農田土壤Cd污染的植物修復及強化措施研究進展

從輝 張有軍 曲為貴 魏子章 楊金霞 張吉 朱明奕 田野

摘要 鎘（Cd）是自然界中生物毒性最強的元素之一，易通過食物鏈進入人體，威脅人類健康，植物修復作為一種綠色、低廉、環境友好的原位修復技術而備受關注，因而研究農田土壤中Cd污染的植物修復技術及強化措施對保護生態環境和保障食品安全均有重大意義。首先對近年研究較多的鬼針草等Cd超富集植物進行了介紹，同時針對中輕度污染農田為實現“邊生產邊修復”的目的，對具有Cd富集能力和耐性的甜高粱等一般作物進行了介紹，最后針對植物修復周期長等局限性，重點闡述了微生物聯合修復、螯合劑誘導修復、基因工程修復、農藝調控等植物修復強化措施，并對未來植物修復領域的研究方向進行了展望。

關鍵詞 農田土壤;Cd污染;植物修復;強化措施

中圖分類號 X53文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2021）08-0021-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.08.006

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Progress on Phytoremediation and Strengthening Measures of Cadmium Pollution in Farmland Soil

CONG Hui，ZHANG You-jun，QU Wei-gui et al

（Tianjin North China Geological Exploration Bureau， Tianjin 300170）

Abstract Cadmium is one of the most biologically toxic elements in nature. It easily enters the human body through the food chain and threatens human health. Phytoremediation has attracted much attention as a green， low-cost and environmentally friendly in-situ remediation technology.Therefore， research on the phytoremediation techniques and strengthening measures of cadmium pollution in farmland soil is of great significance for protecting the ecological environment and ensuring food safety. First introduced the cadmium hyper-accumulating plants such as B.pilosa L. which had been studied in recent years. At the same time， for the purpose of “production and restoration” in lightly polluted farmland， general crops such as sweet sorghm with cadmium accumulation ability and tolerance was introduced. Finally， in view of the limitations of long phytoremediation cycle， the emphasis was on phytoremediation enhancement measures such as microbial joint remediation， chelating agent-induced remediation， genetic engineering remediation and agronomic regulation， and prospected for future research directions in the field of phytoremediation.

Key words Farmland soil;Cd pollution;Phytoremediation;Strengthening measures

土壤作為支撐人類生存和發展的基礎，對人體健康和社會發展至關重要。近年來，隨著工農業的迅速發展，工業大氣沉降、污水灌溉、大量施用有機肥料等[1]，導致農田土壤重金屬污染問題日益嚴重。根據2014年公布的全國土壤污染狀況調查結果，我國耕地土壤點位超標率為19.4%，以無機型污染物為主（82.8%），其中Cd污染點位超標率為7%，位于首位[2]。重金屬Cd具有毒性大、遷移性強、不易降解、易被農作物吸收的特點，在食物鏈的傳遞下，對生物體的危害極大[3]，因而對農田土壤Cd污染的修復技術研究是當前人們亟待解決的生態難題。國內外對土壤Cd污染修復進行了大量研究，包括物理客土法、電動修復法、化學淋洗法等，但傳統修復方法因其成本高、操作復雜、易二次污染、易土壤退化等缺點，較不適用于農田土壤Cd污染修復[4]。生物法中的植物修復具有成本低、易操作、效果好、不產生二次污染的優點，應用前景廣泛。因此，筆者就近年來國內外有關農田土壤Cd污染的植物修復技術及強化措施研究和實踐進行綜述。

1 Cd污染土壤植物修復技術

1.1 植物修復技術概述

“植物修復”這一專業術語首次在1994年由Raskin等[5]提出。植物修復是一種利用某些可以忍耐和超富集有毒元素的植物及其共存微生物體系清除污染物的環境污染治理技術[6]。根據植物修復的特點和機理，可以將其分為植物提取、植物穩定、植物揮發和根系過濾。目前，Cd污染土壤植物修復主要集中在篩選超富集植物和通過強化措施提高植物對Cd元素的提取率。

