草本能源植物修复重金属污染土壤的潜力

＊通讯作者，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｕｊｕｙｉｎｇ１＠２６３．ｎｅｔ收稿日期：２０１１－０８－２２；修回日期：２０１１－１０－２６

基金项目：农业部引进国际先进农业科学技术计划项目（２０１１－

Ｚ６２）；北京市农林科学院科技创新能力建设专项（ＫＪＣＸ２０１１０２００５，ＫＪＣＸ２０１１０１００３，ＫＪＣＸ２０１１０３００１）作者简介：侯新村（１９７７－

），男，山东省阳信县人，助理研究员，

博士，研究方向为能源植物，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｏｕｘｉｎｃｕｎ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ．

文章编号：１６７３－５０２１（２０１２）０１－００５９－０６

草本能源植物修复重金属污染土壤的潜力

侯新村１，范希峰１，武菊英１，＊，朱　毅２，张永侠１

（１．北京市农林科学院草业与环境研究发展中心，北京　１０００９７；２．中国农业大学农学与生物技术学院，北京　１００１９３）

摘要：在北京郊区重金属轻度污染土地开展了柳枝稷、荻、芦竹、杂交狼尾草四种草本能源植物的规模化种植，分析其对砷、汞、铜、铬、铅、镉等六种重金属的富集能力与修复潜力。结果表明，四种草本能源植物均属于非超积累植物，但柳枝稷、荻、芦竹、杂交狼尾草的生物质产量较高，分别为２３．２３ｔ·ｈｍ－２、２８．２２ｔ·ｈｍ－２、４７．０８ｔ·ｈｍ－２

、

５９．２２ｔ·ｈｍ－２，且不受重金属轻度污染的明显负面影响，因此其重金属绝对富集量可观。杂交狼尾草对砷、汞、铜、铅、镉的绝对富集量分别为２３．１２ｇ·ｈｍ－２、０．３５ｇ·ｈｍ－２、１１３２．６２ｇ·ｈｍ－２、９５．１８ｇ·ｈｍ－２、６．０７ｇ·ｈｍ－２

，芦竹对

铬的绝对富集量达到１３３３．３７ｇ·ｈｍ－２

。草本能源植物对重金属污染土壤具有一定的修复潜力，并以杂交狼尾草最

大，芦竹、荻、柳枝稷次之。关键词：草本能源植物；柳枝稷；荻；芦竹；杂交狼尾草；重金属；土壤污染中图分类号：Ｓ２１６．２ 文献标识码：Ａ

在能源危机和环境污染问题突显的今天，可再生能源的研究与利用显得尤为重要。在可再生能源发展过程中，生物质能源以其资源丰富并具有良好的可储存性与碳平衡性而独树一帜，有望成为可再生能源中的主导性能源［１～２］。能源植物是一类重要的生物质原料，能源植物资源培育与规模化种植是生物质能源产业发展的基础之一。近年的相关研究表明，多年生高大禾草柳枝稷（Ｐａｎｉｃｕｍ　ｖｉｒｇａ－ｔｕｍ）［３～５］、荻（Ｔｒｉａｒｒｈｅｎａ　ｓａｃｃｈａｒｉｆｌｏｒ）［６～８］、芦竹（Ａｒｕｎｄｏ　ｄｏｎａｘ）［６，９～１０］、杂交狼尾草（Ｐｅｎｎｉｓｅｔｕｍａｍｅｒｉｃａｒｕｍ×Ｐ．ｐｕｒｐｕｒｅｕｍ）［１１～１２］是四种应用前景广阔的草本能源植物，生长迅速，生物质产量高，抗逆性强，适应性广，可以在边际土地上开展规模化种植与应用［１１，１３］。在现代工矿业发展过程中，重金属污染土壤治理成为生态学与环境科学研究的重要课题之一。近年来，利用超积累植物开展生态修复成为该领域的热点之一［１４～１５］。利用能源植物开展重金属污染土壤修复可以实现生物质原料生产与污染土壤治理的双赢。目前，该领域的相关研究主要见于选择尾矿库建立能源植物生产基地并开展土壤污染特征分析［１６］、选择重金属污染矿区开展能源甘蔗规模化种植并开展耐重金属污染甘蔗优良品种的选育［１７］、利用盆栽芦竹开展重金属污染湿地修复模拟研究［１８～１９］等，而基于重金属污染土地开展草本能源植物规模化种植并分析其重金属富集特性的研究尚未见报道。本研究在京郊地区两处研究基地开展了柳枝稷、荻、芦竹、杂交狼尾草四种草本能源植物的规模化种植，分析重金属污染土地上的四种草本能源植物对砷、汞、铜、铬、铅、镉等六种重金属的修复潜力，并比较四种草本能源植物的生长特性与生产潜力，以期为基于重金属污染土地开展草本能源植物规模化种植与重金属污染土壤修复提供科学参考。

