（生态学专业论文）城市工业遗留地重金属污染及园林植物耐受性研究.pdf

摘要 快速城市化过程中，位于城区中心的工厂企业逐步迁至郊区，遗留下大片受 重金属等污染严重的土地，对城市环境和居民健康都构成威胁，因此对其污染程 度的判定及修复日显重要。目前，在利用超积累植物对重金属污染土壤进行植物 修复时，因其自身存在各种缺点而未能在城市中大面积应用。另一方面，园林植 物是城市绿化主要材料，利用其来修复受重金属污染的城市土壤，可实现美化环 境、修复土壤等目的。 本文选择上海市某工业遗留地为研究对象，调查并分析了该地土壤重金属污 染现状及植物的耐受性和富集能力。为进一步探索园林植物对重金属污染土壤的 修复潜力，选择若干种常见的草坪草和草本花卉植物，通过重金属胁迫种子发芽 及幼苗生长，初步研究了园林草本植物对重金属的耐受性及富集特点。主要研究 结果如下： 1 城市工业遗留地土壤受到不同程度和类型的重金属污染，除单一污染( z n 、 p b 、c u 极重污染) 外，以复合污染较普遍，包括两种金属的复合污染( 极重 度的z n c u 复合污染，重度p b c u 复合污染) 和多种金属复合污染( 中等程 度的p b c u c d 复合污染，重度至极重度p b z n c u c d 污染) 。重金属有效态 分析表明，土壤中z n 、c u 浓度己超过普通植物生长得耐受阈值，成为该区 域植被恢复的主要限制因子。 2 遗留地上生长的植物体内重金属浓度大都高于对照区域，受到一定程度的重 金属污染，同时发现植物对重金属具有一定的耐抗性及富集能力。 3 以发芽率、发芽势、发芽指数、幼苗株高和根长为指标，研究重金属胁迫对 园林草本植物种子发芽的影响。结果表明在种子萌发阶段，p b 、z n 具有促 进作用或影响不显著，而c u 、c d 以抑制为主；对幼苗初期生长，p b 、z n 具 有不同程度的促进作用；c u 毒性最强，均以抑制为主；c d 则抑制、促进作 用兼有；四种金属均抑制幼苗根的生长。根据根生长的耐性指数比较了园林 草本植物对重金属的耐受性，发现黑麦草、高羊茅和早熟禾对z n 、金鸡菊对 c u 及狗牙根对c d 耐性最强。 4 水培实验( 以金鸡菊、高羊茅为研究对象) 结果表明：植物对z n ( c u ) 的 吸收，与溶液中z n ( c u ) 浓度成正相关，且主要集中在根部。地上部对z n 的吸收，均表现为单一z n 污染下大于z n 、c u 复合，交替污染，c u 对z n 向植株地上部上转运时表现抑制作用；根部z n 、c u 积累情况不同：金鸡菊 在z i l c u 污染下最大，z n 、c u 间表现为“协同作用”；而高羊茅在单一污染 下最大，z n 、c u 间表现为“拮抗”。交替污染中，z n 促进植株对c u 的吸收 及向地上部转运，c u 则相反。 5 两植物对z n 、c u ，在短时间( o 7 2 h ) 内都存在一个快速吸收过程。在本研 究中，植物根部z n 、c u 积累，金鸡菊最高达1 6 0 7 6 ，2 0 3 6m g k g ，高羊茅最 高达9 4 3 8 9 ，5 4 6 6m g k g ；地上部z n 、c u 富集系数，金鸡菊最大分别为2 6 、 1 0 ，高羊茅分别为2 3 、1 1 3 。可见两植物对z n 、c u 都具有较强的吸收、富 集能力，且对z n 的吸收高于c u 。因此，对修复受一定程度z n 、c u 污染的 城市土壤，这两种植物都具很广的应用前景：不仅可利用植物根部高z n 、 c u 吸收能力对污染严重土壤进行改良与固定，还可通过收割地上部生物量 达到降低或清除土壤中z n 、c u ，同时达到绿化环境，改善城市生态环境等 目的。 关键词：城市工业遗留地土壤重金属污染植物修复园林植物 重金属耐性富集能力 a b s t r a c t w i t hf a s tu r b a n i z a t i o n s o m ef a c t o r i e sl o c a t e di nt h ec i t yw e r em o v e dt ot h e s u b u r b s ，s ot h e r el e f tl a r g ei n d u s t r i a la r e a sw i t hs e r i o u sh e a v ym e t a lc o n t a m i n a t i o n w h i c hw i l lt h r e a t e nu r b a ne c o s y s t e ma n dc i t i z e nh e a l t h s oi th a sb e c o m em o r ea n d m o r e n e c e s s a r y a n d i m p o r t a n t t oe v a l u a t ea n d r e m e d yi t s of a r ，u s i n g h y p e r a c c u m u l a t o r so np h y t o r e m e d i a t i o no ft h es o i lc o n t a m i