植物種植修復土壤重金屬污染的模式、技術與效果綜述

楊濱娟, 黃國勤

植物種植修復土壤重金屬污染的模式、技術與效果綜述

楊濱娟, 黃國勤*

江西農業大學作物生理生態與遺傳育種教育部重點實驗室/生態科學研究中心, 江西南昌 330045

重金屬污染是當今土壤污染中污染面積最廣、危害最大的環境問題之一, 其中植物修復技術以其經濟有效、不易產生二次污染且適于大面積土壤修復等優點越來越受到重視。因此, 以植物修復技術對重金屬污染修復的影響為研究內容, 側重研究桉樹、白花泡桐、向日葵、毛白楊以及節節草等植物對土壤重金屬污染修復的研究進展, 以期為重金屬污染修復技術的發展提供一定的理論基礎和實踐意義。

植物修復技術; 重金屬污染; 模式; 技術

0 前言

重金屬污染是當今土壤污染中污染面積最廣、危害最大的環境問題之一, 一直以來都受到世界各國環境科學工作者及政府和有關部門的高度重視, 也是科學研究的熱點之一[1-2]。土壤重金屬污染主要來自灌水(尤其是污灌)、固體廢棄物(污泥、垃圾等)、農藥和肥料、大氣沉降物等[3]。導致土壤污染的重金屬主要包括砷(As)、鎘(Cd)、鈷(Co)、鉻(Cr)、銅(Cu)、汞(Hg)、錳(Mn)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鋅(Zn)等, 一般為幾種重金屬的復合污染[4]。其中Cd是土壤污染中最具毒性的重金屬之一, 由于其高移動性、高毒害性、難降解性和高積累性, 1984年被聯合國環境規劃署列為“危害全球環境的化學物質和化學過程清單”首位。Cd一般通過急性或慢性毒性作用積累于生物體內, 較低濃度就能對植物產生毒害[5-6]。我國土壤環境的Cd污染較嚴重, 污染地區涉及11個省市25個地區, 污染面積約1.3×104hm2, 污染區稻米中的Cd含量為1.32—5.43 mg?kg-1[7]。Pb作為3種重金屬(Pb、Cd、Hg)環境激素物質之一, 對人體和生物(主要為動物)體內的正常激素功能產生影響, 具有類似雌激素的作用, 能導致包括人類在內各種生物的生殖功能下降, 腫瘤免疫力降低, 并引起各種生理異常[8]。Cu雖然是植物生長的必需元素, 但當土壤中的有效Cu含量達到200 mg?kg-1時, 植物的正常生長受到嚴重影響[9]。對于土壤重金屬污染的修復, 一般初期采用理化方法, 如熱處理和化學浸出法, 但費用昂貴且不適于大面積應用。近年來國內外側重于生物修復方法, 利用土壤中的各種生物(植物、動物和微生物)吸收、降解和轉化土壤中的污染物, 使污染物的濃度降低到可接受的水平, 或將有毒有害的污染物轉化為無害的物質。生物修復技術由于其經濟適用性、不易產生二次污染且適于大面積推廣等優點, 在近幾年發展非常迅速[10-12], 其中作為生物修復方法之一的植物修復技術也受到人們的重視。植物修復技術可以分為植物萃取技術、植物揮發技術和植物固化技術[13]。植物生長發育過程中, 根系作為植物和土壤的重要界面, 不僅是吸收和代謝器官, 而且是強大的分泌器官。當植物定居后其根系由于呼吸作用、吸收作用以及向外界環境不斷分泌的各種有機化合物等均會對污染土壤的理化性狀、重金屬的遷移和轉化等產生較大的影響[14]。但具有重金屬超富集能力的植物物種資源較少, 且已知的超富集植物生物量小、生長緩慢、經濟收益低, 不利于機械化收割, 使植物修復在實際應用過程中受到很大限制。因此尋找具有一定植物修復作用、生長迅速且能夠帶來良好經濟收益的非食用性植物物種資源是能否在我國推行土壤污染植物修復技術的關鍵[10]。本文擬就幾種常見植物對土壤重金屬污染修復的研究進展進行討論, 以期為我國重金屬污染修復研究提供一定的理論依據和技術支持。

