梁 峙，蘆之凡，劉喜坤，梁 驍，馬 捷，孫曉虎，張雙圣（.徐州工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 徐州 08；.徐州市水利局，江蘇 徐州 08；.上海財經(jīng)大學(xué) 經(jīng)濟學(xué)院，上海　00；.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 008）

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經(jīng)濟作物對鉛污染土壤的吸附試驗研究

梁 峙1，蘆之凡1，劉喜坤2，梁 驍3，馬 捷4，孫曉虎2，張雙圣2
（1.徐州工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018；2.徐州市水利局，江蘇 徐州 221018；3.上海財經(jīng)大學(xué) 經(jīng)濟學(xué)院，上海200433；4.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221008）

摘 要：隨著城市的快速發(fā)展，人們對搬遷化工類企業(yè)原廠地土壤中重金屬污染日趨重視。本文利用經(jīng)濟作物取原污染場地土壤進行箱體種植，試驗表明，山藥植物地上部分吸收系數(shù)隨土壤鉛含量升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在輕度污染農(nóng)田中，修復(fù)效果最好；山藥吸收的鉛主要聚集在塊根表皮，中輕度鉛污染農(nóng)田中種植的山藥去皮后仍可食用；觀察表明土壤鉛污染程度對山藥的生長影響不明顯，說明山藥對土壤鉛有一定的耐受性，可以在鉛污染農(nóng)田種植。

關(guān)鍵詞：山藥作物；重金屬；污染土壤；修復(fù)

0 引言

土壤是人類生存必需的資源之一，是陸生植物生活的基質(zhì)和陸生植物生活的基底，不僅為植物提供必需的營養(yǎng)和水分，而且也是土壤動物賴以生存的棲息場所。對于人類來說，有了土壤才能發(fā)展農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及城市現(xiàn)代化建設(shè)。目前，由于工業(yè)搬遷企業(yè)原址中重金屬廢棄物的堆放與填埋，以及采礦、冶金、鉛酸蓄電池企業(yè)等造成了土壤中重金屬的污染越發(fā)嚴(yán)重。國土資源部統(tǒng)計表明，目前全國耕種土地面積的10％以上已受重金屬污染。環(huán)保部南京環(huán)科所研究認(rèn)為，華南部分城市約有一半的耕地遭受鎘、砷、汞等有毒重金屬和石油類有機物污染[1]。

我國普遍栽種山藥，山藥供人類食用的塊根的主要成分是淀粉，是在葉片上合成的，合成后經(jīng)過篩管運送到地下。如果塊根在土壤中較少地吸收鉛，莖、葉片在地上較多地吸收鉛，這樣就實現(xiàn)同時利用被污染的耕地和對土壤污染物進行修復(fù)。根據(jù)查閱的文獻和實地的調(diào)查結(jié)果，決定用例如山藥塊根類作物來做鉛金屬污染土壤的試驗作物。在此試驗的基礎(chǔ)上，對試驗結(jié)果分析為田間中試提供可靠的數(shù)據(jù)支持和經(jīng)驗，實現(xiàn)項目的順利完成。

1 材料與方法

對山藥在鉛污染的土壤中生長情況的實驗是在五個1.16×1.4×0.3m的植物箱體中進行。實驗選用污染場地樣本土壤，對照樣本選用某大學(xué)校區(qū)綠化土作為參照。先將土壤風(fēng)干一天，篩去植物殘渣和大顆粒的石子和固體，再用5mm的篩子將土樣過篩使土樣的顆粒保持均勻大小。再將有機糞肥均勻地混在過篩后的土樣中，形成基肥，把它分成五等份，加入不同量的硝酸鉛溶液，使土樣中的鉛含量呈現(xiàn)梯度變化。每份混合均勻后取100g土樣作為初始土樣留用[2]。

將混合后的土樣分別裝入實驗植物箱體，編號為1～5，其中取1號作為空白對照，不加入硝酸鉛，將實驗箱體靜置五天。實驗所采用的植物是某地區(qū)普遍種植的山藥品種。每個實驗植物箱體內(nèi)種植5～10棵植株，按照一定的行距種植，每兩棵之間間距25cm。按照農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植規(guī)律夏季開始實驗，共計135天，在實驗過程中，根據(jù)植株的實際生長狀況進行施肥澆水等。

