摘要: 为了探讨利用桑树作为土壤重金属污染修复树种的可行性，以桂西北某锰矿周边的桑园作为研究样地，采集其土壤、桑树根部、茎部、皮部及叶片样品，用湿法消解—火焰原子吸收光谱法，测定了样品中的Cd、Cr、Cu、Zn、Mn、Pb等6种重金属元素的含量，分析了不同调查样地桑树根部土壤的单因子污染指数、内梅罗综合污染指数及地累积指数。结果表明：1) 调查样地桑园土壤中的Zn为无污染到中度污染，Pb为中度污染到强污染，Mn和Cd均达到重度污染。2) 桑树对重金属具有较强的耐受性，但对不同重金属的吸收、富集和转运能力有一定的差异。3) 在被测的6种重金属元素中，桑树对Cr、Zn、Cu的富集能力相对较强，对Pb、Cd、Mn的富集能力相对较弱；桑树对Cr和Mn的转运能力相对较强，对Pb的转运能力最弱，其吸收的重金属元素主要是累积在根部。因为桑树对锰等重金属复合胁迫具有较强的耐性，同时具有一定的吸收和转运能力，经济效益高，所以，桑树可用于土壤重金属污染的植物修复。
Abstract:
In order to explore the feasibility of using mulberry trees as tree species for soil heavy metal pollution remediation, mulberry fields around a manganese mine in northwest Guangxi were used as research site. Samples of soil, mulberry roots, stems, bark, and leaves were collected. The content of six heavy metal elements, including Cd, Cr, Cu, Zn, Mn, Pb, in the samples was determined using wet digestion flame atomic absorption spectroscopy. The single factor pollution index, Nemero comprehensive pollution index, and geo-accumulation index of mulberry root soil in different survey sites were analyzed. The results showed that: 1) Zn in the surveyed mulberry orchard soil ranged from no pollution to moderate pollution, Pb ranged from moderate pollution to strong pollution, and both Mn and Cd reached severe pollution. 2) Mulberry trees have strong tolerance to heavy metals, but there are certain differences in their ability to absorb, enrich, and transport different heavy metals. 3) Among the six tested heavy metal elements, mulberry trees have relatively strong enrichment abilities for Cr, Zn, and Cu, while their enrichment abilities for Pb, Cd, and Mn are relatively weak; Mulberry trees have relatively strong transport capacity for Cr and Mn, while their transport capacity for Pb is the weakest. The heavy metal elements they absorb are mainly accumulated in the roots. Due to the strong tolerance of mulberry trees to combined stress of heavy metals such as manganese, as well as their ability to absorb and transport, and high economic benefits, mulberry trees can be used for phytoremediation of soil heavy metal pollution.
1. 引言
广西矿产资源丰富，河池是著名的有色金属之乡，但由于不合理开采及其他诸多原因，导致矿区周边农地受到一定程度的重金属污染。土壤重金属污染是危害最大的环境问题之一[1]，在重金属污染土壤中种植的农作物，其生长发育必定受到重金属的不良影响，使其产量减少、品质下降[2]。人类如果长期食用重金属污染的农产品，重金属通过食物链进入并累积在人体中，可能对人的健康造成严重危害[3]，因而土壤重金属污染治理一直是人们高度关注的热点问题。
目前，重金属污染土壤的修复技术，主要包括物理化学修复和植物修复[4]，物理修复中的大部分方法，仅适用于污染物含量不高且取土方便的地区[5]。深耕翻土法容易破坏土壤结构，降低土壤肥力[6]；换土法仅适用于小面积污染治理[7]；电动修复法能耗和成本较高[8]。植物修复可分为植物挥发、植物固定和植物提取，是目前修复重金属污染土壤的一种有效途径和方法[9] [10]。其中，植物挥发多应用于挥发性较强的重金属污染土壤修复，对汞和硒污染土壤的处理效果比较好[11]；植物固定技术主要通过降低重金属活性来实现[12]；植物提取技术主要是利用植物根系的吸收能力及植物的抗逆性和运转能力，减少重金属在土壤中的累积[13]。
