滇南矿区重金属污染耕地的植物修复及其健康风险

米艳华，雷梅，黎其万*，陈璐，杜丽娟，邓晓霞，杨旭昆，张文波. 云南省农业科学院质量标准与检测技术研究所，云南 昆明 650；. 中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心，北京 000；. 云南省农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650；. 云南省红河州个旧市大屯镇农业综合服务中心，云南 个旧 6607



滇南矿区重金属污染耕地的植物修复及其健康风险

米艳华1，雷梅2，黎其万1*，陈璐1，杜丽娟1，邓晓霞3，杨旭昆1，张文波4
1. 云南省农业科学院质量标准与检测技术研究所，云南 昆明 650223；2. 中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心，北京 100101；3. 云南省农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650223；4. 云南省红河州个旧市大屯镇农业综合服务中心，云南 个旧 661017

摘要：在云南个旧矿区大田种植条件下，研究种植蜈蚣草、鲜食糯玉米、板蓝根蔬菜和高梁对重金属As（103.83±4.30）mg·kg-1、Pb（293.17±15.99）mg·kg-1、Cd（1.95±0.16）mg·kg-1复合污染土壤的治理和修复效果，并分析作物对人体的健康风险。结果表明，4种植物对土壤重金属的吸收有较大的差异，蜈蚣草As富集系数为（1.74±0.16），表现出较好的As富集植物特性，Pb富集系数为（0.42±0.05），富集能力明显高于其它3种植物。高梁秸杆、玉米秸杆、板蓝根蔬菜Cd富集系数均大于1，尤其是板蓝根蔬菜，富集系数为（3.19±0.46），Cd富集能力较强；在生物量和重金属吸收量的双重作用下，高梁秸杆对土壤中As、Pb、Cd的提取效率均高于其它3种植物。蜈蚣草除Cd外，对土壤重金属As、Pb的提取效率与高梁相当；经公式计算，若通过种植以上4种植物将试验区土壤As、Pb、Cd修复到国家土壤环境质量二级标准限量以内，需要种植玉米和板蓝根蔬菜约100年以上，而种植高梁仅需25年。蜈蚣草对试验区土壤As、Pb修复效果明显，预计种植蜈蚣草30年可将试验区土壤As、Pb修复到国家土壤环境质量二级标准限值以内；参试的3种可食用作物健康风险分析表明，当地居民通过食用板蓝根蔬菜进入人体的Pb、As和Cd暴露风险指数（HQ）均大于1，人体健康风险较大，不宜在试验区种植食用；食用玉米、高粱进入人体的Pb、As和Cd暴露风险指数虽小于1，但Pb和As的HQ均在0.9以上，存在潜在的健康风险。综合分析4种植物的修复效果、健康风险以及经济效益，高梁作为一种优良的生物质能源植物，引导种植较高抗性的高梁品种以及套种低累积高梁品种与蜈蚣草，可推荐作为滇南矿区重金属复合污染耕地边生产、边修复的土地安全利用模式。

关键词：矿区；重金属；污染耕地；植物修复；健康风险

引用格式：米艳华， 雷梅， 黎其万， 陈璐， 杜丽娟， 邓晓霞， 杨旭昆， 张文波. 滇南矿区重金属污染耕地的植物修复及其健康风险［J］. 生态环境学报， 2016， 25（5）: 864-871.

MI Yanhua， LEI Mei， LI Qiwan， CHEN Lu， DU Lijuan， DENG Xiaoxia， YANG Xukun， ZHANG Wenbo. Phytoremediation and Health Risk Assessment of Heavy Metals Pollution in Mining Area Farmland of Southern Yunnan Province ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（5）: 864-871.

