皇竹草（Pennisetum hydridum）又名皇草、巨象草、巨菌草、甘蔗草等，为多年生直立丛生的禾本科植物，由二倍体美洲狼尾草和四倍体象草杂交选育而成，属三倍体C4植物，靠营养体进行营养繁殖。皇竹草根系发达，生长速度快，生物产量高，近年被广泛应用于饲料、造纸、饮料食品和新能源领域^{[1, 2, 3]}。由于皇竹草对生存环境要求低，在贫瘠退化的沙滩地、沙地和水土流失较为严重的陡坡地均能适应生长。近年来，也逐渐被应用于生态环境治理、水土保持、植被修复等方面，特别是作为能源作物备受人们关注^{[4, 5]}。马崇坚等^[6]研究表明，皇竹草种植后能明显中和污染土的酸性，并对Zn、Mn、Fe、Cu等微量重金属有较强的吸附作用，能使其污染土中的含量发生极显著的降低，同时还促进了污染土基本营养物质的积累，使污染土的肥力得到一定的改善。赵颖等^[7]研究表明，皇竹草种植土壤中的有效砷质量分数与定苗前相比增加了73.9%~96.6%，可用于对污灌区土壤的修复。刘影等^[8]研究表明，紫色皇竹草在污染土壤中的生物量明显高于对照组，并推测是由于污染土壤中Pb、Cd、Zn并未抑制紫色皇竹草的生长。因此本文进一步研究了Zn、Cu、Pb和Cd 4种重金属对于皇竹草生长的影响。

长期以来，畜禽粪便由于含有丰富养分而被施用于农田。从生态安全和资源利用角度看，农用也是畜禽粪便最理想的处置方法^{[9, 10, 11, 12, 13]}。但随着集约化、规模化养殖业的快速发展，一些重金属元素随饲料或饲料添加剂等进入养殖业，最终大多随畜禽粪便排放，故畜禽粪便污染已成为行业发展的主要制约因素之一。城市污泥的养分含量与重金属等污染物量一般也较高，当含大量重金属的畜禽粪便或污泥长期农用时，会造成农业生态系统的重金属污染，并最终通过食物链影响人体健康^{[14, 15]}。由于缺乏有效的管理和科学的处理技术，我国许多地区已出现严重的畜禽粪便污染环境现象^[16]。为此国内已展开许多相关的研究，有关工作主要集中在废弃物直接处理的技术方面，其中包括干燥处理技术和饲料化技术等方向^{[17, 18, 19]}。但同时植物修复中的植物提取技术也是一种能够实现对重金属污染治理的环境友好型治理措施^[20]。所以，我们希望通过种植大生物量非食用植物，利用这些废弃物中的养分并提取其中的重金属污染物，达到同时收获大生物量植物材料获得经济效益和治理污染的效果，为皇竹草修复重金属污染的废弃物途径的开辟提供理论指导。我们前期研究表明皇竹草对镉污染具有较强的耐性^[2]，本文将进一步探讨施用有机肥和污泥对皇竹草生长及其对重金属吸收的影响。 1 材料与方法 1.1 供试材料

供试植物皇竹草种茎和供试土壤来自华南农业大学农场，土壤为赤红壤，pH值为6.28，有机质23.90 g·kg^-1，碱解氮157.26 mg·kg^-1，有效磷47.73 mg·kg^-1，有效钾142.93 mg·kg^-1，4种重金属含量为Zn 83.78 mg·kg^-1、Cu 11.87 mg·kg^-1、Pb 87.02 mg·kg^-1和Cd 0.29 mg·kg^-1，土壤于室内风干后过1 cm筛备用；鸡粪采于广州增城的养殖场，污泥来自广州大坦沙污水处理厂，2种固体废物经堆沤后使用，其主要养分与重金属含量见表 1。

表 1 供试固体废物（干基）的主要养分与重金属含量（mg·kg^-1） Table 1 The nutrient concentrations of materials （mg·kg^-1）