我国栽培桑树历史悠久，是世界上第一个开始种桑养蚕的国家。被誉为树中王者的桑树，不仅种类多，品质好，而且浑身是宝[14]，其组织器官含有丰富的营养成分，不但蕴含多种抗氧化物质，还含有十几种氨基酸[15]。董中凯[16]等人研究发现，对重金属复合污染区域进行植物修复时，可以优先考虑种植桑树。曾鹏[17]等人的相关研究结果表明，桑树可对尾矿区重金属污染的土壤进行原位修复。陈明[18]等人研究表明，桑树生长不受其周边环境的影响，且耐受性很强，可以种植在尾矿等土壤污染严重的地方。覃勇荣[19]等人研究了EDTA对桑树幼苗吸收Pb的影响，发现桑树具有较大的土壤铅污染修复潜力。Taghizadeh [20]等人研究了伊朗阿拉克城市景观中栽培桑树的重金属累积情况，结果发现，桑树果实和桑叶中累积的多种重金属元素，其含量已大大超过了伊朗食品安全国家标准和联合国相关机构规定的食品安全限值，对人体健康具有较大的潜在风险。
为了进一步说明桑树对重金属污染土壤的修复潜力，本研究选取广西河池市宜州区龙头锰矿周边的桑园为研究对象，通过对桑树不同组织器官及其根部土壤Cd、Cr、Cu、Zn、Mn、Pd六种重金属元素含量的测定，分析桑树不同组织器官对被测重金属元素的富集能力及转运能力，旨在充分发挥桑树的生态和经济效益，促进区域经济发展，为有色金属矿区及周边地区土地资源的合理利用和土壤重金属污染治理提供理论支持。
2. 材料与方法
2.1. 研究区域概况
本研究区域位于河池市宜州区龙头乡锰矿周边受重金属污染的桑园。龙头锰矿位于宜州正西方向约60 km处，属于典型的海相沉积型矿床，主要以氧化锰和碳酸锰为主。该矿床于20世纪50年代被发现并探明，经过60多年的开采，可采资源储量明显不足。该矿区锰的含量比较高，伴生有铅、锌、铜、镍、钴等其他重金属元素[21]。龙头乡属亚热带季风气候区，年均气温为摄氏19.6℃20.2℃，年日照时数为1496.7 h，年平均降水量为1600 mm。
2.2. 样品采集及处理
2022年7月至9月，按照常规的采样方法，采集了6个矿区周边桑园调查样地的样品，每个调查样地的桑园面积不小于300 m2。按照蛇形采样法，对每一个桑园样地进行每隔5~6 m的五点采样，选定桑树采样的植株后，同时采集相应桑树根部0~20 cm的表土，过2 mm尼龙筛，按照四分法取适量装入聚乙烯密封袋中保存。
采集桑树样品后，及时带回实验室，先用自来水冲洗干净样品中的灰尘和泥土等杂质，然后用纯净水对样品进行超声洗涤，最后再用超纯水反复清洗3次，将样品晾干后，把其分为根、茎、叶、皮4部分，置于105℃电热恒温鼓风干燥箱内杀青30 min，65℃烘干至恒重，然后再用微型植物样品粉碎机粉碎，过100目筛[22]，最后装入塑料自封袋中干燥保存。同时，剔除桑树根部土壤样品中的砾石等异物，室内自然风干后，磨碎过筛，置于塑料自封袋中保存，备用。
2.3. 实验方法
2.3.1. 重金属含量的测定
土壤和植物样品重金属含量的测定，用湿法消解–火焰原子吸收光谱法，具体参考陈晓红[23]和范春辉的方法[24]。
2.3.2. 研究区域土壤重金属污染评价
利用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、地累积污染指数法，分析研究区域土壤的重金属污染情况，对土壤污染程度进行评价，根据植物的重金属富集系数和重金属转运系数，探讨利用桑树修复该研究区域土壤重金属污染的可行性[25]-[30]。
2.3.3. 数据处理分析
样品测定设置3个平行，结果取平均值，实验数据的统计用Excel 2010进行，桑树不同组织器官中的重金属含量数据图用Origin 2018进行绘制，桑树根部土壤与桑树不同组织器官重金属含量的相关性分析用SPSS 27.0进行。
3. 结果与分析
3.1. 不同调查样地桑树根部土壤的重金属含量
不同调查样地桑树根部土壤重金属含量的测定结果见表1。由此可知，在被测的重金属元素中，Cd、Cr、Zn、Cu、Mn、Pb的含量分别为：4.03~6.54 mg/kg、15.64~27.44 mg/kg、113.94~138.37 mg/kg、12.56~24.92 mg/kg、4686.34~27033.64 mg/kg、76.21~189.21 mg/kg。参照广西土壤重金属含量的背景值[31]，LT采样点镉、锌、锰、铅的含量均超过广西土壤背景值，铬、铜的平均含量则低于广西土壤背景值。其中，锰和镉的含量分别超过广西土壤背景值的96.32倍和53.89倍，锌和铅的含量分别是广西背景值的2.21倍和7.32倍，铬和铜的含量分别是广西土壤背景值的0.31和0.94倍。
Table 1. Heavy metal content in the root soil of mulberry trees in different survey sites (mg/kg)
表1. 不同调查样地桑树根部土壤的重金属含量(mg/kg)
样品编号 |
Cd |
Cr |
Cu |
Zn |
Mn |
Pb |
LT1 |
5.51 ± 0.03c |
25.57 ± 1.51ab |
18.83 ± 0.98ab |
118.23 ± 1.49d |
27033.64 ± 388.39a |
182.27 ± 10.47a |
LT2 |
4.03 ± 0.01d |
23.09 ± 0.89b |
16.70 ± 0.37b |
113.94 ± 0.87b |
5832.36 ± 25.74d |
76.21 ± 5.37a |
LT3 |
6.54 ± 0.04ab |
18.33 ± 0.28c |
18.68 ± 0.44 |
129.92 ± 0.30b |
