桑樹修復土壤重金屬污染的研究進展

徐寧 俞燕芳 毛平生 杜賢明 彭曉虹 石旭平

摘 ?要：重金屬污染修復已成為當前國際環境科學研究的熱點問題，利用桑樹修復土壤重金屬污染也是一種有效的植物修復技術。筆者簡單介紹了土壤重金屬與植物修復技術的概念，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系，并結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樹種的潛力。

關鍵詞：桑樹;土壤重金屬;污染;植物修復;江西

中圖分類號：X-1 ? ?文獻標志碼：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環境，具備大力發展綠色農業的潛力，但礦山開發、資源消耗、農用化學品投入等給江西留下較大的重金屬污染區域，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，在生態環境良好的條件下，堅持以人為本，在經濟發展的同時，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域環境修復新路，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環境，讓青山綠水永存。筆者以近年來桑樹用于修復土壤重金屬領域的研究報道為基礎，系統總結了重金屬元素鎘、鉛、鋅、砷與桑樹生長關系的研究現狀，并分析了利用桑樹進行土壤重金屬污染修復的潛力以及可行性，以期為未來該領域的研究提供參考。

1 ?土壤重金屬污染與植物修復

土壤重金屬污染是指由于人類活動，導致土壤中的重金屬含量過高，通常是密度大于5 g/m3，并對生態環境質量產生不良的影響[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、長期性和后果嚴重性的特點。植物修復技術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]。植物修復技術是一種環境親和性修復技術，以其有效、非破壞、經濟等特點，正成為土壤重金屬污染修復的主要手段之一[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，適應性很強，分布范圍廣泛。桑樹能在-35～40℃的溫度范圍內存活。桑樹喜歡深厚、疏松、肥沃的土壤，同時也能適應土層瘠薄、養分貧乏的土地[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性較強。

桑樹生長迅速，生物產量高，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，水平根和垂直根構成一個貯水功能極強的立體交叉的吸水貯水網絡，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構，提高土壤肥力和保持水土，減少土壤侵蝕，有極強的抗干旱、遏制風沙能力。

桑樹極其發達的根系利于吸收土壤的營養成分，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，鎘脅迫嚴重影響植物的生長發育，降低作物的產量和質量[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，當土壤Cd濃度小于22.3 mg/kg時，桑葉產量、可溶性糖和含氯化合物含量都高于或接近對照處理;當土壤Cd濃度大于22.3 mg/kg時，Cd對桑葉產量、營養物質含量、生理生化作用的影響明顯，并表現其毒害作用，當濃度高于145 mg/kg時，分支較少而纖細，葉黃而小，接近死亡狀態;而桑樹根部當Cd濃度達到75 mg/kg時，才出現大小不等的瘤狀結節和菌絲狀絨毛，根表皮皺裂，根尖分叉，并有明顯的木質。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。轉到桑樹主莖和分枝的量約占總累積量的41%，而運轉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蠶具有實際意義。萬飛[21]認為桑樹是具有一定耐Cd性的經濟作物之一，在一定的Cd濃度下不會影響家蠶的生長發育和蠶繭的質量。當土壤Cd含量為8.48 mg/kg時，不會影響桑樹的生長發育和桑葉的產量，反而會有一定的刺激作用，當土壤含Cd量在20～50 mg/kg之間時，桑葉的產出量降低10%～30%;當土壤含Cd量超過 140 mg/kg時，桑樹的生長發育受到不良影響，葉片小黃，養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“三廢”的亂排和大量機動車輛的使用，使用污水灌溉農田以及濫用農藥、除草劑和化肥，已嚴重地污染了土壤、水體和大氣的質量，導致環境中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的影響，結果表明在50～600 mg/kg試驗范圍內，低濃度鉛[<200 mg/（kg·干土）]處理使桑樹的株高呈現上升趨勢，中、高濃度鉛[>300 mg/（kg·干土）]處理使桑樹的株高呈現下降趨勢;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，轉折點為200 mg/（kg·干土）（土壤一級標準）。土壤中的鉛濃度超過200 mg/（kg·干土）后，桑樹生長及桑葉品質開始受到明顯脅迫。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，有的葉片上出現褐色斑，這些情況隨著土壤中金屬含量的增加而趨于嚴重[24]。桑葉的葉綠素含量和單位面積重量與土壤中Pb的含量呈顯著負相關，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，可作為修復植物應用于重金屬污染地區。

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污染的農田土壤生態系統，不僅作物產量降低，質量變差，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的影響，結果表明，在一定的含量范圍內（≤300 mg/kg），隨著砷質量濃度增加，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 ?土壤重金屬復合污染與桑樹生長