n a t e db yh e a v ym e t a lh a s n o tb e e na p p l i e di nu r b a ni nl a r g es c a l e sb e c a u s eo fi t so w ns h o r t a g e s i na n o t h e rh a n d ， g a r d e np l a n t sa r et h em a i nc o m p o s i t i o n si nc i t yg r e e n i n g s ，w h i c hc a nn o to n l yb eu s e d t or e d u c ea n dc l e a nt h eh e a v ym e t a li nu r b a nc o n t a m i n a t e ds o i l s b u ta l s ob e a u t i f yt h e u r b a ne n v i r o n m e n t 1 h i sr e s e a r c ht o o kac e r t a i ni n d u s t r i a la r e ai ns h a n g h a ia sa ne x a m p l e s a m p l i n g a n da n a l y z i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fz n ，c u ，p ba n dc di n s o i la n dp l a n t s ，t h e n c o m p a r e dt h ep l a n t sc a p a c i t yo nh e a v ym e t a la b s o r p t i o na n da c c u m u l a t i o n i no r d e rt o e x p l o r et h ep o t e n t i a lo fg a r d e np l a n t so np h y t o r e m e d i a t i o no fu r b a nc o n t a m i n a t e ds o i l ， s o m el a w np l a n t sa n df l o w e rp l a n t sw e r es e l e c t e d t h et o l e r a n c ea n da c c u m u l a t i o n c a p a c i t yo fh e a v ym e t a lo ng a r d e np l a n t st h r o u g hs e e dg e r m i n a t i o na n ds e e d i n g g r o w t hu n d e rs t r e s so fz n ，p b ，c ua n dc dw e r em i a n l ys t u d i e d t h em a j o rr e s u l t s w e r ea sf o l l o w s ： 1 t h es o i l si ni n d u s t r i a la r e aw e r ep o l l u t e db yd i f f e r e n tt y p e sa n dd e g r e e s s u c ha s s i n g l ec o n t a m i n a t i o n ( e x t r e m e l yh i g hz n ，p b ，c uc o n t a m i n a t i o n ) ，t w oo rs e v e r a l e l e m e n t sc o m p o u n dc o n t a m i n a t i o n ( m i d d l ep b c u c dc o n t a m i n a t i o n ，e x t r e m e l y h i g i lz n c u ，p b z n c u c d c o n t a m i n a t i o na n d h i g hp b c u ，p b z n c u c d c o n t a m i n a t i o n ) t h ec o n t e n to fn h 4 n 0 3e x t r a c t a b l eh a sb e e no v e rt h ev a l u eo f p l a n tn o r m a lg r o w t h 2 t h ec o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a li np l a n t si ni n d u s t r i a la r e aw a sh i 9 1 1 e rt h a ni n c o n t r a s t i n ga r e a m e a n w h i l e ，s o m ep l a n t sw e r ef o u n dw