7种常用绿化树种在修复镉污染土壤中的应用初探

张芳芳 赵立伟 王运良 单良

摘    要：為研究大生物量树种对Cd污染土壤的修复效果，以毛白杨、馒头柳、臭椿、构树、榆树、白蜡、国槐等7种天津市常用绿化树种为材料，开展大田试验，对比各树种在Cd轻度污染土壤和未受Cd污染土壤中的生长表现（株高和茎粗生长量，成活率），分析Cd污染土壤中各树种不同器官对Cd的吸收和富集能力（BCF），及对土壤Cd的去除能力。结果表明：7种树种在轻度Cd污染土壤上正常生长，其株高和茎粗生长量及成活率均与未受Cd污染土壤无显著差异（P>0.05），说明各树种均对土壤重金属Cd有一定的耐性;地上部器官富集能力表现为毛白杨>馒头柳>榆树>臭椿>构树>国槐>白蜡，根部富集能力表现为毛白杨>榆树>馒头柳>构树>臭椿>白蜡>国槐，各树种根部富集能力均高于地上部;Cd去除能力表现为毛白杨>榆树>馒头柳>臭椿>构树>白蜡>国槐。综合而言，毛白杨、榆树、馒头柳、构树和臭椿每年可去除土壤中Cd大于3.71 mg·m-2，显著高于白蜡和国槐（P>0.05），在原位修复土壤Cd污染中具有广阔的应用前景。

关键词：大生物量树种;镉污染土壤;植物修复;富集系数;去除能力

中图分类号：O614.24+2; TE991.3         文献标识码：A           DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.12.008

Abstract： To study the repair effect of large biomass tree species on cadmium-contaminated soil， the field experiment was carried out with seven kinds of common tree species in Tianjin ， which included Populus tomentos， Salix matsudana var. matsudana f. umbraculifera Rehd.， Ailanthus altissima， Broussonetia papyrifera， Ulmus pumila L.， Fraxinus chinensis and Sophora japonica L.， the growth status（plant height and stem growth， survival rate） under mild cadmium-contaminated soil and soil without cadmium were compared， and the indices of cadmium uptake and enrichment ability（BCF） in different organs under cadmium-contaminated soil and the removal rate of soil cadmium were analyzed. The results showed that seven species were normally grown on mild cadmium-contaminated soil， which the plant height， stem growth， and survival rate were not significantly different from those without cadmium（P>0.05）， indicating that the tree species had certain tolerance to soil cadmium. The BCF of the aboveground parts of seven species was representing as P. tomentosa>S. matsudana var. matsudana f. umbraculifera Rehd.>U. pumila L.>A. altissima>B. papyrifera>S. japonica L.>F. chinensis， and the BCF of the roots of seven species was representing as P. tomentosa>U. pumila L.>S. matsudana var. matsudana f. umbraculifera Rehd.>B. papyrifera>A. altissima>F. chinensis>S. japonica L.， which the BCF of roots was higher than that of aboveground in all the seven species. The removal ability of cadmium was representing as P. tomentosa>U. pumila L.>S. matsudana var. matsudana f. umbraculifera Rehd.>A. altissima>B. papyrifera>F. chinensis>S. japonica L.. Comprehensively，  P. tomentosa， U. pumila L.， S. matsudana var. matsudana f. umbraculifera Rehd.， B. papysifera， and A. altissima could remove more than 3.71mg·m-2 of cadmium in the soil every year， which were significant higher than F. chinensis and S. japonica L.，indicating that they had broad application prospects for in situ remediation of soil cadmium pollution.

Key words： large biomass tree; cadmium-contaminated soil; phytoremediation; enrichment factor; removal capacity

镉（Cd）的移动性很强，生物有效性高，极易被植物吸收并积累，是生物毒性最强，也是污染最为严重的重金属之一[1]。Cd在植物体内积累，不仅会影响作物的正常生长发育以及产量和品质，同时还可以通过食物链影响人类健康，因此Cd污染土壤治理问题已经引起国内外的广泛重视[2]。