1.2 Cd超富集植物

目前，國內外已經發現和篩選的Cd超富集植物主要有東南景天、龍葵、商陸、寶山堇菜、圓錐南芥、球果蔊菜、紫茉莉、水蔥、紅菾菜、三葉鬼針草、籽粒莧[7-8]等。但其在生物量、收獲物的利用程度和方式、降Cd效果、經濟效益等方面存在較大差異。因此，該研究針對國內農田土壤特性，篩選近年研究較多的幾種超富集植物進行介紹，詳見表1。

鬼針草（B.pilosa L.）為一年生草本植物，分布于我國的大部分地區，喜溫暖濕潤氣候。魏樹和等[9]通過盆栽篩選試驗和濃度梯度試驗得出三葉鬼針草為Cd超富集植物。韓少華等[7]通過盆栽試驗發現，針對上海地區2種濃度（1.2、12.0 mg/kg）Cd污染農田土壤，三葉鬼針草、中華景天、紫茉莉3種植物相比，三葉鬼針草對土壤Cd去除效果最佳，去除率分別為31.06%（1.2 mg/kg）和16.73%（12.0 mg/kg），且生物量大，可作為上海地區Cd污染農田土壤修復的優選植物。張云霞等[10]通過野外調查、原土盆栽試驗和田間試驗，得出鬼針草對Cd表現出穩定的積累特性，在適合鬼針草生長的亞熱帶季風區，土壤Cd全量為2.66～4.04 mg/kg，每1 hm2種植3茬鬼針草的去除率為12.9%～18.6%。

籽粒莧（Amaranthus hypochondriacus）是一年生的草本植物，在國內的種植區域很廣，具有生長速度快、生物量大、適應性強等特點[11]。谷雨等[12]通過在湖南省長株潭休耕區輕、中、重度Cd污染區開展田間試驗，對比分析了6種植物（籽粒莧、商陸、甜高粱、生物質高粱、玉米、油葵）對土壤中Cd的富集特性，發現籽粒莧地上部重金屬Cd的含量和對Cd的富集系數均最高。

藿香薊（Ageratum conyzoides L.）為菊科，屬一年生草本植物，在我國廣東、廣西、貴州等地廣泛分布，喜溫暖、陽光充足的環境。孫園園等[13]通過盆栽試驗發現，藿香薊地上部和地下部Cd含量隨脅迫濃度的增加而逐漸升高，在Cd（300 mg/kg）脅迫下，植株地上部Cd含量為125.5 mg/kg，但高濃度Cd脅迫對植物生長有抑制作用。張云霞等[14]通過野外調查、原土盆栽試驗和田間試驗，發現藿香薊葉片中 Cd 含量最大，在不同礦區表現出較好的穩定性，在適合藿香薊生長的中亞熱帶季風區，土壤Cd全量為4.5 mg/kg，每667 m2種植3茬藿香薊的去除率為13.2%～15.6%。

龍葵（Solanum nigrum L.）屬茄科，為一年或多年生的草本植物。翁添富[15]通過田間小區試驗，研究了龍葵對重金屬Cd的富集特征和修復潛力，得出龍葵地上部Cd含量為22.109 mg/kg，轉運系數為1.692。陳帥[16]通過溫室盆栽試驗設置不同Cd濃度梯度和真實污染土樣種植黑果和紅果2種龍葵屬植物，發現2種龍葵屬植物在株高、生物量干重、龍葵各器官中的Cd含量、富集系數和轉移系數均表現出超富集植物的特性，且黑果龍葵表現出更好的富集優勢。