22826.04 ± 456.4c |
137.34 ± 0.01a |
LT4 |
5.97 ± 0.12bc |
15.64 ± 0.46d |
24.92 ± 0.04 |
122.85 ± 0.89c |
24859.44 ± 88.29b |
189.21 ± 6.19a |
LT5 |
5.60 ± 0.51c |
25.78 ± 0.66ab |
12.56 ± 0.05ab |
138.37 ± 0.61a |
4686.34 ± 36.19e |
81.44 ± 4.18a |
LT6 |
5.18 ± 0.14c |
27.44 ± 0.34a |
14.38 ± 1.70a |
122.99 ± 2.27c |
5053.97 ± 39.60e |
107.75 ± 1.37a |
注：① 大写字母“LT”表示样地名称；② 同一行数据中不同小写字母表示差异显著(p < 0.05)，下同。
对表1数据的比较分析可知，桑树根部土壤的重金属含量高低排序为：Mn > Pb > Zn > Cr > Cu > Cd，LT1采样点Mn含量最高，达到27033.64 mg/kg，表明桑树对Mn具有很强的耐受性，能在Mn元素污染严重的土壤中正常生长。
3.2. 不同调查样地桑园土壤重金属污染评价
桑树根部土壤的单因子污染指数和内梅罗综合污染指数计算结果见表2。由此可知，不同调查样地桑树根部土壤锰、铜、锌、铬、镉和铅的单因子污染指数分别为29.99~173.03、0.67~1.32、2.03~2.46、0.22~0.38、39.70~64.43和4.32~10.73。单因子污染指数平均值小于1的是铜和铬，说明其未受这两种重金属的污染；锰、锌、镉、铅的单因子污染指数均大于1，说明该研究区域的桑园土壤均受到这4种重金属的污染；单因子污染指数大小排序为：锰 > 镉 > 铅 > 锌 > 铜 > 铬，说明在调查样地被测的重金属元素中，锰的污染最为严重。根据内梅罗综合污染指数的等级划分标准，LT各采样点的综合污染指数均大于5，属于重污染。表3为不同调查样地被测重金属元素地累积污染指数的计算结果，由此可知，铬和铜的地累积污染指数均小于0，说明未受污染。锌的地累积污染指数0 < Igeo-Zn < 1，为1级污染；铅的地累积污染指数1 < Igeo-Pb < 3，为2~3级污染；2/3以上采样点镉和锰的地累积污染指数超过5，为6级污染，表明该研究区域桑园土壤受到了重度的镉和锰的污染。
Table 2. Single factor pollution index and Nemero pollution index of mulberry root soil in different survey sites
表2. 不同调查样地桑树根部土壤的单因子污染指数和内梅罗污染指数
采样点 |
Pi-Mn |
Pi-Cu |
Pi-Zn |
Pi-Cr |
Pi-Cd |
Pi-Pb |
PN |
LT1 |
173.03 |
1.00 |
2.10 |
0.35 |
54.29 |
10.34 |
38.43 |
LT2 |
37.33 |
0.89 |
2.03 |
0.32 |
39.70 |
4.32 |
28.10 |
LT3 |
146.10 |
0.99 |
2.31 |
0.25 |
64.43 |
7.79 |
45.60 |
LT4 |
159.11 |
1.32 |
2.18 |
0.22 |
58.82 |
10.73 |
41.63 |
LT5 |
29.99 |
0.67 |
2.46 |
0.36 |
55.17 |
4.62 |
39.03 |
LT6 |
32.35 |
0.76 |
2.19 |
0.38 |
51.03 |
6.11 |
36.10 |
平均值 |
96.32 |
0.94 |
2.21 |
0.31 |
53.91 |
7.32 |
38.15 |
Table 3. Geo-accumulation index of mulberry root soil in different survey sites
表3. 不同调查样地桑树根部土壤的地累积污染指数
采样点 |
Cd |
Cr |
Cu |
Zn |
Mn |
Pb |
LT1 |
5.18 |
−2.08 |
−0.59 |
0.49 |
6.85 |
2.79 |
LT2 |
4.73 |
−2.23 |
−0.76 |
0.43 |
4.64 |
1.53 |
LT3 |
5.42 |
−2.56 |
−0.60 |
0.62 |
6.61 |
2.38 |
LT4 |
5.29 |
−2.79 |
−0.18 |
0.54 |
6.73 |
2.84 |
LT5 |
5.20 |
−2.07 |
−1.17 |
0.71 |
4.32 |
1.62 |
LT6 |
5.09 |
−1.98 |
−0.97 |
0.54 |
4.43 |
2.03 |
平均值 |
5.15 |
−2.29 |
−0.71 |
0.56 |
5.60 |
2.20 |
根据不同采样点桑园土壤被测重金属元素地累积污染指数的平均值，其大小排序为：锰 > 镉 > 铅 > 锌 > 铜 > 铬。该结果与单因子污染指数的计算结果一致。
3.3. 桑树不同组织器官中的重金属含量
