杨树对干旱区重金属污染农田土壤的修复研究

摘要

本文以干旱区矿区周围重金属污染的钙质农田土壤为研究对象，通过野外调查的实验方法考察了当地广泛分布的木本植物新疆杨、灌木白刺和草本植物骆驼蓬对土壤中重金属Cd、Cu、Pb和Zn的吸收和富集特征。在此基础上，通过盆栽模拟和大田实验相结合的实验方法，进一步考察了新疆杨在Cd单一污染及Cd、Cu、Pb和Zn复合污染下对Cd的植物提取修复潜能，并重点考察了螯合剂对新疆杨修复Cd的强化作用。主要研究结果如下：　　(1)植物对土壤中重金属的吸收存在种间差异，新疆杨对Cd具有较高的富集能力，骆驼蓬对Cu和Pb具有较高的富集能力，新疆杨、骆驼蓬和白刺对Zn的富集能力相近。重金属在植物不同器官的积累与植物种类无关，其取决于重金属的种类，其中Cd主要积累在3种植物的地上部，而Cu、Pb和Zn则主要积累在3种植物的根部。　　(2)Cd单一污染下新疆杨所能耐受的Cd临界含量的阈值为50mg?kg-1。新疆杨对Cd的生物富集系数(BCF)随土壤中Cd投加浓度的增大而降低，BCF值在土壤中Cd的投加浓度≤1Omg?kg-1时是大于1的。新疆杨对Cd具有很强的从杨树根部向地上部转移的能力，其转移系数几乎在所有Cd投加浓度下是大于1的。Cd在新疆杨不同器官含量的大小顺序为树叶＞树干＞根，在0-100mgCd?kg-1的Cd投加浓度梯度下，新疆杨所能富集的最大的Cd含量为35mg?kg-1。耐性特征、富集系数特征、转移系数特征和临界含量特征表明，新疆杨不是Cd的超富集植物，其适合于低Cd污染钙质土壤的植物提取修复。　　(3)Cd、Cu、Pb和Zn复合污染下，新疆杨对Cd的耐受性下降，当土壤中Cd的含量为11mg?kg-1时，杨树根的生物量显著的低于对照(P＜0.05)。复合污染胁迫改变了新疆杨根部对Cd的吸收模型，吸收模型从Cd单一污染下的线性模型变为了复合污染下的指数模型。Cd和Zn主要积累在新疆杨的树叶中，Cu和Pb主要积累在新疆杨的根部。复合污染胁迫下，尽管新疆杨对Cd的吸收增加，但是新疆杨的生物量下降明显，其对Cd提取修复的潜能有限，应该考虑投加外源添加剂进行强化修复。　　(4)大田条件下，新疆杨树干的树皮中重金属Cd、Cu、Pb和Zn的含量均要显著的高于树干的木质部，Cd和Zn在不同器官的含量为树叶、树皮＞树枝＞根＞树干木质部，Cu和Pb为根、树皮＞树枝＞树干木质部＞树叶。新疆杨对重金属的吸收整体上是随着树龄的增加而降低的，但Cd在5年生新疆杨地上部的含量是显著的高于3年和7年生的(P＜0.05)，因此新疆杨对Cd提取修复的最佳修复轮作期为5年。　　(5)外源螯合剂的投加会降低新疆杨树干的生物量，但是在一定程度上会增加树叶的生物量。合成螯合剂EDTA、EGTA对钙质土壤中Cd的活化能力高于柠檬酸，其也更能有效的促进Cd从杨树根部向杨树地上部尤其是树叶中的迁移，在9mmol?kg-1的EGTA处理下树叶中Cd的含量可达到101.88mg?kg-1，是不投加螯合剂对照的3.54倍。螯合合剂的投加可以显著提高新疆杨树叶中Cd的积累量，螯合剂投加后树叶中Cd的积累量相比于对照可以提高28%以上，因此应该加强对树叶的收集。综合考虑螯合剂对植物生物量、土壤中Cd的活化效果、Cd在植物体内的迁移及积累的影响，低剂量（1mmol?kg-1）的合成螯合剂EDTA和EGTA可使新疆杨对Cd的修复因子达到最大值，其同时也避免了高剂量螯合剂使用带来的二次污染。　　综上，新疆杨对干旱区钙质土壤中重金属Cd具有较高的耐性、吸收和富集潜能，合成螯合剂能够有效的活化钙质土壤中的Cd，并促进Cd从杨树根部向树叶中的转移，新疆杨适合干旱区Cd轻度污染钙质土壤的植物提取修复。

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