待山藥成熟后將該植株地下根系、地上莖稈稈、葉片分別采摘單獨處理，同時采集種植山藥后的土壤樣品各100g作為留用。將土壤樣品自然風(fēng)干后用陶瓷研缽研磨，將研磨過的土樣過100目的尼龍篩，再用HCl-HNO3-HF-HClO4混酸消解的方法進行預(yù)處理。將采集的植株地下根系、地上莖稈稈、葉片用去離子水清洗，置于105℃的烘箱內(nèi)殺青30min，再在80℃的環(huán)境下烘干2h，用陶瓷研缽研磨后過60目尼龍篩，最后用HNO3-HClO4進行預(yù)處理。

1.1 試驗器材

1）器材：ZYA-QY汽油動力土壤采樣器；AA6300原子吸收光譜儀，島津；（Pb）元素?zé)簦皇殖质饺蚨ㄎ粌x（GARMIN GPS72）；便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀（HI9143 Hanna Instruments）；5141AW型采集器。

2）標(biāo)準(zhǔn)樣：（Pb標(biāo)準(zhǔn)樣）（100μg/mL）。

1.2 采樣點分布形式

本研究確定的采樣坐標(biāo)儀器為手持式全球定位儀（GARMIN GPS72），在原污染場地采集土樣，采樣過程中，采樣點盡量避免污水排出口的干擾因素，此外還要排除包含建筑垃圾混合物、淺層積水影響、植物繁殖過剩的影響等干擾因素。

原污染場地剖面層：按照原污染場地的深度不同，在0～100cm范圍內(nèi)分別取五份相同分量的樣本，混勻后袋裝并密封，帶回實驗室作進一步分析。

1.3 采樣時間

結(jié)合當(dāng)?shù)卦廴緢龅丨h(huán)境尤其是當(dāng)?shù)囟逊诺匦蔚孛?、四周環(huán)境以及當(dāng)?shù)氐乃奶鞖馇闆r，確定20天為采樣周期。

1.4 原污染場的初級處理

取樣品在裝袋前進行簡易篩選，剔除粒徑較大的固體顆粒物，然后密封于聚乙烯塑料袋中，放置于陰涼處封存同時減少樣品相互排除反應(yīng)影響試驗分析的準(zhǔn)確性。將樣本置于干燥通風(fēng)處，利用自然風(fēng)吹干，同時去除樣品中的碎石頭、植物的根系以及其他雜物，用研磨機碾碎樣品，通過2mm孔徑的木制篩篩選后選取篩下物，袋裝封存。試驗前期，取出約100g的處理后的樣品，經(jīng)由研磨器磨碎，通過100目尼龍篩篩選取出篩下物，袋裝封存以供備用[3-4]。稱取經(jīng)100目木制尼龍篩篩選的篩下物的樣本0.5g，在170℃下恒溫干燥5h左右，然后把處理后的樣本置于鉑金坩堝中。采用濕法消解（硝酸—氫氟酸—高氯酸），精確稱取經(jīng)過粒徑為0.15mm的木篩篩選后的篩下物原污染場樣品0.5g置于四氟坩堝中，滴取硝酸7.5ml，高氯酸2.5ml，氫氟酸加蓋10ml，隔夜放存，再置于電熱板上調(diào)至355℃高溫加熱120min，揭去頂蓋繼續(xù)加熱到樣品幾乎不含水分，冷卻至25℃左右，進一步再滴入硝酸3ml+高氯酸1ml+氫氟酸4ml，儀器調(diào)至高溫檔加熱樣品直至液體中不含有任何酸，當(dāng)高氯酸不再產(chǎn)生白煙，滴加硝酸鑭5ml，將其全部轉(zhuǎn)移到容量為50ml的容量瓶中，最后用水確定至容器的標(biāo)準(zhǔn)刻度線[5-6]。原污染場重金屬（Pb）含量采用AA6300原子吸收光譜儀測定[7-8]。

1.5 供試材料理化性質(zhì)供試材料理化性質(zhì)

本實驗在原污染場地進行實驗，原污染場地理化性質(zhì)如表1所示。

表1　原污染場理化性質(zhì)

本實驗供試植物，其植物苗均從當(dāng)?shù)剞r(nóng)科所購得。

1.6 實驗設(shè)計與分析方法

本實驗分為Pb單因素實驗進行。Pb設(shè)置0、300、500、1 000、2 000 mg/kg五個水平。具體實驗設(shè)計方案如表2所示。

表2　實驗方案設(shè)計

在污染場地設(shè)置五個1.16×1.4×0.3m的植物箱體，為使重金屬與原污染場土壤能夠充分混合，將Pb(NO3)2、Cd(NO3)2·4H2O研磨成粉狀，與1 kg研磨后的原污染場土壤均勻混合，然后將重金屬與原污染場土壤的混合物均勻，撒入植物箱體，再將其于植物箱體表層原污染場混合均勻，之后每塊植物箱體撒入800g有機雞糞以增加植物箱體肥力。植物箱體種植山藥5～10棵植株[9-10]。

