趙云峰 張濤 田志君 吳大鵬 梁凱旋 韓娟娟

摘 要：礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用引起的環(huán)境問題日益突出，礦區(qū)周邊土壤的重金屬污染已對生態(tài)環(huán)境、食品安全和人體健康構成了威脅。相比于傳統(tǒng)的物理和化學修復技術，植物修復技術具有修復面積廣、成本低廉、對土壤擾動小、操作方便管理簡單、無二次污染等優(yōu)點，因此受到廣泛的關注。本文主要介紹了植物修復技術、超積累植物、富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)的概念及國內(nèi)外關于超積累植物篩選的研究進展，重點總結了鉛鋅礦、煤礦、鐵礦、銅礦、錳礦、金礦周邊生長的典型修復植物，并論述了植物修復技術的作用機理，最后對礦區(qū)周邊重金屬污染土壤植物修復研究進行了總結，并對未來的發(fā)展方向提出了建議，以期為建立礦區(qū)人工植物修復系統(tǒng)，在礦區(qū)進行土壤重金屬污染修復時選擇合適的植物種類提供參考依據(jù)。

關鍵詞：礦區(qū);土壤;重金屬污染;植物修復技術;超積累植物

Research Progress on Phytoremediation Technology of Heavy Metal Contaminated Soil around Mining Area

ZHAO Yunfeng， ZHANG Tao， TIAN Zhijun， WU Dapeng， LIANG Kaixuan， HAN Juanjuan

（Beijing Geological Engineering Design Institute， Beijing 101500）

Abstract： Environmental problems caused by the exploitation and utilization of mineral resources are becoming more and more serious， among which the heavy metal pollution in the soil around the mining area has become a threat to the ecological environment， food safety and human health. Compared with the traditional physical and chemical remediation technologies， phytoremediation has attracted extensive attention， because of its advantages， like wide remediation area， low cost， small soil disturbance， easy operation， simple management， without secondary pollution. This paper firstly introduces the concepts of phytoremediation， hyperaccumulator， bioconcentration factors （BCF） and translation coefficient （TC）， and the screening progress of hyperaccumulator all over the world. And then the typical remediation plants around zinc and lead mine， coal mine， iron mine， copper mine， manganese mine and gold mine were summarized， together with their phytoremediation mechanism. Finally， the phytoremediation of heavy metal contaminated soil around the mining area are summarized， and some suggestions are put forward for future development， with the aim to provide reference for the establishment of artificial phytoremediation system in mining areas and the selection of appropriate plant species for the remediation of heavy metal polluted soil in mining areas.

Keywords： Mining area; Soil; Heavy metal pollution; Phytoremediation technology; Hyperaccumulator

0 前言

我國有著十分豐富的資源儲備，在我國經(jīng)濟發(fā)展過程中，礦山資源的開發(fā)和利用占重要地位。但是由于開采方法不當?shù)葐栴}，礦業(yè)開發(fā)所造成的土壤重金屬污染問題日益凸顯。重金屬長期存在于土壤中可能會改變土地利用性質(zhì)，造成適宜的耕地農(nóng)田減少，導致農(nóng)作物重金屬超標，最終會通過食物鏈危及人類的健康和生命。因此礦區(qū)周邊重金屬污染土壤的治理和修復已成為亟待解決的環(huán)境問題之一。傳統(tǒng)的治理土壤重金屬污染的物理和化學方法，成本高、破壞土層結構、存在二次污染等問題，不宜大面積使用。植物修復技術作為新興的一種環(huán)境友好型修復技術，與傳統(tǒng)的物理和化學修復技術相比，具有一些無可比擬的優(yōu)越性。該方法修復面積廣，成本低廉，原位修復對土壤擾動小，操作方便管理簡單，無二次污染，同時增加了礦區(qū)植被覆蓋，有效保護表土、減少水土流失、恢復植被景觀、豐富生物多樣性，對于金屬礦區(qū)周邊土壤及礦區(qū)廢棄地的生態(tài)恢復、礦區(qū)重金屬污染土壤的修復具有重要的現(xiàn)實意義和較強的可操作性（付雄略等，2017）。目前通過植物修復技術利用重金屬超富集植物的提取作用永久性地從污染土壤中去除重金屬被認為是最有前途的重金屬污染土壤修復技術（孫健等，2006）。