1 種植桉樹對土壤重金屬污染修復的研究

桉樹()是桃金娘科桉屬樹種的統稱, 主要生長于大洋洲, 種類(包括變種、亞種)約945種, 是世界四大速生樹種之一[15-16]。自19世紀末引入中國迄今為止種植面積將近300×104hm2, 因桉樹具有速生、適應性強、輪伐期短、木材用途廣、經濟效益高等優點而成為最重要的人工用材林造林樹種之一, 也是中國南方的重要戰略樹種之一[15-16]。近年來有關桉樹對重金屬污染修復的適應性研究引起了許多專家的重視與探索。仲崇祿[17]通過巨桉()苗期礦質營養試驗發現Cu、Zn、Mn、Co、Mo、Fe等重金屬元素是桉樹生長所必需的營養元素。藍佩玲等[18]研究發現B與Zn、Cu、Mn、Fe等重金屬元素配施均可起到促進剛果桉(2)和尾葉桉()增產的效果, 其中剛果桉增產幅度為114%—154%。李寶福[19]、李躍林等[20]研究表明, 種植桉樹尤其是巨尾桉()對Mn、Fe等重金屬元素有很強的富集作用。楊勝香[21]研究發現, 大葉桉()和細葉桉()在重金屬元素嚴重污染的八一礦區生長良好且對Mn元素有較好的富集作用, 樹體中Cr、Cd含量均超過正常植物含量的上限值。陳鴻文等[22]研究發現, 在相同的土壤條件下, 與對照林地(灌木林)相比桉樹人工林土壤中微量元素Cu、Mn的含量均較低。袁穎紅等[23]通過分析桉樹在不同年齡序列(2 a、3 a、4 a、5 a、6 a)土壤中Fe、Mn、Zn這3種微量元素的含量, 得出土壤微量元素的含量跟樹齡關系密切, 隨桉樹年齡的增加呈逐漸下降趨勢?？得裘鞯萚24]研究發現, 廣州市黃埔區的部分臺灣相思林和尾葉桉林不但沒有受到工業區土壤重金屬污染的破壞, 且尾葉桉林地的土壤細菌數量、微生物代謝活性和群落多樣性較裸地有顯著提高?？紤]到許多重金屬元素是對桉樹生長發育有促進作用的微量元素以及桉樹對Cd、Zn、Mn、Pb、Cu等重金屬元素有較好的富集效果[4], 且桉樹蘊含著巨大潛力和商業價值, 所以應大力提倡在重金屬污染區種植桉樹, 改善、保護土壤環境的同時也可以取得可觀的經濟效益。

2 種植白花泡桐對土壤重金屬污染修復的研究

根據近期研究發現速生的喬木樹種由于其生物量大、根系深、生長周期長、富集高濃度重金屬等優點被認為是最適宜植物修復技術的物種之一[25-26]。白花泡桐()是中國的鄉土物種, 屬于玄參科(Scrophulariaceae)泡桐屬()喬木, 俗稱“泡桐”, 具有極易扦插、生長快速、適應性強、用途廣泛等優點, 是優良的綠化樹種和農桐間作樹種[27-28]。目前已被移植到北美、澳大利亞、歐洲和日本等國家和地區[29], 并作為植物修復的適宜物種成功地用于我國南方地區一些尾礦的生態修復之中[26,30]。在廣東韶關鉛鋅冶煉廠附近, 白花泡桐已被用來成功恢復200 hm2重金屬污染地。朱連秋等[10]研究表明隨著白花泡桐修復時間的延長, 土壤重金屬全量和有效態含量呈現明顯的增長趨勢, 土壤重金屬可交換態和殘渣態所占組分持續減少, 但碳酸鹽結合態、鐵-錳氧化物結合態和有機結合態所占組分持續增加, 表明白花泡桐雖然對重金屬具有明顯的富集作用, 但重金屬的移動性逐漸減弱, 生物有效性逐漸增強。王江等[31]研究表明在酸雨強度pH 5.0左右的南方各地區, 白花泡桐是≤100 mg?kg-1Cu濃度污染地的理想修復物種。另外研究還表明白花泡桐是一種潛在的Pb超富集喬木物種, 對復合重金屬污染地也可以進行有效地植物修復。