表选项

试验共设3个处理，分别为施用鸡粪、施用污泥和空白对照（不施肥），每个处理设3次重复。与土壤按1∶9的比例混合后装入供试试验圆桶（内径×高：34 cm×35 cm），即每桶各装入风干过10 mm筛土壤18 kg，并一次性施用供试畜禽粪便或污泥2 kg（折干重），CK则为供试土壤20 kg。于2012年10月，选取长势一致的皇竹草种茎幼苗（鲜重约25 g，已出芽3 个星期）移栽至已准备的黑色塑料桶内，每桶种植1 株，移栽后剪除皇竹草幼苗绿叶以减少蒸发，定期浇水以保持桶内土壤湿润（田间持水量），2013年2月刈割收获（距土壤表面5 cm处割取），2013年6月进行第2次收获（连根一起收取），试验期共200 d。 1.3 样品处理

样品分为皇竹草根、茎和叶，以及种植土壤。其中植物样品经去离子水反复洗净后在（105±2） ℃下杀青30 min，再转移至烘箱70 ℃下烘干至恒重，经粉碎后待测。皇竹草生物量均为2次收获量之和。所取土样自然风干，研磨，过100目筛，用于测定土壤中重金属含量。 1.4 重金属测定

重金属总量的测定用原子吸收分光光度法，其中样品制备按胡林凯等^[21]和王北洪等^[22]的方法进行消解。 1.5 重金属提取率计算

①种植后重金属的减少量=种植前土壤重金属含量－种植后土壤重金属含量；

②重金属提取率=种植后重金属的减少量÷种植前土壤重金属含量； 1.6 生物富集系数计算

富集系数（Enrichment coefficient，ECs）是衡量植物提取重金属潜力的重要指标^{[23, 24, 25]}，皇竹草对污染土壤中各重金属生物富集系数参考以下公式计算：

点击浏览公式

试验数据均采用SPSS 17.0和 Excel 2010进行统计分析和作图，其中采用单因素方差分析（One-way ANOVA）对每个测试项目统计结果进行显著性方差分析。 2 结果与分析 2.1 供试基质的重金属含量变化

皇竹草种植前后基质的重金属含量见表 2。把鸡粪和污泥分别与土壤混合，种植皇竹草200 d后，基质内的重金属含量降低，从而能够达到净化废弃物同时可以与皇竹草进行混合堆肥的目的。

表 2 供试基质的重金属含量变化（mg·kg^-1） Table 2 Changes of heavy metal concentrations in soils before and after planting P. hydridum （mg·kg^-1）

表选项

根据表 3可知，不同处理下皇竹草的重金属提取率。鸡粪处理中皇竹草对重金属Zn、Cu、Pb和Cd的提取率表现最为优良，分别为4.52%、5.72%、1.24%、17.14%。不同处理下皇竹草对于Cd的提取率最为突出，而对Pb的提取率最低。总体来说，各处理组皇竹草对重金属Zn、Cu、Pb和Cd的提取率分别为1.90%~4.52%、3.96%~5.72%、0.53%~1.24%和10.34%~17.14%。

表 3 不同处理下皇竹草的重金属提取率 Table 3 Extraction rate of heavy metals in different organs of P. hydridum treated with heavy metal polluted manures and sewage sludges

表选项

表 4为各处理的皇竹草生长情况。在此种植条件下，在鸡粪处理中，皇竹草的各器官生物量达到最大值，显著高于空白对照的总生物量，说明鸡粪作为有机肥对皇竹草的生长有显著的促进作用。污泥处理组的生物量与对照组相比无显著变化，说明污泥的加入并未影响到皇竹草的正常生长。空白对照的每蔸皇竹草种植200 d时平均分蘖数为6株，显著低于鸡粪和污泥处理组。种植200 d时施用鸡粪处理组的每蔸皇竹草分蘖数平均为12株，施用污泥处理组的每蔸皇竹草分蘖数为10株。鸡粪处理的总生物量达736.56 g，是对照组的1.58倍，地上部的生物处理占总量的77.05%；污泥处理的总生物量可达499.99 g，是对照组的1.07倍，地上部的生物处理占总量的 78.52%；空白对照的总生物量可达466.89 g，地上部的生物处理占总量的77.41%。

