镉(Cd)是毒性最强的重金属元素之一，在自然界中普遍存在^[1]。土壤中的Cd被植物根系吸收后，通过食物链进入人体并不断累积，严重威胁人类健康^[2]。近年来，随着我国工业化和城市化进程不断加快，大量污染物随之产生并排入环境中，土壤作为环境的最终受体，污染日益加剧^[3]。根据2014年4月环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤调查点位超标率为16.1%，其中耕地土壤点位超标率达19.4%，土壤Cd点位超标率达7.0%，特别是西南、中南地区，土壤重金属超标范围较大^[4]。广西矿产资源丰富，土壤重金属背景值偏高，是土壤重金属超标的高发地区。2001年，特大洪灾导致广西大环江上游铅锌硫铁矿区约1万m³的尾砂和硫铁粉冲入沿江的农田，致使约613 hm²良田遭受酸化和重金属污染，其中Cd轻度污染农田面积约300 hm²，土壤pH值低至2.31^{[5, 6]}，急需进行土壤治理和修复。

目前，土壤治理和修复的方法主要有物理法(如换土、深耕翻土、土壤淋洗和电动修复等)和化学法(如化学沉淀法、氧化还原法和化学浮选法等)。这类方法虽然治理速度快，效果较好，但其成本高，对土壤结构有损害，易造成二次污染，只适合小面积污染土壤的治理^[7]。植物修复因成本低、环境友好以及可大规模原位修复而备受欢迎，成为近年来迅速发展的土壤污染治理技术^[8]。皇竹草(Pennisetum hydridum)为多年生三倍体禾本科植物，原产于哥伦比亚，属C4植物，具有根系发达、生长快、产量高、耐旱涝、耐贫瘠、抗酸碱等特点。我国于20世纪80年代作为牧草引进，近年来不仅广泛应用于饲料、造纸、饮料和食品等领域，而且作为一种无入侵风险的引种植物，还被探索性地用于生态环境治理^{[9, 10]}。本研究根据广西环江县重金属Cd污染农田的实际情况，选用皇竹草作为重金属Cd提取材料，研究在施用不同土壤添加剂的辅助配合下，皇竹草对污染农田的实地治理和修复效果，并分析其后续应用的安全性，从而为酸与Cd低污染土壤的治理、修复和安全应用提供参考。

试验区位于广西环江毛南族自治县西北部大环江沿岸农田，位于东经107°51′~108°43′，北纬24°44′~25°33′，属亚热带季风气候，年平均气温19.9 ℃，年降雨量1389～1750 mm。

试验区土壤基本理化性状：容重(1.21±0.08)g·cm^-3，孔隙度53.52%±2.70%，有机质含量(17.09±1.95) g·kg^-1，碱解氮含量(73.12±7.00)mg·kg^-1，速效钾含量(43.16±13.36)mg·kg^-1，速效磷含量(14.39±5.47)mg·kg^-1。

试验区土壤污染状况：pH为4.60±0.74，呈酸性；土壤全Cd为(0.71±0.26)mg·kg^-1，超出《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)二级限值^[11](土壤全Cd≤0.3 mg·kg^-1，pH < 6.5)，为Cd轻度污染。

皇竹草：种苗由当地牧场提供。

石灰：来自环江县水源镇温平石灰厂，pH13，全Cd含量为0.19 mg·kg^-1。

氢氧化钠：来自新疆中泰化学股份有限公司，全Cd含量为1.19 mg·kg^-1。

有机肥：来自环江县大才乡新坡村木连屯，为当地农家自制的腐熟鸡粪肥，pH6.5，全Cd含量为0.31 mg·kg^-1。

蚕沙：来自环江县思恩镇文化村下兰屯，pH9，全Cd含量为0.11 mg·kg^-1。

采用田间定位试验，设两个试验小区，分别为种植皇竹草和不种植物，每个小区面积约667 m²。每个小区内设置4组土壤添加剂施用处理，分别为不施用土壤添加剂(对照)、石灰-氢氧化钠单施、石灰-氢氧化钠与有机肥配施、石灰-氢氧化钠与蚕沙配施。土壤添加剂施加情况为：石灰1000 kg·667 m^-2，氢氧化钠500 kg·667 m^-2，有机肥2000 kg·667 m^-2，蚕沙2000 kg·667 m^-2。每组处理设2次重复，各处理在小区中的方位随机分布。