1.3 一般農作物

因部分超富集植物具有生物量低、植株矮小、生長緩慢等缺點，在中輕度污染農田土壤中，可以選用生物量大、適應性強的植物或經濟作物進行修復，詳見表2。

甜高粱（Sorghum bicolor（Linn.）Moench）是重要的能源植物和糧食作物，具有生物量大、抗逆性強、適應性廣等特點，同時也是生產生物乙醇的重要原材料。Jia等[17]研究在Cd脅迫條件下甜高粱（M-81E）細胞結構、金屬離子分布等的變化，從植物生理角度證明甜高粱作為Cd污染土壤植物修復材料的潛力。薛忠財等[18]通過田間控制試驗發現，甜高粱對Cd具有較強的吸收能力和耐性，單株Cd的積累量最高可達0.84 mg（土壤Cd含量為18 mg/kg），Cd主要積累在甜高粱的根部，采用ASSF技術對甜高粱莖稈進行發酵處理，發現Cd處理對發酵過程中糖利用率和乙醇轉化率均沒有影響，可以用于生產燃料乙醇，從而實現邊生產邊修復。

皇竹草（Pennisetum hydridum）為多年生禾本科植物，具有根系發達、生長快、產量高、耐旱澇、耐貧瘠、抗酸堿等特點，可安全應用于飼用牧草、還田肥料、造紙原料等途徑。謝華等[19]在大田條件下，研究了在酸與Cd污染農田土壤中種植皇竹草的治理效果，發現土壤中 Cd 含量為 0.71 mg/kg時，皇竹草中Cd含量為1.69 mg/kg，富集系數為2.38，修復效果優于同等條件下種植的龍葵。

紅麻（Hibiscus cannabinus）是錦葵科木槿屬一年生纖維作物，具有耐旱、耐貧瘠、耐鹽堿、易栽培、纖維產量高等特性，是一種生物產量極高的經濟作物。黃玉敏等[20]以中紅麻3號、中紅麻16號等6個紅麻品種為試驗材料，進行中輕度Cd污染農田（土壤Cd含量0.39～0.53 mg/kg）土壤修復試驗，發現6個紅麻品種Cd富集情況為葉>莖>根>花，各器官富集系數為2.08～17.08，6個品種中以中紅麻3號產量最高，修復效果最好。

甘藍型油菜（Brassica napus L.）在我國南北地區廣泛種植，生物量大，可生產菜籽油和作為生物柴油。費維新等[21]選用10個主要油菜品種在重金屬Cd污染區與非污染區種植，發現油菜植株對Cd的吸收富集主要集中在莖葉部位，苗期秦優10號對重金屬Cd的富集能力最強。

2 植物修復技術強化措施

在修復工程實際應用中，由于大部分超富集植物存在植株矮小、生物量低、生長緩慢、修復周期長等局限性，因而可通過對超富集植物施加強化措施的方式提高修復效率。目前研究較多的強化措施主要有微生物聯合修復技術、螯合劑誘導修復技術、基因工程修復技術、農藝調控技術等。

49卷8期從 輝等 農田土壤Cd污染的植物修復及強化措施研究進展

3 展望

植物修復是一種安全、環境友好、成本相對低廉的修復技術，但也存在著耗時長、見效慢、易受環境因素干擾的缺點。近年來，國內外諸多學者在植物修復技術理論研究及實際應用方面取得了一定成果，但由于土壤本身的復雜性和植物對生長環境的強烈依賴性導致部分研究成果無法在實際大范圍內應用。因此，結合實際生產，今后需要對以下幾個方面進行深入研究：①加強對農田土壤Cd的來源識別和影響因子分析，針對不同土壤類型構建基于環境主控因子的農田土壤Cd生物有效性最佳調控技術體系;②借助基因工程、雜交育種等手段篩選適合Cd、Pb等復合污染土壤的超富集植物，同時對轉基因植物潛在生態風險和環境威脅進行評估，避免產生二次污染;③加強多種強化措施的聯合應用，結合污染物特征、作物種類、耕作模式、水肥管理等探索綠色、高效的聯合修復模式，切實指導農業生產。

參考文獻

[1]楊寒雯，劉方，劉秀明，等.農田土壤鎘污染修復技術研究進展[J].山地農業生物學報，2020，39（2）：58-63.

[2]環境保護部，國土資源部.全國土壤污染狀況調查公報[EB/OL].（2014-04-17）[2020-05-25].https：//www.renrendoc.com/p-13435318.html.

