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随着工农业的发展,重金属污染对环境造成了严重威胁,逐渐受到广泛关注。2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》[1]显示,土壤重金属污染区域遍布全国各地,工矿废弃地等土壤环境问题尤其突出,是造成土壤重金属含量超标的主要原因。其中镉(Cd)是土壤重金属污染的主要元素之一,造成的危害已非常严重,对土壤重金属Cd污染的治理和修复是当前环境污染治理的突出任务[2]。
目前,用于治理和修复重金属污染土壤的方法有很多,如物理、化学和生物技术,但均具有一定的局限性,如费用高、降低土壤活性及破坏土壤理化性质等[3]。植物修复(Phytoremediation)是指利用超富集植物有选择地去除并回收重金属,于1983年被CHANEY et al[4]首次提出,由于具有成本低、环保、可维持土壤活性和防止水土流失等优点而受到广泛关注。目前已发现对Cd具有超富集能力的植物多为草本植物(如东南景天、拟南芥等),这些草本植物由于个体矮小、生长缓慢、生物量少、根系单一等缺点,且对重金属迁移量不高,导致修复周期变长,无法高效解决土壤污染问题。树木修复(Dendroremediation)由美国密歇根州立大学的学者在植物修复的基础上于2001年首次提出,指利用木本植物对污染环境进行修复,树木主要通过提取(Extraction)、固定(Stabilization)和挥发(Volatilization)等方式对土壤和污水中的重金属、有机物等污染物进行净化[5]。其中,重金属的树木提取修复(Dendroextraction)是利用木本植物,特别是速生、具有较高累积性能的木本植物通过其根部从土壤和污水中吸收重金属并将它们转移、蓄积到树木其他部位,以减弱乃至消除重金属污染[6-7]。与草本植物相比,速生树木具有生长迅速、根系深、生物量大、寿命长和管理方便等优势,因而具有更大的吸收总量以及更高的综合效益[7]。树木提取修复被认为是低投资、可持续及生态安全的绿色高效治理技术,具有广阔的应用前景[8-9]。对于Cd的树木提取修复,国内外研究的树种主要集中在柳树、杨树、桦树、松树和槭树等[7,9]。从应用的角度来说,选出适合当地环境,又有较高富集能力的树木品种,是推广这项技术的一个重要环节,目前这方面的研究还比较缺乏[8,10]。
安徽省铜陵市位于长江中下游,是南方重要的矿业型城市之一,以采矿和有色金属冶炼而闻名,但也因矿区的开采、冶炼,不仅使矿区和冶炼场地土壤受到重金属严重污染,而且由于洪水泛滥、污灌和大气沉降等使更多的土壤受到不同程度的污染,严重影响土地耕作和植被生长,同时也对附近居民及生态系统安全造成很大的威胁,因此急需具有实用性的各类治理和修复技术。本文通过对铜陵某矿区及下游流域人工林杨树及土壤进行采样,测定土壤和杨树各部位的重金属含量,研究杨树提取修复实际污染土壤重金属Cd的性能,为该地及相似环境条件下土壤Cd污染的杨树提取修复设计提供科学依据。
矿区流域杨树对污染土壤镉的吸收和富集研究
Absorption and enrichment of Cd with planted poplar growing on polluted soil in a small post-mining watershed
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摘要: 为探究污染土壤里生长的杨树提取修复重金属镉(Cd)的特性,对安徽省铜陵市某矿区及所在小流域共8个点位的人工林美洲黑杨(Populusdeltoides W. Bartram ex Marshall)及土壤进行采样,测定了土壤和杨树不同部位Cd含量。结果表明:矿区及其下游不同采样点土壤Cd污染程度不同,均超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准:GB 15618—2018》中的农用地土壤风险筛选值0.3 mg/kg;杨树在不同污染程度的土壤上都生长良好,且整体表现出较高的吸收量,其中树叶中Cd含量总体最高;不同采样点杨树不同部位对Cd的生物富集系数(BCF)介于0.06~19.39之间,BCF>1的占75.8%,杨树各部位平均BCF介于1.33~8.55之间,不同部位对Cd的吸收量和BCF表现为树叶>树皮>树根>树干>树枝,树叶对Cd的富集能力最强也相对稳定。由于其对重金属Cd有很强的耐受性和较高富集能力,美洲黑杨可作为该地污染土壤的提取修复树种。Abstract: In order to understand the extraction characteristics of Cd by poplar growing on the polluted soil, samples of soil and various parts of poplar trees (Populusdeltoides W. Bartram ex Marshall) were sampled and analyzed for Cd from 8 sites in a small watershed with a post-mining hill area, located in Tongling, Anhui province, China. The results showed that the contamination of Cd in the soil of the different sites was different, but all of them were beyond the soil risk screening value of agricultural land, which was 0.3 mg/kg from GB 15618—2018. Poplars grew well on the soil with different pollution levels and demonstrated relatively high absorption of Cd with the highest Cd content in the leaves. The Bio-Concentration factor (BCF) of Cd in different parts of poplar at different sampling sites ranged from 0.06 to 19.39, with 75.8% of the samples having a BCF greater than 1. The average BCFs of various parts were between 1.33 and 8.55, demonstrating a high enrichment capacity. Both Cd uptake and BCF of different parts were in the order of leaf > bark > root > trunk > branch. In general, the Cd enrichment capacity by leaves was the strongest and relatively stable. Due to its strong tolerance to heavy metal Cd and high enrichment ability, populusdeltoides could be used as an extraction and remediation tree for polluted soil in this area.