表 4 不同处理对皇竹草植株生长特性与生物量分配的影响 Table 4 Plant growth and biomass of different organs of P. hydridum after applying heavy metal polluted manures and sewage sludges

表选项

表 5为各种重金属在不同处理的植物器官中的累积浓度。皇竹草各器官中Zn、Cu、Pb和Cd 4种重金属的浓度均较高。根部的4种重金属浓度较高，污泥处理中的Zn、Cu浓度显著高于鸡粪处理和空白对照，各处理间Pb的浓度并没有显著差别。茎部的4种重金属浓度相对根部的较低，鸡粪处理中Pb的浓度显著高于其他处理，而污泥处理中Zn、Cu的浓度则显著高于其他处理。叶部中的4种重金属浓度是3个器官中较低的，鸡粪处理中Zn、Cu、Pb和Cd的浓度显著高于污泥处理和空白对照，而污泥处理中Zn、Cu浓度则显著高于空白处理。说明不同种类的重金属从根部吸收、转运从而积累至皇竹草植株不同器官的能力具有较大差异，不同处理组中的吸收转移特点也有较大差异，这可能与重金属在栽培基质中的总量和形态不同有密切关系。综合分析来看，空白对照的各重金属浓度显著低于施肥处理，但各处理组的皇竹草仍具有相对较高的生物量和较强重金属积累能力，对重金属胁迫也未表现出重金属毒害的症状，表明皇竹草是重金属（Zn、Cu、Pb和Cd）的耐性植物。

表 5 不同处理下皇竹草各器官中的重金属浓度（mg·kg^-1） Table 5 Contents of heavy metals in different organs of P. hydridum treated with heavy metal polluted manures and sewage sludges （mg·kg^-1）

表选项

由表 6可知皇竹草在进行不同处理后植物器官的生物富集系数。皇竹草根部的重金属富集系数较高，对Cd和Cu的富集能力尤为突出，均大于1。皇竹草的茎、叶对4种重金属的富集系数较小。对Zn和Cu的最高富集系数出现在污泥处理的根部中，分别是1.49和2.12；对Pb和Cd的最高富集系数出现在鸡粪处理的根部和叶中，分别是0.48和2.43。

表 6 不同处理下皇竹草各器官重金属的富集系数 Table 6 Enrichment coefficient （ECs） of different tissues of P. hydridum under different treatments

表选项

在鸡粪处理中，皇竹草对4种重金属的富集能力较强，但是在污泥处理和空白对照组中，对栽培基质中的4种重金属均呈现出一定的富集能力。显然在试验中皇竹草对4种金属均具有良好的提取能力，尤其是Cd、Zn和Cu的富集效果亦比较理想（对Cd、Zn和Cu的富集效果格外明显）。考虑到相对较高的重金属富集浓度和收获的较高生物量，皇竹草可作为净化重金属污染土壤或基质的植物提取材料。由生物富集系数可以看出皇竹草对Zn、Cu、Pb的均可达到一定的提取效果，对尤其Cd的提取效果最好。 2.4 不同类型重金属在皇竹草各器官的积累

由表 7可知，皇竹草在不同处理下对土壤中的各重金属均进行了有效的提取。与超富集植物相比较，皇竹草在大田环境下的ECs没有特别的优势，但皇竹草生物量大且生长迅速，提取的重金属总量较高，而提取总量在土壤净化与修复方面价值更大。在试验期间处于不利于热带植物皇竹草生长的季节和栽培管理较粗放的条件下，各处理组仍收获了较可观生物量，并且每蔸皇竹草提取重金属量Zn、Pb和Cd均在鸡粪处理组中达到最大值，分别为89.74、19.18 mg和 0.68 mg，是对照组的3.39、2.17倍和3.09倍，Cu在污泥处理组中达到最大值为16.84 mg，是对照组的2.70 倍。