随着社会经济的快速发展，土壤重金属污染日趋严重，矿区附近农田土壤重金属复合污染导致区域生产的农产品超标问题屡见报道（Liao et al.，2005；雷梅等，2005；张德刚等，2010；姜艳兴等，2013）。2008年以来，全国已发生百余起重大污染事故，包括砷、镉、铅等重金属污染事故达 30多起。2014年，加强耕地质量建设和污染修复治理等相关工作在国家政策指导下启动实施。位于云南南部的典型矿区个旧市，受土壤背景值和矿业发展的影响，耕地土壤表现为典型的重金属 Pb、As、Cd复合污染土壤，矿区及周边蔬菜地土壤表征综合污染程度的Nemero指数最高达到了132（谢华等，2008），区域生产的农产品重金属超标较为普遍（肖青青等，2011；宋雁辉等，2012），居民食用本地蔬菜引起重金属中 As和Pb的健康暴露风险较高（谢华等，2008）。近年来，随着矿产资源的逐渐枯竭，个旧市从矿业经济逐渐向农业经济转型，对矿区周边耕地土壤进行有效的修复和治理成为实现农业经济成功转型的关键环节。与重金属污染土壤物理、化学修复治理方法相比，植物修复（郑君健等，2013）因其成本低、安全环保以及可大规模原位修复等优点被认为是一种经济有效的土壤重金属去除方法（Peuke et al.，2005；Carlos et al.，2001）。蜈蚣草（Pteris vittata L）是一种As超富集植物，适用于As轻度污染的土壤修复（陈同斌等，2002；韦朝阳等，2008）。谢景千等（2010）原位试验同时证明了蜈蚣草对重金属As、Pb污染土壤有良好的修复效果；甜高粱（Sorghum vulgare Pers.）是禾本科C4植物，Salman et al.（2013）研究表明甜高粱是一种能有效吸收重金属的作物，同时也是国际公认的能源植物，与其他能源植物种类相比，甜高粱除了具有抗逆、抗旱、节水特性外，还具有生长快、生物产量高、易收割等作为重金属污染修复植物应具备的特征（高士杰等，2006；Alkoratal et al.，2004）；板蓝根（Isatis tinctoria L.）为十字花科植物，在个旧地区有部分种植作为蔬菜食用；糯玉米（Zea mays L.sinensis Kulesh），也称蜡质玉米，是当地居民喜爱的粮蔬兼用鲜食作物。本研究选取个旧市具有代表性的重金属复合污染农田为试验区，通过设置蜈蚣草、甜高梁、板蓝根和糯玉米的种植试验，研究比较这4种植物对重金属污染农田的修复潜力，并分析可食作物对人体的健康风险。

1　材料与方法

1.1 试验区概述

试验区位于云南省滇南红河北岸的个旧市矿区周边农田，地理位置为东经107°51′～108°43′，北纬24°44′～25°33′，属亚热带季风气候，年平均气温为19.9 ℃，年降雨量1389～1750 mm。试验区基本情况见表 1，对照土壤环境质量（GB15618—1995）二级标准限制值可以看出，试验区耕地土壤属于铅、砷、镉复合污染土壤。

1.2 试验设计与管理

1.2.1 供试植物

板蓝根、糯玉米种子为地方农资市场购买，糯玉米品种名为金花糯；甜高梁由云南省农业科学院生物所提供，品种名为晋糯10-1；蜈蚣草幼苗由北京瑞美德环境修复有限公司提供。

1.2.2 试验设计

本研究采用大田小区定位试验，试验设单种板蓝根蔬菜、糯玉米、蜈蚣草和高梁4个处理，3个重复，每个小区面积48 m2，试验区土壤经过土地平整、翻耕、挖穴等工序，于2014年5月20日进行板蓝根、玉米、高梁种子点播，蜈蚣草幼苗移栽工作。

板蓝根种植密度为10 cm×15 cm；玉米采用宽窄行设计，宽行40 cm，窄行30 cm，间距25 cm；高梁种植密度同玉米，3种作物栽培规格均符合当地种植习惯。蜈蚣草移植密度为30 cm×30 cm。

表1　试验区基本情况Table 1　General Situation of Test Area

试验周期为2014年5月至2014年10月，板蓝根蔬菜刈割两次，分别计算两次刈割的生物量和留取样品，其余3种作物在9月份玉米、高梁成熟后统一收割测产留样。种植植物全生育期仅按照生长需要常规追施N肥（尿素）。灌溉用水符合GB 5084—2005《农田灌溉水质标准》，采用人工除草方式去除田间杂草。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 土壤样品处理及分析

每个试验处理在植物收获时按照重复采用梅花型五点取样方法采集耕层0～20 cm土壤样品，组成混合样，在野外编号，带回实验室风干，除去土壤中的石块、植物根系和凋落物后粉碎，过100目（0.15 mm）筛。用 ICP-OES（OPTIMA2000，Perkin-Elmer Co.，USA）测定Cd、Pb质量分数，分别加入标准物质GBW 07405和GBW 10016对整个分析测试过程进行质量控制。用原子荧光光度计（海光，AFS-2202E）测定As质量分数。

土壤有机质和pH值：土壤pH质量分数采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤pH采用1∶2.5的土水比，酸度计（Starter-3C，奥豪斯仪器有限公司）测定。

1.3.2 植物样品处理及分析

采集土壤样品时同步采集植物样品，并在每个土壤取样点对应采集各样点1 m2内的植物地上部；蜈蚣草、蔬菜板蓝根不分茎叶就地上部分进行取样，糯玉米、高梁地上部分则分玉米秸杆、高梁秸杆和玉米籽粒、高梁米分别取样。取样后对每个试验处理小区植物地上部分进行测产；取回的植物样品用自来水清洗表面粘附的土壤，再用去离子水淋洗3遍，晾干，105 ℃杀青30 min，65 ℃烘至恒重后，粉（磨）碎过40目筛。所有样品加入5 mL浓硝酸与 2 mL双氧水后，放置在微波消解仪（MARS，CEM）内进行消解。植物样品消解完全后，超纯水定容，用原子吸收光谱仪（Jena-ZEEnit 700）、ICP-MS测定溶液中Cd、Pb质量分数，原子荧光光度计（海光，AFS-2202E）测定As质量分数，以国家标准物质（GBW07603 GSV-2）为内标控制样品分析质量分数。