1 礦區(qū)周邊重金屬污染土壤植物修復研究現(xiàn)狀

1.1 植物修復技術相關概念

植物修復技術是近幾年環(huán)保領域發(fā)展起來的一項新技術，是指在受到重金屬污染的土壤上種植自然生長或遺傳工程培育的某種特定植物，結合其根際微生物體系，通過吸收、累積、固定、凈化等作用去除土壤中的重金屬污染物，并逐步改善土壤養(yǎng)分狀況，同時恢復土壤原有地貌，促使局部氣候改善、微環(huán)境得以優(yōu)化的環(huán)境治理技術（武強等，2008;王立，2019;羅仙平等，2013）。能夠在重金屬污染土壤上生長的特定植物即為超積累植物，這一概念在1977年由新西蘭地質(zhì)學家Brooks正式提出（Brooks et al.，1977），隨后美國科學家Chaney等（1997）首次提出了利用超積累植物消除土壤重金屬污染的思想，人們逐漸將重金屬污染治理的研究重點轉(zhuǎn)向了植物修復技術。一般來說，礦區(qū)土壤是一種極端的生境，其理化性質(zhì)都發(fā)生了很大的改變，土壤結構差，缺乏水分和必須的營養(yǎng)物質(zhì)，極端的pH值，重金屬含量高等問題，嚴重影響了植物的生長和定居（楊勝香等，2007）。雖然礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡劣，但仍有些植物能夠在逆境中生存，因此長時間觀測自然條件下的群落植物修復效應，篩選可能具有污染土壤修復潛力的鄉(xiāng)土耐性植物和超積累植物，對特定礦種的植被恢復和重金屬污染土壤修復具有重要意義（張軒等，2016;劉茜等，2009）。

超積累植物是指能夠在重金屬濃度較高的環(huán)境中正常生長并積累重金屬超過100mg/kg Cd，或1000mg/kg Cu、Pb、Ni和Co，或10000mg/kg Zn和Mn的植物（鄧小鵬等，2011）。用于礦區(qū)重金屬污染土壤修復的超積累植物應符合以下幾個條件：第一，在污染物濃度低時也具有較高的積累效率，地上部重金屬含量是普通植物在同一生長條件下的100倍，生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)都大于1;第二，抗逆性強，抗蟲抗病能力強，能夠在惡劣的礦區(qū)環(huán)境中良好生長，不會發(fā)生毒害現(xiàn)象;第三，生長快，生物量大;第四，能同時富集2種或多種重金屬。另外，所選的植物種類最好具有一定的觀賞和經(jīng)濟價值，可以轉(zhuǎn)化為能源物質(zhì)（張前進等，2013;董琳等，2017;吳先亮等，2018）。其中，富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)是衡量超積累植物的兩個最重要因素，是重金屬超積累植物區(qū)別于普通植物的一個重要特征。

植物對重金屬的吸收具有選擇性，不同植物對同一種重金屬的吸收能力不同，同一種植物對不同重金屬的吸收能力也不同，富集系數(shù)反映了植物對重金屬的吸收能力。生物富集系數(shù)是指植物體內(nèi)某種重金屬元素含量與土壤中同種重金屬含量的比值。富集系數(shù)越大，表明植物越易從土壤中吸收該元素，即該元素的遷移能力越強，同時，利用植物修復技術修復該元素污染土壤的可行性就越大（張前進等，2013）。對草本植物而言，當BC<0.5，說明植物對重金屬的積累能力較弱;BC在0.5～1.0之間，對重金屬有一定的積累能力;>1.0，說明植物對重金屬的富集能力較強（吳漢福等，2016）。對木本植物而言，當BC≤0.2，說明植物對重金屬污染的修復能力較弱;BC在0.2～0.4之間，對重金屬有一定的積累修復能力;當BC≥0.4，則說明植物對重金屬污染的修復能力較強（楊永紅等，2016）。在植物修復過程中，修復能力的強弱除了與植物的富集系數(shù)有關外，還決定于植物的轉(zhuǎn)運系數(shù)。生物轉(zhuǎn)運系數(shù)是指植物從土壤中吸取重金屬元素并由生長周期較長的根向生長周期較短的莖葉轉(zhuǎn)移能力的大小（孫健等，2006），等于植物地上部分重金屬的量除以植物根中該重金屬的量，它反映植物將重金屬從根部向莖葉轉(zhuǎn)移能力（崔曉艷等，2010）。當轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1時，說明植物能夠大量吸收某種重金屬并將其從地下部分轉(zhuǎn)移到地上部分，經(jīng)過多次種植和收割該種植物，就可以將重金屬逐漸從土壤中除去，從而達到修復污染的目的（張浩嘉等，2017）。