表 7 不同处理下皇竹草各器官重金属的吸取积累量（mg·蔸^-1） Table 7 The amount of heavy metals extracted by P. hydridum under different treatments

表选项

皇竹草对盐碱化和重金属污染的土壤有较好的耐性和适应力，并可明显改善土壤性质，提高土壤肥力，同时获得较大的生物量^[26]。生物富集系数是提取重金属植物材料的一个关键参考因子，同时也应当将其生物量作为一个重要的参考因子^{[27, 28, 29]}，因为这样才能尽快达到提取污染物及修复土壤的目的。大田试验条件下皇竹草的生物量远高于典型超积累植物东南景天和天绿香。在我国华南地区，相对于大田试验中东南景天每公顷0.85~1.5 t的生物量、天绿香10 t的生物量^[30]，皇竹草产量高达30~37.5 t^[31]，约为东南景天的25~35.3倍，天绿香的3.75~4倍。超富集植物有明显较高的ECs值，然而其生物量相对较低，通常情况下大部分农作物的生物量均比超积累植物高，但在一定条件下大生物量的植物对重金属的提取效果可能会优于超积累植物。本实验中皇竹草的茎、叶对Zn、Cu、Pb和Cd 4种重金属的ECs值较低，均小于1，仅根部对Cu和Cd的ECs值较高，均大于1（表 6）。但由于较大的生物量，使得每株皇竹草在试验期间的重金属提取量较大，Zn、Cu、Pb和Cd分别达到26.50~89.74、6.24~16.84、8.88~19.18 mg和0.12~0.68 mg。

有研究发现，在大田条件下种植的东南景天每年每公顷可提取的Zn、Cu和Cd 3种重金属的量分别达到7 800、29 g和184 g。天绿香每年每公顷可提取的Zn、Cu、Pb和Cd 4种重金属的量分别达到19 710、144、1 760 g和64 g ^[30]。本试验使用的种植桶，桶面直径为34 cm，面积为9×10^-6 hm²，种植时间为200 d。根据表 7，如将本试验盆面面积以公顷计，则皇竹草地上部每年每公顷对Zn、Cu、Pb和Cd 4种重金属的吸附潜力分别为3 694~12 808 g、Cu 662~1 714 g、Pb 237~1 269 g和Cd 18~112 g。

本研究结果表明，皇竹草能以禽畜粪便和污泥作为肥料的条件下对基质中的重金属进行有效提取。虽然皇竹草的富集能力低于超富集植物，但由于其大生物量的特点，使其重金属修复能力不逊色于超富集植物。且此次试验中皇竹草越冬生长于桶栽环境培养，非大田种植，实验栽培条件限制了皇竹草发挥最优的生长能力，故其生物量的积累及对土壤重金属吸取潜力还具有更大的空间。 3.2 含重金属的畜禽粪便和污泥对皇竹草生长的影响

在盆栽培养条件下，空白对照、鸡粪处理、污泥处理的总生物量分别为466.89、736.56、499.99 g；鸡粪处理和污泥处理的总生物量分别是对照组的1.58倍和1.07倍（表 4）。这些结果说明，鸡粪处理使得皇竹草的各器官生物量取得最大值，且总生物量显著高于空白对照。说明鸡粪作为有机肥对皇竹草的生长发育有着显著的促进作用。热带植物皇竹草生势强健、生物量大，但由于本试验时期不包括最适于其生长的夏季，桶栽条件下水分、气候等环境因子管理较粗放，导致皇竹草的产量没能达到大田周年生长的正常水平。此外，试验表明不施污染肥料的对照组皇竹草长势与施污泥处理组差异不大，其原因可能是由于皇竹草为耐贫瘠的作物，而施用大量含重金属污染的污泥，其中的盐分与重金属可能对皇竹草生长产生抑制作用，即盐分与重金属的抑制作用可能抵消了养分的促进作用。总之，试验结果说明按1∶9比例大量施用的污染鸡粪肥的土壤对皇竹草生长有促进作用，施用污泥的土壤对皇竹草的生长并无抑制作用，即利用含重金属的畜禽粪便和污泥作为皇竹草肥料的可行性。