i t hac e r t a i nh e a v ym e t a l t o l e r a n c ea n da c c u m u l a t i o nc a p a c i t y 3 i no r d e rt or e s e a r c ht h ee f f e c to fh e a v ym e t a ls t r e s so ns e e dg e r m i n a t i o n t h e i n d e xs u c ha sg e r m i n a t i o nr a t e ，g e r m i n a t i o np o w e r , g e r m i n a t i o ni n d e x ，s h o o ta n d r o o tl e n g t hw e r eu s e d t h er e s u l ts h o w e dt h a to ns e e dg e r m i n a t i o n ，z n ，p b p r o m o t e do ra f f e c t e dn o ts i g n i f i c a n t l y , w h i l ec u ，c di n h i b i t e d o ni n i t i a lg r o w t h ， z n ，p bp r o m o t e dw h i l ec ui n h i b i t e da n dc dt o o kb o t he f f e c t s r o o tg r o w t hw a s i n h i b i t e do fa l ls p e c i e s s ot a k et h et o l e r a n ti n d e xo fr o o tl e n g t ht oc o m p a r et h e t o l e r a n c eo fp l a n t ss e l e c t e di nt h es t u d y t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h er e s i s t a n c eo f l o l i u mp e r e n n e , f e s t u c aa r u n d i n a c e aa n dp o ap r a t e n s i st oz n ( p b ) ，c o r e o p s 西 l a n c e o l a t at oc ua n dc y n o d o n d a c t y l o nt oc dw e r es t r o n g e s t 4 t h er e s u l to fh y d r o p o n i ce x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h e r ew a sap o s i t i v ec o r r e l a t i o n b e t w e e nc o n c e n t r a t i o ni ns o l u t i o na n dp l a n t sa b s o r b i n ga n dt h em a i nc o n t e n t a b s o r b e dw a sd e p o s i t e di nt h er o o t u n d e rz ns i n g l ec o n t a m i n a t i o nb o t ho ft w o p l a n t sz na c c u m u l a t i o ni ns h o o tw a sl a r g e s t c ui n h i b i t e dz nt r a n s p o r tt os h o o t ； l i i f o rc o r e o p s i sl a n c e o l a t aa n df e s t u c aa r u n d i n a c e a ，t h ec a p a c i t yo fr o o tw i t hz n a c c u m u l a t i o nw a ss t r o n g e s tu n d e rz n c uc o m p o u n dc o n t a m i n a t i o na n dz ns i n g l e c o n t a m i n a t i o n ，r e s p e c t i v e l y o nr o o tz n ( c u ) a b s o r p t i o n ，t h ei n t e r r a c t i o nb e t w e e n t h e ms h o w e d “c o o p e r a t i o n a n d a n t a g o n i s m ”r e s p e c t i v e l y u n d e rz n c u a l t e r n a t ec o n t a m i n a