1.2 國外研究進展

重金屬超積累植物的篩選研究在國外起步較早。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球共發(fā)現(xiàn)約500種，廣布于植物界45個科，其中以Ni超積累植物最多，約有300多種。此外還有Cu 38種、Se 20種、Zn 21種、Mn 11種、Pb 12種、Cr 3種、As 5種和Cd 20種（王科等，2008）。加拿大發(fā)布了750多種陸生和水生、野生和培植的潛在超富集植物目錄（Kumar et al.，1995）。目前國外研究得最多的植物主要為蕓薹屬（Brassica）、庭薺屬（Alyssuns）和遏藍菜屬（Thlaspi）（封功能等，2008）。Baker等人（1994）在英國的洛桑試驗站首次以田間試驗的形式研究了超積累植物天藍遏藍菜，結果顯示天藍遏藍菜在凈化Zn污染土壤方面具有極大的潛力，體內(nèi)富集的Zn是普通蘿卜的150倍。芥菜組織中Zn的濃度可達1/3，比天然遏藍菜能夠更加有效的去除土壤中的Zn污染，同時芥菜生物產(chǎn)量是天藍遏藍菜的10倍（Ebbs et al.，1997）。Salt等（1995）發(fā)現(xiàn)印度芥菜對Cd的富集能力很高，且生物量大，但印度芥菜有很強的地域性，不適宜在我國大面積種植。普通蕎麥對Pb有極強的富集能力，研究結果顯示，Pb在普通蕎麥體內(nèi)的含量高達10000mg/kg，轉(zhuǎn)移系數(shù)達到3.03（Tamura et al.，2005）。國外報道的關于Pb的超積累植物還有向日葵、圓葉遏藍菜屬、香根草等（Chandra et al.，2005;Brooks et al.，1998;Antiochia et al.，2007）。Visoottivseth等（2002）在As污染嚴重的尾礦中發(fā)現(xiàn)，蒙塔那菊、細弱翦股穎、匍莖翦股、狗牙草能夠很好的生長，對As表現(xiàn)出極強的耐 性。此外，研究發(fā)現(xiàn)大虎杖、澳大利亞粉葉蕨、蜈蚣草的積累量都達到國際標準參考值，且具有較強的轉(zhuǎn)運能力，可作為積累植物用于As污染土壤的修復（Kachenko et al.，2007;Bohdan et al.，2011）。國外報道的Cu的超積累植物較少，有荸薺、蓖麻、鴨跖草、密毛蕨等，其中荸薺的轉(zhuǎn)運系數(shù)可達45.7（Sanijay et al.，2012;Kidd et al.，2005）。

1.3 國內(nèi)研究進展

從空間分布上看，超積累植物一般生長在礦山區(qū)、成礦作用帶或由富含某些化學元素的巖石風化而成的地表土壤上，構成了生態(tài)學島嶼，且是不均勻分布，因此在礦山區(qū)對本地優(yōu)勢植物進行分析是礦區(qū)進行植物修復很重要的一步（龍健等，2019）。我國在超積累植物篩選方面的研究工作雖然起步較晚，但也取得了不少成果，表1統(tǒng)計了部分我國典型礦種周邊生長的土壤修復植物。

