徐寧 俞燕芳 毛平生 杜賢明 彭曉虹 石旭平

摘 ?要：重金屬污染修復(fù)已成為當(dāng)前國際環(huán)境科學(xué)研究的熱點問題，利用桑樹修復(fù)土壤重金屬污染也是一種有效的植物修復(fù)技術(shù)。筆者簡單介紹了土壤重金屬與植物修復(fù)技術(shù)的概念，并闡述了桑樹的生長特性，桑樹生長與土壤中鎘、鉛、鋅、砷等重金屬元素的關(guān)系，并結(jié)合江西省土壤重金屬污染的形勢，探討了桑樹作為江西省土壤重金屬污染修復(fù)樹種的潛力。

關(guān)鍵詞：桑樹;土壤重金屬;污染;植物修復(fù);江西

中圖分類號：X-1 ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? ?論文編號：2014-0350

Research Progress of Remedying the Heavy Metal Contaminated Soils with Mulberry

Xu Ning， Yu Yanfang， Mao Pingsheng， Du Xianming， Peng Xiaohong， Shi Xuping

（Jiangxi Sericulture and Tea Research Institute， Nanchang 330203， Jiangxi， China）

Abstract： Remediation of heavy metals has become a hot topic of international environmental science， and remedying the heavy metal contaminated soils with mulberry was an effective phytoremediation technology. This paper briefly introduced the concept of heavy metals in soil and phytoremediation technology， described the growth characteristics of mulberry， and mulberry growing relationship with Cd， Pb， Zn， As and other heavy metals pollution. Combined with the heavy metals pollution situation in Jiangxi Province， and discussed the potential of repair tree in soil heavy metal pollution with mulberry.

Key words： Mulberry; the Heavy Metal Soils; Contamination; Phytoremediation; Jiangxi

0 ?引言

江西省擁有全國最好的生態(tài)環(huán)境，具備大力發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的潛力，但礦山開發(fā)、資源消耗、農(nóng)用化學(xué)品投入等給江西留下較大的重金屬污染區(qū)域，成為江西綠色崛起進程中繞不過的坎。江西作為綠色資源大省，在生態(tài)環(huán)境良好的條件下，堅持以人為本，在經(jīng)濟發(fā)展的同時，將重金屬污染治理作為民生工程的一件大事來抓，并積極探索重金屬污染區(qū)域環(huán)境修復(fù)新路，切實保護好江西的一草一木，讓全省人民都能享受到一流的生態(tài)環(huán)境，讓青山綠水永存。筆者以近年來桑樹用于修復(fù)土壤重金屬領(lǐng)域的研究報道為基礎(chǔ)，系統(tǒng)總結(jié)了重金屬元素鎘、鉛、鋅、砷與桑樹生長關(guān)系的研究現(xiàn)狀，并分析了利用桑樹進行土壤重金屬污染修復(fù)的潛力以及可行性，以期為未來該領(lǐng)域的研究提供參考。

1 ?土壤重金屬污染與植物修復(fù)

土壤重金屬污染是指由于人類活動，導(dǎo)致土壤中的重金屬含量過高，通常是密度大于5 g/m3，并對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生不良的影響[1-2]。常見對土壤造成污染的重金屬包括鉛、鋅、鎳、銅、鉻、鎘、汞等元素[3-6]。重金屬污染具有隱蔽性、不可逆性、長期性和后果嚴(yán)重性的特點。植物修復(fù)技術(shù)是指通過超富集植物的根系部分吸收固定重金屬元素，并轉(zhuǎn)移到地面部分，然后采用收割植物的方式去除土壤中重金屬元素[7-8]。植物修復(fù)技術(shù)是一種環(huán)境親和性修復(fù)技術(shù)，以其有效、非破壞、經(jīng)濟等特點，正成為土壤重金屬污染修復(fù)的主要手段之一[9]。

2 ?桑樹的特性

桑，?？粕伲淙~喬木或灌木，屬速生木本植物。桑樹的生命力極其旺盛，適應(yīng)性很強，分布范圍廣泛。桑樹能在-35～40℃的溫度范圍內(nèi)存活。桑樹喜歡深厚、疏松、肥沃的土壤，同時也能適應(yīng)土層瘠薄、養(yǎng)分貧乏的土地[10-11]。桑樹在pH 4.5～8.5、土壤含鹽量0.2%的條件下都能正常生長[10，12]，可以看出桑樹對土壤酸堿度的適應(yīng)性較強。

桑樹生長迅速，生物產(chǎn)量高，有固碳放氧，凈化大氣的功效。桑林1年吸收固定CO2的量為4929117 kg/hm2，折合成純碳為1346717 kg/hm2，1年釋放的O2為3628814 kg/hm2[11]。桑樹還可以對有害氣體如硫化物、氟化氫等進行部分吸收，對粉塵也有阻擋、過濾和吸附作用[13-15]。