[3]劉悅暢，李保珍，王濤，等.2種菌聯合修復農田土壤鎘污染的研究[J].水土保持學報，2020，34（4）：364-369.

[4]LI X M，PENG W H，JIA Y Y，et al.Removal of cadmium and zinc from contaminated wastewater using Rhodobacter sphaeroides[J].Water science & technology，2017，75（11/12）：2489-2498.

[5]RASKIN I，KUMAR P N，DUSHENKOV S，et al.Bioconcentration of heavy metals by plants[J].Current opinion in biotechnology，1994，5（3）：285-290.

[6]張莎娜.長株潭地區農田土壤重金屬污染狀況及植物修復技術初探[D].長沙：湖南師范大學，2014.

[7]韓少華，黃沈發，唐浩，等.3種植物對Cd污染農田土壤的修復效果比較試驗研究[J].環境污染與防治，2012，34（12）：22-25，30.

[8]宋波，張云霞，田美玲，等.應用籽粒莧修復鎘污染農田土壤的潛力[J].環境工程學報，2019，13（7）：1711-1719.

[9]魏樹和，楊傳杰，周啟星.三葉鬼針草等7種常見菊科雜草植物對重金屬的超富集特征[J].環境科學，2008，29（10）：2912-2918.

[10]張云霞，周浪，肖乃川，等.鬼針草（Bidens pilosa L.）對鎘污染農田的修復潛力[J].生態學報，2020，40（16）：5805-5813.

[11]谷雨，黃鐵平，唐珍琦，等.籽粒莧修復土壤重金屬污染研究進展[J].農學學報，2020，10（10）：41-45.

[12]谷雨，蔣平，譚麗，等.6種植物對土壤中鎘的富集特性研究[J].中國農學通報，2019，35（30）：119-123.

[13]孫園園，徐玲玲，馮旭東，等.藿香薊的鎘積累、生物量及葉綠素熒光參數對不同梯度鎘脅迫的響應[J].廣西植物，2015，35（5）：679-684.

[14]張云霞，宋波，賓娟，等.超富集植物藿香薊（Ageratum conyzoides L.）對鎘污染農田的修復潛力[J].環境科學，2019，40（5）：2453-2459.

[15]翁添富.重金屬復合污染農田土壤植物修復的研究[D].昆明：昆明理工大學，2010.

[16]陳帥.兩種龍葵屬植物修復鎘污染鈣質農田土壤的對比研究[D].蘭州：蘭州大學，2020.

[17]JIA W T，LV S，FENG J J，et al.Morphophysiological characteristic analysis demonstrated the potential of sweet sorghum（Sorghum bicolor（L.）Moench）in the phytoremediation of cadmium-contaminated soils[J].Environmental science and pollution research，2016，23（18）：18823-18831.

[18]薛忠財，李紀紅，李十中，等.能源作物甜高粱對鎘污染農田的修復潛力研究[J].環境科學學報，2018，38（4）：1621-1627.

[19]謝華，趙雪梅，謝洲，等.皇竹草對酸與Cd污染農田土壤的治理效果及安全應用分析[J].農業環境科學學報，2016，35（3）：478-484.

[20]黃玉敏，尹明，鞏養倉，等.不同紅麻品種修復中輕度鎘污染農田試驗[J].中國麻業科學，2018，40（6）：264-269.

[21]費維新，榮松柏，初明光，等.甘藍型油菜品種對農田土壤重金屬鎘與銅的富集差異研究[J].安徽農業科學，2019，47（10）：74-78.

[22]李海燕，熊幟，李欣亞，等.植物-微生物聯合修復重金屬污染土壤研究進展[J].昆明理工大學學報（自然科學版），2017，42（3）：81-88.

[23]RAJKUMAR M，SANDHYA S，PRASAD M N V，et al.Perspectives of plant-associated microbes in heavy metal phytoremediation[J].Biotechnology advances，2012，30（6）：1562-1574.