桑树不同组织器官中的重金属含量测定结果见图1~4。由图1可知，不同采样点桑树根部Cd、Cr、Cu、Zn、Mn、Pd的含量分别为：1.19~1.96 mg/kg、1.20~2.14 mg/kg、4.20~9.34 mg/kg、27.92~52.72 mg/kg、304.21~2106.67 mg/kg、20.27~51.76 mg/kg，其平均含量的高到低排序为：Mn > Pb > Zn > Cu > Cr > Cd。由图2可知，不同采样点桑树茎部Cd、Cr、Cu、Zn、Mn、Pd的含量分别为：0~0.85 mg/kg、8.99~13.00 mg/kg、1.67~23.97 mg/kg、16.35~23.86 mg/kg、370.73~408.64 mg/kg、4.61~5.79 mg/kg，其平均含量的高到低排序为：Mn > Zn > Cr > Pb > Cu > Cd。由图3可知，不同采样点桑树叶部Cd、Cr、Cu、Zn、Mn、Pd的含量分别为：0.00~0.48 mg/kg、11.78~30.50 mg/kg、1.53~9.46 mg/kg、23.41~64.45 mg/kg、439.78~920.10 mg/kg、13.13~18.17 mg/kg，其平均含量高到低排序为：Mn > Zn > Pb > Cr > Cu > Cd。由图4可知，不同采样点桑树皮部Cd、Cr、Cu、Zn、Mn、Pd的含量分别为：0 mg/kg、2.23~7.52 mg/kg、1.78~4.60 mg/kg、9.19~49.79 mg/kg、415.14~616.03 mg/kg、5.65~8.30 mg/kg，其平均含量高低排序为：Mn > Zn > Pb > Cr > Cu > Cd，与叶片中的重金属含量高低排序一致。在被测的6种重金属元素中，桑树不同组织器官中的重金属含量均为Mn最高、Cd最低；其余被测的重金属元素，其含量高低排序在桑树不同组织器官中有一定的差异。
Figure 1. Heavy metal content in the roots of mulberry trees at different sampling points
图1. 不同采样点桑树根部重金属含量
Figure 2. Heavy metal content in mulberry stem at different sampling points
图2. 不同采样点桑树茎部重金属含量
Figure 3. Heavy metal content in mulberry leaves at different sampling points
图3. 不同采样点桑树叶部重金属含量
Figure 4. Heavy metal content in mulberry bark at different sampling points
图4. 不同采样点桑树皮部重金属含量
3.4. 桑树不同组织器官中的重金属富集系数
桑树不同组织器官的重金属富集系数计算结果见表4。除了LT3~LT6采样点桑叶的Cr富集系数高于1以外，其余样地桑树不同组织器官对六种被测重金属元素的富集系数均小于1。除LT2之外，桑树根部对6种被测元素Cd、Cr、Cu、Zn、Mn和Pb的富集系数均小于0.5，其富集系数平均值大小排序为：Cu > Zn > Cd > Pb > Cr > Mn；茎部的重金属富集系数平均值大小排序为：Cr > Cu > Zn > Mn > Cd、Pb；叶部的重金属富集系数平均值大小排序为：Cr > Cu > Zn > Pb > Mn > Cd；皮部的重金属富集系数平均值大小排序为：Cr > Zn > Cu > Pb > Mn > Cd。
由此可知，桑树对Cr、Zn、Cu的富集能力相对较强，而对Pb、Cd、Mn的富集能力相对较弱。
Table 4. Heavy metal enrichment coefficients in different tissues and organs of mulberry trees
表4. 桑树不同组织器官的重金属富集系数
富集系数 |
Cd |
Cr |
Cu |
Zn |
Mn |
Pb |
LT1-根 |
0.22 |
0.05 |
0.30 |
0.26 |
0.02 |
0.28 |
LT2-根 |
0.40 |
0.07 |
0.56 |
0.46 |
0.08 |
0.27 |
LT3-根 |
0.30 |
0.10 |
0.30 |
0.37 |
0.09 |
0.33 |
LT4-根 |
0.29 |
0.12 |
0.37 |
0.34 |
0.06 |
0.27 |
LT5-根 |
0.29 |
0.08 |
0.33 |
0.23 |
0.06 |
0.33 |
LT6-根 |
0.34 |
0.07 |
0.32 |
0.23 |
0.07 |
0.31 |
平均 |
0.31 |
0.08 |
0.36 |
0.32 |
0.06 |
0.30 |
LT1-叶 |
0.06 |
0.46 |
0.43 |
0.24 |
0.02 |
0.10 |
LT2-叶 |
0.08 |
0.87 |
0.42 |
0.21 |
0.09 |
0.22 |
LT3-叶 |
0.07 |
1.15 |
0.44 |
0.42 |
0.02 |
0.10 |
LT4-叶 |
0.00 |
1.54 |
0.32 |
0.50 |
0.04 |
0.08 |
LT5-叶 |
0.00 |
1.18 |
0.75 |
0.29 |
0.13 |
0.19 |
LT6-叶 |
0.00 |
1.04 |
0.03 |
0.52 |
0.18 |
0.13 |
平均 |
0.04 |
1.04 |
0.40 |
0.36 |
0.08 |
0.14 |
LT1-皮 |
0.00 |
0.09 |
0.17 |
0.42 |
0.02 |
0.04 |
LT2-皮 |
0.00 |
0.13 |
0.28 |
0.23 |
0.11 |
0.09 |
LT3-皮 |
0.00 |
0.16 |
0.20 |
0.07 |
0.02 |
0.05 |
LT4-皮 |
0.00 |
0.36 |
0.07 |
0.18 |
0.02 |
0.04 |
LT5-皮 |
0.00 |
0.26 |
0.27 |
0.16 |
0.12 |
0.08 |
LT6-皮 |
0.00 |
0.27 |
0.15 |
0.12 |
0.09 |
0.05 |
平均 |