t i o n ，z nt o o kap r o m o t i o no nc ua b s o r b i n ga n dt r a n s p o r t i n g ， w h i l ec ut o o kt h eo p p o s i t ee f f e c t 5 t h er e s u l to fs h o r t t e r m ( 0 7 2 h ) s t r e s s e db yz n 、c us h o w e dt h a tt h e r ew a saf a s t a b s o r p t i o np r o c e s so nt h e mb yt w op l a n t s u n d e rv a r i o u st y p e sc o n t a m i n a t i o n ，t h e c o n c e n t r a t i o no fz n ，c ui nc o r e o p s & l a n c e o l a t ar o o th i g h e s tr e a c h e d16 0 7 6 ，2 0 3 6 m g k gr e s p e c t i v e l yw h i l ef e s t u c a a r u n d i n a c e ar e a c h e d9 4 3 8 9 ，5 4 6 6m g k g r e s p e c t i v e l y t h ea c c u m u l a t i o nc o e f f i c i e n to fz n ，c uw i t hc o r e o p s i sl a n c e o l a t a s h o o th i g h e s tr e a c h e d2 6 ，1 0r e s p e c t i v e l ya n df o rf e s t u c aa r u n d i n a c e ar e a c h e d2 3 ， 1 1 3r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tb o t ht w op l a n t sh a das t r o n g a b s o r b i n ga n da c c u m u l a t i o nc a p a c i t yo nz n c ua n dz na b s o r b i n gw a sl a r g e rt h a n c u s ob o t hp l a n t sh a daw i d e l ya p p l i c a t i o np r o s p e c t sf o rp h y t o r e m e d i a t i o no n u r b a ns o i lw i t hz n ，c up o l l u t i o n t h r o u g hp l a n t i n g ，z n 、c ui nt h es o i ln o to n l y c o u l db es t a b i l i z e db yr o o tw i t hs t r o n ga b s o r p t i o nc a p a c i t ya n db u ta l s oc o u l db e d e c l i n e da n dc l e a n e dt h r o u g hh a r v e s t i n ga b o v e g r o u n db i o m a s s ，m e a n w h i l ei ta l s o c o u l di m p r o v eu r b a ne c o l o g i c a le n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：u r b a ni n d u s t r i a la r e a ；s o i lh e a v y m e t a lc o n t a m i n a t i o n ；p h y t o r e m e d i a t i o n ； g a r d e np l a n t s ；h e a v ym e t a lt o l e r a n c e ；a c c u m u l a t i o n i v 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 益壹垃日期：主竺叁：6 ：f 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：壤建卜导师签名： 妙k 气。 日期：土莎岔厶f y 第一章前言 1 1 城市土壤重金属污染简介 1 1 1 土壤重金属污染及特点 重金属是指密度4 o 以上的约6 0 种元素( n e v e n a ，2 0 0 6 ) ，重金属中的z n 和c u 是植物和动物生长所必需的元素，但过量的z n 和c u 元素会对生物体产生毒性， 其它的重金属如c d 、p b 、c r 等即使在很低的浓度下也会对它们产生毒性，而c d 是最具生物毒性的金属。 