石 潤，吳曉芙，李 蕓，馮沖凌，李韻詩

（中南林業(yè)科技大學 環(huán)境科學與工程研究中心，湖南 長沙410004）

應用于重金屬污染土壤植物修復中的植物種類

石 潤，吳曉芙，李 蕓，馮沖凌，李韻詩

（中南林業(yè)科技大學 環(huán)境科學與工程研究中心，湖南 長沙410004）

綜述了文獻報道的應用于重金屬污染土壤治理的超積累、本土和生態(tài)-經(jīng)濟型植物種類。超積累植物具有抗性強、耐受重金屬濃度高和轉移系數(shù)大的優(yōu)點，不足之處是大多數(shù)超積累植物適生范圍窄，生物量小、富集總量小，以至修復周期長。在復合重金屬污染場地的治理中，多金屬超積累植物的篩選已成為新的關注點。為了發(fā)揮植物修復技術在重建植被與景觀、控制水土流失、豐富生物多樣性、提高土地利用價值等諸多方面的功能，有必要擴大植物種類篩選與應用的范圍。利用適生的本土先鋒植物生長快的優(yōu)勢，結合用材、工業(yè)原料、藥用、能源、景觀等生態(tài)-經(jīng)濟型植物的功能構建復合植被群落，可望成為發(fā)展植物修復技術的新趨勢。

重金屬污染土壤；植物修復；本土植物；超積累植物

植物修復(phytoremediation)是重金屬污染環(huán)境治理的重要手段之一。狹義上的植物修復是指利用植物的功能去除大氣、水體和土壤中的污染物，其主要其途徑包括植物萃取(Phytoextraction)[1]、根際過濾(Root fi ltration)[2]、植物揮發(fā)(Phytovolatilization)[3]和植物固定(Phytostabilization)[4]。廣義上，植物修復還具有重建植被、修復景觀、改良土壤性質(zhì)、改善土壤生態(tài)環(huán)境等功能。植物修復技術屬于原位修復技術，其成本低、二次污染易于控制，植被形成后具有保護表土、減少侵蝕和水土流失的功效，可大面積應用于礦山的復墾、重金屬污染場地的植被與景觀修復[5-7]。

在植物修復領域，超富集植物的篩選至今仍然是學術界的熱點。國內(nèi)外文獻報道的超積累植物具有抗性強、耐受重金屬濃度高和轉移系數(shù)大的特點，然而不足的是，大多數(shù)超積累植物適生范圍窄，根系淺，生物量小，因而富集重金屬元素的總量小，以至修復污染土壤所需要的時間漫長，另外，部分超積累植物具有元素專一性的特點，因此在多重金屬元素共存的復合污染中，超積累植物的應用受到一定的限制。

實踐中，采用植物修復技術治理重金屬污染土壤主要有三大目標：一是迅速恢復植被與景觀，有效地降低水土流失，控制重金屬污染擴散對周邊環(huán)境的影響；二是去除土壤重金屬，降低土壤重金屬元素含量到生態(tài)安全的水平；三是在實現(xiàn)上述目標的前提下，進一步提高土地的利用價值。在重金屬尾礦庫以及垃圾填埋場等廢棄地治理中，通常按規(guī)定采用覆土、克土以及土壤改良等措施，這些措施的應用改善了植物生長介質(zhì)的理化性質(zhì)，降低了植物根際重金屬毒性，從而擴大了植物種類選擇的范圍。本研究的目的是總結近年來科學家在超積累植物、先鋒植物和生態(tài)-經(jīng)濟型植物種類篩選應用方面的研究與實踐工作，為發(fā)展植物修復技術提供基礎信息。