实验区土壤经过土地平整、翻耕、划片分区后施用添加剂，平衡60 d后种植皇竹草，种植密度(行距×株距)为80 cm×50 cm，试验周期为2011年3月至2011年10月，植物全生育期不进行施肥，灌溉用水符合《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005)^[12]，采用人工除草方式去除田间杂草。

翻耕土壤及植物收获后，每个片区按五点法采集土壤样品，取耕层0~20 cm土壤组成混合样品，于取样现场编号，在室内风干，除去土壤中的石块、植物根系和凋落物后粉碎，过30目(0.6 mm)筛，用于测定土壤Cd含量。植物成熟后对地上部进行测产，并在每个片区采用五点法取样，采集各样点1 m²内的植物地上部，组成混合样品，用自来水清洗表面粘附的土壤，再用去离子水淋洗3遍，晾干，105 ℃杀青30 min，65 ℃烘至恒重，粉碎，用于测定植物中Cd含量。

土壤样品采用HNO₃-H₂O₂消煮，植物样品采用HNO₃-HClO₄消煮^[13]，电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)测定Cd^[14]。分析过程添加国家标准物质(土壤：GSS-1、GSS-4；植物：GSV-3)进行分析质量控制。

修复效果评估采用植物提取量、植物提取效率、预计修复年限等指标进行比较和分析，计算公式^[15]如下：

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所有试验数据均采用Excel 2003和SPSS 19.0 LSD法进行统计分析。

不同处理条件下，耕层土壤pH变化如表 1所示。植物种植与否对土壤pH值影响很小，而施用添加剂后土壤酸性得到改善，土壤的pH值均显著提高(P < 0.05)，但不同的添加剂施用措施之间无显著性差异。与对照组相比，单施碱性添加剂或碱性添加剂与有机质配施均可有效中和土壤溶液中大量活性酸，提高土壤pH值。而添加有机肥和蚕沙等有机质后，有机质增加了土壤缓冲性，使添加的碱性添加剂缓释，能有效抑制土壤返酸。

表 1 不同处理条件下耕作层土壤pH值 Table 1 Effects of different treatments on soil pH

表选项

由表 2可以看出，各处理条件下，皇竹草生物量为71.13~85.24 t·hm^-2，在试验期间皇竹草生长发育均未出现明显胁迫现象，各生长阶段无受抑制表现，可正常生长。与对照相比，添加石灰+氢氧化钠和有机质或蚕沙后皇竹草生物量显著增加(P < 0.05)，增加量为17.52~24.11 t·hm^-2。施用添加剂后，皇竹草生物量增加主要是由于碱性添加剂减缓了土壤酸性，同时土壤有机质提供了充足的养分，促进了植物生长。

表 2 皇竹草的生物量、Cd的含量及其对Cd的富集系数、提取量和提取效率 Table 2 Effects of different treatments on biomass，and Cd concentration，BAF，extraction amount and extraction efficiency of plant

表选项

各处理条件下，皇竹草中Cd含量为0.86~1.69 mg·kg^-1，富集系数均大于1，表现出一定的Cd富集特性。与对照相比，施用土壤添加剂处理后，皇竹草中Cd含量均显著下降(P < 0.05)，但三种添加剂处理之间差异不明显(P>0.05)。这主要是因为施用添加剂后，土壤中Cd的有效性降低，抑制了皇竹草对Cd的吸收，此外皇竹草生物量增加，对植物体内的Cd含量也起到一定的稀释作用。

各处理条件下，皇竹草对Cd的提取量为76.33~119.91 g·hm^-2，提取效率为4.44%~6.98%。对照处理产出的皇竹草对Cd的提取量最大，达到119.91 g·hm^-2，提取效率为6.98%，是其他施用添加剂处理的1.27~1.57倍。

不考虑雨水淋溶等影响，假设植物对土壤Cd的提取效率一定，将试验区耕作层土壤Cd含量(0.71 mg·kg^-1)修复到国家土壤环境质量二级标准限值以内，根据公式计算，在不施用添加剂处理中，种植皇竹草的修复年限最短，仅为9 a，添加石灰+氢氧化钠、石灰+氢氧化钠+有机质、石灰+氢氧化钠+蚕沙处理的修复年限分别为11、13、16 a。因此，在酸与Cd低污染农田土壤中，不施用添加剂处理，利用皇竹草作为修复材料进行土壤修复具有较好的潜力。