植物修复Cd污染土壤是目前公认的一种绿色、有效、经济的生态修复技术[3-4]。目前世界发布的重金属离子超富集植物多分布于野外矿山开采或冶炼区，约450种，但鲜少有超富集植物应用于重金属污染土壤修复工程[5-7]。在众多的超富集植物中，修复Cd污染土壤的植物多为草本植物，其富集系数较高，但因其地上部生物量小、生长速度慢且很难进行机械收获作业，导致这些小型超富集植物不适宜开展大面积污染土壤的修复[8]。于是，筛选出具有Cd污染土壤修复能力的大生物量绿化树种，对于指导Cd污染土壤修复尤其是城市Cd污染土壤生态修复具有重要意义[9]。

本研究在天津市东丽区土壤Cd污染调查的基础上，开展7种生物量大且生长速度较快的常见绿化树种在Cd污染土壤中的应用研究，旨在筛选出生物量大、生长良好、Cd富集能力强且Cd去除能力高的试验树种，为Cd污染土壤的植物修复提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

东丽区是天津市主要污灌区，该区菜田土壤均不同程度受到Cd污染，现多为废弃林地、苗圃或废弃菜地。在详细查阅大量文献、实地考察和专家咨询的基础上，对东丽区疑似Cd污染地0～50 cm土层开展土壤调查（表1），为试验地块选择提供依据。

综合考虑土壤Cd含量、土地利用现状和周边环境等因素，同时参考土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）[10]，选择YD-15（Cd含量高于风险筛选值0.6 mg·kg-1，低于风险管制值3.0 mg·kg-1）和YD-16（Cd含量低于风险筛选值0.6 mg·kg-1）为野外大田试验地块。

1.2 供试植物

采用7种天津市园林绿化常用树种为供试植物，分别为毛白杨（Populus tomentosa）、馒头柳（Salix matsudana var. matsudana f. umbraculifera Rehd.）、臭椿（Ailanthus altissima）、构树（Broussonetia papyrifera）、榆树（Ulmus pumila L.）、白蜡（Fraxinus chinensis）、国槐（Sophora japonica L.）。

2017年7月在静海苗圃提前选取大小一致、生长健壮、无病虫害的一年生供试树种幼苗备用。

1.3 试验方法

在试验地块YD-15和YD-16分别选1 000 m2用来种植7种供试树种幼苗，并按照“S”形取样法分别布设4个取样点，每样点取3点混合样，检测两地块土壤理化性状和Cd含量（表2），地块间仅Cd含量差异显著（P<0.05），其他土壤理化性质指标差异均不显著（P>0.05）。同时，于2017年8月和2018年7月分别取供试树种的灌溉用水，3次重复，检测其相关指标（表3）。YD-15和TD-16分别均分整理成7个小区，编号为各小区所种试验树种。2017年8月，选择长势均一、生长健壮的7种供试树种幼苗分别栽种在整理好的土壤上，种植密度为0.4 m × 0.6 m，种植深度约0.5 m。在种植管理过程中，因供試土壤养分含量达到中等及以上水平（参照绿化种植土壤标准[11]），因此在整个试验过程中未对供试树种进行施肥，同时为避免农药对供试树种及试验结果可能产生的不良影响，主要使用人工方法杀虫，日常养护过程中灌溉水量一致。

2019年7月，7种供试树种分别随机选4株，采集叶、茎、根样品。叶片取树冠2/3处4个方向的新出叶80片混合，茎选取新叶所在的鲜绿色细枝，根系选取离树干25～30 cm处的细侧根。用自来水将叶、茎、根冲洗干净，再用去离子水反复冲洗3～5遍，并用吸水滤纸吸干植物样表面水分。冲洗干净后的鲜样在105 ℃条件下杀青30 min，70 ℃条件下烘干至恒质量，粉碎过40目筛，用HNO3-HClO4消化，原子吸收分光光度计测定植物各器官Cd含量[12]。同时每试验地块按照“S”形曲线布设4样点，取样深度0～50 cm，土壤经自然风干，去除石块、植物残体等杂物，研磨后过60目筛，用HNO3-HClO4-HF消化，原子吸收分光光度计测定土壤中Cd含量[13]。计算富集系数和Cd去除能力，公式如下。

富集系数BCF=植株中Cd质量分数/土壤中Cd质量分数

Cd去除能力=（修复前土壤Cd含量-修复后土壤Cd含量）×修复土壤质量/（修复面积×修复时间）

1.3 数据统计分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0软件进行方差分析和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 7个供试树种的生长状况