1 積累與超積累植物

積累與超積累植物是指吸收積累重金屬能力強的植物。國內(nèi)外對積累與超積累植物的界定依據(jù)是植物的富集濃度與轉移系數(shù)，轉移系數(shù)一般用植物地上部和根部重金屬濃度的比值來表示。超積累植物（hyper-accumulator）的標準目前一般采用Baker和Brooks[8]1983年提出的參考值，即把植物葉片或地上部干重含Mn、Zn達到10 000 μg/g， Cd 達到 100 μg/g，Pb、Cu、Cr、Co、Ni等達到1 000 μg/g及以上，且轉移系數(shù)大于1的植物稱為相應元素的超積累植物。按照這一標準，世界上至今為止共發(fā)現(xiàn)的超積累植物約有500余種[9]。表1列出了國內(nèi)外文獻中報道的部分超積累植物和試驗中證明具有較強抗重金屬污染的植物。

表1 文獻報道的超積累植物Table 1 Hyperaccumulators reported in literatures

（1）鉛的超積累植物

表1中列出的Pb超積累植物地上部Pb的含量均大于1 000 mg/kg[9]，其中富集能力極強的植物有羊茅[10]和普通蕎麥[11]，其Pb的富集濃度達到和超過10 000 mg/kg，轉運系數(shù)也大于1。白蓮蒿[12]和小鱗苔草[13]Pb的富集濃度低于羊茅和普通蕎麥，但其轉運系數(shù)分別為10.38和9，是文獻報道中Pb元素轉運系數(shù)最高的植物。馬藺[14]的轉移系數(shù)小于1，但其Pb的富集濃度約高于腎蕨，因此作為積累植物列在表1中。

（2）鎘的超積累植物

野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)壺瓶碎米薺[15]在鎘重度污染區(qū)生長良好，其地上部分濃度峰值可達Cd超積累植物閾值的38倍，具有極強耐受Cd污染的能力。其次是球果蔊菜[16]，其Cd的富集濃度和轉移系數(shù)兩項指標均達到國際參考值標準。金邊吊蘭[17]和蜀葵[18]體內(nèi)Cd的濃度高，但吸收的Cd主要積累在根部，轉移系數(shù)較小。在盆栽試驗中發(fā)現(xiàn)龍葵和羽葉鬼針草在高Cd濃度環(huán)境下生長時，地上部Cd含量可超過100 mg/kg，轉移系數(shù)也大于1[19-20]。文獻報道的還有一些體內(nèi)Cd濃度達到和超過100 mg/kg，轉移系數(shù)也接近和超過1的植物，其中值得提及的是商陸，其適生區(qū)域廣，除了具有較強的耐受和積累Cd的能力外，還能在多種重金屬元素污染的環(huán)境下生長。

（3）鋅的超積累植物

鋅的超積累植物方面的研究較多[21]，但報道的達到超積累參考標準的種類卻較少。長柔毛委陵菜[22]和圓錐南芥是野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)耐受和積累Zn能力很強的植物，長柔毛委陵菜Zn的富集濃度高達26 700 mg/kg，但轉移系數(shù)小，圓錐南芥Zn的濃度約小于長柔毛委陵菜，但轉運系數(shù)大于1。Md. Abul Kashem[23]在不同Zn濃度水培實驗中發(fā)現(xiàn)，葉芽阿拉伯芥地上和地下部Zn的濃度可分別達到26 400 mg/kg和71 000 mg/kg，轉運系數(shù)值變異范圍為2～9。東南景天[24]富集的Zn濃度遠遠低于超積累植物的參考值，但其轉運系數(shù)較大，因此可作為Zn污染土壤的修復植物。

（4）錳的超積累植物

和Zn元素相似，文獻報道耐受和積累Mn能力強的植物種類較多[25]，但達到超積累標準的種類較少。表1中列出的富集濃度大于10 000 mg/kg、轉運系數(shù)大于1的植物種類有，人參木、土荊芥[26]、杠板歸[27]、短毛蓼[28]和福木[29]。木荷[27]、垂序商陸和水蓼等植物Mn富集濃度低于超積累標準參考值，但轉運系數(shù)均大于1，其中尤其是木荷和垂序商陸，其轉運系數(shù)可分別達到13.5和15.6。

（5）銅的超積累植物

國內(nèi)外報道的符合銅的超積累植物標準的植物有荸薺、海州香薷[30]、蓖麻、鴨跖草，其中荸薺的轉運系數(shù)可達45.7[31]。列在表1中Kidd P[32]等人報道的密毛蕨的Cu含量低于超積累植物的閥值，但其作為蕨類植物具有生長快、分布廣，且具有較強的Cu轉運能力。