從表1可以看出，目前我國尋找和篩選修復植物主要以鉛鋅礦和煤礦的研究較多，對于其他金屬礦種尤其是金礦的研究報道數(shù)量較少。適合在礦區(qū)生長且具有土壤重金屬污染修復潛力的植物種類主要集中在菊科和禾本科，大部分為一年生或多年生草本植物，少數(shù)為灌木和喬木。草本植物抗逆境能力強，是一類人為與自然選擇雙重壓力下產(chǎn)生的高度進化的植物類群，具有廣泛的適應性和頑強的生命力，這些特性可能使草本對重金屬有較強的耐性和排異性，同時草本也具有較強的爭光、爭水、爭肥能力，吸收能力很強，這種較強的吸收特性可能利于草本植物對重金屬的積累（王科等，2008），再加上禾本科和菊科植物種子傳播能力強，對環(huán)境適應性較廣（李鳳梅等，2017），使得菊科和禾本科草本植物成為修復礦區(qū)重金屬污染土壤較理想的植物類型。從表1中還可以看出，部分植物在文獻報道中多次出現(xiàn)，或可以在2種或多種礦區(qū)中生長，此部分植物分別列于表2和表3。

結合表2和表3可以看出，商陸、龍葵、小飛蓬、鴨跖草、蜈蚣草、狗尾草、鬼針草、鐵桿蒿在不同礦種的修復植物篩選研究中多次出現(xiàn)，說明其具有較高的土壤重金屬污染修復能力，且生命力旺盛，能夠適應多種惡劣的礦區(qū)生長環(huán)境，是礦區(qū)進行土壤重金屬污染修復時理想的植物種類。劉茜等（2009）人對湘潭錳礦業(yè)廢棄地自然定居的草本植物進行研究，發(fā)現(xiàn)商陸和藎草對Mn的吸收量分別達到10929mg/kg和10613mg/kg，對Mn的富集系數(shù)分別為50.89和49.42，轉(zhuǎn)運系數(shù)為13.49和19.00，應將商陸和藎草視為重金屬Mn的超積累植物。采集湖南及江蘇8個礦區(qū)或冶煉廠周邊的4種茄科植物后發(fā)現(xiàn)，龍葵根、莖、葉中Cd的質(zhì)量濃度最高分別達177.0mg/kg、197.0mg/kg、187.0mg/kg，遠超過國際公認的Cd超積累植物標準100mg/kg，印證了龍葵對Cd的超積累能力（鄧小鵬等，2011）。生長在廣東梅州明山煤礦的勝紅薊和小飛蓬葉片吸收、囤積的重金屬元素高于根部和莖部，有利于通過對植物的大面積收割、治理回收利用重金屬，且勝紅薊和小飛蓬對Cd的富集系數(shù)分別為7.43和4.29，可以認為是明山煤礦廢棄地土壤鎘的超積累植物（沈洽金等，2011）。李鳳梅等（2017）對湘西典型錳渣庫優(yōu)勢植物進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鴨跖草和商陸體內(nèi)Mn和Zn含量均超出正常含量的上限值，對Mn的富集系數(shù)大于1，對Cd、Mn、Pb、Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)均較高，可作為重金屬輕度污染土壤的修復植物。孫楠等（2016）人結合北京市采礦廢棄地土壤地質(zhì)環(huán)境情況，選取金礦、鐵礦和煤矸石堆為研究對象，進行植物修復研究。共開展4種類型的修復試驗，即選用高羊茅、紫花苜蓿和三葉草3種修復植物分別進行修復，同時與板藍根、桔梗、波斯菊和薄荷等中草藥進行混合種植修復，在植物生命周期的不同階段采集樣品分析測試。結果表明：在4種修復類型中，高羊茅對金礦尾礦土中Pb、Zn、Cr、Cd去除效果最好，最大去除率達到18.10%、14.57%、13.81%、18.12%;混合種植對鐵礦尾礦土中Cr、Ni、As、Hg去除率達到4種修復類型的最大值，分別為14.81%、9.80%、37.25%、50%。三葉草對煤矸石修復效果最好，對Cr、Pb、Zn、Cd的去除率分別為5.65%、37.15%、15.15%、20%，是4種修復模式去除率的最大值。綜合植物修復效果看，高羊茅對于污染程度最大的金礦尾礦土修復效果最好;混合種植的修復模式對污染程度稍低的鐵礦尾礦土具有最佳修復效果;三葉草在污染程度最低的煤矸石土中具有最滿意的修復效果;紫花苜蓿在金礦尾礦土修復效果較好，但在鐵礦尾礦土和煤矸石土的修復效果均為最弱。在重金屬污染程度較高的土壤修復中，首選高羊茅和紫花苜蓿作為主要的修復植物，在土壤重金屬污染程度不高的修復工程中，可以綜合考慮景觀效果和經(jīng)濟價值，選擇多種植物進行混合種植，可能取得最佳的修復效果。