桑樹的根系極其發(fā)達，桑樹的根垂直分布可達4 m以上，根系水平分布達7m2，其地下根系分布的面積通常為樹冠投影面積的4～5倍，有的甚至高達10倍以上，桑樹根系分布近地面部分是水平根，深土層是垂直根，水平根和垂直根構(gòu)成一個貯水功能極強的立體交叉的吸水貯水網(wǎng)絡(luò)，具有強大的吸水固土能力[12]，可以改變土壤的理化性狀和土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力和保持水土，減少土壤侵蝕，有極強的抗干旱、遏制風(fēng)沙能力。

桑樹極其發(fā)達的根系利于吸收土壤的營養(yǎng)成分，同時在一定程度上也能促進土壤中重金屬元素的吸收。桑樹對鎘、鉛、鉛、鋅、砷等有一定的耐受性，桑樹吸收的重金屬離子會有一定的量被運輸并積累于莖干和葉片中，而后通過伐條可以移除，起到去除土壤重金屬的作用。

3 ?土壤重金屬污染與桑樹生長關(guān)系

3.1 ?土壤鎘污染與桑樹生長

鎘是一種有毒的重金屬，也是自然界的一種主要污染源，鎘脅迫嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育，降低作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[16]。鎘元素對桑樹的影響已有比較深入的研究，桑樹對鎘有比較強的耐性和富集轉(zhuǎn)運能力[16-21]。陳朝明[17，20]對桑樹Cd耐受性的試驗研究表明，當(dāng)土壤Cd濃度小于22.3 mg/kg時，桑葉產(chǎn)量、可溶性糖和含氯化合物含量都高于或接近對照處理;當(dāng)土壤Cd濃度大于22.3 mg/kg時，Cd對桑葉產(chǎn)量、營養(yǎng)物質(zhì)含量、生理生化作用的影響明顯，并表現(xiàn)其毒害作用，當(dāng)濃度高于145 mg/kg時，分支較少而纖細(xì)，葉黃而小，接近死亡狀態(tài);而桑樹根部當(dāng)Cd濃度達到75 mg/kg時，才出現(xiàn)大小不等的瘤狀結(jié)節(jié)和菌絲狀絨毛，根表皮皺裂，根尖分叉，并有明顯的木質(zhì)。土壤Cd濃度為8.49～ ? 75.8 mg/kg時，桑樹各器官對土壤Cd均有富集作用，各器官Cd含量大小順序為：須根>主根>主莖>葉片>分支。桑樹根部對鎘有較高的富集能力，約40%的鎘富集在根部，須根的Cd含量是其他器官Cd含量的1.63～4.6倍，主根的Cd含量是其他器官（除須根外）Cd含量的1.41～49.7倍。轉(zhuǎn)到桑樹主莖和分枝的量約占總累積量的41%，而運轉(zhuǎn)到葉片的鎘量相對較少，約占總累積量的16%，這對利用鎘污染土壤栽桑養(yǎng)蠶具有實際意義。萬飛[21]認(rèn)為桑樹是具有一定耐Cd性的經(jīng)濟作物之一，在一定的Cd濃度下不會影響家蠶的生長發(fā)育和蠶繭的質(zhì)量。當(dāng)土壤Cd含量為8.48 mg/kg時，不會影響桑樹的生長發(fā)育和桑葉的產(chǎn)量，反而會有一定的刺激作用，當(dāng)土壤含Cd量在20～50 mg/kg之間時，桑葉的產(chǎn)出量降低10%～30%;當(dāng)土壤含Cd量超過 140 mg/kg時，桑樹的生長發(fā)育受到不良影響，葉片小黃，養(yǎng)分和水分的吸收受到阻礙，1～2年后整株桑樹死亡;另外，Cd含量主要集中在桑樹的根系部分，其次是莖桿部分，最后進入葉片的Cd含量很少，當(dāng)土壤中的含Cd量達到145 mg/kg時，即桑樹致死濃度，桑葉中的含Cd量并沒有超過2.5 mg/kg。