1.4 土壤修复评估方法

土壤修复采用植物提取量、植物提取效率、预计修复年限、土壤修复效率等指标进行比较和分析，计算公式（朱俊艳等，2013；廖晓勇等，2004）如下：

式中，Pi为植物重金属Cd、Pb、As的提取量，g·hm-2；Ci为植物重金属 Cd、Pb、As平均浓度，mg·kg-1；Wi为植物干重，t·hm-2；Qi为土壤质量，g；ρb为土壤容重，g·cm-3；Si为种植面积，cm2；Hi为耕层土壤厚度，按20 cm计算；EE植物为植物重金属Cd、Pb、As的提取效率，%；C1为修复前土壤重金属Cd、Pb、As平均质量分数，mg·kg-1；BCF为富集系数；Ai为预计修复年限，Li为国家土壤环境质量二级标准限值，mg·kg-1；RE为土壤重金属Cd、Pb、As的修复效率，%；C2为修复后土壤重金属Cd、Pb、As平均质量分数，mg·kg-1。

1.5 人体健康风险评价方法

植物通过食物途径平均日摄入重金属的量参照USEPA的MMSOILS模型中的水、食物摄入和空气吸入的暴露评价方程进行简化后计算（赵雪梅等，2015），公式为：

式中，CDI为植物中的Cd、Pb、As通过食物进入人体的平均日摄入量，μg·kg-1·d-1；Ci为植物中重金属Cd、Pb、As平均浓度，mg·kg-1；Di为每日的食用量，kg；Fd为植物鲜重折算为干重的比例；103为将mg换算为μg的数量级比。HQ表征由食物摄入引起的重金属暴露风险指数；BW为人体质量，kg；RFD为参考暴露剂量，μg·kg-1·d-1，依据USEPA（1997，2000）标准，Pb、As和Cd的RFD分别为0.004、0.002、0.001 mg·kg-1·d-1。

2　结果与分析

2.1 参试植物对重金属复合污染土壤的修复效果

2.1.1 参试植物对土壤中3种重金属的吸收和富集特性

表2　不同植物的生物量、重金属的质量分数和富集系数Table 2　Effects of heavy metal concentrations and bioaccumulation factors in different plants

在重金属复合污染土壤上种植4种供试植物，经过1个生长周期，4种植物对3种重金属的吸收和富集情况有明显的差异，见表2。经测定发现，玉米籽粒和高梁米3种重金属质量分数远远低于玉米桔杆和高梁秸杆，因此，评价玉米和高梁对重金属复合污染土壤的修复效果表述仅针对这两种作物的地上部秸杆进行分析。从Pb的情况来看，蜈蚣草地上部分Pb质量分数范围在108.26～134 mg·kg-1，板篮根Pb质量分数次之，为54.36～88.42 mg·kg-1，高梁秸杆Pb质量分数为54.96～77.32 mg·kg-1，玉米秸杆铅质量分数为28.66～46.34 mg·kg-1。整体来看，4种植物对 Pb富集系数均小于1，富集能力表现为蜈蚣草＞板蓝根蔬菜＞高梁秸杆＞玉米秸杆。从 Cd的情况来看，板蓝根蔬菜Cd质量分数为5.48～7.32 mg·kg-1，高梁秸杆次之，为2.28～4.11 mg·kg-1，玉米秸杆为2.24～3.12 mg·kg-1，蜈蚣草1.64～2.37 mg·kg-1。4种植物除蜈蚣草外，高梁秸杆、玉米秸杆、板蓝根蔬菜对Cd富集系数均大于1，尤其是板蓝根蔬菜，富集系数平均达到3.185，表现出对Cd具有较强的富集能力。因此，4种植物对Cd的富集能力表现为板蓝根蔬菜＞高梁秸杆＞玉米秸杆＞蜈蚣草。从 As的情况来看，质量分数最高的是蜈蚣草，为169.33～204.26 mg·kg-1，高梁秸杆次之，为84.42～124.18 mg·kg-1，然后是板蓝根蔬菜，为54.38～69.56 mg·kg-1；玉米秸杆为41.60～55.48 mg·kg-1。4种植物As平均富集系数仅有蜈蚣草大于1，高梁秸杆接近1，玉米秸杆、板蓝根蔬菜对 As富集系数则小于1，4种植物对As的富集能力表现为蜈蚣草＞高梁秸杆＞板蓝根蔬菜＞玉米秸杆。