（6）鉻的超積累植物

國內(nèi)外報道的鉻的超積累植物也較少，野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)的符合參考值標準的有狼尾草、李氏禾[33]和假稻，其中狼尾草富集Cr的濃度極高，而李氏禾轉運能力很強。扁穗牛鞭草[34]Cr地上部濃度低于參考標準值，但其適生區(qū)域廣，生長快，可在Cr污染土壤修復中發(fā)揮作用。

（7）砷的超積累植物

盆栽實驗確定了大虎杖和澳大利亞粉葉蕨[35]為As超積累植物，其中澳大利亞粉葉蕨具有強積累能力，大虎杖則具有強轉移能力。此外，調(diào)查發(fā)現(xiàn)蜈蚣草地上部富集As濃度也較高，且轉移能力較強[36]。大葉井口邊草[37]的地上積累量達到國際標準參考值，但是由于其較強的轉運能力，且具有藥用價值，故可作為積累植物用于修復重金屬污染土壤。

（8）多金屬超積累植物

多金屬超積累植物[38]是對多種金屬元素具有較強的耐受和積累能力的植物，該類植物的篩選在治理重金屬復合污染土壤中具有重要的理論與實踐意義。野外調(diào)查報道的多金屬超積累植物有寶山堇菜、野茼蒿[39]和禿瘡花[40]，其中禿瘡花同時符合Pb、Cd、Zn三種重金屬元素超積累植物的標準，尤其是對Zn，不但富集濃度高而且轉移能力強。盆栽實驗報道苧麻[41]和三葉鬼針草[42]能在Pb/Cd重度復合污染條件下生長，其中三葉鬼針草對Pb、Cd的耐受和積累能力達到超積累植物的國際標準參考值。苧麻耐受和積累Pb、Cd的能力次之，且具有一定的經(jīng)濟價值。

2 耐重金屬污染的本土先鋒植物

耐重金屬污染的本土先鋒植物是指抗脅迫能力強，能在重金屬污染立地條件下自然生長的植物。表1中積累和超積累植物都屬于耐重金屬污染的先鋒植物范疇，而表2列舉的主要是近年來報道的積累和轉運系數(shù)達不到超積累植物標準的本土植物，這類植物雖然富集能力比超積累植物弱，但其適生的特性可在迅速恢復污染區(qū)植被、保護表土、減少侵蝕和水土流失中可發(fā)揮重要的作用。抗重金屬污染的本土先鋒植物主體是草本植物與灌木，喬木種類較少。

表2 文獻報道的部分先鋒植物Table 2 Pioneer plants reported in literatures

（1） 草本

文獻報道的草本先鋒植物有錳礦廢棄地的白茅、馬唐、飛蓬等，鋅礦區(qū)的皺葉酸模，銅污染地區(qū)的節(jié)節(jié)草和蜈蚣草，鉛鋅礦區(qū)的五節(jié)芒、辣蓼和糯米團，鎳銅礦區(qū)的角果藜。許多草本先鋒植物也具有很強的積累重金屬能力，例如Zn污染區(qū)的皺葉酸模[48]地上部分和根部Zn的濃度可分別達到901.7 mg/kg和480.4 mg/kg。艾蒿[67]根、莖、葉中重金屬濃度較低，但其Cu、Zn、Pb、Cd轉運系數(shù)均大于1，其中Zn的轉運系數(shù)到達4.217。

（2）灌木

文獻報道的本土先鋒灌木植物有Cr礦區(qū)的女貞、Cu礦區(qū)的紅霧水葛和Mn、Cu、Pb、Ni復合污染區(qū)的玫瑰和珍珠梅。女貞[49]地上部分Cr含量高，峰值可達227.06 mg/kg。耐受Pb的野桐[57]具有藥用價值，黃荊條[58]、珍珠梅和玫瑰[55]能在Mn等復合元素污染環(huán)境中自然生長，其中黃荊條具有一定的能源價值，而珍珠梅和玫瑰是典型的景觀植物。