3 種植向日葵對土壤重金屬污染修復的研究

向日葵()是一種生長高度可達3 m的大型一年生菊科向日葵屬植物, 其根系發達, 生物量大, 生長迅速, 抗旱耐瘠薄, 是經濟價值很高的油料作物, 具有種植方便、適應范圍廣、抗旱耐鹽堿、易于機械化收割和增產潛力大等特點, 對重金屬的耐受性和富集性較強, 且能選擇性吸收銫等放射性物質[5,32]。

3.1 Cd的污染修復

向日葵對土壤Cd污染具有一定的耐性。Cd在向日葵體內的分布規律為低濃度時葉>根>籽實>莖, 高濃度時根>葉>籽實>莖。各部位的Cd含量隨著土壤重金屬濃度的增加而增加, 但這種增加是有限度的, 超過限度就會對植株造成傷害, 使生物量下降, Cd吸收總量降低[33]。同時, 向日葵對水體Cd污染也有明顯的修復效果, 向日葵種苗對Cd的富集能力優于蓖麻和玉米, 在1 mg·L-1Cd溶液中, 去除效果最好[34]。采用向日葵種苗過濾法能夠在72 h內使水體中的Cd濃度明顯降低, 但由于Cd的強毒害作用, 當水體Cd濃度較高時會影響植物正常生長進而影響過濾效果[35]。牛之欣等[36]研究表明, 水培條件下向日葵、蓖麻、紫花苜蓿和芥菜這4種植物的根部與地上部對Cd的富集量隨重金屬濃度的增加而增加, 而富集系數隨重金屬濃度的增加而減小, 且通過比較可以發現, 向日葵對Cd的吸收潛力更強, 可以作為Cd污染修復的備選植物。

3.2 Pb的污染修復

Pb和其化合物對人體各組織均有毒性, 是重金屬污染中毒性較大的一種, 一旦進入人體很難排除, 主要對神經、造血系統和腎臟造成危害, 直接傷害人的腦細胞, 特別是胎兒的神經板, 損害骨骼造血系統, 引起貧血、腦缺氧、腦水腫, 出現運動和感覺異常, 造成老年人癡呆、腦死亡等。美國兒童Pb中毒數目最多的地區是芝加哥, 當地即采用種植向日葵等植物來清除Pb污染。在含Pb較低濃度的溶液中, 向日葵具有很強的積累Pb的能力, 且與生物量和重金屬濃度具有一定的相關性[37], 隨著濃度的增加, 向日葵對Pb的遷移總量先增大后減小[8,37-39]。采用向日葵種苗過濾法可以使水體中的Pb在72 h內由100 mg·L-1迅速減少至5 mg·L-1以下, 其中根部的積累量最高[38]。向日葵根部是最主要的富集部位, 莖、葉和種子的吸收量很低, 種子最低。

3.3 Cu的污染修復

土壤中Cu含量由于長期使用波爾多液而迅速增加, Cu平均濃度超過100 mg?kg-1[40], 并導致小麥中的Cu含量達到危險水平[41]。向日葵對Cu有明顯的積累能力, 但不同濃度下, 向日葵對Cu的積累能力不同。在100 mg?kg-1Cu濃度時, 植株積累的Cu主要集中于根部, 地上部的含量很低; 而在200 mg?kg-1濃度時, 葉片中Cu含量超過根部, 葉根比達1.27, 這說明當土壤Cu濃度較高時, 地上部對Cu有較高的積累, 集中收獲地上部分可移出土壤中過多的Cu[42-43]。另外, Cu由向日葵根向莖葉運輸的能力大于Pb[39]。陳麗萍等[44]通過對含有Cu2+的模擬廢水進行吸附試驗表明, 向日葵秸稈對 Cu2+有較強的吸附作用, 作為一種新型的生物吸附劑, 實現了“以廢治廢”的目的, 且制作方法簡單, 具有較高的開發應用價值。

