潘雨齊，黃仁志，雷鳴*，顏新培，蘭砥中

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙410128;2.湖南省蠶?？茖W(xué)研究所，長沙410127)

經(jīng)濟(jì)作物修復(fù)重金屬污染土壤的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景

潘雨齊1，黃仁志2，雷鳴1*，顏新培2，蘭砥中1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙410128;2.湖南省蠶?？茖W(xué)研究所，長沙410127)

目前，我國正面臨著相當(dāng)嚴(yán)峻的土壤重金屬污染問題，在不同的修復(fù)技術(shù)中，植物修復(fù)技術(shù)擁有獨特優(yōu)勢被人們青睞，其中經(jīng)濟(jì)作物具有生物量大、環(huán)境適應(yīng)性強、及可帶來經(jīng)濟(jì)利益等優(yōu)勢而成為植物修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點。通過查閱文獻(xiàn)，結(jié)合實例，綜述了國內(nèi)外學(xué)者對苧麻、桑樹、棉花、煙草等經(jīng)濟(jì)作物對不同重金屬的富集能力、耐受能力的研究進(jìn)展，并對經(jīng)濟(jì)作物修復(fù)技術(shù)研究方向進(jìn)行了展望。

經(jīng)濟(jì)作物;重金屬;植物修復(fù);污染土壤

據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》指出，我國耕地土壤點位污染物超標(biāo)率為19.4%，其中重度、中度、輕度和輕微污染點位比例分別為1.1%、1.8%、2.8%和13.7%，無機污染物中鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8種重金屬點位超標(biāo)率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。由于重金屬污染在環(huán)境中具有不可降解性、污染長期性和危害隱蔽性等特性［1］，因此，與土壤中其他污染物相比，選擇合適的治理和修復(fù)技術(shù)對重金屬污染土壤修復(fù)顯得十分重要。現(xiàn)在，常用于重金屬污染治理方法有物理、化學(xué)和生物等方法，物理方法費用昂貴、化學(xué)方法影響土壤理化性質(zhì)等不足，不能根本解決問題，所以許多學(xué)者選擇生物方法來治理重金屬污染土壤。生物方法中，微生物修復(fù)受環(huán)境影響較大且對修復(fù)污染物有選擇性［2］，而動物修復(fù)吸收的重金屬可能會再次釋放到土壤中造成二次污染［3］，所以對于重金屬污染土壤，目前生物修復(fù)方法中研究熱點，且報道最多的是植物修復(fù)技術(shù)。

1 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)(Phytoremediation)是指利用綠色植物移除環(huán)境中的污染物或使這些污染物變?yōu)闊o害［4］。近年來，由于各學(xué)科的交叉研究使得植物修復(fù)發(fā)展成為一種潛在的、低費用和無污染的環(huán)境污染治理的新途徑［5-6］。通常采用的植物修復(fù)技術(shù)主要有兩種類型［7］:一種是超量吸收重金屬的超富集植物，如遏藍(lán)菜、蜈蚣草、東南景天等。超富集植物體內(nèi)的重金屬含量要達(dá)到一般植物的100倍以上，而超富集植物對于不同重金屬元素的富集有不同的臨界值，一般業(yè)內(nèi)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)是，鎘100 mg/kg，銅、鎳、鉛等為1000 mg/kg，錳、鋅為10000 mg/kg。據(jù)不完全統(tǒng)計，已發(fā)現(xiàn)500多種超富集植物，國內(nèi)外學(xué)者都意識超富集植物在土壤重金屬污染修復(fù)領(lǐng)域的價值，四處尋找超富集植物，同時使用各種先進(jìn)的分析測試技術(shù)探究超富集植物蓄積重金屬的機制［8］。另一種是具有經(jīng)濟(jì)效益、且能夠吸收重金屬的作物，如苧麻、棉花和玉米等。但在修復(fù)的過程中，超富集植物由于植株矮小、生長速度慢、修復(fù)效率低、生物量少和根系較短等，對生長環(huán)境有一定要求［9］，且富集重金屬的植物僅用于焚燒銷毀，不能給環(huán)境和經(jīng)濟(jì)帶來更多的效益。而經(jīng)濟(jì)作物對生長環(huán)境適應(yīng)性強，對于土壤中的重金屬有一定的耐性和富集能力，能用于大面積的重金屬污染土壤修復(fù)工程，且能夠進(jìn)一步產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益而被人們所推廣。