（3）喬木

喬木作為重金屬污染區(qū)的先鋒物種的優(yōu)勢在于其生物量大，富集量相對高，并具有一定的經(jīng)濟價值。文獻報道的喬木先鋒物種有Mn污染區(qū)的橡樹、木荷和拐棗樹；Cu污染區(qū)的刺槐、黑松，以及Pb污染區(qū)的白背葉和大葉樟。除此之外，野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)能在復合重金屬污染區(qū)自然生長的喬木還有泡桐、欒樹、楓香和棕櫚等用材林和工業(yè)原料植物種類。

3 生態(tài)-經(jīng)濟型建群植物

雖然國內(nèi)外報道的抗重金屬污染的優(yōu)勢植物具有抗性強、富集濃度高的特點，但大多數(shù)超積累植物實用價值低，適生范圍窄，根系擴展深度有限，生長量小，因此吸收和富集重金屬的總量小，以至土壤修復需要的時間漫長[68]。為了提高修復時期土地利用的價值，科學家逐漸將修復植物篩選轉移到具有一定抗污染性能的生態(tài)-經(jīng)濟型植物種類上來。此類植物地上部富集重金屬含量普遍較低，但由于較大的生物量使其去除土壤重金屬總量較大。表3列出了近年來國內(nèi)外應用于重金屬尾礦庫和工業(yè)污染區(qū)的生態(tài)-經(jīng)濟型建群植物。

表3 國內(nèi)外報道過的生態(tài)-經(jīng)濟型建群植物Table 3 Eco-economy dominant species reported in literatures at home and abroad

為了防止重金屬通過植物吸收進入食物鏈（網(wǎng)），實踐中篩選用以重金屬污染區(qū)生態(tài)修復的建群植物的主要為用材、工業(yè)原料與藥用、能源和景觀等四大類植物種類。

（1）用材植物

野外研究發(fā)現(xiàn)常見的用材植物三球懸鈴木、刺槐、圓葉決明可以作為Cd、Pb的修復植物[69]廣泛種植于重金屬污染區(qū)。楓樹、白蠟、樺樹、松樹等常見行道樹金屬積累能力強、生物量大、經(jīng)濟價值高，作為重金屬污染土壤修復植物的同時也提高了修復區(qū)的景觀效應[70]。

田如男[71]實驗發(fā)現(xiàn)，大葉樟和闊瓣含笑忍耐和積累Pb的能力較強。大葉黃楊[72]經(jīng)實驗證明在Pb濃度300 mg/kg的脅迫下適應能力較強，則可應用于客土后的Pb污染區(qū)。

(2) 工業(yè)原料與藥用植物

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)五加樹、紫蘇、巴西人參、圓葉決明、棕櫚、鹽膚木都可在重金屬污染土壤生長的生態(tài)-經(jīng)濟型植物。其中五加樹[73]對Cd的積累能力尤為顯著。另外鹽膚木[74]對Pb、Zn均有耐性，且對Zn的轉移能力達到國際參考值。

盆栽實驗篩選出加拿大一枝黃花、鴨跖草、迷迭香、紫竹梅、香根草、龍須、蒲公英、大葉樟等為重金屬抗性植物。其中鴨跖草[75]對Cu富集和忍耐能力較強，迷迭香[76]則對Pb、Cd、Cu、Zn均有抗性，在多金屬復合污染的條件下也能生長。

(3) 能源植物

黃連木、油菜、黃豆、甘蔗、甜高粱、薄荷、蒔蘿、羅勒為野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)可以用于植物修復技術的能源型植物。油菜[77]常被用作生物能源的植物，對Cd富集能力較強，可用于重金屬污染土壤修復，兼具能源價值、經(jīng)濟價值與修復價值。此外，薄荷、蒔蘿、羅勒能夠吸收和積累Cd、Pb、Zn、Cu等多種重金屬元素，可用于重金屬復合污染土壤[78]。