由表 3可见，试验区种植前耕层土壤Cd含量为0.52~0.95 mg·kg^-1，平均含量为(0.71±0.26)mg·kg^-1，超出国家土壤环境质量二级标准中Cd限值，需进行土壤修复。不同添加剂处理模式下，种植皇竹草土壤中Cd的含量降低0.05~0.10 mg·kg^-1，其中对照处理种植皇竹草的土壤Cd含量降低最多，与该处理条件下皇竹草提取效率最高的结果一致。未种植作物土壤中Cd的含量降低0.01~0.02 mg·kg^-1。

表 3 耕作层土壤中Cd的含量(mg·kg^-1干重) Table 3 Effects of different treatments on Cd concentration in soil(mg·kg^-1 dry weight)

表选项

皇竹草的干湿比为0.218，依据表 2所列皇竹草干重中Cd含量0.86~1.69 mg·kg^-1，计算得到试验区各处理产出的皇竹草鲜重中Cd含量为0.11~0.28 mg·kg^-1。按照皇竹草的用途(饲料、肥料、生物燃料等)，将本研究得到的皇竹草中Cd含量值与相关国家标准中Cd含量限值进行比较，可确定其应用是否安全。产出的皇竹草若作为饲料用于养殖用途，各处理产出皇竹草鲜重中的Cd含量均在《饲料卫生标准》(GB 13078—2001)^[16]中最严格的Cd最高限量值(鸡配合饲料、猪配合饲料)范围(≤0.5 mg·kg^-1)内，故可安全应用。若作为肥料，用于还田用途，各处理产出皇竹草鲜重中的Cd含量均在《肥料中砷、镉、铅、铬、汞生态指标》(GB/T 23349—2009)^[17]规定的肥料中Cd及其化合物的限量值范围(≤10 mg·kg^-1)内，亦可安全应用。若作为生物燃料，用于替代薪材用途，施用添加剂的各处理产出皇竹草干重中的Cd含量均在《生物质成型燃料及燃烧设备技术规范》(SZDB/Z 109—2014)^[18]规定的生物质成型燃料的可溶性Cd限量要求范围(≤1 mg·kg^-1)内，同样可安全应用；而对照处理产出皇竹草干重中的Cd含量超出了该限量标准值，还需开展进一步研究。若作为造纸或生物乙醇的生产原料，未见相关原材料的Cd限量值标准，故可安全应用。

各处理条件下，土壤中Cd含量为0.71 mg·kg^-1时，皇竹草中Cd的含量为0.86~1.69 mg·kg^-1(干重)，富集系数均大于1，表明皇竹草对Cd具有一定的富集作用。易自成等^[1]研究结果显示，在1 mg·kg^-1 Cd处理土壤中，皇竹草地上部分Cd的含量为2.56 mg·kg^-1，与本研究结果基本一致。李钱鱼等^[19]研究发现，在1 mg·L^-1 Cd处理水中皇竹草地上部分Cd的含量为13.38 mg·kg^-1，高于本研究Cd含量，可能是因为水培条件下Cd的有效性更高，更易于植物吸收。本文未开展土壤中Cd有效性的变化研究，可在未来开展相关研究，分析土壤Cd有效性与皇竹草对Cd的吸收富集量之间的关系，以便更好地通过施用添加剂等辅助措施来提高修复效果。

皇竹草对Cd的提取量和提取效率最高分别达119.91 g·hm^-2和6.98%，优于同等条件下种植的Cd超富集植物龙葵和甘蔗，分别为龙葵和甘蔗的3.5倍和10倍^[20]。植物提取效果与生物量密切相关^{[21, 22]}。本研究中，尽管皇竹草Cd含量是同等种植条件下龙葵的10%左右，但其生物量是龙葵的65倍，由于重金属在皇竹草体内的生物稀释效应，使皇竹草并未出现Cd的胁迫反应，大生物量的积累使皇竹草表现出了比Cd富集植物龙葵更高的Cd提取效率。因此，在中轻度污染情况下，大生物量的植物皇竹草比龙葵的修复效果更好。杨勇等^[23]比较了超富集植物遏蓝菜(Thlaspi caerulescens)和3种高生物量植物印度芥菜(Brassica juncea)、烟草(Nicotiana tabacum)和向日葵(Helianthus annuus)对土壤Cd(总Cd 2.87 mg·kg^-1)的提取效率，结果分别为：烟草1%，遏蓝菜0.6%，印度芥菜0.5%，向日葵0.08%。尽管遏蓝菜体内Cd含量可达43.7 mg·kg^-1，但大生物量植物对Cd的提取效率高于小生物量的超富集植物，因此大生物量植物更具有实际修复意义。侯新村等^[24]在轻度污染土壤上(总Cd 0.16 mg·kg^-1)分析了柳枝稷(Panicum virgatum)、荻(Triarrhena sacchariflor)、芦竹(Arundo donax)和杂交狼尾草(Pennisetum americarum× P. purpureum)对Cd的吸收能力，发现4种植物对Cd的提取量分别为1.36、2.23、2.66、6.07 g·hm^-2。熊国焕等^[25]通过大田试验(总Cd 3.33~3.79 mg·kg^-1)发现，龙葵地上部对Cd的年提取量为152.04 g·hm^-2，年提取效率为0.94%。Wu等^[26]的田间试验结果表明，东南景天(Sedum alfredii)对Cd的提取效率为1%左右。本试验在大田环境下进行，皇竹草的提取效率均远高于以上植物，因而皇竹草是一种修复酸与Cd污染农田的可行性材料。