2.1.2 4种植物对土壤中重金属的提取量及修复效率

同样，分析4种植物对土壤中重金属的提取量和提取效率，高梁和玉米也是仅以地上部分秸杆为分析对象。经计算，4种植物从土壤中提取3种重金属的量见表3。在相同的土壤条件下种植4种植物，高梁对土壤 Pb的提取量较大，蜈蚣草次之，提取效率最低的是板蓝根蔬菜，仅为高梁提取量的29.74%；从Cd的情况来看，对土壤Cd提取量较大的依然是高梁，整体表现为高梁＞玉米＞板蓝根蔬菜＞蜈蚣草，且玉米和板蓝根蔬菜对Cd的提取效率比较相近，提取量最低的蜈蚣草，仅为高梁的16.36%。4种植物对土壤 As的提取量则表现为高梁＞蜈蚣草＞玉米＞板蓝根蔬菜。由于本试验中蜈蚣草到9月份收获时仅刈割了1次，根据文献报道，正常生长的蜈蚣草每年可刈割 1～2次（聂灿军，2006），因此，蜈蚣草正常管理地上部生物量至少为本试验的2倍。按照正常种植管理取生物量为本试验的2倍进行估算，除Cd外，蜈蚣草中As、Pb的年提取量最高可分别达到 795.85和 526.46 g·hm-2，提取效率分别提高到0.025%和0.56%，与高梁提取效率相当。在当地正常种植条件下，若通过种植4种植物将试验区土壤 As污染（103.83±4.30）mg·kg-1修复到国家土壤环境质量二级标准限值（土壤As＜0.30 mg·kg-1，pH＜6.5）以内，根据计算公式，需要种植蜈蚣草或种植高梁25年，而种植玉米和板蓝根蔬菜则分别需要 78年和 155年；同样，若通过种植 4种植物将试验区土壤 Pb污染（293.17±15.99）mg·kg-1修复到国家土壤环境质量二级标准限值（土壤Pb＜250 mg·kg-1，pH＜6.5）以内，根据计算公式，需要种植高梁 22年，蜈蚣草30年，玉米67年，板蓝根蔬菜107年；若通过种植4种植物将试验区土壤Cd污染（1.95±0.16）mg·kg-1修复到国家土壤环境质量二级标准限值（土壤Cd＜0.3 mg·kg-1，pH＜6.5）以内，根据计算公式，需要种植高梁23年，蜈蚣草63年，玉米和板蓝根蔬菜35年。

表3　不同种植植物中3种重金属的提取量和提取效率Table 3　Effects of heavy metal on amount and efficiency by different plants

2.2 植物种植前后土壤中 3种重金属质量分数的比较

经过1个植物生长周期，不同植物的土壤修复效率也有一定的差异，见表4。不同植物种植条件下，种植高梁后土壤 Pb的质量分数平均降低（16.00±4.58）mg·kg-1，土壤修复效率为 4.17%～6.94%；种植蜈蚣草后土壤Pb的质量分数平均降低（27.00±2.65）mg·kg-1，土壤修复效率为 8.33%～10.56%；种植玉米后土壤 Pb的质量分数平均降低（9.88±2.04）mg·kg-1，土壤修复效率为 2.68%～4.55%；种植板蓝根蔬菜后土壤Pb的质量分数平均降低（32.03±12.43）mg·kg-1，土壤修复效率为6.97%～15.10%。对于土壤中的Cd而言，种植高梁后土壤Cd的质量分数平均降低（0.14±0.04）mg·kg-1，土壤修复效率为4.93%～8.99%；种植蜈蚣草后土壤Cd的质量分数平均降低（0.13±0.05）mg·kg-1，土壤修复效率为4.08%～8.37%；种植玉米后土壤Cd的质量分数平均降低（0.13±0.05）mg·kg-1，土壤修复效率为3.43%～8.70%；种植板蓝根蔬菜后土壤Cd的质量分数平均降低（0.38±0.25）mg·kg-1，土壤修复效率为9.76%～28.02%。对于土壤中的As而言，种植高梁后土壤 As的质量分数平均降低（6.80± 3.37）mg·kg-1，土壤修复效率为4.63%～9.96%；种植蜈蚣草后土壤As的质量分数平均降低（27.00± 2.65）mg·kg-1，土壤修复效率为8.33%～10.56%；种植玉米后土壤As的质量分数平均降低（12.23± 3.00）mg·kg-1，土壤修复效率为9.91%～16.02%；种植板蓝根蔬菜后土壤 As的质量分数平均降低（2.43±1.78）mg·kg-1，土壤修复效率为 0.37%～2.99%。由此可以看出，种植4种植物对土壤中的重金属均有一定的修复作用，土壤中Pb的修复效率表现为板蓝根蔬菜＞蜈蚣草＞高梁＞玉米；Cd的修复效率表现为板蓝根蔬菜＞高梁＞玉米＞蜈蚣草；As的修复效率则表现为蜈蚣草＞高梁＞玉米＞板蓝根蔬菜。

表4　不同植物种植条件下土壤重金属的质量分数和修复效率Table 4　Effects of heavy metal concentrations in soil by different plants