2 經(jīng)濟(jì)作物修復(fù)土壤重金屬污染

經(jīng)濟(jì)作物是指具有某種特定經(jīng)濟(jì)用途的農(nóng)作物，其通常具有區(qū)域性強、經(jīng)濟(jì)價值和技術(shù)要求高、生產(chǎn)商品率高等特點，對自然條件要求較嚴(yán)格，宜于集中進(jìn)行專門化生產(chǎn)。從修復(fù)環(huán)境污染的角度考慮，可將經(jīng)濟(jì)作物分為兩類，一類是進(jìn)入食物鏈，最終會被人類攝入體內(nèi)的作物，如蔬菜、水果及制作食用油的油料作物等;另一類是經(jīng)過生產(chǎn)加工后不進(jìn)入人類食物鏈的作物，如棉花、苧麻、桑樹等。進(jìn)入食物鏈的經(jīng)濟(jì)作物因為對人體有直接的影響，所以用其來修復(fù)環(huán)境可能性不高，而用不被人攝入體內(nèi)的經(jīng)濟(jì)作物治理環(huán)境污染可以達(dá)到修復(fù)和獲利兩全其美的效果，因此越來越多的人開始關(guān)注用此類經(jīng)濟(jì)作物修復(fù)土壤污染。

2.1 苧麻

韋朝陽等［10］報道，高砷區(qū)苧麻根、莖、葉中的砷含量為69、103和536mg/kg，且地上部植株的砷含量大于地下部，說明苧麻對砷具有較強的富集作用。龍育堂等［11］在貴州省清鎮(zhèn)縣汞污染稻田種植苧麻和用不同濃度氯化汞處理土壤盆栽苧麻實驗發(fā)現(xiàn)，土壤含汞量在5～130mg/kg范圍內(nèi)對苧麻產(chǎn)量和品質(zhì)未造成顯著影響。王欣等［12］在苧麻對鎘毒害的生理耐性機制的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中鎘濃度在80mg/kg以下時，苧麻能夠通過調(diào)節(jié)體內(nèi)葉綠素、類胡蘿卜素和可溶性蛋白質(zhì)含量，來維持正常的光合作用，保持各種代謝酶的活性和數(shù)量。在保證苧麻正常生長的前提下，種植苧麻可提高鎘污染土壤的有機質(zhì)含量，種植頭麻的土壤有機質(zhì)含量增加幅度為13.9%～43.5%，二麻除個別品種外，種植后土壤中有機質(zhì)含量增加幅度為1.5%～34.1%［13］。佘瑋［14］等發(fā)現(xiàn)安化縣的鎘污染農(nóng)田適合利用苧麻進(jìn)行生物凈化，中苧一號原麻年產(chǎn)量可達(dá)3450kg/hm2，同時地上部能帶走鎘0.28kg/hm2。黃閨等［15］用低濃度鉛(≤800mg/kg)處理苧麻對其植株生長影響不大，且能促進(jìn)植株高度及莖枝粗度的生長，苧麻地下部、地上部和全株生物量較對照均有所增加，當(dāng)鉛處理濃度高于1100mg/kg時，對植株的生長有抑制作用，且抑制效應(yīng)隨著濃度的增加而增強。也有研究表明，低濃度鉛處理能促進(jìn)苧麻的生長發(fā)育，增加苧麻生物量和提高其對重金屬污染的修復(fù)效率，苧麻植株對于重金屬鉛的吸收富集能力遠(yuǎn)不及苧麻對鎘的吸收富集能力［16-17］，但其轉(zhuǎn)運能力較好，考慮到苧麻植株根系發(fā)達(dá)、生物量大和固土保水能力強等特點可作為修復(fù)鉛及其復(fù)合污染的理想植物。以上研究表明，用苧麻作為鎘污染土壤的凈化植物，可以截斷食物鏈，降低健康風(fēng)險，適用性廣，同時具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 桑樹

