桑树修复土壤重金属污染的研究进展.doc

桑树修复土壤重金属污染的研究进展 徐宁，俞燕芳，毛平生，杜贤明，彭晓虹，石旭平 （江西省蚕桑茶叶研究所，南昌330203） 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 ：X-1文献标志码：A论文编号：xx-0350 ResearchProgressofRemedyingtheHeavyMetalContaminatedSoilswithMulberry XuNing,YuYanfang,MaoPingsheng,DuXianming,PengXiaohong,ShiXuping (JiangxiSericultureandTeaResearchInstitute,Nanchang330203,Jiangxi,China) Abstract:Remediationofheavymetalshasbeeahottopicofinternationalenvironmentalscience,andremedyingtheheavymetalcontaminatedsoilswithmulberrywasaneffectivephytoremediationtechnology.Thispaperbrieflyintroducedtheconceptofheavymetalsinsoilandphytoremediationtechnology,describedthegrowthcharacteristicsofmulberry,andmulberrygrowingrelationshipwithCd,Pb,Zn,Asandotherheavymetalspollution.CombinedwiththeheavymetalspollutionsituationinJiangxiProvince,anddiscussedthepotentialofrepairtreeinsoilheavymetalpollutionwithmulberry. Keywords:Mulberry;theHeavyMetalSoils;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5g/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-3540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pH4.58.5、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4929117kg/hm2，折合成纯碳为1346717kg/hm2，1年释放的O2为3628814kg/hm211。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以上，根系水平分布达72，其地下根系分布的面积通常为树冠投影面积的45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22.3mg/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22.3mg/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145mg/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75mg/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8.4975.8mg/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1.634.6倍，主根的Cd含量是其他器官（除须根外）Cd含量的1.4149.7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8.48mg/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2050mg/kg之间时，桑叶的产出量降低10%30%；当土壤含Cd量超过140mg/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，12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145mg/kg时，即桑树致死浓度，桑叶中的含Cd量并没有超过2.5mg/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50600mg/kg试验范围内，低浓度铅300mg/(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200mg/(kg干土)（土壤一级标准）。土壤中的铅浓度超过200mg/(kg干土)后，桑树生长及桑叶品质开始受到明显胁迫。在含Pb50、125、250、500mg/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0.55mmol/LEDTA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(300mg/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160mg/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、53mg/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(593.56mg/kg)、Pb(825.41mg/kg)、Cd(8.11mg/kg)、Zn(705.41mg/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、Zn4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(33.13mg/kg)叶(13.38mg/kg)皮(7.51mg/kg)骨(4.93mg/kg)，Pb的含量的趋势为根(33.13mg/kg)叶(10.32mg/kg)皮(3.35mg/kg)骨(1.73mg/kg)，Cd的含量的趋势为根(4.53mg/kg)叶(1.90mg/kg)皮(1.57mg/kg)骨(1.03mg/kg)，Zn的含量的趋势为根(317.72mg/kg)叶(186.53mg/kg)皮(105.07mg/kg)骨(89.16mg/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12116.1mg，对Pb的修复年限为15.45年，迁移总量为7409.83mg，对Cd的修复年限为1.26年，迁移总量为2056.4mg，对Zn的修复年限为0.39年，迁移总量为254532.8mg。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35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。 参考文献 1赵春雨.植物在当前建设低碳社会中所起作用的研究A.中国环境科学学会学术年会论文集C.xx:2160-2163. 2程国玲,王大业.重金属污染土壤植物修复技术研究J.中国科技财富,xx(6):77. 3何舞,王富华,杜应琼,等.东莞市土壤重金属污染现状、污染及防治措施J.广东农业科学,xx(4):211-213. 4朱兰,保盛蒂.重金属污染土壤生物修复技术研究进展J.工业安全与环保,xx,37(2):20-21. 5封功能,陈爱辉,刘汉文,等.土壤中重金属污染的植物修复研究进展J.江西农业学报,xx,20(12):70-73. 6桑爱云,张黎明,曹启民,等.土壤重金属污染的植物修复研究现状与发展前景J.热带农业科学,xx,26(1):75-79. 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