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Key words:
- Populusdeltoides /
- Cd /
- absorption /
- enrichment /
- polluted soil /
- post-mining watershed
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表 1 各采样点土壤基本理化性质和Cd含量
采样点 Cd/mg·kg−1 pH 有机质/g·kg−1 全氮/g·kg−1 有效磷/mg·kg−1 速效钾/mg·kg−1 P0 0.32 5.20 19.92 1.48 9.30 62.00 P1 33.87 6.38 13.82 0.92 4.60 111.50 P2 0.75 5.70 22.28 1.58 8.10 318.00 P3 0.34 5.70 7.32 0.68 9.40 82.00 P4 0.77 5.40 19.28 1.56 6.70 92.50 P5 1.07 4.80 15.08 1.05 5.90 71.00 P6 1.68 6.70 13.63 0.99 9.20 182.50 P7 3.62 6.50 10.65 0.86 4.90 105.00 均值 5.30 5.79 15.25 1.14 7.26 128.06 中值 0.92 5.70 14.45 1.02 9.37 98.75 最大值 33.87 6.70 22.28 1.58 9.40 318.00 最小值 0.32 4.80 7.32 0.68 4.60 62.00 表 2 各采样点杨树不同部位Cd含量
mg·kg−1 采样点 树根 树干 树枝 树皮 树叶 P0 / 2.2±1.27cd 1.63±0.46bc 5.81±2.81bc 2.35±2.08d P1 19.1±22.46ab 3.69±1.32bc 2.14±0.79ab 7.78±1.64b 15.16±2.26b P2 3.20±1.13b 1.12±0.47d 0.99±0.06c 1.28±0.57d 4.33±0.94d P3 3.11±3.34b 1.04±0.38d 1.38±0.55bc 2.56±0.4d 6.49±1.9cd P4 14.93±5.58b 4.24±1.02b 2.73±0.82a 13.28±1.95a 10.03±3.50bc P5 2.65±2.76b 2.65±1.08bcd 1.43±0.58bc 6.53±1.1bc 11.04±7.04bc P6 1.53±1.01b 1.77±0.53d 1.28±0.27bc 4.03±0.65cd 4.90±0.48d P7 42.1±26.67a 8.55±1.99a 3.03±1.07a 15.91±3.17a 35.34±4.84a 均值 12.37 3.16 1.83 4.15 11.21 中值 3.20 2.43 1.53 6.17 8.26 最大值 42.10 8.55 3.03 15.91 35.34 最小值 1.53 1.04 0.99 1.28 2.35 注:Cd的平均浓度以及标准偏差(n=3),根据最小显著性差异,同一列不同字母(a、b、c和d)之间差异显著(p<0.05)。 表 3 杨树各部位对Cd的BCF
位置 树根 树干 树枝 树皮 树叶 P0 / 6.89±3.96a 5.08±1.44a 18.16±8.79a 7.33±6.49bcd P1 0.56±0.66c 0.11±0.04d 0.06±0.02c 0.23±0.05c 0.45±0.07e P2 4.26±1.51bc 1.49±0.63cd 1.32±0.08c 1.70±0.76c 5.77±1.25cde P3 9.14±9.83abc 3.06±1.11bc 4.05±1.63ab 7.52±1.18b 19.10±5.58a P4 19.39±12.44a 5.51±1.33ab 3.55±1.07b 17.24±2.53a 13.03±4.55ab P5 2.48±2.60bc 2.48±1.02cd 1.34±0.54c 6.14±1.03bc 10.37±6.61bc P6 0.91±0.60c 1.05±0.32cd 0.76±0.16c 2.40±0.38bc 2.92±0.29de P7 11.64±7.38ab 2.36±0.55cd 0.84±0.29c 4.40±0.88bc 9.77±1.24bc 均值 6.91 2.87 2.13 7.22 8.59 中位数 4.26 2.42 1.33 5.27 8.55 最大值 19.39 6.89 5.08 18.16 19.10 最小值 0.56 0.11 0.06 0.23 0.45 注:各部位的平均BCF及标准偏差(n=3),根据最小显著性差异,同一列不同字母(a、b、c、d和e)之间差异显著(p<0.05)。 表 4 杨树地上部分对Cd的TF
位置 树干 树枝 树皮 树叶 P1 0.49+0.43ab 0.29±0.25b 1.30±1.37bc 2.69±3.32b P2 0.41±0.29ab 0.34±0.13ab 0.50±0.42c 1.58±0.99b P3 1.13±1.44ab 0.92±0.85ab 1.96±1.91abc 4.66±4.46ab P4 0.39±0.30ab 0.26±0.18b 1.18±0.79bc 0.88±0.67b P5 1.73±1.40a 0.94±0.76ab 4.97±4.78a 12.27±15.49a P6 1.45±0.67a 1.18±0.76a 3.38±1.53ab 4.18±2.16ab P7 0.27±0.15b 0.09±0.09b 0.47±0.44bc 1.17±0.72b 均值 0.84 0.57 1.97 3.92 中位数 0.49 0.34 1.30 2.69 最大值 1.73 1.18 4.97 12.27 最小值 0.27 0.09 0.47 0.88 注:杨树各部位平均TF及平均偏差(n=3),根据最小显著性差异,同一列不同字母(a、b和c)表示不同采样点间差异显著(p<0.05)。 -
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