土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属带入到土壤中，致使土壤中重金 属含量明显高于背景含量、并可能造成现存的或潜在的土壤质量退化、生态与环 境恶化的现象( 陈怀满，2 0 0 5 ) 。土壤重金属污染与大气、水污染等其他污染类型 相比，具有隐蔽性、长期性、不可逆性等特点，治理难度大、成本高、周期长( 孙 铁珩等，2 0 0 5 ) 。 目前很多的研究结果表明，城市土壤普遍受到不同程度的重金属污染 ( b u l l o c k ，1 9 9 1 ；c h e r ttb ，1 9 9 7 ；s t o n e ，1 9 9 6 ) 。城市土壤中重金属含量普遍高于郊区和 农村土壤，城市化过程加强了土壤重金属的外源输入速率( s t r o g a n o v a ，e ta 1 1 9 9 8 ； m a n t a ，2 0 0 2 ；t i l l e r , 1 9 9 2 ；陈同斌，1 9 9 7 ；l uy 2 0 0 3 ) 。城市土壤的外源重金属主要 来源于家庭活动、废弃物处理、交通运输、采矿和冶炼、制造业、发电厂、化石 燃料燃烧等。不同的重金属在城市土壤中的污染程度不同，p b 、z n 、c u 、c d 是 典型的人为活动源元素( r a t h a ，1 9 9 3 ) 。 1 1 2 城市土壤重金属污染的危害 ( 1 )对土壤生态结构和功能稳定性的影响 大多数重金属在土壤中相对稳定，一旦进入土壤，很难在生物物质循环和能 量交换过程中分解，难以从土壤中迁出。因此受重金属污染的城市土壤理化性质 发生改变，土壤微生物系统的自然生态平衡遭到破坏，微生物的种类和数量下降， 从而降低有益微生物活力，使病菌大量繁殖和传播，造成疾病蔓延( k a n d e l e r ， 1 9 9 7 ) 。 ( 2 )对植物的影响 土壤重金属污染诱导植物体内产生某些对酶和代谢具有毒害作用和不利影 响的物质而才。如某些重金属胁迫下植物体内产生过氧化氢、乙烯等类物质对体 内代谢和酶活性的负效应，同时也能够对其带来直接伤害。如镉与巯基氨基酸和 蛋白质的结合引起氨基酸蛋白质的失活，甚至导致植物的死亡。重金属的胁迫有 时会引起大量营养元素( n 、p 、k ) 的缺乏和有效性的降低，较高浓度的重金属含 量有抑制植物体对钙、镁等矿物质元素的吸收和转运的能力。重金属处理引起植 物铁含量的下降或缺乏，导致铁参与生理过程的异常，呈现铁缺乏症状。 ( 3 ) 对人体健康的危害 城市土壤中的重金属可通过大气、水、植物等介质直接或间接影响城市居民 的健康。人体直接接触包括公园土壤与游人直接接触、儿童摄取等或风起扬尘被 人体直接吸入。t o n g 和l a m ( 2 0 0 2 ) 及r a s m u s s e n ( 2 0 0 1 ) 分别对香港和加拿大 温哥华城市室内灰尘的研究表明，居室内灰尘重金属来源于周边道路和裸露的土 壤，并且是其数倍或数十倍。最近几年，国外有人作了以人体和动物的胃液作为 浸提也来评价重金属元素的省有效性的研究，结果表明用位也来研究城市土壤中 的前预砷的生物有效性可以很好地反映动物的实际吸收率。( r u b y ，1 9 9 6 ； r u b s l 9 9 9 ；n a d a l ，2 0 0 4 ；孙铁邢，2 0 0 5 ；陈玉成，2 0 0 3 ：杨元根，2 0 0 1 ) 另外重金属 可通过土壤蔬菜进入食物链而间接危害人体健康。当人体摄入或吸入过量的c d ， 会引起身体各器官一系列的病变，生活在c d 污染区的一般人群可发生以骨矿密 度降低和骨折发生率增加为特征的骨效应( 秦俊法，2 0 0 4 ) ；当人体内血铅质量 比达到6 0 0 u g g - - 8 0 0u g g 时会表现为头晕、头疼、记忆力减退和腹疼等一系列 症状，不同水平身高、体重儿童的血铅水平不同，且统计学上有显著性差异( 康 如彤，2 0 0 5 ) 。 1 2 城市土壤重金属污染修复技术简介 1 2 1 物理、化学法 重金属污染土壤修复，可定义为是实施一系列的技术用以清除土壤中污染的 重金属或者降低土壤中重金属的活性和有效态组分，以期恢复土壤生态系统的正 常功能，从而减少土壤中重金属向食物链和向地下水的转移( 孙铁珩，2 0 0 5 ) 。 土壤重金属污染修复方法的研究在国内外已有大量报道，但由于城市工业遗 留地所处地理位置的特殊性与已知的修复方法自身限制，现有的污染修复方法主 2 要包括物理修复、化学修复和植物修复等技术。物理方法如换土法、热处理法等。 换土法是一种有效的污染土壤物理处理方法，它是将污染土壤通过深翻到土壤底 层、或在污染土壤上覆盖清洁土壤、或将污染土壤挖走换上清洁土壤等方法。热 处理是通过加热的方式，将一些具有挥发性的重金属如汞、砷等从土壤中解吸出 来，或者进行热固定等的一种方法。化学修复是利用水力压头推动清洗液通过污 染土壤将污染物从土壤中清洗出去，例如采用合适的络合剂清洗土壤中的重金属 元素，用表面活性剂或有机溶剂清洗土壤中的有机污染物等。