3.2 ?土壤鉛污染與桑樹生長

近年來，由于工業(yè)“三廢”的亂排和大量機動車輛的使用，使用污水灌溉農(nóng)田以及濫用農(nóng)藥、除草劑和化肥，已嚴(yán)重地污染了土壤、水體和大氣的質(zhì)量，導(dǎo)致環(huán)境中Pb的含量明顯增加[22]。任立研等[23]研究了土壤不同濃度鉛污染對桑樹生長及桑葉品質(zhì)的影響，結(jié)果表明在50～600 mg/kg試驗范圍內(nèi)，低濃度鉛[<200 mg/（kg·干土）]處理使桑樹的株高呈現(xiàn)上升趨勢，中、高濃度鉛[>300 mg/（kg·干土）]處理使桑樹的株高呈現(xiàn)下降趨勢;而桑葉中葉綠素總量、可溶性糖含量、淀粉含量均隨著外加鉛濃度梯度的增加呈先上升后下降的趨勢，轉(zhuǎn)折點為200 mg/（kg·干土）（土壤一級標(biāo)準(zhǔn)）。土壤中的鉛濃度超過200 mg/（kg·干土）后，桑樹生長及桑葉品質(zhì)開始受到明顯脅迫。在含Pb 50、125、250、500 mg/kg的土壤中生長的桑樹植株生長緩慢、葉柄下垂、葉片失綠，有的葉片上出現(xiàn)褐色斑，這些情況隨著土壤中金屬含量的增加而趨于嚴(yán)重[24]。桑葉的葉綠素含量和單位面積重量與土壤中Pb的含量呈顯著負(fù)相關(guān)，在高Pb含量土壤，桑葉Pb含量隨土壤Pb濃度的增大而顯著增大，在低Pb含量土壤中嫩桑葉吸收Pb優(yōu)于老桑葉。覃勇榮等[25]研究表明，在相同的重金屬Pb2+脅迫背景下，加入0.55 mmol/L EDTA的桑樹對Pb2+的吸收量比不添加EDTA的對照組明顯增高。桑樹具有較強的重金屬Pb耐性，可作為修復(fù)植物應(yīng)用于重金屬污染地區(qū)。

3.3 ?土壤砷污染與桑樹生長

砷雖不屬于重金屬，但因其來源以及危害都與重金屬相似，故通常列入重金屬。被As污染的農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)，不僅作物產(chǎn)量降低，質(zhì)量變差，而且會通過食物鏈危害人體健康。吳浩東等[26]運用盆栽試驗和實驗分析的方法，研究了土壤砷污染對桑樹品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，在一定的含量范圍內(nèi)（≤300 mg/kg），隨著砷質(zhì)量濃度增加，桑葉葉綠素含量先降后升，影響不明顯，而可溶性糖含量先上升后下降，砷含量>160 mg/kg時桑樹可溶性糖含量顯著下降。

3.4 ?土壤重金屬復(fù)合污染與桑樹生長

桑樹對土壤重金屬復(fù)合污染金屬也有很強的耐性。譚勇壁[27]調(diào)查了廣西環(huán)江受尾礦污染的桑園情況，明顯看出，桑樹在Pb、Zn、As含量分別高達734、1194、53 mg/kg的污染土壤上仍然可以正常生長發(fā)育，并且在外觀上沒有表現(xiàn)出明顯的受脅迫現(xiàn)象[28]。桑葉Zn、As的積累量隨桑葉生長周期的延長而增加。張興等[29]在湖南瀏陽七寶山礦區(qū)污染土壤上Cu（593.56 mg/kg）、Pb（825.41 mg/kg）、Cd（8.11 mg/kg）、Zn（705.41 mg/kg），以‘湖桑一號為試驗材料，分別測定植物各部分和土壤中Cu、Pb、Cd、Zn 4種重金屬元素的含量。結(jié)果表明：桑樹總體生長情況為第3季（5個月）>第2季（3個月）>第1季（1個月）。桑樹各部位單位重量中Cu 的含量的趨勢為根（33.13 mg/kg）> 葉（13.38 mg/kg）> 皮（7.51 mg/kg）> 骨 （4.93 mg/kg），Pb 的含量的趨勢為根（33.13mg/kg）> 葉（10.32 mg/kg）> 皮（3.35 mg/kg）> 骨（1.73 mg/kg），Cd的含量的趨勢為根（4.53 mg/kg）> 葉（1.90 mg/kg）> 皮（1.57 mg/kg）> 骨（1.03 mg/kg），Zn的含量的趨勢為根（317.72 mg/kg）> 葉（186.53 mg/kg）> 皮（105.07 mg/kg）> 骨（89.16 mg/kg）。每平方米耕作層土壤上桑樹對Cu的修復(fù)年限為2.01年，遷移總量為12116.1 mg，對Pb的修復(fù)年限為15.45年，遷移總量為7409.83 mg，對Cd的修復(fù)年限為1.26年，遷移總量為2056.4 mg，對Zn的修復(fù)年限為0.39年，遷移總量為254532.8 mg。唐翠明等[30]對廣東韶關(guān)市大寶山礦區(qū)周邊重金屬污染農(nóng)田桑園進行了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明，土壤中鉛、鋅、銅、鎘及砷的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了土壤環(huán)境二級標(biāo)準(zhǔn)值，但是桑樹的生長不受影響，桑葉產(chǎn)量也能達到正常水平。

