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我国农田重金属污染问题日益严重[1-2]。2014年,环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示,我国耕地土壤点位超标率为19.4%,其中重金属镉(Cd)污染尤为严重。Cd毒性大、迁移性强、易被作物富集,进而通过食物链直接或间接危害人体健康,已成为重点关注的重金属元素之一[3]。
植物修复一般指利用超富集植物吸附并清除土壤重金属的过程,是一种治理效果良好、环境友好、低成本的土壤重金属污染原位修复措施[4-5]。我国已发现的Cd超富集植物有80种,包括菊科、景天科、十字花科植物[6]。伴矿景天(Sedum plumbizincicola)是我国境内发现的一种生长较快的Cd超富集植物,具有很高的Cd转运和富集能力[7-8]。通过具有不同官能团的有机材料(稻草等)改良土壤可提高伴矿景天的Cd富集能力[9]。然而,伴矿景天生物量较小制约了其修复效率。龙葵(Solanum nigtrum L.)是我国从54种植物中自主发现的Cd超富集植物,在土壤中添加25 mg·kg−1的外源Cd,龙葵的茎和叶中的Cd质量分数可高达103.8 mg·kg−1和124.6 mg·kg−1[10],且施用硫酸铵等氮肥可显著增加龙葵的生物量和Cd富集能力[11]。Cd超富集植物分布广泛,然而均有各自的区域适应性,限制了其大规模推广应用[6, 12]。张云霞等[13]发现,Cd超富集植物鬼针草(Bidens pilosa L.)在不同省份的Cd转运系数和Cd富集系数存在显著差异。同时,Cd超富集植物的土壤修复能力还受施肥和灌溉等农艺措施影响[12]。因此,筛选适合本土生境、生物量大且Cd积累量高的Cd超富集植物对Cd污染土壤的植物修复成功应用至关重要。
昆明松华坝流域是滇池主要入湖河流盘龙江的径流区。该区域土壤重金属背景值较高[14],以Cd积累尤为严重。本课题组前期研究表明,该区域土壤中Cd的质量分数超过《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中土壤污染风险筛选值[15-16],并以松华坝流域Cd含量超风险筛选值的农田为调查对象,对农田中生物量大的野生植物进行了地上部Cd含量的初步筛选与比较,发现牛膝菊、艾蒿和灰藜3种野生草本植物鲜基的Cd质量分数分别为0.208 mg·kg−1、0.341 mg·kg−1和0.108 mg·kg−1,具有一定的Cd富集潜力。本研究通过盆栽实验和田间应用对其Cd生物积累特性和富集能力进行进一步研究和表征,以期为利用本土野生植物作为土壤修复材料提供参考。
云南松华坝流域3种本土野生植物镉富集特性比较与应用
Comparison and application of cadmium enrichment characteristics of three native wild plants in Songhuaba Basin, Yunnan Province
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摘要: 在镉(Cd)污染区域筛选富集能力强的本土野生植物是Cd污染土壤植物修复的路径之一。在云南松华坝流域土壤Cd含量超风险筛选值地块生长的杂草中,初步筛查表明牛膝菊、艾蒿和灰藜具有Cd富集潜力。为进一步探明其修复能力,通过盆栽和田间实验比较了这3种野生植物的Cd富集特性和修复能力。结果表明,牛膝菊和艾蒿Cd富集系数与转运系数均大于1,灰藜小于1。施肥措施不仅能显著提高3种本土野生植物的株高和地上部生物量,而且能显著提高牛膝菊地上部和根系的Cd含量、Cd转运系数和Cd富集系数。牛膝菊地上部和根系的Cd含量以及艾蒿的根系Cd含量均随土壤Cd含量的增加而增加。与艾蒿相比,牛膝菊具有更强的Cd转运和富集能力。在100 mg·kg−1外源Cd添加的土壤中,牛膝菊的地上部和根系Cd含量分别为165.5 mg·kg−1和147.5 mg·kg−1。田间实验表明,每茬牛膝菊和艾蒿的鲜重分别为26.0 t·hm−2和32.0 t·hm−2,可分别带走Cd 3.29 g·hm−2和3.35 g·hm−2,均可用作当地土壤修复的备选植物。该结果可为相似环境下的土壤镉污染植物修复材料的选择提供参考。Abstract: It is one way of phytoremediation of Cd-contaminated soils by selecting native wild plants with cadmium (Cd) enrichment ability in Cd-contaminated soils. Preliminary screening showed that Galinsoga parviflora Cav., Artemisia argyi Levl. et Van, and Chenopodium glaucum L had the potential for Cd enrichment among weeds growing on the field with soil Cd content exceeding risk screening value in the Songhuaba region of Kunming. In order to further explore their remediation capabilities, the enrichment characteristics and remediation capabilities of these three native wild plants were compared in pot and field experiments in this study. The results showed that the Cd translocation factor and bioaccumulation factor of G. parviflora and A. argyi were greater than 1, and that of C. glaucum was less than 1. Fertilization could not only significantly increase the plant height and shoot biomass of these three native wild plants, but also significantly increase the Cd contents, translocation factor, and bioaccumulation factor of the shoots and roots of G. parviflora. The Cd contents in the shoots and roots of G. parviflora and roots of A. argyi were increased with the increase of soil Cd contents. Compared with A. argyi, G. parviflora had stronger Cd transport and enrichment capabilities. In the soil applied with 100 mg·kg−1 Cd, the Cd contents in the shoots and roots of G. parviflora were 165.5 mg·kg−1 and 147.5 mg·kg−1, respectively. The field application experiment showed that G. parviflora had stronger Cd enrichment ability and A. argyi had higher biomass. The field experiment showed that the fresh weights of G. parviflora and A. argyi in each crop were 26.0 t·hm−2 and 32.0 t·hm−2, respectively. G. parviflora and A. argyi could transfer 3.29 g hm−2 and 3.35 g hm−2 of Cd, respectively, and they are potential phytoremediators for local soil Cd contamination.
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表 1 老化40 d后的土壤Cd质量分数
Table 1. Cd content of soil after aging for 40 days
配置质量分数/(mg·kg−1) 实际重金属质量分数/(mg·kg−1) Cd 有效态Cd 0 0.36 0.067 25 25.00 8.07 50 55.80 17.1 100 104.00 34.6 表 2 不同土壤Cd质量分数下牛膝菊和艾蒿单株地上部吸收镉的总质量
Table 2. Total amount of Cd absorbed by the shoots of G. parviflora and A. argyi under different soil Cd contents
土壤中Cd质量
分数/(mg·kg−1)单株地上部吸收重金属Cd总质量/mg 牛膝菊 艾蒿 0 0.005 5±0.001 2c 0.002 3±0.001 9b 25 0.071 2±0.014 0a* 0.045 8±0.003 4a 50 0.064 8±0.044 5a* 0.048 4±0.006 4a 100 0.047 4±0.017 2b 0.043 3±0.006 0a 注:图中不同字母表示同一植物不同处理之间具有显著差异(P<0.05)。*表示同一浓度Cd处理下两种植物之间具有显著差异(P<0.05)。 表 3 牛膝菊和艾蒿的田间修复效果
Table 3. Field remediation effects of G. parviflora and A. argyi
植物种类 种植时间 生物量(鲜重)/(t·hm−2) 含水量/% 干基Cd质量分数/(mg·kg−1) 总Cd/(g·hm−2) 牛膝菊 6~9月 26 94.8 2.43 3.29 艾蒿 4~7月 32 87.3 0.826 3.35 -
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