这两种方法不仅费 用高，处理不当会对环境产生二次污染，不适于大面积污染的治理。 1 2 2 植物修复 植物修复也称生物修复、植物生物修复和绿色修复。土壤重金属污染的植物 修复指通过种植对土壤重金属元素有特殊富集能力的植物，将植物收获并进行妥 善处理( 如灰化回收) 后，可将该种重金属移出土体，达到清除土壤重金属污染物 的目的( c u n n i n g g h a m ，1 9 9 3 ) 。与传统理化法相比，植物修复为重金属污染治理 提供了新途径，植物修复法因不被破坏土壤的物理结构，治理费用低，可以长期、 大面积的应用优点而具有广阔的应用前景( 唐世荣，1 9 9 6 ) 。如美国v i r i d i a n 环境 公司用植物修复技术净化镍污染土壤，每年可以从金属镍的回收中获取2 5 0 0 美元 公顷的收益。 1 2 2 1 植物修复类型 根据植物修复的作用过程和机理，可分为以下几种类型( 张丛，2 0 0 0 ) ： ( 1 ) 植物提取 是目前研究最多并且最有前景的方法。主要利用重金属积累植物或超积累植 将土壤中的重金属萃取出来，富集并搬运到植物根部可吸收部位和植物地上部分， 待植物收获后再行处理( k u m a r 等，1 9 9 5 ) 。“超富集植物”b r o o k s 最早提出( 1 9 9 7 ) ， 目前采用较多的是综合了b r o o k s ，b a k e r 和w a l k e r ( 1 9 9 0 ) 提出的参考值，即把植物 叶片或地部( 干重) 中含c d 达到1 0 0m g k g ，c o 、c u 、n i 、p b 达多 1 0 0 0m g k g ，m n 、 z n 达到1 0 0 0 0 m 眺g 以上的植物称为金属超富集植物。目前世界上发现的对重金 属具有超积累能力的植物有4 5 科约4 0 0 多种，主要分布在北美洲、大洋洲和欧洲 等发达国家，其中7 3 为n i 的超积累植物。连续种植超积累植物即可将土壤中 的重金属降到可接受水平。植物修复技术依赖于植物组织对土壤污染物的直接吸 收累积，因此抗性植物和富集植物的筛为首重要工作。 ( 2 ) 植物挥发 3 利用一些植物根系分泌的一些特殊物质或微生物，来促进土壤重金属等污染 物质被植物吸收，并转变为可挥发的形态，挥发出植物表面，以去除其污染的一 种方法。植物挥发要求被转化后的物质毒性要小于转化前的污染物质，以减轻环 境危害。在这方面，已有的研究主要针对易于形成生物毒性低的挥发性有机物的 元素s e 和挥发性重金属h g 。许多植物可从污染土壤中吸收s e 并将其转化为可挥发 态。如硒积累植物黄芪属可将s e 转化为挥发态的二甲基二硒，而硒的非积累植物 苜蓿释放二甲基硒，从而达到修复土壤的目的。 ( 3 ) 植物稳定 是通过耐重金属植物及其根际微生物的分泌作用螯合、沉淀土壤中的重金 属，以降低其生物有效性和移动性，并防止其进入地下水和食物链，减少对环境 和人类健康危害的风险。对土壤环境中p b 的固定研究表明，一些植物可降低p b 的生物有效性，缓解p b 对环境中生物的毒害。此外，植物可以通过根际微生物改 变根际环境的p h 值和e h 值来改变重金属的化学形态，固定土壤中的重金属。如印 度芥菜( b r a s s i c a j u n c e al ) 的根能使有毒的、生物有效性高的六价c r 还原为低毒 的、生物有效性低的三价c r 。植物稳定可能是植物对重金属毒害抗性的一种表现， 不能使土壤中的重金属彻底去除，只是暂时将其固定，环境条件的改变仍可使它 的生物有效性发生变化。 1 2 2 2 植物修复技术的优点及局限性 ( 1 )优点 植物修复技术与传统的物理化学技术及相比较具有技术和经济上的独特优 势，主要体现在以下几个方面：应用范围广泛。不但可以清除净化土壤中的重 金属污染物，而且还可以同时清除污染土壤周围的大气或水体中的污染物；植 物修复的成本较低。研究表明，植物修复的费用为每公顷2 0 0 1 0 0 0 0 美元，即每平 方米污染土壤的处理费用为0 0 2 1 0 0 美元，比物理化学处理的费用低几个数量 级。此外，人们还可以从富含重金属的植物残体中回收贵重金属，获得直接的经 济效益；原位处理污染土壤，对环境扰动少，避免了对土壤结构的破坏；植 物修复过程还能增加土壤有机质的含量，激发微生物的活性，提高土壤肥力，适 合于多种农作物的生长；植物固化技术使地表长期稳定，控制风蚀，减少水土 流失，有利于生态环境的改善；植物本身对环境具有净化和美化作用，易被社 会所接受。 ( 2 ) 局限性 4 植物修复技术的应用前景已不容质疑。我国是重金属污染问题突出、污染面 较大、危害较严重的国家之一，但在该领域研究的总体水平和进展发达国家比较 仍有差距。目前存在的问题有：从已报道的超积累植物或耐性植物看，大部分 超积累植物植株矮小，生物量低，生长缓慢且生长周期长，因而修复效率和速率 低，不易于大规模商业化运用；一种植物通常只能忍耐或吸收一种或两种重 金属元素，对土壤中其他浓度较高的重金属则表现出某些中毒症状，从而限制了 植物修复技术在重金属复合污染土壤治理中的应用；植物是活的有机体，需 要有适宜的生长条件，对土壤肥力、气候、水分、盐度、本碱度、排水与灌溉系 统等自然条件有一定的要求，植物受病虫害袭击时会影响其修复能力；植物 根系一般较浅，对浅层土壤污染的修复最为有效，对深层土壤污染修复能力较差； 用于吸收重金属的植物器官往往会通过落叶等途径使重金属元素重返土壤，因 而必须在植物落叶前收割植物器官，并将其进行无害化处理。 