2.3 可食用植物的健康风险评价

在重金属复合污染土壤条件下种植4种植物，除蜈蚣草外，其余3种植物均能食用。对照食品安全国家标准GB 2762—2012《食品中污染物限量》中Pb、As、Cd质量分数的限量指标分析高梁米、玉米、板蓝根蔬菜Pb、As、Cd的超标情况。从表5中可以看出，玉米籽粒、高梁米中的 As、Cd平均质量分数均低于或接近标准限量，板蓝根蔬菜的Pb、As、Cd平均质量分数均高于标准限量，且Pb、As、Cd的平均超标倍数分别为238.71、124.35和32.33倍。

表5　不同种植植物重金属质量分数及健康风险评价Table 5　Health risk assessments of heavy metal under different plants

按照成人平均体重质量60 kg，平均每日食用叶菜类0.2 kg，食用谷物0.375 kg计算，在重金属复合污染土壤上种植高梁米、玉米、板蓝根蔬菜，成人通过食用高梁米摄入的重金属Pb为3.45～4.31 μg·kg-1·d-1，As为1.87～2.17 μg·kg-1·d-1，Cd为0.49～0.59 μg·kg-1·d-1；通过食用玉米摄入的重金属Pb为3.55～4.07 μg·kg-1·d-1，As为1.70～2.13 μg·kg-1·d-1，Cd为0.47～0.54 μg·kg-1·d-1；通过食用板蓝根蔬菜摄入的重金属 Pb为 162.74～264.71 μg·kg-1·d-1，As为162.80～208.25 μg·kg-1·d-1，Cd为16.41～21.91 μg·kg-1·d-1。人均允许摄入Pb、As、Cd限量标准（PTDI）分别为2.14、1.28、1.2 μg·kg-1·d-1（秦文淑等，2008），对比3种植物食用部位的CDI值，显然，成人通过食用板蓝根蔬菜平均每日摄入的Pb、As和Cd量远超出了FAO/WHO提出的人体每日允许摄入量。而高梁米、玉米除Cd外，Pb、As也超过FAO/WHO提出的人体每日允许摄入量。依据暴露评价方程计算，虽然当地居民通过食用玉米、高粱米进入人体的Pb、As和Cd暴露风险指数（HQ）均＜1，但Pb和As的HQ均在0.9以上，对人体健康存在一定程度的潜在风险。而通过食用板蓝根蔬菜进入人体的Pb、As和Cd暴露风险指数均大于1，人体健康风险较大。

3　讨论

能源植物种类繁多，通常具有很高生物量，近年来，关于能源物质吸收重金属的研究屡见报道（Chen et al.，2011），不同能源植物吸收重金属的能力也存在很大差异（侯新村等，2012）。马淑敏等（2008）等研究发现甜高粱不仅生物量大，而且对重金属镉有一定积累作用。本研究在矿区重金属复合污染土壤种植条件下对比分析了甜高粱、蜈蚣草、板蓝根、糯玉米对土壤重金属的富集能力。试验结果表明，蜈蚣草对土壤As和Pb的富集能力明显优于其它3种作物，这种富集能力可能与土壤中的As极易向蜈蚣草地上部分迁移，且迁移的As、Pb主要沉积在细胞壁的富集机制有关（邓滔，2006）。高粱作为一种能源作物，其秸杆对土壤As的富集能力仅次于蜈蚣草，对Pb、Cd的富集能力仅次于板蓝根蔬菜，且与玉米相比，秸杆甜高粱对复合污染土壤中重金属Pb、As和Cd的富集能力明显高于玉米，该结论与贺玉姣等（2008）的研究结论相一致。板蓝根蔬菜对Cd的富集能力最强，对 Pb的富集能力仅次于蜈蚣草，相关的机理机制有待深入探讨。

有文献报道部分超富集植物虽然能够吸收土壤中较高浓度的重金属，但大部分生长缓慢、生物量较低，对土壤重金属的移除效率严重受限，再加上经济效益不高，难以大规模推广应用（李长阁等，2007），因此，有学者提出可用高生物量的一般植物修复重金属污染的土地，虽然其吸收重金属的量较少，但因生物量高，最后吸收的重金属总量可能会更多。Metwali et al.（2013）研究发现，在小麦、玉米、高粱3种粮食作物中，高粱对重金属的耐受性最强，在单独Cd处理下甜高粱对Cd的吸收量也最高。本项研究也表明，在重金属吸收量和生物量的共同作用下，高梁对土壤中As、Pb、Cd的提取效率明显高于其它3种植物，且综合分析参试植物生物量、修复效率和修复年限等相关数据，甜高梁对土壤重金属的修复效果的确优于玉米和板蓝根蔬菜。板蓝根蔬菜虽然对Cd的富集能力最强，但生物量却远远低于其它3种作物。蜈蚣草对试验区土壤As、Pb修复效果显著，且对试验区土壤As、Pb的修复年限也仅次于甜高梁，但蜈蚣草的经济效益目前还难于体现。因此，仅从修复的角度来看，种植蜈蚣草或甜高梁对云南个旧矿区 As、Pb、Cd复合污染农田土壤进行治理和修复是可行的，但如果考虑经济效益，甜高梁应该是该地区最佳的修复植物。