4 ?桑樹應(yīng)用于土壤重金屬污染修復(fù)的潛力

重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵是修復(fù)植物的選擇。已知的重金屬超積累植物絕大多數(shù)為野生型稀有植物，分布具有較強的區(qū)域性，且生物量小，生長緩慢，根圈范圍有限，只能對淺層土壤起到修復(fù)作用，修復(fù)速率較緩慢;超富集植物往往只能富集某種重金屬，而土壤重金屬污染大多是復(fù)合污染，修復(fù)周期較長，很難實際應(yīng)用[31-32]。桑樹耐重金屬復(fù)合污染，而且栽培技術(shù)成熟，對土壤和環(huán)境適應(yīng)性強、生長快、根系發(fā)達、生物量大、耐剪伐，相對于目前使用的修復(fù)植物具有明顯優(yōu)勢。

江西省具有豐富的礦產(chǎn)資源，如贛南鎢礦、稀土礦、贛西北銅金礦、贛東北銅業(yè)及多金屬開發(fā)區(qū)，以及煤礦、瓷土礦等，礦山的開發(fā)給社會經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大貢獻，但同時帶來的礦產(chǎn)廢棄物造成礦區(qū)周圍土壤Cu、Cd、Pb、Zn、As等重金屬富集污染，大片田地荒蕪，生態(tài)環(huán)境惡劣，而且隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，重金屬污染有加重的趨勢，防治土壤重金屬污染的形勢十分嚴(yán)峻。以重金屬污染嚴(yán)重的贛州市大余縣為例，其土壤中Cd、Pb、Cu、Zn、As分別超過污染起始值的3.78、3.04、2.95、1.16和8.66倍[33]，桑樹在這些土壤重金屬毒性劑量范圍之內(nèi)，可以正常生長，而且桑樹適應(yīng)性強，在礦區(qū)土壤修復(fù)上有其獨特的優(yōu)勢。栽植桑樹能在保持水土、防風(fēng)固沙、綠化荒山、凈化空氣、美化環(huán)境等方面起到良好的作用，對構(gòu)建生態(tài)景觀、改善生活環(huán)境具有較高的實用價值[34]。王凱榮等[35]也表示種桑養(yǎng)蠶是治理鎘污染農(nóng)田的一種成功的經(jīng)濟生態(tài)模式。因此，將桑樹應(yīng)用于重金屬污染土壤的修復(fù)具有廣闊的前景。

5 ?展望

重金屬污染土壤修復(fù)方法的選擇需要考慮到土壤現(xiàn)狀、修復(fù)成本，以及修復(fù)技術(shù)成熟可靠等因素，需要對不同類型的土壤進行實驗，確定處置工藝和參數(shù)，以達到污染土壤修復(fù)到目標(biāo)值。從目前的研究成果來看，桑樹作為修復(fù)樹種，相對于目前所使用的修復(fù)植物，具有明顯的優(yōu)勢，但是也存在一些問題，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：（1）采用桑樹修復(fù)中度污染土壤3～5年可達到復(fù)耕標(biāo)準(zhǔn)或稍微超標(biāo)，所需費用大致在1萬元每畝左右，需要時間較長，經(jīng)濟負(fù)擔(dān)較大。（2）由于受勞動力緊缺和蠶桑產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展趨勢影響，栽桑不一定會用于養(yǎng)蠶，桑樹經(jīng)濟效益得不到有效實現(xiàn)。（3）桑樹本身對土壤重金屬并沒有修復(fù)去除的功能，積累重金屬的桑樹如果處理不當(dāng)會造成“二次污染”，目前也沒有簡便有效的處理技術(shù)，應(yīng)當(dāng)尋求一種高效的植物產(chǎn)后處理技術(shù)，在污染桑樹剪伐后，以及采用栽桑養(yǎng)蠶方法治理重金屬污染土壤時，合理處理養(yǎng)蠶過程中含重金屬的蠶沙及蠶蛹，真正將污染物永久去除，真正實現(xiàn)“變廢為寶”的目的。（4）目前關(guān)于桑樹修復(fù)重金屬土壤研究大都停留在試驗階段，在野外示范時受氣候地理環(huán)境以及外界持續(xù)的污染源等因素影響，修復(fù)效果與實驗室試驗研究結(jié)果會有較大差距。（5）在栽植桑樹方面，要充分考慮當(dāng)?shù)氐牡孛布巴寥捞卣鳎M量推廣種植適生型桑樹品種，以提高桑樹的成活率，并以植被恢復(fù)、修復(fù)土壤為主要任務(wù)，合理選擇桑樹品種，在今后的育種工作中，對桑樹品種進行篩選，篩選生物量大、生長效率快、生長周期短、抗性強并能對某一種或幾種重金屬污染物具有超級吸附潛力的桑樹，以更大地實現(xiàn)桑樹的生態(tài)價值。

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