譚勇壁等［18］對廣西環(huán)江受尾礦污染桑園調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，桑樹能在鉛濃度為734 mg/kg、鋅濃度為1194 mg/kg、砷濃度為53 mg/kg的污染土壤上生長且并無明顯脅迫現(xiàn)象。桑樹對土壤銻有一定的耐性，在一定范圍內(nèi)，可清除土壤銻脅迫產(chǎn)生的影響，其耐性指數(shù)在土壤銻污染濃度＜160mg/kg時均在0.8以上，且桑樹葉片中葉綠素、可溶性糖量變化不明顯［19］。陳朝明等［20，21］發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤中鎘含量≤40.6 mg/kg時，桑樹生長正?；蚧菊?，桑葉品質(zhì)受鎘影響不大，且用桑葉喂養(yǎng)的家蠶生長發(fā)育及產(chǎn)出蠶繭的質(zhì)量均正常，桑樹根部受到鎘的影響主要表現(xiàn)為生長發(fā)育受抑制，須根的長度和數(shù)量均有減少，當(dāng)土壤鎘含量達(dá)到75.8 mg/kg以上時，根有木栓化趨勢，且出現(xiàn)瘤狀結(jié)節(jié)。還有研究證明在養(yǎng)蠶系統(tǒng)中，用于喂養(yǎng)家蠶桑葉中98.3%的鎘隨著喂養(yǎng)后殘存的桑葉、蠶排出的蠶砂和糞尿(在蠶簇上)移出養(yǎng)蠶系統(tǒng)，而僅占養(yǎng)蠶桑葉鎘累積量4.7%的鎘，隨蠶繭進(jìn)入繅絲生產(chǎn)系統(tǒng)。經(jīng)計算，通過蠶繭移出鎘占桑樹吸收鎘量的0.77%。由此可看出，在修復(fù)土壤重金屬鎘污染的桑-蠶系統(tǒng)中，桑樹及蠶體所吸收的大部分鎘被消耗遷移出去，而最終生產(chǎn)出來的纖維制品中鎘含量很少且對人體影響很少［22］。任立研等［23］發(fā)現(xiàn)在土壤中鉛濃度為200mg/kg左右時，桑樹能夠正常生長且鉛離子對于桑樹生長有一定的促進(jìn)作用。隨著土壤中鉛濃度的增加，桑樹受到鉛污染的抑制表現(xiàn)越來越明顯，桑葉中可溶性糖及淀粉的含量下降，桑葉的品質(zhì)也受到了一定的影響。以上研究表明，桑樹對重金屬復(fù)合污染耐性較強，在礦區(qū)污染土壤修復(fù)上具有一定優(yōu)勢。因此，桑樹作為礦區(qū)污染土壤修復(fù)植物品種，具有廣闊的應(yīng)用前景和現(xiàn)實的指導(dǎo)意義，這些研究在環(huán)境污染的植物修復(fù)方面都有重要價值。

2.3 棉花

在土壤鎘、鉛、鋅復(fù)合污染的條件下，鎘在棉花根、莖、葉中的含量隨著土壤中鎘濃度的升高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，棉花葉片對于鎘的吸收量均顯著小于鎘單元素污染處理條件下對鎘的吸收量，說明棉花重金屬元素的吸收在復(fù)合污染條件下存在拮抗效應(yīng)［24］。李玲等［25］通過模擬大田試驗，以2個不同類型的轉(zhuǎn)基因棉花種質(zhì)系和陸地棉標(biāo)準(zhǔn)系TM-1為材料進(jìn)行模擬鎘污染盆栽試驗發(fā)現(xiàn)棉花對鎘的運輸能力很強，在對土壤鎘污染的植物修復(fù)中可以作為超富集植物選擇。王霞等［26］將棉花種子種于不同鉛濃度梯度的MS培養(yǎng)基上發(fā)現(xiàn)，鉛濃度在200mg/L以下時，因棉花幼苗體內(nèi)的SOD、POD、CAT對其有一定的保護(hù)作用，所以低濃度鉛脅迫對于棉花幼苗生長影響不大;但隨著鉛濃度增加，植株體內(nèi)細(xì)胞膜脂過氧化反應(yīng)加劇，SOD、POD、CAT對棉花幼苗的保護(hù)作用逐漸降低，其根、葉生長受到抑制，長時間鉛脅迫將導(dǎo)致棉花整個植株死亡。而秦普豐等［27］通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤鉛濃度＜500mg/kg時，促進(jìn)了棉花植株的生長，隨著處理濃度的遞增，植株幼苗莖、根系生長均受到了一定程度的抑制。高柳青等［28］研究結(jié)果表明，在盆栽條件下，土壤鋅濃度＜16mg/kg、土壤錳濃度＜60mg/kg時，棉花總產(chǎn)量不受土壤鋅錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。因此，棉花對于鎘、鉛、鋅等重金屬具有一定的吸收能力和耐受能力，將其運用在修復(fù)土壤重金屬污染的項目中可以發(fā)揮到很好的效果。