在当地传统种植模式下，种植板蓝根蔬菜不仅对土壤重金属修复效率较低，而且进入人体的Pb、As和Cd暴露风险指数（HQ）均大于1，对当地居民具有较高的健康风险。本试验中食用高粱米的暴露风险指数（HQ）虽然稍高于食用玉米，但对土壤中重金属As、Pb、Cd的修复效率明显高于玉米，并且，基于不同高粱（甜高粱）品系吸收重金属的差异研究（籍贵苏等，2014；再吐尼古丽·库尔班等，2012；Angelova et al.，2011），筛选抗性较好，适应性较强的高粱品种种植也可有效减少食用高粱米的暴露风险指数。

有研究表明，通过选择适当的植物种类进行间套种，可以有效提高植物对重金属的提取效率。例如，将超富集植物东南景天和重金属低累积的玉米品种种植在含重金属的污泥上，在提取重金属的同时生产符合卫生标准的玉米籽粒，可用作动物饲料或粮食（Liu et al.，2005）。高梁作为能源物质，在重金属污染的土地上进行种植，不仅能解决污染土地治理的经济效益问题（余海波等，2011），又能起到生产清洁能源，回收重金属，确保食品安全的作用（贾伟涛等，2015）。结合本试验中蜈蚣草对土壤中重金属As、Pb较好的修复效果，可考虑在滇南矿区实施甜高梁与蜈蚣草套种的土壤修复种植模式以加快耕地土壤重金属的修复，实现重金属污染耕地边生产、边修复的农业发展目标。

4　结论

（1）滇南矿区耕地土壤属于典型的 Pb、As、Cd重金属复合污染土壤，当地居民通过食用板蓝根蔬菜摄入的Pb、As和Cd暴露风险指数均大于1，人体健康风险较大，不宜在该区域种植食用；通过食用玉米、高粱进入人体的Pb、As和Cd暴露风险指数（HQ）虽＜1，但Pb和As的HQ均在0.9以上，对人体健康存在一定程度的潜在风险，需改变玉米、高粱的综合利用方式。

（2）若通过种植4种植物将试验区土壤As、Pb、Cd修复到国家土壤环境质量二级标准限量以内，需要种植玉米和板蓝根蔬菜约100年以上，而种植高梁仅需25年。蜈蚣草对试验区土壤As、Pb修复效果明显，预计种植蜈蚣草30年可将试验区土壤As、Pb修复到国家土壤环境质量二级标准限值以内。

（3）高粱作为一种优良的生物质能源植物，在滇南个旧矿区进行栽培种植，不仅可以有效修复土壤中的重金属，还能发展地方能源产业，创造较好的经济效益。结合本试验中蜈蚣草对土壤中重金属As、Pb较好的修复效果，可考虑在滇南矿区引导种植较高抗性的高梁品种以及实施低累积高梁品种与蜈蚣草套种的土地利用模式，以实现污染耕地边生产、边修复的农业发展目标。

致谢：本研究得到了云南省农业科学院生物技术与种质资源研究所王莉花小杂粮课题组联系提供高梁种子的帮助，在此表示感谢！

参考文献：

ALKORATAL A J H， BECERRIL J M， et al. 2004. Recent findings on the phytoremediation of soils contaminated with environmentally toxic heavy metals and metalloids such as zinc， cadmium， lead， and arsenic ［J］. Reviews in Environmental Science and Biotechnology， 3（1）: 71-90. ANGELOVA R V， IVANOVA V A ， DELIBALTOVA K I， et al. 2011. Use of Sorghum Crops for in Situ Phytoremediation of Polluted Soils ［J］. Journal of Agricultural Science and Technology A， （5）: 693-702.

CARLOS G， ITZIA A. 2001. Phytoextraction: a cost-effective plant-based technology for the removal of metals from the environment ［J］. Bioresource Technology， 77（3）: 229-236.

CHEN B C， LAI H Y， LEE D Y， J et al. 2011. Using chemical fractionation to evaluate the phytoextraction of cadmium by switch grass from Cd-contaminated soils ［J］. Ecotoxicology （London， England）， 20（2）: 409-418.

LIAO X Y， CHEN T B， XIE H， et al. 2005. Soil As contamination and its risk assessment in areas near the industrial districts of Chenzhou City ，Southern China ［J］. Environment International， 31（6）: 791-798.

LIU X M， WU Q T， BANKS M K. 2005. Effect of Simultaneous Establishment of Sedum alfredii and Zea mays on heavy metal accumulation in plants ［J］. International Journal of Phytoremediation，7（1）: 43-53.