桑樹對土壤重金屬復合污染金屬也有很強的耐性。譚勇壁[27]調查了廣西環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育，并且在外觀上沒有表現出明顯的受脅迫現象[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的修復年限為2.01年，遷移總量為12116.1 mg，對Pb的修復年限為15.45年，遷移總量為7409.83 mg，對Cd的修復年限為1.26年，遷移總量為2056.4 mg，對Zn的修復年限為0.39年，遷移總量為254532.8 mg。唐翠明等[30]對廣東韶關市大寶山礦區周邊重金屬污染農田桑園進行了調查，調查結果表明，土壤中鉛、鋅、銅、鎘及砷的含量遠遠超過了土壤環境二級標準值，但是桑樹的生長不受影響，桑葉產量也能達到正常水平。

4 ?桑樹應用于土壤重金屬污染修復的潛力

重金屬污染土壤植物修復技術的關鍵是修復植物的選擇。已知的重金屬超積累植物絕大多數為野生型稀有植物，分布具有較強的區域性，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作用，修復速率較緩慢;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合污染，修復周期較長，很難實際應用[31-32]。桑樹耐重金屬復合污染，而且栽培技術成熟，對土壤和環境適應性強、生長快、根系發達、生物量大、耐剪伐，相對于目前使用的修復植物具有明顯優勢。

江西省具有豐富的礦產資源，如贛南鎢礦、稀土礦、贛西北銅金礦、贛東北銅業及多金屬開發區，以及煤礦、瓷土礦等，礦山的開發給社會經濟發展做出了巨大貢獻，但同時帶來的礦產廢棄物造成礦區周圍土壤Cu、Cd、Pb、Zn、As等重金屬富集污染，大片田地荒蕪，生態環境惡劣，而且隨著社會經濟的發展，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峻。以重金屬污染嚴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，可以正常生長，而且桑樹適應性強，在礦區土壤修復上有其獨特的優勢。栽植桑樹能在保持水土、防風固沙、綠化荒山、凈化空氣、美化環境等方面起到良好的作用，對構建生態景觀、改善生活環境具有較高的實用價值[34]。王凱榮等[35]也表示種桑養蠶是治理鎘污染農田的一種成功的經濟生態模式。因此，將桑樹應用于重金屬污染土壤的修復具有廣闊的前景。

5 ?展望

重金屬污染土壤修復方法的選擇需要考慮到土壤現狀、修復成本，以及修復技術成熟可靠等因素，需要對不同類型的土壤進行實驗，確定處置工藝和參數，以達到污染土壤修復到目標值。從目前的研究成果來看，桑樹作為修復樹種，相對于目前所使用的修復植物，具有明顯的優勢，但是也存在一些問題，主要表現為以下幾個方面：（1）采用桑樹修復中度污染土壤3～5年可達到復耕標準或稍微超標，所需費用大致在1萬元每畝左右，需要時間較長，經濟負擔較大。（2）由于受勞動力緊缺和蠶桑產業整體發展趨勢影響，栽桑不一定會用于養蠶，桑樹經濟效益得不到有效實現。（3）桑樹本身對土壤重金屬并沒有修復去除的功能，積累重金屬的桑樹如果處理不當會造成“二次污染”，目前也沒有簡便有效的處理技術，應當尋求一種高效的植物產后處理技術，在污染桑樹剪伐后，以及采用栽桑養蠶方法治理重金屬污染土壤時，合理處理養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“變廢為寶”的目的。（4）目前關于桑樹修復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境以及外界持續的污染源等因素影響，修復效果與實驗室試驗研究結果會有較大差距。（5）在栽植桑樹方面，要充分考慮當地的地貌及土壤特征，盡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、修復土壤為主要任務，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，以更大地實現桑樹的生態價值。

參考文獻

[1] 趙春雨.植物在當前建設低碳社會中所起作用的研究[A].中國環境科學學會學術年會論文集[C].2011：2160-2163.

[2] 程國玲，王大業.重金屬污染土壤植物修復技術研究[J].中國科技財富，2009（6）：77.

[3] 何舞，王富華，杜應瓊，等.東莞市土壤重金屬污染現狀、污染來源及防治措施[J].廣東農業科學，2010（4）：211-213.

[4] 朱蘭，保盛蒂.重金屬污染土壤生物修復技術研究進展[J].工業安全與環保，2011，37（2）：20-21.

[5] 封功能，陳愛輝，劉漢文，等.土壤中重金屬污染的植物修復研究進展[J].江西農業學報，2008，20（12）：70-73.

[6] 桑愛云，張黎明，曹啟民，等.土壤重金屬污染的植物修復研究現狀與發展前景[J].熱帶農業科學，2006，26（1）：75-79.

[7] 李元，魏巧，祖艷群.氮肥對小花南芥生理和Pb、Zn累積特征的影響[J].農業環境科學學報，2013，32（8）：1507-1513.