2.4 煙草

不同品種煙草對不同重金屬元素的富集能力有所差異，但總體而言煙草對鎘積累能力較強，而對鉛的吸收能力較弱，吸收能力大小為鎘＞汞＞鉻＞砷＞鉛［29］。在煙草的整個生長過程中，不同時期植株對不同重金屬元素的積累效果不同，植物生長前期對鎘的積累較多，生長中期對鉛、砷與鉻積累較多，而生長后期對汞則累較多，植株吸收鉛、鎘和鉻的能力因品種不同而有所差異，而對砷與汞的吸收能力則受品種的影響較?。?0］。胡鐘勝等［31］通過盆栽試驗證明，鎘含量在煙草鎘部位的大小順序為葉＞根＞莖，隨著煙草生長發(fā)育，鎘在煙草各部位的含量降低，但其含量分布順序仍保持不變;鉛含量在煙草各部位的分布與鎘不同，其順序為根＞葉＞莖，隨著煙草生長發(fā)育，鉛在植株各部位的含量也隨之降低，鎘、鉛在煙草中的轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為2.57-3.63和0.22-0.54，因此看出，煙草轉(zhuǎn)移鎘的能力比鉛強。王學(xué)鋒等［32］采用盆栽試驗研究了煙草不同部位對土壤中環(huán)境激素鉛的吸收效應(yīng)，隨著鉛濃度的升高，煙草植株不同部位鉛含量也隨其增長，其大小順序為根＞莖＞葉。以上研究表明，煙草對重金屬有較強的富集能力，因此，植物修復(fù)領(lǐng)域，可以利用該特點將煙草作為修復(fù)的先鋒植物，應(yīng)用在鎘、汞污染的目標(biāo)區(qū)域。

2.5 其他經(jīng)濟(jì)作物

(1)劍麻陳柳燕等［33］的研究表明，劍麻根系發(fā)達(dá)，在鉛濃度高達(dá)15900 mg/kg時下仍能存活，表明該植物的根系對重金屬污染具有極強的抗性，可用于重建生態(tài)環(huán)境，既能滿足經(jīng)濟(jì)需要，又能達(dá)到污染土壤修復(fù)的目的。劍麻在銅濃度＜1000 mg/kg時能正常生長，而對濃度范圍為1000～4000 mg/kg重金屬銅有較強的耐性，但當(dāng)處理銅濃度達(dá)到1000 mg/kg時劍麻植株出現(xiàn)心葉變褐、壞死，莖近根部呈褐色等毒害現(xiàn)象，濃度達(dá)到4000 mg/kg以上時整個植株死亡［34］。

(2)蓖麻蓖麻對于土壤鎘、鋅污染都有較強的耐性［35-36］，兩種重金屬對蓖麻生長均出現(xiàn)“低促高抑”現(xiàn)象。鋅對蓖麻臨界毒害質(zhì)量濃度高達(dá)1000 mg/kg，蓖麻土壤鎘濃度達(dá)到400 mg/ kg時仍能艱難生長。鎘在蓖麻體內(nèi)的積累主要集中在植株根部，且在根部的積累量最高可達(dá)4460.3 mg/kg。鎘在蓖麻植株地上部莖的最大積累量也達(dá)到137.1 mg/kg，因此，在重金屬修復(fù)領(lǐng)域蓖麻有極大的應(yīng)用潛力。