1 3 城市园林植物对重金属的耐性及富集研究进展 植物对各种不良环境都具有一定的适应性和抵抗力，称为植物的耐性或抗性 ( 汪源源，2 0 0 8 ) 。近年来王翠香( 2 0 0 6 ) 、温琰茂( 1 9 9 6 ) 、冷平生( 1 9 9 5 ) 、黄 会一( 1 9 8 9 ) 等对常见的园林绿化树种进行重金属含量测定，发现植物体具有积 累一定量重金属的能力，这从理论上为园林植物应用于污染土壤修复的可能性提 供了依据。种植适合种类的园林植物来修复受一定程度重金属污染的城市土壤， 不仅能满足城市居民对绿地景观的要求，改善城市人居环境，同时可实现长期、 安全、有效地清除重金属和修复土壤结构。因此，筛选对重金属耐性强或富集园 林植物种类，是应用园林植物进行重金属污染土壤植物修复的首要任务。目前， 人们对于城市园林植物对重金属的吸收、富集能力己开展了部分研究。例如，曹 玲( 2 0 0 5 ) 等人通过盆栽方法研究了四种城市绿化树种对土壤镉、铅污染的抗性， 发现对土壤镉的抗性大小顺序为刺玫果 东北山梅花 金银忍冬 白牛械；对铅抗 性的大小顺序为东北山梅花 刺玫果 金银忍冬 白牛械；张频( 2 0 0 4 ) 等人通盆 栽试验，发现瞿麦对镉污染土壤修复效果显著，吉祥草对铜污染土壤修复效果最 好，垂盆草对铅污染土壤修复效果最好；多种重金属污染土壤，瞿麦修复效果最 好。 在城市园林植物中，草坪草和花卉植物被认为是很有应用前景的植物材料。 用这两类植物来修复重金属污染的城市土壤具有许多优点：( 1 ) 两类植物都属草 本植物，生长周期短，观赏性强，具有较好的美化环境作用。( 2 ) 两类植物都不 直接进入的食物链，从而减少了对人类的危害。( 3 ) 草坪草一旦种植后即可通过 5 剪草的方式定期将地上部分去除，不仅使其在较长时间内发挥去除重金属的作 用，而且起到持续改良土壤的作用；而花卉植物，人类在长期的生产实践中积累 了丰富的品种选育，花卉栽培以及病虫害防治等经验。花卉对人类健康也有一定 作用，如花卉芳香可抗菌花卉对人类健康也有一定作用，如花卉芳香可抗菌。目 前学者们通过野外调查和室内模拟试验，研究了这两类草本植物对重金属的耐性 和富集能力并取得了一定结果。例如，王新等( 2 0 0 3 ) 研究了结缕草( z o y s i a j a p o n i c a ) 、早熟禾( p o aa n n u a ) f f u 重金属吸收量随污泥处理量大小的关系。徐卫红 ( 2 0 0 5 ，2 0 0 6 ) 等人通过瓮栽实验研究了黑麦草对重金属z n 耐性及z n 吸收积累规 律。香根草( v e t i v e r i az i za n i o i d e s ) 和百喜草( p a s p a l u mn o t a t u m ) 被发现对酸、贫 瘠和重金属都有很强的抗性，适合用于遗留地的植被恢复( 夏汉平，2 0 0 1 ) 。刘家 女，周启星等( 2 0 0 6 ) 采用水培实验方法研究了3 种耐性较强的花卉植物对c d 、 p b 复合污染的耐性，结果表明蜀葵 凤仙花 金盏菊，且根部对重金属的积累大 于地上部。 1 4 本课题研究意义及内容 随着城市化过程加快，发达国家传统制造业衰落，发展中国家大批传统产业 由市中心地带陆续向向郊区搬迁。在我国连续2 0 多年的快速城市化过程中，北 京、上海、重庆以及大连等对城市产业结构和土地利用类型进行了大规模调整， 一部分工业尤其是污染严重的工业出现郊区化现象。如北京，1 9 8 3 年7 月，中 共中央、国务院对北京城市建设总体规划方案作出批复后，1 9 9 4 年，北京 市先后有3 0 0 多家工厂和车间迁出市区得中心地区，停产了一批重点污染产品， 调整减少了1 4 2 个热处理和9 5 个电镀厂( 王馨颜，2 0 0 7 ) 。而上海，2 0 世纪8 0 年代以来，随着城市化过程的推进，上海市实施了“退二进三、老城区改造等 城市更新政策，集中在市中心的工厂企业相继迁至郊区。据相关资料统计( 赵沁 娜，2 0 0 6 ) ，在1 9 9 1 - 1 9 9 5 年间，大约有7 5 0 家污染工厂或车间从市中心迁至农 村地区的大约2 0 个工业带。据预测，今后2 0 年我国城市化过程中每年将有9 0 - 2 0 0 万k m 2 的土地经历城市化改造。 大量的污染企业搬出城区后，城市中心地带聚集的大面积的工业遗留地处于 闲置、荒废状态或改变用途建设成公共绿地、公用设施或住宅用地。由于昔日的 工厂企业在长期生产过程中不可避免地向环境排放“三废等有毒、有害物质， 致使这些地方土壤中重金属等污染物浓度不同程度高于土壤环境背景值。史贵涛 等( 2 0 0 6 ) 指出，城市中心已搬迁的污染企业用地成为城市土壤重金属污染的突 出问题，如一些冶金行业、电镀行业及大型企业中的电镀工艺等，可以造成较为 6 严重的土壤重金属污染。