2 土壤重金屬植物修復技術機理

作為綠色生物技術，植物修復技術利用植物及其根際微生物的聯(lián)合作用，通過植物提取、植物穩(wěn)定、植物揮發(fā)3種途徑達到對重金屬污染土壤的修復效果。

植物提取是指利用重金屬超積累植物的富集和轉(zhuǎn)運作用，將重金屬從污染土壤中經(jīng)過根部吸收，并轉(zhuǎn)移到植物的地上部分，通過連續(xù)的種植和收獲植物來減少土壤中重金屬含量，最終達到修復污染的目的（安浩，2012）。一般狹義的植物修復技術即為植物提取，它可以永久地去除土壤中的重金屬，是目前研究最多且具有發(fā)展前景的一種生態(tài)修復技術。植物提取技術的關鍵，在于超積累植物的篩選。國內(nèi)外科學家已經(jīng)在植物資源的調(diào)查、鑒定和研究方面開展了大量的工作。韋朝陽等（2002）和陳同斌等（2002）對湖南一些煉砷區(qū)的植被和土壤污染狀況進行了研究，首次發(fā)現(xiàn)砷的超富集植物蜈蚣草葉片含砷量高達5000mg/kg，此后，又發(fā)現(xiàn)了與蜈蚣草同屬的另一種鳳尾蕨類植物大葉井邊草對砷具有明顯的富集功能。束文圣等（2001）在湖北銅綠山古冶煉渣堆進行了植被和土壤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)鴨跖草是銅的超富集植物，可用于銅污染土壤的植物修復與重建。薛生國等（2003）對湘潭錳礦污染區(qū)的植物和土壤進行了野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)陸科植物商陸對錳具有明顯的超富集性。劉威等（2003）發(fā)現(xiàn)并證實寶山堇菜是一種鎘超富集植物。楊勝香等（2006）通過對廣西平樂錳礦區(qū)受污染土壤及該區(qū)7種優(yōu)勢植物的調(diào)查和重金屬含量的分析，發(fā)現(xiàn)其中山茶科木荷葉子中錳含量高達30075.94mg/kg，表現(xiàn)出對錳的超富集能力。

植物穩(wěn)定就是利用一些耐重金屬植物或超積累植物的根系及其微生物群組的分泌物，通過改變土壤的物理、化學、生物等條件，將重金屬從有毒形態(tài)轉(zhuǎn)化為低毒或無毒形態(tài)，使其附著于植物根系周圍，從而降低重金屬滲漏污染地下水和進入食物鏈的風險，減少對環(huán)境和人類健康的危害（李紅霞等，2005;郭丹丹等，2012;羅仙平等，2013）。植物穩(wěn)定技術包括分解、沉淀、螯合、氧化還原等多種過程，適用于土壤質(zhì)地黏重，有機質(zhì)含量高的污染土壤的修復，對礦區(qū)土壤重金屬污染物和放射性核素污染物固定尤為重要（武強等，2008）。有學者指出，在微生物吸附過程中，金屬離子可以通過配位、螯合與離子交換、物理吸附及微沉淀等作用中的一種或幾種復合至細胞表面，降低金屬離子的生物活性，從而減少植物對重金屬元素的吸收（李韻詩等，2015）。豆科植物將重金屬固定在根系中，防止重金屬在土壤中移動，屬于植物固定的修復方法，大多數(shù)豆科植物都可以將重金屬固定在根系細胞內(nèi)，使重金屬與植物細胞內(nèi)的谷胱甘肽、金屬硫蛋白、有機酸、組氨酸、煙堿酸等分子螯合并儲存在根系液泡中，遠離植株地上部的生理反應，減少對植株的毒害（黑澤文等，2019）。需要注意的是，植物穩(wěn)定只是暫時改變了重金屬元素的形態(tài)和生物有效性，但土壤中重金屬總量并沒有發(fā)生變化，一旦土壤環(huán)境發(fā)生改變，鈍化的重金屬有可能被誘導活化，重新產(chǎn)生毒性，仍有擴散、滲濾的可能。