１　

材料与方法

１．１　

研究地点概况

研究地点分别位于北京市房山区石楼镇襄驸马庄（为重金属污染地，以下简称襄驸马庄）和昌平区小汤山镇北京市农林科学院草业与环境研究发展中心小汤山草圃基地（为耕地，以下简称小汤山）。研究地点的气候条件与试验地土壤肥力如表１所示。虽然襄驸马庄为重金属污染土地，但与小汤山的土壤肥力差异不明显，部分指标甚至比小汤山还高。

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第３４卷　第１期 中　国　草　地　学　报

２０１２年１月

Ｖｏｌ．３４　Ｎｏ．１ Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｒａｓｓｌａｎｄ Ｊａｎ．２０１２ 表１　研究地点的气候条件与土壤肥力Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｌｉｍａｔｉｃ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｏｉｌ　ｆｅｒｔｉｌｉｔｙ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｉｔｅｓ

研究地点Ｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｔｅ

气候条件Ｃｌｉｍａｔｉｃ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ年平均气温Ａｖｅｒａｇｅａｎｎｕａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（℃）１月平均气温Ａｖｅｒａｇｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎ　Ｊａｎｕａｒｙ（℃）７月平均气温Ａｖｅｒａｇｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎ　Ｊｕｌｙ（℃）年平均降水量Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ（ｍｍ）年日照时数Ｓｕｎｓｈｉｎｅｐｅｒｉｏｄ（ｈ）无霜期Ｎｏｎ－ｆｒｏｓｔｐｅｒｉｏｄ（ｄ）土壤肥力质量Ｓｏｉｌ　ｆｅｒｔｉｌｉｔｙ　ｑｕａｌｉｔｙ

有机质Ｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒ（ｇ·ｋｇ－１）速效氮Ａｖａｉｌａｂｌｅｎｉｔｒｏｇｅｎ（ｍｇ·ｋｇ－１）速效磷Ａｖａｉｌａｂｌｅｐｈｏｓｐｈｏｒ（ｍｇ·ｋｇ－１）速效钾Ａｖａｉｌａｂｌｅｐｏｔａｓｓｉｕｍ（ｍｇ·ｋｇ－１）