原污染場鉛含量對植物生長的影響采用植物長勢和產(chǎn)量兩個方面因素表征。實驗中采用植物地上部分鮮重代表長勢，植物果實鮮重代表產(chǎn)量，山藥種植120天后收獲。將沖洗干凈的植物按照地下根系、地上莖稈、葉片分開，將這些植物組織分別殺青、烘干，用電子天平稱量各部分干重，然后將其研磨過篩備用；采集的原污染場樣品首先去掉其中的植物組織，在常溫下晾干，然后烘干至恒重，研磨過篩備用。

實驗樣品的預(yù)處理與測定工作均在山東省分析測試中心進行，由于樣品量較大，在測定過程中為確保數(shù)據(jù)的可靠性，采用了10％的樣品進行平行樣測定。

利用Microsoft Excel、Origin7.5對論文數(shù)據(jù)進行處理做圖，分析山藥鉛、吸收系數(shù)與轉(zhuǎn)運系數(shù)隨著原污染場重金屬含量的變化規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤中的鉛含量對山藥生長狀況的影響

山藥的地上莖稈的長度一般在為0.6m左右，但是由于實驗箱體的大小有限，導(dǎo)致其中的山藥的地上莖稈的長度都大致在0.5m，且在不同的鉛含量的土樣中生長的山藥，其地上莖稈的長度區(qū)別不大[3]。山藥在五個實驗箱體中的產(chǎn)量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，但是變化不明顯，分別是1 290 g、1 450g、1 440g、1 330g、1 210g。

2.2 不同土壤鉛含量對山藥修復(fù)效果的影響

用種植前后土樣中的鉛含量變化和變化率來表示山藥對土壤中的鉛污染的修復(fù)情況。鉛含量的變化率是指山藥種植前后土樣中鉛含量的減少量與原始土樣中鉛含量的比值。將試驗數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖1所示。

圖1　種植前后土壤鉛含量及其變化率

從圖1看出，土壤鉛含量從400～1 300mg/kg的四個實驗中，種植山藥后鉛含量都有降低，能明顯地看出五號箱體的鉛含量降低程度最大，土壤中的鉛含量在種植前后減少了449mg/kg，隨著土壤鉛含量的增大，變化率也在增大?？梢缘贸觯喊焉剿幏N植在鉛含量不大于1 300mg/kg的土壤中，可以對土壤進行修復(fù)，而且隨著土壤的鉛含量的升高，修復(fù)效果也會加強。

2.3 不同土壤中的鉛含量對山藥塊根的鉛吸收量的影響

山藥-1、山藥-2、山藥-3分別代表山藥塊根由內(nèi)到外的3個部分，其中山藥-3代表山藥塊根的外表皮。山藥不同部分的鉛含量測試結(jié)果見表3。

表3　山藥塊根中的鉛含量（mg/kg）

從表中得知，山藥塊根對的外表其對土壤中的鉛的富集量較大，最高的五號箱體，達到7.2231 mg/kg塊根芯的富集量較少，在1、2號中都未監(jiān)測出鉛的含量。當(dāng)土壤鉛含量達到732 mg/kg時，山藥塊根芯的鉛含量還在國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)對污染物限值（GB2762-2012）的要求（＜0.2 mg/kg）范圍內(nèi)，只是山藥塊根表皮的鉛含量超過了標(biāo)準(zhǔn)限值；當(dāng)土壤鉛含量≥1000 mg/kg，無論是塊根表皮還是芯的鉛含量都超過標(biāo)準(zhǔn)限值，這樣的食品存在安全問題[4]。

試驗認(rèn)為將山藥種植在鉛中度污染的土壤（鉛含量不大于700 mg/kg）中，食用時只要去皮或者用在淀粉制品上都是安全可靠的。隨著土壤中鉛含量的上升，塊根的芯對鉛的吸收量呈現(xiàn)出先慢后快的趨勢，但是塊根的表皮表現(xiàn)出的規(guī)律與塊根的芯正好相反。