植物揮發(fā)，是利用植物根系分泌的一些特殊物質(zhì)或者微生物使土壤中的某些重金屬轉(zhuǎn)化為揮發(fā)形態(tài)，或者植物將污染物吸收到體內(nèi)后將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)釋放到大氣中，達到治理土壤重金屬污染的目的（高陳璽等，2013）。目前已有的研究主要是針對易形成具有揮發(fā)性、低毒性的金屬元素汞和類金屬元素硒。有人將細菌體內(nèi)汞的還原酶基因轉(zhuǎn)入擬南芥中表達，然后通過種植該植物來消除土壤中的汞元素（Rugh et al.，1998）;在污染土壤中種植洋麻、牛毛草等植物可將環(huán)境中的硒轉(zhuǎn)化為氣態(tài)形式的二甲基硒和二甲基二硒（Banuelos et al.，1997）。該技術的應用范圍僅限于可揮發(fā)性重金屬，無法大規(guī)模應用，且轉(zhuǎn)化的氣態(tài)重金屬對環(huán)境是否會造成二次污染仍需進一步研究。

3 結論與建議

植物修復技術是一條綠色環(huán)保，符合大眾心理需求的新興生態(tài)凈化途徑，結合目前國內(nèi)外植物修復技術的研究現(xiàn)狀，得出如下結論和建議：

（1）商陸、龍葵、小飛蓬、鴨跖草、蜈蚣草、狗尾草、鬼針草、鐵桿蒿能夠生長在不同地區(qū)不同礦種的礦區(qū)環(huán)境中，在礦區(qū)修復治理時可以進行優(yōu)先選擇。

（2）目前的研究多集中于鉛鋅礦和煤礦，對其他礦種尤其是金礦的文獻報道較少，可以擴展研究的范圍，豐富不同礦種的超積累植物資源庫，以期為同種礦區(qū)開展污染土壤的植物修復提供借鑒和參考。

（3）目前發(fā)現(xiàn)的超積累植物多是草本植物，木本植物的種類較少。應加大對木本植物的開發(fā)和研究。雖然木本植物對重金屬的吸收積累量遠不如草本植物，但對于生物量為草本植物的幾十乃至數(shù)百倍的成年木本植物而言，所積累的重金屬總量遠遠高于一般超富集草本植物，因此，木本植物對礦區(qū)的植被恢復和景觀美化具有重要的生態(tài)意義。

（4）草本的超積累植物生長周期短，生物量小，對重金屬的吸收量相對較小，導致修復效果受到影響，將重金屬污染土壤修復到安全水平需要很長時間，因此可以探究各種土壤改良措施與植物修復技術的聯(lián)合應用，探究各種物理耕作措施和化學改良劑與植物種植的聯(lián)合修復效果，提高植物對重金屬的吸收量，從而大大促進植物修復技術在土壤中的應用。

（5）植物將重金屬吸收轉(zhuǎn)移至地上部后要及時收割，防止植物枯萎腐敗后重金屬元素重新遷移到土壤中。將富集重金屬的植物回收、提純，提高重金屬的利用率，防止二次污染。

目前我國礦區(qū)周邊重金屬污染土壤的植物修復仍處于研究和小規(guī)模試驗階段，要實現(xiàn)商業(yè)化應用還有相當?shù)木嚯x。針對礦山的具體情況，通過結合生態(tài)學、土壤學、遺傳學、環(huán)境科學等多學科交叉研究，植物修復技術將會成為礦區(qū)周邊重金屬污染土壤治理的最具吸引力的原位綠色環(huán)保技術。

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