城市土壤作为城市生态系统的重要组成部分，直接影响 到城市生态环境质量和人体健康( 廖自基，1 9 8 6 ) 。因此对城市工业用地土壤重 金属污染程度的判定与修复日显重要。 本研究以上海市某工业遗留地为研究对象，通过野外调查和室内分析，研究 土壤、植物重金属污染现状及植物对重金属的耐性、富集能力。了解这类土壤重 金属污染的一般特征。为人们在选择合理的修复方案对其进行治理时提供可参考 的依据。在此基础上，为探索进一步研究园林植物对重金属污染城市土壤的修复 潜力，选择若干种常见的园林草坪草和花卉植物进行重金属胁迫种子发芽实验及 幼苗生长实验，研究植物对重金属的耐受性及富集能力。为人们利用城市园林植 物修复、治理工业遗留地等受重金属污染的城市土壤提供可行性理论及可参考选 择的植物种类。研究技术路线如下图所示： i r 土壤质量及污染现状 现场调查 il 植物种类及生长情况r -l + 样雷全属诒署1 土壤重金属污染分析 i r - l7 l t ；i ，习j _ 黾 1r 室内分析 有效态分析 土壤污染对植物的影日 l 1r 1 l ：植物：重金属含量分析l +植物重金属污染及耐受性分析i j r f 楠物耐香余属件比较1 重金属胁迫同林植物种子发芽：- t1 且。删2 1 ”1 。“ 1 园林植物对重金属 + j 重金属胁迫园林植物幼苗生长： l 吸收积累特性分析 ，、 园林植物修复重金 l属污染七壤的潜力 7 第二章城市工业遗留地重金属污染及植物吸收重 金属能力研究 上海浦东老工业区，是中国近代工业的发源地。本文研究的4 个工厂企业都 坐落于其内。原上南船厂地处上海浦东新区周家渡，占地面积1 5 0 0 0 平方米，具 有五十年的船舶制造、修理、金属结构件制作和机械加工的历史。浦东钢铁有限 公司，位于上海市浦东新区周家渡，紧临黄浦江，距今已有8 7 年，是上海历史 最悠久的国有特大型企业，也是我国中厚板钢材和军用板材重要生产基地。港口 机械制造厂，其前身为公茂机器造船厂，创建于1 8 8 5 年，是我国最大的港口机 械专业制造厂。主要生产门座式起重机、散货装船机、散货卸船机、浮式起重机、 集装箱起重机及大型桥式起重机等六大系列产品。江南造船厂位于黄浦江畔，前 身是江南机器制造总局，始建于1 8 6 5 年，至今已有1 4 1 年的历史，是中国百年 工业的缩影。上述工厂企业由于在生产过程中原料运输、半成品堆放等，致使土 壤中重金属含量不同程度高于上海市土壤环境背景值。根据上海市土地总体规 划，该区域今后将建设成绿化开放空间，为市民提供公共活动场所。 2 1 样品的采集与分析 2 1 1 样点的布设 各工厂根据其厂区面积及污染程度分别布设样点，即上南船厂( s n c ) 2 个样 点，浦东钢铁有限公司( p g ) 1 1 个样点，港口机械制造厂( g j ) 6 个样点，江南造船 厂( j n c ) 8 个样点。另外在上海内环线中心区域内最大的富有自然特征的世纪公 园( s j g y ) 内布设9 个样点作为清洁区域对照。 8 2 1 2 样品采集 每个样点采集0 1 5 c m 的表层土壤，每个土壤混合样品均采用“梅花点法 设分点若干个，取混合土样每份1k g ，记录样点的优势植物，同时采集样点生长 的植物，草本按根、茎和叶采集，灌木和乔木则分别采集其叶片及枝条。以相同 取样方法在上海世纪公园内分别采集土壤样品和植物样品作为清洁区进行对照。 由此，。共获得土壤样品5 3 份，植物样品1 1 3 份。 2 1 3 样品分析 ( 1 ) 植物样品分析 植物样品用蒸馏水洗净，先在1 0 5 杀青3 0 m i n ，8 0 下烘干至恒重，用不 锈钢植物粉碎机磨碎，备用。样品中z n 、c u 、p b 、c d 含量采用h n 0 3 h c l 0 4 法消煮( 魏复盛，1 9 8 8 ) 。消煮液采用原子吸收光谱仪( 3 2 0 0 型，上海分析仪器厂) 测定。 ( 2 ) 土壤样品分析 土壤样品先置于室内自然风干，过2 0 目尼龙筛，研磨，过6 0 目及1 0 0 目尼 龙筛，备用。过6 0 目土样用于重金属z n 、c u 、p b 、c d 有效态测定，提取液为 1 m n h 4 n 0 3 浸提剂( m c g r a t h ，1 9 9 7 ) ，过1 0 0 目土样用于z n 、c u 、p b 、c a 总量 测定，方法采用h n 0 3 h c l h c l 0 4 消解( 陈若礅，1 9 9 3 ) ，浸提液和消煮液均采用 原子吸收测定。 ( 3 ) 数据统计与分析 实验数据采用s p s s1 3 0 统计软件进行分析。 2 2 结果与分析 2 2 1 土壤重金属中总量及生物有效态含量分析 由于不同地区土壤中元素特征与成土母质及成土环境等因素关系密切，土壤 重金属含量与对照值比较所得的富集系数可反映研究区土壤重金属污染状况。本 文采用世纪公园作对照，研究区域土壤重金属含量与其比值作为富集系数。从表 2 - 1 看到，世纪公园土壤中的z n 、c u 、p b 、c d 平均含量分别为1 4 4 、4 0 、3 3 及 0 9 6 m g k g 。- 与2 _ n 比较，除了上南船厂c d 的平均含量( o 6 0m g k g