ｐＨ值

ｐＨｖａｌｕｅ

襄驸马庄１１．６－５．２　２６．０　６０２．５　２６０６．０　１９１　１５．９　５６．３５　２３．２５　１２５．５　７．４７

小汤山１１．７－４．１　２５．８　５６９．８　２６４１．４　１９８　１５．２　８４．００　６．５０　１２９．０　７．６２

１．２　研究材料２００８年５月，在襄驸马庄和小汤山开展柳枝稷、荻、芦竹三种草本能源植物的规模化种植；柳枝稷（品种为Ａｌａｍｏ）引自美国，播种育苗、挖穴移栽；荻、芦竹根茎为采自山西省运城市、江苏省东台市郊区的野生资源，荻开沟种植，芦竹挖穴种植。因杂交狼尾草在北京地区不能越冬，需要在每年春季种植。２００９年５月，采用挖穴种植方式开展杂交狼尾草的规模化种植，其种茎采自北京三发植物种苗研究中心基地。四种草本能源植物的株行距均为８０ｃｍ×８０ｃｍ，种植后均适时除１次杂草，以利其正常生长。２００９年１０月，开展土壤样品和植物样品的测定分析。１．３　测定项目与方法１．３．１　重金属含量土壤重金属含量测定：砷采用原子荧光法［２０］；汞采用冷原子吸收法［２１］；铜、铬采用火焰原子吸收分光光度法［２２～２３］；铅、镉采用石墨炉原子吸收分光光度法［２４］。草本能源植物地上部重金属含量测定：用意大利Ｍｉｌｅｓｔｏｎｅ公司的Ｅｔｈｏｓ　Ａ型微波消解仪进行微波消解预处理，采用原子吸收光谱法测定。在测定土壤和草本能源植物地上部重金属含量的基础上，参照前人方法［２５～２６］计算草本能源植物重金属富集系数。重金属富集系数＝地上部重金属含量／土壤重金属含量。１．３．２　草本能源植物的生长特性与生产潜力在种植地内随机选取２４０ｃｍ×２４０ｃｍ的样方，重复４次。在每个样方内随机选取１０株柳枝稷、芦竹、杂交狼尾草，测量株高，统计单株分蘖数量；在每个样方内随机选取１０个荻分蘖，测量株高，统计单位面积分蘖数量，用以评价其生长特性。收获样方内草本能源植物地上部带回实验室，用水冲洗干净后于８０℃下烘干至恒重，称量并计算草本能源植物生物质产量，用以评价其生产潜力。１．３．３　

草本能源植物对重金属污染土壤的修复潜力

草本能源植物对重金属污染土壤的修复潜力用重金属绝对富集量衡量。重金属绝对富集量＝地上部重金属含量×生物质产量。１．４　

数据分析

试验数据采用ＳＡＳ　８．２进行方差显著性分析，差异显著水平为ɑ＝０．０５

。

２　

结果与分析

２．１　

草本能源植物对重金属的富集特性

土壤分析结果表明，襄驸马庄试验地土壤中砷、汞、铜、铬、铅、镉等六种重金属的浓度分别为砷１１．０８ｍｇ·ｋｇ－１、汞０．０９ｍｇ·ｋｇ－１、铜２３．６７ｍｇ·ｋｇ

－１、

铬５６．４６ｍｇ

·ｋｇ－１、铅２１．１０ｍｇ·ｋｇ－１、镉

０．１６

ｍｇ·ｋｇ－１，均未超过ＧＢ　１５６１８－１９９５［２７］中Ⅰ类土

壤规定的重金属标准值（砷≤１５．００ｍｇ·ｋｇ－１，汞≤

０．１５ｍｇ·ｋｇ－１，铜≤３５．００ｍｇ·ｋｇ－１，铬≤９０．００ｍｇ·ｋｇ－１，铅≤３５．００ｍｇ·ｋｇ－１，镉≤０．２０ｍｇ·ｋｇ

－１），

属于重金属轻度污染土地。襄驸马庄试验地种植２年后的柳枝稷、荻、芦竹与当年种植的杂交狼尾草的地上部重金属含量与富集系数如表２所示。柳枝稷、荻、芦竹、杂交狼尾草四种草本能源植物对汞和铜两种重金属的富集能力没有显著差异，对汞和铜的平均富集系数分别为０．０７８１

、０．６８７９；四种草本能源植物对

砷、铬、铅、镉四种重金属的富集能力差异显著（Ｐ＜０．０５）。对于砷，以杂交狼尾草的富集能力较

强，其植株内的砷含量达到０．３９０３ｍｇ

·ｋｇ－１，富

集系数为０．０３５６

，柳枝稷与荻次之，但三者之间的

富集能力没有显著性差异；芦竹较弱，但与柳枝稷、荻之间的差异均不显著。对于铬，以芦竹的富

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中国草地学报　２０１２年　第３４卷　第１期