盆栽實驗發(fā)現(xiàn)光皮樹、蓖麻、亞麻、花生等可用于修復重金屬污染土壤，其中蓖麻[79]不僅是用途很廣的能源植物，而且對Pb的耐性很強，在高濃度Pb脅迫下，依舊能夠存活。

(4) 景觀植物

植物修復周期較長，導致大量土地浪費，故將景觀植物應用于修復重金屬污染土壤，可在恢復植被的同時增加自然景觀效應，提供土地利用率。夾竹桃、杜鵑花、蟛蜞菊、金葉女貞均通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)能夠生長于重金屬污染土壤。其中杜鵑花和蟛蜞菊分別對Mn和Cd的富集能力和轉運能力較強，可應用于污染區(qū)的修復[80-81]。

羽衣甘藍[82]為由盆栽實驗確定的先鋒觀賞性植物，地上部分積累鉈含量較高，且觀賞價值高、易于生長栽培，可將其應用于重金屬污染土壤修復。

4 展望與建議

國內(nèi)外目前報道的超積累植物種類很多，但在實踐中應用的成功事例卻較少，限制超積累植物應用的瓶頸是修復效率問題。實踐中，可采取適當?shù)拇胧?，例如通過培肥、接種高效菌種增強根際微生物功能等來促進超積累植物的生長，從而提高植物吸收、轉運重金屬的總量。在復合重金屬污染場地的治理中，篩選和應用多金屬超積累植物將成為該領域新的關注點。

采用植物修復技術治理重金屬污染土壤雖然具有周期長的特點，但在實現(xiàn)重金屬污染土壤治理的多元目標中,植物修復在恢復植被景觀、保護表土、控制水土流失、豐富生物多樣性、提高土地利用價值等諸多方面具有不可代替的功能特點。為此，有必要針對重金屬污染治理的具體目標擴大抗逆植物的篩選范圍。在重金屬復合污染場地治理中，利用適生的本土先鋒植物在迅速恢復植被與景觀、控制水土流失和重金屬污染擴散等方面的特點，結合用材、工業(yè)原料、藥用、能源、景觀等生態(tài)-經(jīng)濟型植物的功能構建復合植被群落，可望成為發(fā)展植物修復技術的新趨勢。

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Plant species applied in phytoremediation of heavy metal contaminated soils

SHI Run, WU Xiao-fu, LI Yun, FENG Chong-ling, LI Yun-shi
(Reserch Center of Environment Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004,Hunan, China)

A literature review has been conducted on hyperaccumulator, pioneer and ecological-economic plant species used in phytoremediation of heavy metal contaminated soils. Hyperaccumulators are recognized by their natures of tolerance to high levels of heavy metal contamination and high metal transfer coeff i cient. The screening of multi-metal hyperaccumulators has drawn much attention in recent years for remediation of multi-metal polluted sites. There are limitations in phytoremediation for application of hyperaccumulators. A large population of identif i ed hyperaccumulators are found to have narrow adequate distribution area and low quantity of total metal uptake due to their small biomass growth, which, when used in practice, leads to relatively long remediation periods. There is a high need to broaden the selection range of plant species so as to improve the multiple functions of phytoremediation with respect to restoration of vegetation and landscape, control of soil erosion, enrichment of biodiversity and enhancement of land utilization value. Use of plant species possessing high ecological and economic values (e.g., wood, industrial raw material, medicine and biofuel plants, as well as species with high landscape values) in combination with native fast-growth pioneer plants to establish a multiple vegetation ecosystem has shown to have a potential perspective for future development of phytoremediation technology.

heavy metal contaminated soil; phytoremediation; local plant; hyperaccumulator

S718.57

A

1673-923X(2015)04-0139-08

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.04.025

2014-12-11

國家“十二五”科技惠民計劃項目[2012GS430203]；國家十二五科技支撐計劃項目[2014BAC09B00]；湖南省環(huán)境科學與工程重點學科建設項目

石 潤，碩士研究生 通訊作者：吳曉芙，教授，博導；E-mail：wuxiaofu530911@vip.163.com

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[本文編校：文鳳鳴]