2.4 山藥的地上莖稈、葉片部分對土壤中的鉛的吸附狀況

常用富集系數(shù)或者吸附指數(shù)來衡量植物對土壤重金屬的修復(fù)情況。吸收指數(shù)是指植物體中的鉛含量與其生長的土壤中的鉛含量的比值。圖2中是山藥地上部分總的吸收系數(shù)和地上莖稈、葉片的吸收系數(shù)隨土壤鉛含量的變化趨勢。

從圖中的變化趨勢可以看出，地上莖稈、葉片對鉛的吸收系數(shù)都是隨著鉛含量的升高先變大后變小。能從圖中看出地上莖稈的鉛吸收系數(shù)大于葉片，所以地上莖稈對于土壤鉛的吸收能力強于葉片。葉片的吸收系數(shù)在土壤鉛含量450～550 mg/kg時達到最大值，約2.2 ％；而地上莖稈的吸收系數(shù)則在380～450 mg/kg的土壤鉛含量下達到最大值5.3％。綜合分析山藥地上部分的吸收系數(shù)，也是隨著土壤鉛含量的升高先增大后減小，在400～500 mg/kg土壤鉛含量之間達到最大值。因此，山藥種植在輕度鉛污染的土壤中，其地上部分能起到對污染的最佳修復(fù)效果[5]。

3 結(jié)論

對不同含量鉛污染土壤中山藥地上、地下不同組織鉛含量進行比較，得出以下結(jié)論。

1）山藥地上部分吸收系數(shù)隨土壤鉛含量升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在輕度污染農(nóng)田中，修復(fù)效果最好。

2）通過觀察山藥在不同鉛含量土壤中的生長情況和產(chǎn)量，可以發(fā)現(xiàn)土壤鉛污染的程度對山藥的生長影響不明顯，說明山藥對土壤鉛有一定的耐受性，可以在鉛污染農(nóng)田種植。

3）通過對山藥塊根鉛含量的分析可以看出，山藥吸收的鉛主要聚集在塊根表皮。在中輕度鉛污染農(nóng)田中種植的山藥去皮后仍可食用，仍符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)。

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Research on Commercial Crop Absorption Effect in Lead-Contaminated Soil

LIANG Zhi1，LU Zhifan1，LIU Xikun2，LIANG Xiao3，MA Jie4，SUN Xiaohu2，ZHANG Shuangsheng2
(1.Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221018, China; 2.Water Affairs Bureau of Xuzhou, Xuzhou 221018, China; 3.Shanghai University of Finance and Economics, Shanghai 200433, China; 4.China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

Abstract：With the rapid development of cities, the problem on heavy metal contamination in original factory sites of the removed chemical enterprises has attracted more and more concern among residents.Our research conducts on a cabinet growing experiment based on the soil from the original factory lands.According to empirical work, we summarize three main conclusions: the partial absorption coefficient of Chinese yam initially increases then decreases with soil lead levels and the soil restoration effect performs best in lightly polluted lands planted with Chinese yam; the lead absorbed by yam mainly accumulates in the root epidermis which means peeled yam in the mild contaminated lands is still edible; soil lead contamination has few influence on the growth of the Chinese yam which means yam has certain tolerance on lead pollution.In brief, Chinese yam can be planted in lead-contaminated land for soil restoration.

Key words：Chinese yam; heavy metals; contaminated soil; soil restoration

作者簡介：梁 峙（1961-），男，廣東中山人，博士，教授，主研方向為環(huán)境工程。

基金項目:水利部科技推廣計劃項目“徐州礦井廢水綜合生態(tài)治理示范技術(shù)”(項目編號:TG1517)，主持人劉喜坤; 江蘇水利科技重點項目“徐州礦井水綜合生態(tài)治理技術(shù)及開發(fā)利用模式”(項目編號:2014052)，主持人劉喜坤; 住建部科學(xué)技術(shù)計劃項目“太陽能驅(qū)動一體化反應(yīng)器處理分散型農(nóng)村污水模塊化研究”(項目編號: 2015-K6-018)，主持人梁峙；江蘇省住建廳科技計劃項目“農(nóng)村生活垃圾高效處理技術(shù)研究”（項目編號:2015JH07），主持人梁峙; 國家建筑材料行業(yè)科技創(chuàng)新計劃-研究開發(fā)類項目“改性錳渣燒制外墻保溫輕質(zhì)瓷磚研究”(項目編號:2014-M3-3)，主持人梁峙; 徐州市科技發(fā)展基金計劃項目“典型企業(yè)周邊土壤鉛鋅污染修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)及綜合治理示范”(項目編號:KC15SM032)，主持人梁峙。

收稿日期：2016-02-25

中圖分類號：X53

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1674-943X(2016)01-0001-04