3.4 Zn的污染修復

向日葵幼苗對Zn污染具有很好的修復作用, 根部吸收的部分Zn可以通過有效途徑輸送并保存到其它器官中。利用向日葵種苗根和莖的積累過濾, 可以使水體的Zn濃度在144 h內明顯降低[45]。聶惠等[5]研究發現, 經向日葵幼苗過濾后, 被污染水體中的Zn、Cu、Pb濃度均在FAO(聯合國糧農組織)和EPA(美國環保署)規定的農田灌溉水質標準的安全范圍內, 充分證明利用向日葵作為重金屬污染的過濾清除系統是非常可行的。

3.5 Cr的污染修復

Fozia等[46]研究證明, 向日葵對Cr污染具有一定的修復作用, 根部對Cr的吸收效果非常明顯, 但向其它部位的轉移速度較慢。莖對Cr也有一定的吸收作用, 種子的吸收速度要比根、莖慢得多。許多研究表明, 向日葵對重金屬污染也具有較強的耐受性和植物修復能力。雖然重金屬污染會對其生長發育造成影響, 可能會有一部分積累于果實, 但它可以有效去除土壤中的重金屬元素, 收獲其籽粒、秸稈等也可為生物柴油、供熱燃料和造紙制板等加工業提供原料。因此, 種植向日葵是治理土壤重金屬污染的一條行之有效的途徑, 并可創造良好的經濟、社會和生態效益。

4 種植毛白楊對土壤重金屬污染修復的研究

毛白楊()因樹姿雄偉, 生長快, 是北方城鄉綠化的重要樹種, 在北方城市有著廣泛的應用[47]。但是當前, 利用植物修復土壤重金屬污染的研究主要集中在楊柳科植物的盆栽試驗和水培試驗上, 對于自然生長于污染土壤上樹木的研究較少, 并且缺少野外試驗數據的支持[48]。徐學華等[47,49]研究表明, 毛白楊體內重金屬含量低于土壤元素含量背景值, 且3年生的毛白楊的重金屬吸收能力大于5年生和10年生的毛白楊, 表明較大樹齡的毛白楊吸收重金屬的能力有下降的趨勢。毛白楊吸收重金屬呈現出葉、根部和樹皮較大, 枝和樹干較小的趨勢, 同時也表明了植物體內重金屬的吸收與積累和土壤中重金屬的濃度、植物的年齡等因素有著密切的關系[50]。魏立華[51]通過分析毛白楊樹葉對Pb、Cd的累積率以及毛白楊植株體內的Pb、Cd含量, 呈現地下根系>樹葉>地上枝干的規律, 表明毛白楊可以作為Pb、Cd專性植物用于重金屬污染土壤的植物修復。根據污灌區的立地條件和重金屬污染狀況, 因地制宜采用毛白楊(或楊類)生態屏障林、毛白楊(或楊類)幼苗林、農楊間作、農田防護林等生態功能模式防治和治理土壤重金屬污染。

5 種植節節草對土壤重金屬污染修復的研究

節節草()屬木賊科木賊屬多年生草本蕨類植物, 其分布廣泛, 生長迅速, 抗逆性強, 常生長在路邊、砂地、荒原以及礦業廢棄地上[52-54]。有研究表明, 節節草對Cu具有較強的吸收和積累能力, 是一種銅耐性植物[55-57]。李影等[55]研究表明節節草生長顯著提高了尾礦砂中有機物結合態重金屬比例, 降低了交換態和殘渣態重金屬比例, 促進了銅尾礦砂重金屬朝螯合態方面轉化, 有效降低重金屬的生物有效性。隨著節節草的生長, 顯著改善了銅尾礦砂的基質環境和土壤肥力, 尾礦土壤有機質和氮素營養得到一定的改善; 土壤過氧化氫酶、脲酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性均不同程度提高, 在銅礦業廢棄地植被恢復過程中, 節節草具有較大應用潛力。王友保等[58]研究發現自然條件下節節草根際土壤中的 Cu、Cd 形態分布基本一致, 均表現為有機結合態和交換態所占各種金屬總量的比例明顯增加, 而碳酸鹽結合態和鐵錳氧化物結合態在重金屬總量中所占比例則有所下降。