以皇竹草为修复材料，将试验区0~20 cm表层土壤中的Cd(0.71 mg·kg^-1)修复到国家土壤环境质量二级标准限值以内(全Cd≤0.30 mg·kg^-1，pH＜6.5)，根据计算最短只需要9年，显示利用皇竹草对酸与Cd污染土壤进行治理和修复具有很大的潜力。此外，皇竹草是一种刈割型植物，生长周期短，收获期长。李德明等^[27]研究了刈割频率对皇竹草产量的影响，结果表明刈割周期在90 d左右时，皇竹草的产量最高。因此，在实际应用中，皇竹草每年可以种植4~6茬，实际修复年限更短。

皇竹草用途广泛，不仅是植物修复材料，也是优质牧草和能源植物。利用皇竹草修复和治理Cd污染的农田既可有效去除土壤中Cd，又可以利用污染农田产出的皇竹草生产生物乙醇，同时还可以探索利用皇竹草养殖鸡、鹅、兔、猪、牛等农田安全综合利用措施。皇竹草作为能源植物，可用于生产乙醇、生物质发电、发酵产生沼气等方面^{[28, 29, 30]}，作为牧草，其养殖经济效益也较高^{[31, 32]}。因此，利用皇竹草修复和治理Cd污染农田土壤是可行的，并可利用污染区产出的皇竹草开展后续利用，在污染治理的同时还能获得一定的经济效益，应用前景良好。

在应用的安全性方面，根据本研究的分析结果可知，污染区各处理产出的皇竹草可以安全应用于畜牧养殖以及作为还田材料、造纸原料和生物乙醇原料，其Cd含量均在相关标准限制范围内。若作为生物质燃料应用，则经过添加剂处理的农田产出的皇竹草可以安全应用，未经处理的农田产出皇竹草干重中Cd总量超过生物质成型燃料中可溶性Cd的限量值，由于该标准为地方标准化指导性技术文件，国家尚未对于该类指标发布强制性标准限制，故总体而言，污染区各处理产出的皇竹草仍可安全应用于生物质成型燃料制造。此外，根据杨居荣等^[33]对植物体内Cd的形态分布的研究结果，一般植物体内可溶性Cd占总量的45%~69%，对照处理产出的皇竹草体内可溶性Cd的含量有可能在标准限量范围内。本研究未测定皇竹草干重中的可溶性Cd含量，对此还需开展进一步研究，继续探索污染区产出的皇竹草在更多用途中的安全性。从污染农田综合利用角度考虑，经过添加剂处理的污染农田，受土壤中Cd有效性影响，所产出的皇竹草体内Cd含量更低，且生物量更大，会有更高的经济效益和应用安全性，虽然施用添加剂对于土壤Cd修复的效果有一定抑制，使整体修复年限较对照处理延长1.2~1.7倍，但更具备污染农田的修复与安全综合利用相结合的推广应用前景。今后还应开展土壤添加剂处理对土壤Cd有效态含量与植物生物量的影响研究，以便合理权衡获取生物量和累积镉浓度间最适当的配合，为进一步修复和安全利用Cd污染农田土壤提供更可靠的科学依据。

(1)大田试验条件下，皇竹草对土壤重金属Cd表现出一定的富集特性，是治理和修复酸与Cd污染土壤良好的植物修复材料。

(2)不施用添加剂处理下，皇竹草对土壤Cd的提取量和提取效率最高，修复到国家土壤环境质量二级标准限值最短仅为9年，故用于进行酸与Cd污染土壤的治理和修复是可行的。

(3)以皇竹草为修复植物材料对污染土壤进行治理和修复，既可实现重金属污染土壤修复，又可安全应用于饲用牧草、还田肥料、造纸原料、能源植物等用途，拓展了污染农田的综合应用前景。