由表4可知，2017—2019年毛白杨、馒头柳、臭椿、构树、榆树、白蜡和国槐种植在未受Cd污染土壤（YD-16）与Cd污染土壤（YD-15）相比，成活率相差均在1%以内，无显著差异（P>0.05），外观整体的长势一致，株高生长量和茎粗生长量在地块间亦无显著差异（P>0.05），表明供试树种在一定程度Cd污染土壤上可以正常生长，植物长势、成活率和生长量均未受到明显的抑制;不同树种之间株高生长量表现为毛白杨>国槐>构树>白蜡>臭椿>榆树>馒头柳，茎粗生长量表现为馒头柳>毛白杨>国槐>榆树>构树>白蜡>臭椿。

2.2 7个供试树种对土壤Cd的富集和去除能力

富集系数反映了植物对重金属的积累能力，富集系数越大，代表植物单位质量内能积累的重金属越多[14]。由表5可知，同一供试树种，不同器官对Cd的吸收能力和富集系数均表现为根部强于地上部分，其中毛白杨、馒头柳、构树和榆树根部与地上部差异显著（P<0.05）;不同供试树种，同一器官吸收能力和富集系数也不同，地上部分表现为毛白杨>馒头柳>榆树>臭椿>构树>国槐>白蜡，根部表现为毛白杨>榆树>馒头柳>构树>臭椿>白蜡>国槐。

植物对Cd的吸收和富集能力直接影响其对土壤中Cd的去除能力。由表6可知，7种供试树种对土壤Cd的去除能力表现为毛白杨>榆树>馒头柳>构树>臭椿>白蜡>国槐，按树种去除能力可分为4组，即毛白杨和榆树（I组），馒头柳（II组），构树和臭椿（III组），白蜡和国槐（IV组），其中II组与I和III组差异不显著（P>0.05），其他组间差异均显著（P<0.05）。

3 结论与讨论

重金属Cd具有较强的迁移性和活性，利用大生物量且具有一定环境修复能力的植物进行提取修复，在降低土壤污染程度的同时，可培育树种抗性[15]。本研究中，毛白杨、馒头柳、臭椿、构树、榆树、白蜡和国槐等7种供试树生长在Cd污染土壤上，与未受Cd污染土壤上，其成活率、长势和生长量与未受Cd土壤均无显著性差异（P>0.05），表明供试树种对土壤重金属Cd有一定的耐受性，但各自的耐受范围还有待进一步探索。

虽然轻度Cd污染土壤不影响供试树种的生长，但各树种对Cd的富集能力及土壤Cd的去除能力却各不相同，这应该是与植物的生理生化和遗传变异关系密切[12]。张冬梅等[9]通过对5个污染场地调查发现，老港垃圾填埋场、桃浦垃圾填埋场、吴泾化工厂等地中的22个树种对Cd的富集能力较强，其中杨树、柳树、白玉兰、榆树等的富集系数均超过1，大多数树种对重金属Cd富集系数为0.1～0.5，具有一定的富集能力，且长势好。本研究中，毛白杨、榆树和馒头柳对Cd的根部富集系数均介于1.12～1.87间，地上富集系数介于0.79～1.26间，构树和臭椿对Cd的地上、地下富集系数介于0.42～0.83间。SLYCKEN等[16]在被冶炼厂所导致的铅、锌、镉等重金属污染的农田土壤种植柳树，Cd的去除能力达69 g·hm-2·a-1;赖发英等[17]在A和B不同实验区的重金属污染的土壤中种植杨树，B土壤中的Cd含量下降20.3%。本研究中，7种供试树种对土壤Cd的去除能力介于1.69～10.80 mg·m-2·a-1间，以毛白杨和榆树对土壤Cd的去除能力最强，其次是馒头柳，然后是臭椿和构树，5个树种均显著高于白蜡和国槐（P<0.05）。上述研究均说明园林绿化树种对Cd污染土壤具有修复作用，但对Cd的去除能力不同。此外，树种不同，其地上和地下部分对重金属的吸收和富集能力亦不同[14]。李合生[18]通过对速生林木研究发现，速生林木的根系发达，对土壤中的重金属具有强烈的吸收作用，本研究亦得出此结论，7种树种根部对Cd的吸收富集能力均高于地上部分，初步预测这可能是大部分植物对污染物的普遍反应，故在污染土壤修复工程中选择修复植物时应优先考虑根系发达、耐性强的植物。

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