[8] 李元，魏巧，祖艷群.氮肥對小花南芥生物量、生理和Pb、Zn累積特征的影響[A].農業環境與生態安全——第五屆全國農業環境科學學術研討會論文集[C].2013：42-49.

[9] 謝志宜，陳能場.緩釋微膠囊EDTA強化玉米提取土壤中鉛銅的效應研究[J].生態環境學報，2012，21（6）：1125-1130.

[10] 韓世玉.桑樹的生態價值及其在貴州“東桑西移”中的生態栽培[J].貴州農業科學，2007，35（5）：140142.

[11] 劉蕓.桑樹在三峽庫區植被恢復中的應用前景[J].蠶業科學，2011，37（1）：0093-0097.

[12] 戴玉偉，朱弘，杜宏志，等.論桑樹資源經濟價值和生態功能[J].防護林科技，2009（1）：78-80.

[13] 姚芳，倪吾鐘，楊肖娥.桑樹的種質資源、生態適應性及其應用前景[J].科技通報，2004，20（4）：289-297.

[14] 徐和保，劉紹考，王靜江，等.對桑樹氟污染有關規律的研究[J].江蘇蠶業，1991，13（3）：12-15.

[15] 顧曉山.不同桑品種吸氟性能的比較[J].江蘇蠶業，1991，13（1）：52-53.

[16] Nada E， Ferjani B A， Ali R， et al. Cadmium-induced growth inhibition and alteration of biochemical parameters in almond seedlings grown in solution culture[J]. Acta Physiol Plant，2007，29（1）：57-62.

[17] 陳朝明，龔惠群，王凱榮.Cd對桑葉品質、生理生化特性的影響及其機理研究[J].應用生態學報，1996，7（4）：417-423.

[18] Wang K R， Gong H， Wang Y， et al. Toxic Effects of Cadmium on Morus alba L and Bombvx moril L. Plant and Soil，2004，261（1-2）：171-180.

[19] 滕葳，柳琪，李倩，等.重金屬污染對農產品的危害與風險評估[M].北京：化學工業出版社，2010.

[20] 陳朝明，龔惠群，王凱榮，等.桑-蠶系統中鎘的吸收、累積與遷移[J].生態學報，1999，19（5）：664-669.

[21] 萬飛.鎘對桑蠶生長發育及繭質影響的試驗初報[J].中國蠶業，2004，25（4）：23-24.

[22] 石德楊.鉛對玉米產量、品質及生理特性的影響[D].濟南：山東農業大學，2013.

[23] 任立研，宋書巧，藍唯源，等.土壤鉛污染對桑樹生長及桑葉品質的影響研究[J].資源開發與市場，2009，25（7）：583-585.

[24] 周偉.鎘和鉛污染土壤對桑樹生長的影響[J].蠶業科學，1995，21（4）：265-266.

[25] 覃勇榮，覃艷花，嚴軍，等.EDTA對桑樹和任豆幼苗吸收重金屬Pb的影響[J].南方農業學報，2011，42（2）：168-172.

[26] 吳浩東，宋書巧，藍唯源.砷污染對桑樹品質的影響研究及其污染防治措施[J].廣東微量元素科學，2007，14（3）：18-22.

[27] 譚勇壁.礦區周邊重金屬污染農田發展桑樹種植產業的可行性研究[D].南寧：廣西大學，2008.

[28] 杜偉，姚麗萍.重金屬污染與蠶桑生產關系研究進展[J].北方蠶業，2012，33（3）：1-4.

[29] 張興，王冶，揭雨成，等.桑樹對礦區土壤中重金屬的原位去除效應研究[J].中國農學通報，2012，28（7）：59-63.

[30] 唐翠明，王振江，戴凡偉，等.桑樹在土壤污染和大氣污染修復中的應用潛力[A].黃土高原生態桑建設現場研討會論文集[C].2012：142.

[31] 劉愛榮，張遠兵，李百學，等.鉛脅迫下高羊茅植株無機離子分布的響應特點研究[A].中國植物學會七十五周年年會論文摘要匯編（1933-2008）[C]：151-152.

[32] 劉愛榮，張遠兵，張雪平，等.鉛污染對高羊茅生長、無機離子分布和鉛積累量的影響[J].核農學報，2009，23（1）：128-133.

[33] 黃國勤.江西省土壤重金屬污染研究[A].中國環境科學學會學術年會論文集[C].2011：1731-1736.

[34] 郭敏，王天懋，丁福成.優良實用樹種—桑樹[J].現代化農業，2008（8）：22-23.

[35] 王凱榮，陳朝明，龔惠群，等.鎘污染農田農業生態整治與安全高效利用模式[J].中國環境科學，1998，18（2）：97-101.