0.00 |
0.21 |
0.19 |
0.20 |
0.06 |
0.06 |
LT1-茎 |
0.00 |
0.35 |
0.42 |
0.18 |
0.01 |
0.04 |
LT2-茎 |
0.01 |
0.43 |
0.36 |
0.21 |
0.07 |
0.07 |
LT3茎 |
0.07 |
0.60 |
0.17 |
0.18 |
0.02 |
0.02 |
LT4-茎 |
0.14 |
0.73 |
0.96 |
0.16 |
0.02 |
0.02 |
LT5-茎 |
0.00 |
0.46 |
0.13 |
0.12 |
0.08 |
0.07 |
LT6-茎 |
0.02 |
0.47 |
0.12 |
0.19 |
0.07 |
0.04 |
平均 |
0.04 |
0.51 |
0.36 |
0.17 |
0.05 |
0.04 |
3.5. 桑树不同组织器官的重金属转运系数
桑树不同组织器官对被测重金属元素的转运系数计算结果见表5。由此可知，桑树叶部的Cd、Cr、Cu、Zn、Mn和Pb转运系数分别为：0.00~0.24、9.82~14.89、0.33~2.25、0.44~2.31、0.26~2.63和0.29~0.81，其平均值大小排序为：Cr > Zn > Mn > Cu > Pb > Cd；桑树皮部的Cd、Cr、Cu、Zn、Mn和Pb转运系数分别为0、1.52~3.93、0.19~0.81、0.19~1.59、0.20~1.77和0.14~0.33，其平均值大小排序为：Cr > Cd > Mn > Zn > Cu > Pb；桑树茎部的6种被测重金属元素转运系数为：0.00~0.49、5.76~7.49、0.37~2.60、0.45~0.85、0.18~1.29和0.07~0.26，其平均值大小排序为：Cr > Cu > Mn > Zn > Cd > Pb。由此可知，桑树不同组织器官对重金属元素的转运能力有较大的差异，在本研究中，桑树对Cr和Mn的转运能力相对较强，对Pb的转运能力最弱。
Table 5. Comparison of heavy metal transport coefficients in different tissues and organs of mulberry trees
表5. 桑树不同组织器官的重金属转运系数比较
转运系数 |
Cd |
Cr |
Cu |
Zn |
Mn |
Pb |
LT1-叶 |
0.00 |
9.82 |
1.44 |
0.92 |
0.69 |
0.35 |
LT2-叶 |
0.20 |
12.04 |
0.76 |
0.44 |
1.14 |
0.81 |
LT3-叶 |
0.24 |
11.07 |
1.45 |
1.14 |
0.26 |
0.29 |
LT4-叶 |
0.00 |
13.34 |
0.88 |
1.48 |
0.59 |
0.29 |
LT5-叶 |
0.00 |
14.25 |
2.25 |
1.26 |
2.01 |
0.58 |
LT6-叶 |
0.00 |
14.89 |
0.33 |
2.31 |
2.63 |
0.43 |
平均 |
0.07 |
12.57 |
1.19 |
1.26 |
1.22 |
0.46 |
LT1-皮 |
0.00 |
1.86 |
0.55 |
1.59 |
0.67 |
0.14 |
LT2-皮 |
0.00 |
1.79 |
0.49 |
0.50 |
1.29 |
0.33 |
LT3-皮 |
0.00 |
1.52 |
0.67 |
0.19 |
0.20 |
0.14 |
LT4-皮 |
0.00 |
3.13 |
0.19 |
0.54 |
0.29 |
0.16 |
LT5-皮 |
0.00 |
3.18 |
0.81 |
0.71 |
1.77 |
0.24 |
LT6-皮 |
0.00 |
3.93 |
0.47 |
0.52 |
1.25 |
0.17 |
平均 |
0.00 |
2.57 |
0.53 |
0.68 |
0.91 |
0.20 |
LT1-茎 |
0.00 |
7.49 |
1.39 |
0.69 |
0.59 |
0.13 |
LT2-茎 |
0.20 |
5.99 |
0.64 |
0.45 |
0.85 |
0.26 |
LT3-茎 |
0.25 |
5.76 |
0.57 |
0.47 |
0.18 |
0.07 |
LT4-茎 |
0.49 |
6.27 |
2.60 |
0.46 |
0.24 |
0.08 |
LT5-茎 |
0.00 |
5.59 |
0.40 |
0.52 |
1.29 |
0.21 |
LT6-茎 |
0.07 |
6.81 |
0.37 |
0.85 |
1.08 |
0.14 |
平均 |
0.17 |
6.32 |
1.00 |
0.57 |
0.71 |
0.15 |
3.6. 相关性分析
为说明不同调查样地桑树根部土壤重金属含量与其不同组织器官重金属含量的相关性，可对其被测重金属元素的相关性进行分析，结果见表6~9。
由表6可知，桑树根部的Zn含量与根部土壤的Cd含量有显著正相关，桑树根部Cr含量与根部土壤的Zn含量有显著正相关，桑树根部的Pb含量与其根部土壤的Mn和Pb含量均有极显著正相关；桑树根部其余被测元素含量与其根部土壤被测重金属元素含量有一定的相关性，但不显著。由表7可知，桑树茎部Cu含量与其根部土壤的Mn和Pb含量有显著正相关，桑树茎部的Zn含量与其根部土壤的Cr含量有显著负相关；桑树茎部其余被测元素含量与其根部土壤被测重金属元素含量有一定的相关性，但不显著。由表8可知，桑树叶部的Cr含量与其根部土壤Mn含量有显著负相关；桑树叶部其余被测元素含量与其根部土壤被测重金属元素含量有一定的相关性，但不显著。由表9可知，桑树皮部的Mn含量与其根部土壤的Pb含量有显著负相关，桑树皮部的Pb含量与其根部土壤的Mn和Pb含量均有显著正相关；桑树皮部其余被测元素含量与土壤被测重金属元素含量有一定的相关性，但不显著。