本实验结果表明（表 4），在鸡粪处理中对Zn、Cu、Pb、Cd 4种重金属的提取率表现最为优良，分别为4.52%、5.72%、1.24%和17.14%。污泥处理中对Zn、Pb和Cd的提取率均比空白对照优异，分别为4.32%、0.74%和12.90%。说明用鸡粪和污泥在作为皇竹草的肥料促进皇竹草的生长的同时也被皇竹草提取了其中的重金属，达到净化禽畜粪便的效果。所以，利用皇竹草净化重金属污染粪肥或污泥是可行的。但是，畜禽粪便中重金属含量、形态及转化与包括植物与农艺措施等有密切关系^{[32, 33, 34, 35, 36, 37]}，有关皇竹草发达的根系与根系分泌物及其可能对鸡粪、污泥与土壤混合后重金属形态及其生物有效性的动态影响，是今后深入开展研究的良好前景，以更好地揭示大生物量能源作物皇竹草修复污染的机理并应用于污染修复的实践。此外，供试土壤的pH值为6.28，呈弱酸性。而供试的禽畜粪便的pH值均呈弱碱性，可以起到调节土壤 pH值的作用，也是影响重金属形态及其生物有效性的原因之一。总体来说，各处理的皇竹草具有相对较高生物量和较强重金属富集能力，对重金属胁迫也未表现出明显的毒害症状，表明皇竹草对重金属（Zn、Cu、Pb和Cd）有一定的耐性，其中对Cd的耐性尤为突出。可作为净化鸡粪和污泥等处理的栽培基质，也可以用于治理和复垦重金属（Zn、Cu、Pb和Cd）中低污染程度的土地。 近年来，皇竹草用途已不仅局限于牧草饲料或是生物质能源材料，皇竹草还因作为“巨菌草”、竹纤维及造纸等速生原料受到关注。在重金属污染地区，种

植皇竹草既可修复土壤又可带来直接的经济利用价值。目前关于皇竹草的研究已在生态治理和经济利用等方面卓见成效^{[1, 2, 3, 4, 5, 38, 39, 40]}。因此，需要深入开展皇竹草修复重金属等污染研究，为实践应用提供重要的理论基础，特别是皇竹草根系发达，根生物量较大，根富集系数均较地上部大，其根际修复的作用和机理值得进一步深入研究。 4 结论

（1）皇竹草在分别施用含多种重金属污染物的鸡粪、污泥以及空白对照3个处理的盆栽条件下均能较好生长。在盆栽培养条件下，鸡粪处理和污泥处理的总生物量达736.56、499.99 g，分别是对照组的1.58倍和1.07倍，皇竹草的各器官生物量在鸡粪处理中取得最大值。Zn、Cu、Pb和Cd 4种重金属对于皇竹草的生长并未有抑制作用的影响。

（2）皇竹草根部的重金属富集系数较高，尤其对 Cd和Cu的富集能力尤为突出，均大于1。皇竹草的茎、叶对4种种重金属的富集系数较小。在鸡粪处理中，皇竹草对4种重金属的富集能力较强，在污泥处理和空白对照组中对栽培基质中的4种重金属也呈现出一定的富集能力。可见皇竹草在施用鸡粪和污泥的处理下可实现对栽培基质中重金属的有效提取。

（3）各处理组皇竹草对基质中Zn、Cu、Pb和Cd 4种重金属的提取率分别为1.90%~4.52%、3.96%~5.72%、0.53%~1.24%和10.34%~17.14%，每蔸皇竹草在试验期间提取4种重金属量最大的为鸡粪处理组提取Zn、Cd和Pb分别达到89.74、0.68 mg和19.18 mg，污泥处理组提取的Cu达到16.84 mg。利用皇竹草对重金属的吸收特性可获得符合有关标准的栽培基质和土壤，并收获较大生物量供能源等利用，为实现大生物量草本能源植物生物质原料生产与重金属污染修复的双赢目标提供了参考。