[24]BHADURI A M，FULEKAR M H.Assessment of arbuscular mycorrhizal fungi on the phytoremediation potential of Ipomoea aquatica on cadmium uptake[J].3 Biotech，2012，2（3）：193-198.

[25]婁晨.納米材料-紫花苜蓿-根瘤菌復合體系對鎘污染土壤修復技術的研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2016.

[26]王小子.農藝及生物強化東南景天提取土壤鎘鉛效應與技術模式研究[D].杭州：浙江大學，2019.

[27]黃文.產表面活性劑根際菌協同龍葵修復鎘污染土壤[J].環境科學與技術，2011，34（10）：48-52.

[28]劉莉華，劉淑杰，陳福明，等.兩株鎘抗性奇異變形桿菌對龍葵修復鎘污染土壤的強化作用[J].環境工程學報，2013，7（10）：4109-4115.

[29]吳嶺.苧麻內生菌的篩選以及對土壤鎘修復的強化作用[D].株洲：湖南工業大學，2018.

[30]主朋月，韓冰，王曉陽，等.印度梨形孢聯合紫花苜蓿修復土壤鎘污染研究[J].環境科學與技術，2019，42（6）：21-27.

[31]鄭君健，劉杰，張學洪，等.重金屬污染土壤植物修復及強化措施研究進展[J].廣東農業科學，2013，40（18）：159-164.

[32]彭曦.鎘污染農田土壤植物修復的強化措施及其效果研究[D].長沙：湖南師范大學，2020.

[33]覃建軍，唐盛爽，蔣凱，等.螯合劑 GLDA 對象草修復鎘污染農田的影響[J].環境科學，2020，41（8）：3862-3869.

[34]何軍良，祝亞平，朱密，等.土壤中重金屬污染的植物修復強化技術概覽[J].安全與環境工程，2019，26（1）：58-63，76.

[35]ZHU Y L，PILON-SMITS E A H，JOUANIN L，et al.Overexpression of glutathione synthetase in Indian mustard enhances cadmium accumulation and tolerance[J].Plant physiology，1999，119（1）：73-79.

[36]GRICHKO V P，FILBY B，GLICK B R.Increased ability of transgenic plants expressing the bacterial enzyme ACC deaminase to accumulate Cd，Co，Cu，Ni，Pb，and Zn[J].Journal of biotechnology，2000，81（1）：45-53.

[37]BHUIYAN M S U，MIN S R，JEONG W J，et al.Overexpression of a yeast cadmium factor 1（YCF1）enhances heavy metal tolerance and accumulation in Brassica juncea[J].Plant cell，tissue and organ culture，2011，105（1）：85-91.

[38]竇春英.施肥對東南景天吸收積累鋅和鎘的影響[D].杭州：浙江林學院，2009.

[39]席磊.二氧化碳氣肥對印度芥菜和向日葵吸收積累銅、鋅的影響研究[D].杭州：浙江大學，2001.

[40]DU R J，HE E K，TANG Y T，et al.How phytohormone IAA and chelator EDTA affect lead uptake by Zn/Cd hyperaccumulator Picris divaricata[J].International journal of phytoremediation，2011，13（10）：1024-1036.

[41]崔立強，吳龍華，李娜，等.水分特征對伴礦景天生長和重金屬吸收性的影響[J].土壤，2009，41（4）：572-576.

[42]馮子龍，盧信，張娜，等.農藝強化措施用于植物修復重金屬污染土壤的研究進展[J].江蘇農業科學，2017，45（2）：14-20.

[43]曹雪瑩.污染農田休耕修復中土壤鎘有效性及肥力變化研究[D].長沙：湖南師范大學，2019.

[44]卞方圓，鐘哲科，張小平，等.毛竹和伴礦景天對重金屬污染土壤的修復作用和對微生物群落的影響[J].林業科學，2018，54（8）：106-116.

[45]李娜，孫寧驍，宋桂龍，等.刈割次數對紫花苜蓿鎘吸收影響及生理響應[J].草業學報，2017，26（5）：109-117.