Table 6. Correlation between heavy metal content in root soil and of mulberry root at different sampling points
表6. 不同采样点桑树根部土壤重金属含量和桑树根部重金属含量的相关性
重金属 |
Cd土 |
Cr土 |
Cu土 |
Zn土 |
Mn土 |
Pb土 |
Cd根 |
Cr根 |
Cu根 |
Zn根 |
Mn根 |
Pb根 |
Cd土 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cr土 |
0.212 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cu土 |
0.250 |
−0.092 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zn土 |
−0.492* |
−0.262 |
−0.217 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Mn土 |
−0.216 |
0.071 |
0.195 |
0.261 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
Pb土 |
0.006 |
−0.230 |
0.072 |
−0.013 |
0.546* |
1 |
|
|
|
|
|
|
Cd根 |
−0.264 |
−0.030 |
0.011 |
0.282 |
−0.306 |
−0.191 |
1 |
|
|
|
|
|
Cr根 |
−0.448 |
−0.264 |
−0.119 |
0.535* |
0.173 |
−0.157 |
−0.153 |
1 |
|
|
|
|
Cu根 |
−0.232 |
−0.051 |
−0.326 |
−0.148 |
0.129 |
0.162 |
0.008 |
−0.264 |
1 |
|
|
|
Zn根 |
0.469* |
0.022 |
−0.297 |
−0.211 |
−0.272 |
−0.259 |
−0.025 |
−0.010 |
−0.040 |
1 |
|
|
Mn根 |
−0.225 |
−0.397 |
0.268 |
0.192 |
0.139 |
0.202 |
0.516* |
0.143 |
−0.076 |
0.093 |
1 |
|
Pb根 |
0.149 |
−0.085 |
0.225 |
0.073 |
0.604** |
0.778** |
0.048 |
−0.127 |
−0.022 |
0.035 |
0.395 |
1 |
注：*在p < 0.05水平(双尾)，相关性显著。**在p < 0.01水平(双尾)，相关性显著。下表同。
Table 7. Correlation between heavy metal content in root soil and mulberry stem at different sampling points
表7. 不同采样点根部土壤重金属含量与桑树茎部重金属含量的相关性
重金属 |
Cd土 |
Cr土 |
Cu土 |
Zn土 |
Mn土 |
Pb土 |
Cd茎 |
Cr茎 |
Cu茎 |
Zn茎 |
Mn茎 |
Pb茎 |
Cd土 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cr土 |
0.212 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cu土 |
0.250 |
−0.092 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zn土 |
−0.492* |
−0.262 |
−0.217 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Mn土 |
−0.216 |
0.071 |
0.195 |
0.261 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
Pb土 |
0.006 |
−0.230 |
0.072 |
−0.013 |
0.546* |
1 |
|
|
|
|
|
|
Cd茎 |
−0.163 |
−0.167 |
−0.136 |
0.144 |
−0.116 |
−0.107 |
1 |
|
|
|
|
|
Cr茎 |
−0.002 |
−0.033 |
0.034 |
0.033 |
−0.321 |
−0.222 |
0.479* |
1 |
|
|
|
|
Cu茎 |
0.120 |
−0.368 |
0.282 |
0.203 |
0.489* |
0.533* |
−0.130 |
−0.432 |
1 |
|
|
|
Zn茎 |
−0.270 |
−0.487* |
−0.335 |
0.205 |
−0.140 |
0.133 |
0.171 |
0.310 |
−0.201 |
1 |
|
|
Mn茎 |
−0.124 |
−0.196 |
−0.152 |
−0.244 |
0.028 |
−0.201 |
−0.132 |
−0.473 |
0.171 |
−0.386 |
1 |
|
Pb茎 |
−0.019 |
0.096 |
−0.101 |
0.077 |
−0.045 |
−0.110 |
−0.704** |
−0.539* |
0.231 |
−0.357 |
0.378 |
1 |