(3)花卉植物研究表明［37］，花卉作為觀賞植物同樣具有修復(fù)土壤重金屬污染的潛力，其對重金屬轉(zhuǎn)移能力的大小順序為Zn＞Cd＞Cu＞Cr＞Pb，對不同重金屬的積累能力大小順序為Cr＞Zn＞Cu＞Cd＞Pb。鴨腳術(shù)、金光變?nèi)~木、細(xì)葉雞爪槭、胡椒小、金邊岑葉槭根部對Cr積累系數(shù)都大于l.0，可用來修復(fù)被Cr污染的土壤［38］。

3 展望

利用經(jīng)濟(jì)作物修復(fù)土壤重金屬污染不僅不會通過食物鏈進(jìn)入人體、能大規(guī)模修復(fù)污染土壤并且收獲的作物能帶來一定的經(jīng)濟(jì)利益，總體而言是一項很有潛力的修復(fù)技術(shù)，但是它也有一些在未來需要人類去研究和完善的問題。

(1)經(jīng)濟(jì)作物的篩選。對于經(jīng)濟(jì)作物的篩選首先要確定其不會進(jìn)入食物鏈給人體造成影響，其次要求其對于重金屬的富集能力在植物中相對較高，最后則是其對于所修復(fù)重金屬要有一定的耐性，能夠在被污染的土壤上正常地生長。不同作物對于不同重金屬的耐性不同，不同作物在重金屬單一污染和復(fù)合污染時對于重金屬的富集量也不同，如何針對地區(qū)污染狀況選擇合適的修復(fù)作物是今后需要進(jìn)一步探索的問題。

(2)經(jīng)濟(jì)作物殘留部分的處理。用于修復(fù)土壤污染的經(jīng)濟(jì)作物在生長成熟后，重金屬含量很少的器官被制作成為商品，而剩下所不需要的植株器官，特別是重金屬富集量大的部位如根、莖的處理方式成為了一個很嚴(yán)重的問題。如果能夠從中回收重金屬，能夠?qū)⒅亟饘購氐讖沫h(huán)境中帶走并且具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)環(huán)境友好型輔助措施的運用。在重金屬污染土壤修復(fù)過程中，為提高經(jīng)濟(jì)作物的修復(fù)效率，為避免二次污染，通常利用環(huán)境友好型輔助措施，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)作物對重金屬的吸收，減小其對環(huán)境的損害。

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Research Progress and Prospect of Remedying Soil Contaminated by Heavy Metals with Economic Crops

PAN Yu-qi1，HUANG Ren-zhi2，LEI Ming1*，YAN Xin-pei2，LAN Di-zhong1
(1.College of Resources and Environment，Changsha 410128，China; 2.Sericultural Research Institute of Hunan Province，Changsha 410127，China)

The soils were seriously contaminated by heavy metals in China.Among the remediation technologies，the phytoremediation was paid more attention due to its advantages.Compared with other hyperaccumulators，the economic crops have become hot research objects in the phytoremediation field because of their large biomass，strong environmental adaptability and available considerable benefits.The research progress showed that ramie，mulberry，cotton，tobacco and other economic crops were used to remediate soils contaminated by heavy metals.The research direction of phytoremediation with plant economic crops in the future was also predicted.

economic crops;heavy metals;phytoremediation;contaminated soil

S56

A

1671-3532(2015)01-0035-05

2014-10-21

國家自然科學(xué)基金項目(No.21007014);湖南省教育廳(No.14A068)和湖南省科技廳(No.2013sk5036)

潘雨齊(1990-)，女，漢族，湖南長沙人，環(huán)境科學(xué)專業(yè)碩士研究生，研究方向:重金屬污染修復(fù)與治理。E-mail:59157432@qq.com。

*通訊作者:雷鳴(1975-)，男，副教授，研究方向:環(huán)境污染化學(xué)及環(huán)境污染治理。E-mail:leiming8297@163.com。