METWALI M R， GOWAYED S M H， Al-MAGHRABI O A， et al. 2013. Evaluation of toxic effect of copper and cadmium on growth，physiological traits and protein profile of wheat （Triticum aestivium L.）， maize （Zea mays L.） and sorghum （Sorghum bicolor L.） ［J］. World Applied Sciences Journal， 21（3）: 301-314.

PEUKE A D， RENNENBERG H. 2005. Phytoremediation ［J］. EMBO Reports， 6（6）: 497-501.

SALMAN M， ATHAR M， FAROOQ U， et al. 2013. Insight to rapid removal of Pb （II） ，Cd （II） ，and Cu（II） from aqueous solution using an agro-based adsorbent Sorghum bicolor biomass ［J］. Desalination and Water Treatment， 51（22-24）: 4390-4401.

US EPA. 2000. Risk-based concentration table ［R］. Washington DC: USEPA.

US EPA. 1997. Mercury study report to congress: Health effects of mercury and mercury compounds ［R］. Washington DC: US EPA.

陈同斌， 韦朝阳， 黄泽春， 等. 2002. 砷超富集植物蜈蚣草及其对砷的富集特征［J］. 科学通报， 47（3）: 207-210.

邓滔. 2008. 井栏边草和蜈蚣草对As-Pb胁迫的富集作用［D］. 南京: 南京林业大学.

高士杰， 刘晓辉， 李玉发， 等. 2006. 中国甜高粱资源与利用［J］. 杂粮作物， 26（4）: 273-274.

贺玉姣， 刘兴华， 蔡庆生. 2008. C4植物甜高梁和玉米幼苗对Zn胁迫的响应差异［J］. 生态环境， 17（5）: 1839-1842.

贺玉姣. 2008. 能源植物甜高梁对重金属Pb、Zn、Cu胁迫的生理适应研究［D］. 南京: 南京农业大学.

侯新村， 范希峰， 武菊英， 等. 2012. 草本能源植物修复重金属污染土壤的潜力［J］. 中国草地学报， 34（1）: 59-64， 76.

籍贵苏， 严永路， 吕芃， 等. 2014. 不同高粱种质对污染土壤中重金属吸收的研究［J］. 中国生态农业学报， 22（2）: 185-192.

贾伟涛， 吕素莲， 冯娟娟， 等. 2015. 利用能源植物治理土壤重金属污染［J］. 中国生物工程杂志， 35（1）: 88-95.

姜艳兴， 李德先， 高洋， 等. 2013. 粤北大宝山矿区土壤和尾矿中重金属的淋滤释放危害分析［J］. 生态学杂志， 32（4）: 1038-1044.

雷梅， 岳庆玲， 陈同斌， 等. 2005. 湖南柿竹园矿区土壤重金属含量及植物吸收特征［J］. 生态学报， 25（5）: 1146-1151.

李长阁， 于涛， 傅桦， 等. 2007. 转基因植物修复重金属污染土壤研究进展［J］. 土壤， 39（2）: 181-189.

廖晓勇， 陈同斌， 谢华， 等. 2004. 磷肥对砷污染土壤的植物修复效率的影响: 田间实例研究［J］. 环境科学学报， 24（3）: 455-462.

马淑敏， 孙振钧， 王冲， 等. 2008. 蚯蚓-甜高粱复合系统对土壤镉污染的修复作用及机理初探［J］. 农业环境科学学报， 27（1）: 133-138.

聂灿军. 2006. 蜈蚣草的种植密度及其收获物的焚烧处理研究［D］. 武汉:华中农业大学.

秦文淑， 邹晓锦， 仇荣亮. 2008. 广州市蔬菜重金属污染现状及对人体健康风险分析［J］. 农业环境科学学报， 27（4）: 1638-1642.

宋雁辉， 钟正燕， 李红梅， 等. 2012. 云南个旧多金属矿区农田土壤-作物系统重金属污染现状——以乍甸镇为例［J］. 安全与环境学报，12（1）: 138-146.

韦朝阳， 郑欢， 孙歆， 等. 2008. 不同来源蜈蚣草吸收富集砷的特征及植物修复效率的探讨［J］. 土壤， 40（3）: 474-478.

肖青青， 王宏镔， 赵宾， 等. 2011. 云南个旧市郊农作物重金属污染现状及健康风险［J］. 农业环境保护， 30（2）: 271-281.

谢华， 刘晓海， 陈同斌， 等. 2008. 大型古老锡矿影响区土壤和蔬菜重金属含量及其健康风险［J］. 环境科学， 29（12）: 3503-3507.

谢景千， 雷梅， 陈同斌， 等. 2010. 蜈蚣草对污染土壤中As、Pb、Zn、Cu的原位去除效果［J］. 环境科学学报， 30（1）: 165-171.

余海波， 宋静， 骆永明， 等. 2011. 典型重金属污染农田能源植物示范种植研究［J］. 环境监测管理与技术， 23（3）: 71-76.