Table 8. Correlation between heavy metal content in root soil of mulberry trees and heavy metal content in mulberry leaves at different sampling points
表8. 不同采样点桑树根部土壤重金属含量与桑树叶片重金属含量的相关性
重金属 |
Cd土 |
Cr土 |
Cu土 |
Zn土 |
Mn土 |
Pb土 |
Cd叶 |
Cr叶 |
Cu叶 |
Zn叶 |
Mn叶 |
Pb叶 |
Cd土 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cr土 |
0.212 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cu土 |
0.250 |
−0.092 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zn土 |
−0.492* |
−0.262 |
−0.217 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Mn土 |
−0.216 |
0.071 |
0.195 |
0.261 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
Pb土 |
0.006 |
−0.230 |
0.072 |
−0.013 |
0.546* |
1 |
|
|
|
|
|
|
Cd叶 |
0.180 |
−0.545 |
−0.064 |
0.157 |
−0.057 |
−0.254 |
1 |
|
|
|
|
|
Cr叶 |
−0.088 |
−0.061 |
−0.503 |
0.190 |
−0.674* |
−0.239 |
0.371 |
1 |
|
|
|
|
Cu叶 |
0.221 |
0.032 |
0.195 |
−0.043 |
0.277 |
0.164 |
−0.019 |
−0.356 |
1 |
|
|
|
Zn叶 |
0.098 |
−0.448 |
−0.020 |
−0.198 |
−0.034 |
0.201 |
0.229 |
0.223 |
−0.206 |
1 |
|
|
Mn叶 |
0.058 |
−0.413 |
0.082 |
−0.181 |
−0.020 |
−0.026 |
0.176 |
0.133 |
−0.181 |
0.937** |
1 |
|
Pb叶 |
0.175 |
0.334 |
0.148 |
0.140 |
−0.137 |
0.035 |
−0.177 |
0.110 |
−0.193 |
−0.747** |
−0.752** |
1 |
Table 9. Correlation between soil heavy metal content in mulberry root and mulberry bark at different sampling points
表9. 不同采样点桑树根部土壤重金属含量与桑树皮部重金属含量的相关性
重金属 |
Cd土 |
Cr土 |
Cu土 |
Zn土 |
Mn土 |
Pb土 |
Cd皮 |
Cr皮 |
Cu皮 |
Zn皮 |
Mn皮 |
Pb皮 |
Cd土 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cr土 |
0.212 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cu土 |
0.250 |
−0.092 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zn土 |
−0.492* |
−0.262 |
−0.217 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Mn土 |
−0.216 |
0.071 |
0.195 |
0.261 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
Pb土 |
0.006 |
−0.230 |
0.072 |
−0.013 |
0.546* |
1 |
|
|
|
|
|
|
Cd皮 |
−0.074 |
−0.178 |
0.208 |
−0.048 |
0.402 |
0.229 |
1 |
|
|
|
|
|
Cr皮 |
−0.020 |
0.045 |
−0.011 |
0.061 |
−0.295 |
−0.132 |
−0.889** |
1 |
|
|
|
|
Cu皮 |
0.002 |
0.170 |
−0.248 |
−0.233 |
−0.267 |
0.054 |
0.427 |
−0.566* |
1 |
|
|
|
Zn皮 |
0.206 |
0.127 |
−0.045 |
−0.176 |
0.194 |
0.308 |
0.218 |
−0.325 |
0.259 |
1 |
|
|
Mn皮 |
0.014 |
0.055 |
−0.313 |
−0.018 |
−0.363 |
−0.670* |
0.114 |
−0.102 |
0.017 |
0.197 |
1 |
|
Pb皮 |
−0.174 |
0.094 |
0.209 |
−0.049 |
0.515* |
0.520* |
0.408 |
−0.312 |
−0.037 |
0.435 |
−0.178 |
1 |
4. 讨论
4.1. 研究区域土壤重金属的来源及污染状况
