长周期短、抗性强并能对某一种或几种重金属污染物具有超级吸附潜力的桑树，以更大地实现桑树的生态价值。

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