再吐尼古丽·库尔班， 吐尔逊·吐尔洪， 阿不都热依木·卡德尔， 等. 2012.甜高粱对土壤重金属 Cd的吸收规律［J］. 西北农林科技大学学报，40（12）: 162-156.

张德刚， 刘艳红， 张虹， 等. 2010. 选冶矿厂周边农田中几种农作物的重金属污染状况［J］. 安徽农业科学， 38（11）: 5803-5804.

赵雪梅， 谢华， 吴开庆， 等. 2015. 酸与Cd污染农田的植物修复及健康风险评价［J］. 农业环境科学学报， 34（4）: 702-708.

郑君健， 刘杰， 张学洪， 等. 2013. 重金属污染土壤植物修复及强化措施研究进展［J］. 广东农业科学， （18）: 159-164.

朱俊艳， 于玲玲， 黄青青， 等. 2013. 油菜-海州香薷轮作修复铜镉复合污染土壤:大田试验［J］. 农业环境科学学报， 32（6）: 1166-1171.

DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.05.020

中图分类号：X53

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2016）05-0864-08

基金项目：农业部公益性行业（农业）专项（201303088）；云南省创新人才培养计划项目（2014HB059；2015HC025）

作者简介：米艳华（1973年生），女，研究员，硕士，研究方向为农产品产地环境及产品质量安全研究。E-mail: zhoumiqu@163.com

*通信作者。黎其万，E-mail: liqiwan@vip.sina.com

收稿日期：2016-04-01

Phytoremediation and Health Risk Assessment of Heavy Metals Pollution in Mining Area Farmland of Southern Yunnan Province

MI Yanhua1， LEI Mei2， LI Qiwan1*， CHEN Lu1， DU Lijuan1， DENG Xiaoxia3， YANG Xukun1， ZHANG Wenbo4
1. Institute of Agriculture Quality standards & Testing Technique ，Yunnan Academy of Agricultural Science， Kunming 650223， China；
2. Center for Environmental Remediation， Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101， China；
3. College of Resource and Environment， Yunnan Agricultural university， Kunming 650223， China；4. Comprehensive Agriculture service centers of Datun Town Gejiu County， Gejiu 661017， China

Abstract：In this paper， phytoremediation of farmland polluted by As ［（103.83±4.30） mg·kg-1］， Pb ［（293.17±15.99） mg·kg-1］ and Cd［（1.95±0.16） mg·kg-1］ by planting Pteris vittata， Waxy Zea mays L.， Isatis tinctoria L. and Sorghum vulgare Pers， was investigated in Gejiu mining area of southern Yunnan province. The human health risk of all testing plant species was also assessed. The results showed that four kinds of plant species have a big difference in heavy metal absorption and accumulation. Arsenic accumulation coefficient in Pteris vittata is （1.739±0.164）. Pteris vittata was showed for better enrichment capacity of arsenic. Its accumulation capacity of Pb was （0.424±0.045）， enrichment ability of Pb was significantly higher than other three plant species. Accumulation coefficient of Cd in Sorghum vulgare Pers straw， Zea mays L. straw and Isatis tinctoria L. vegetables were higher than 1， especially for Isatis tinctoria L. its accumulated Cd up to （3.185±0.457） and its Cd accumulation ability was much stronger. In the dual role of biomass and heavy metal uptake， Sorghum vulgare Pers straw on above three kinds of heavy metal extraction efficiency were higher than other three plant species. Pteris vittata and Sorghum vulgare Pers have similar extraction efficiency in As and Pb. In order to lower As， Pb and Cd present in soil to the Grade Ⅱ level as in the National Environment Quality Standards for Soils， it would take more than 100 years by planting Zea mays L. and Isatis tinctoria L.. However， it would take only 25 years by planting Sorghum vulgare Pers. Planting Pteris vittata had an obvious repair effect in remediation As and Pb pollution. It would take about 30 years to reduce As and Pb dosage in soil to reach the Grade Ⅱ level by the National Environment Quality Standards for Soils. The results from three edible crops species on health risk analysis showed that the risk index of Pb， As and Cd exposure for consuming Isatis tinctoria L. from the experimentation area were higher than 1. Planting Isatis tinctoria L as vegetable has a higher risk. Therefore， it should not be planted in the mining area as for vegetable. Although the risk index of Pb， As and Cd exposure for consuming Zea mays L. and Sorghum vulgare Pers from the experimentation area were lower than 1， the risk index of Pb and Cd exposure was still higher than 0.9. Therefore there still is a potential risk to human health. After comprehensive analysis of four plant species repairing effect on heavy metals in soil， health risks and economic benefit， Sorghum vulgare Pers， as an excellent biomass energy plant species is a good option. Planting Sorghum vulgare Pers better varieties for resistance and low accumulation of heavy metals and intercropping with Pteris vittata can bring us for the safe production for human health while achieving to repair target in mining area farmland of southern Yunnan province.

Key words：mining area； heavy metals； polluted farmland； phytoremediation； health risk