人类社会经济活动是造成土壤重金属污染的重要原因[32]。广西碳酸岩分布区是典型的重金属地质高背景区，秦旭芝等人用溯源研究的方法，解析了桂西北某有色金属冶炼工业园区周边土壤重金属的来源及贡献率，结果表明，土壤中的Cd、Hg、As、Pb、Cu、Zn主要来源为冶炼活动，Cr、Ni主要来源为地质高背景[33]。覃勇荣等人对广西宜州龙江河沿岸桑树种植的重金属污染风险进行了调查研究，测定了桑园土壤及桑树叶片中的Mn、Cu、Zn、As、Hg、Se等6种重金属元素含量，结果发现，部分桑园土壤的锰含量超过了广西土壤的背景值，存在轻度到中度的污染[34]。根据不同调查样地桑树根部土壤重金属含量的分析结果可知，本研究区域桑树根部土壤中的Cd、Zn、Mn、Pb四种重金属的含量明显超过了广西土壤的背景值，而Cr和Cu的含量则小于广西土壤的背景值。由单因子污染指数和内梅罗综合污染指数的计算结果可知，该调查区域重金属Mn的污染程度最为严重。在LT各采样点中，内梅罗综合污染指数均大于5，根据该污染指数的分级标准，调查区域土壤中的重金属含量已达到重度污染等级，地累积污染指数的计算结果，也得到与之一致的结果。超过2/3的采样点，Igeo-Cd和Igeo-Mn大于5，说明调查样地土壤被测重金属元素的污染级别达到了6级，属于重度污染水平。究其原因，可能是由于长期过度的矿物开采及其他人为活动干扰所致，该锰矿开采时间已超过60a，在许多有色金属矿区，由于粗放经营和管理不善等原因导致的环境污染问题十分常见，因此，重金属污染治理任重道远。
4.2. 桑树不同组织器官的重金属富集和转运能力
通过对桑树不同组织器官的重金属富集系数比较分析可知，桑树对Cr、Zn和Cu的富集能力较强，与李顺[35]等研究结果一致。也就是说，桑树能够从重金属复合污染的土壤中有效地吸收和累积这些元素。相比之下，桑树对Cd、Mn和Pb的富集能力相对较弱，究其原因，一方面可能与被测元素的化学性质及不同品种桑树的生物学特性(遗传特性)有关[36]，另一方面可能与栽培密度及土壤中不同重金属元素的含量有关。蒋诗梦等人对不同品种桑树镉的分布及富集规律进行了研究，结果发现，品种及种植密度对桑树不同组织器官镉的分布及富集具有较大影响，从土壤中吸收的镉50%分布在桑树根部[37]，本研究所得结果与之相似。植物对土壤重金属的富集和转运机制比较复杂，在一定的浓度范围内，当土壤中的重金属有效态含量较高时，有利于植物根部的吸收和向地上组织运输[38]。根据桑树不同组织器官中的重金属转运系数分析，桑树对Cr具有较强的转运能力，意味着Cr离子在桑树体内能够比较容易从根部转运到其他组织器官，因此主要累积在桑树的地上部分组织器官之中。相比之下，桑树对Pb和Cd元素的转运能力相对比较弱，表明这两种重金属元素在桑树体内的转运效率较低，因此主要累积在桑树的根部。
4.3. 有色金属矿区桑树产品及资源的开发利用
桑树的利用价值比较高，不仅具有良好的经济效益，还具有较高的药用、饲用和食用价值[14]。根据我国药用植物的质量标准，与本研究相关的重金属限值为：Cd ≤ 0.3 mg/kg，Cu ≤ 20.0 mg/kg，Pb ≤ 5.0 mg/kg [39]。根据桑树不同组织器官重金属含量的测定结果，比对我国药用植物的行业标准，在本研究的6个采样点中，Cd含量只有LT1~6采样点的桑树皮部、LT1~2和LT5~6采样点的桑树茎部、LT4~6采样点的桑树叶部没有超标；Cu含量只有LT4采样点桑树茎部超标；Pb含量只有LT3、LT4、LT6三个采样点的桑树茎部没有超标。因为国内药用植物质量标准中暂无Zn、Mn、Cr三种元素的限量值，所以，桑树不同组织器官中这些元素的含量是否超标无法判断。有人曾对蚕蛹中的砷、汞、硒、锑含量进行检测，结果发现矿区及其周边地区的蚕蛹重金属超标问题尤为严重[40]。因此，针对蚕桑产品重金属含量的超标情况，在对其进行开发利用时，一定要制定严格的防范措施，确保安全。
4.4. 利用桑树修复重金属污染土壤的可行性
国内外相关研究结果表明，桑树对土壤重金属具有较强的富集和转运能力[41]。桑树能够正常生长在多种重金属复合污染的土壤中，说明了其在土壤重金属修复方面具有较大的开发利用潜力。从桑树不同组织器官中的重金属含量来看，其不同部位的重金属累积量可能会有所不同。在本研究的调查样地中，桑树根部吸收和累积的Mn的量明显高于其他被测元素，一方面是因为根部为植物与土壤直接接触的器官，具有强大的吸收功能，另一方面是因为调查样地为锰矿区，锰的含量远高于其他被测元素。在LT3采样点，桑树根部的Mn含量高达2106.67 mg/kg，说明桑树对Mn具有较强的耐受性和吸收能力。正是因为桑树的这一特性，使其在土壤锰污染的修复中具有较大的应用潜力。此外，桑树不同组织器官累积的重金属数量有较大差异，可能与桑树对不同重金属的吸收、转运和解毒机制有关。因此，需要综合考虑多种因素的影响，才能准确评估桑树对重金属污染环境的修复能力。
5. 结论
综上研究结果及分析讨论，初步得到以下结论：
1) 调查样地桑园土壤的镉、锌、锰、铅4种重金属元素的含量，均高于广西土壤背景值，根据土壤重金属污染评价的相关标准，本研究的桑园土壤已达到重度污染。其中，锰和镉的污染情况最为严重，铅和锌的污染次之，铜和铬则未受污染。
2) 桑树对不同重金属元素的吸收、富集和转运能力存在一定的差异，在被测的6种重金属元素中，桑树对Cr、Zn、Cu的富集能力相对较强，而对Pb、Cd、Mn的富集能力相对较弱；桑树对Cr和Mn的转运能力相对较强，对Pb的转运能力最弱，其吸收的重金属元素主要是累积在根部。
3) 桑树对锰等重金属复合胁迫具有较强的耐性，同时具有一定的吸收和转运能力，经济效益高，生态效益好，可用于土壤重金属污染的植物修复。
基金项目
广西现代蚕桑丝绸协同创新中心资助项目(2022GXCSSC18)，广西高校大学生创新创业训练计划项目(202310605033)，河池学院高层次人才科研启动费项目(XJ2018GKQ015)，桂西北地方资源保护与利用工程中心资助项目(桂教科研[2012] 9号)。
NOTES
*通讯作者。