6 結論與展望

隨著社會經濟的迅速發展, 土壤重金屬污染以及相關的生態環境問題已成為人們關注的熱點, 而如何有效地修復重金屬污染問題也越來越受到人們關注[3]。近年來, 對于重金屬污染土壤的改良與修復, 植物種植修復技術被認為是更易接受、大范圍應用、并利于礦區土壤生態恢復的植物技術, 也被視為一種植物固碳技術和生物質能源生產技術[59]。另外, 重金屬污染土壤的植物修復具有顯著的科學意義, 一方面豐富和拓展了土壤污染植物修復技術的研究內容和研究領域, 開發了植物種植利用的新途徑; 另一方面也遵從了“多功能林業”的經營理念和傳承了“科學和諧”的社會發展思想, 有利于緩解當前木材資源的供給壓力, 促進污染區農村經濟結構的戰略性調整, 對于實現污染治理與農民增收雙贏, 加快社會主義新農村建設均具有重要意義[4]。

但同時, 植物修復技術也有不可避免的缺點, 限于人地矛盾突出的我國國情, 現階段大規模應用的可能性不大。有學者嘗試開發土壤重金屬穩定劑、固定劑技術, 并在磷酸鹽、沸石、污泥和磷酸鹽衍生物材料的原位修復技術方面獲得進展, 但問題在于經固定劑捕獲而暫時穩定的重金屬離子, 在不斷經歷溶解和沉淀的變化下又重新釋放, 影響其修復效果[60]。也有學者為尋找多污染復合和混合污染土壤的凈化方案, 將分子生物學和基因工程技術應用于發展植物雜交修復技術, 研究發展能降低農田土壤污染的食物鏈風險的植物修復技術[59]。從這些研究成果看, 均存在一定的技術缺陷, 難以廣泛推廣應用。土壤治理是一個漫長的過程, 人們需要在土壤治理實踐中汲取經驗, 有效彌補植物修復技術的缺陷, 同時將其與其他土壤治理技術相結合, 聯合應用多種土壤污染治理技術, 達到改善土壤環境、維持生態平衡的目的。

致謝: 感謝中國科學院南京土壤研究所駱永明研究員的大力支持！

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Review on model, technology and effect of phytoremediation technology on remediation of heavy metal pollution

YANG Binjuan, HUANG Guoqin

Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic Breeding, Research Center of Ecological Sciences, Jiangxi Agricultural University, Nanchang330045, China

Heavy metal pollution is one of the most extensive and harmful environmental problems in soil pollution nowadays. Phytoremediation technology has been paid more and more attention because of its advantages such as economy, not easy to produce secondary pollution and suitable for large-scale soil remediation. So the influence of phytoremediation technology on remediation of heavy metal pollution is taken as the research content, with emphasis on the research progress of,,,andon remediation of heavy metal pollution in soil, so as to provide certain theoretical basis and practical significance for the development of remediation technology of heavy metal pollution.

the phytoremediation technology; heavy metal pollution; model; technology

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.04.029

S-1

A

1008-8873(2022)04-251-06

2020-08-05;

2020-08-28

國家自然科學基金(32160528); 江西省現代農業產業體系-稻田綜合種養產業技術體系(JXARS-12); 國家重點研發計劃課題(2016YFD0300208); 科技部科研計劃——中澳國際合作“重金屬污染土壤的聯合修復機制及技術研究”課題(2010DFA92360)

楊濱娟(1985—), 女, 山東淄博人, 博士, 助理研究員, 研究方向為耕作制度與農業生態研究, E-mail: yangbinjuan@jxau.edu.cn

通信作者:黃國勤(1962—), 男, 博士, 教授、博士生導師, 研究方向為作物學、生態學、農業發展與區域農業、資源環境與可持續發展等研究, E-mail: hgqjxes@sina.com

楊濱娟, 黃國勤. 植物種植修復土壤重金屬污染的模式、技術與效果綜述[J]. 生態科學, 2022, 41(4): 251–256.

YANG Binjuan, HUANG Guoqin. Review on model, technology and effect of phytoremediation technology on remediation of heavy metal pollution[J]. Ecological Science, 2022, 41(4): 251–256.