化學(xué)方法強(qiáng)化園林植物修復(fù)鎘污染土壤的研究進(jìn)展

王素君，趙立偉，陳 薔，魏立穎

(京藍(lán)北方園林(天津)有限公司 天津 300300)

0 引 言

土壤在人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要角色，是人類在地球上賴以生存的主要自然資源，也是生態(tài)環(huán)境和生物圈的重要組成部分。隨著工業(yè)的進(jìn)步、城市的發(fā)展和大量化學(xué)物質(zhì)的施用，土壤的重金屬污染、有機(jī)污染和質(zhì)地破壞日益嚴(yán)重，其中土壤重金屬污染最為嚴(yán)重。土壤重金屬污染是指微量金屬元素在土壤中過量沉積而引起的含量超過其背景值。我國僅受Cd污染的土地面積就達(dá) 20萬 km2，約占總耕地面積的1/6，面對(duì)如此龐大的數(shù)字，農(nóng)業(yè)和土壤研究者正在努力尋找快速、環(huán)保、簡(jiǎn)便的土壤重金屬污染修復(fù)途徑。同其他重金屬離子一樣，Cd一旦進(jìn)入土壤中，對(duì)土壤造成的污染就是巨大的。因其具有隱蔽性、不可逆性和長(zhǎng)期性等特點(diǎn)，單純采用物理、工程和化學(xué)的方法很難消除。

因此人們開始把目光轉(zhuǎn)向植物，植物修復(fù)作為綠色的修復(fù)方式越來越受到人們的認(rèn)可，它的快速發(fā)展為修復(fù)重金屬污染土壤開辟了新途徑。但由于修復(fù)土壤重金屬污染的富集植物不僅個(gè)體小，而且景觀效果差，不能取得良好的生態(tài)和環(huán)境效益。作為環(huán)境重要因子的園林植物由于其生長(zhǎng)速度快、景觀效果好、耐性較強(qiáng)，開始不斷被應(yīng)用于土壤修復(fù)領(lǐng)域。園林植物作為廣泛的適應(yīng)性很強(qiáng)的一類植物群落，不僅具有很高的抗逆能力，生命力頑強(qiáng)，而且生長(zhǎng)迅速，吸收能力強(qiáng)，能快速吸收土壤中的水分和養(yǎng)分等，其特性均有利于園林植物對(duì)土壤中重金屬的耐性和積累性[1]。

1 植物修復(fù)重金屬污染土壤優(yōu)勢(shì)

1.1 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)通常是指利用綠色植物吸附、降解或圍堵以去除污染土壤中的有害物質(zhì)，主要通過植物的吸收、揮發(fā)、根濾、降解、穩(wěn)定等作用，降低并凈化土壤中的污染物質(zhì)，達(dá)到凈化環(huán)境的目的。狹義上的植物修復(fù)通常是指將某種特定的植物種植在污染土壤上，通過植物吸收富集其中的污染物，降低土壤中污染物的含量。

1.2 園林植物修復(fù)的優(yōu)勢(shì)

園林植物因其自身的特點(diǎn)在修復(fù)重金屬污染土壤領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景，除了具有一般植物的特點(diǎn)外，它還具有以下優(yōu)勢(shì)。

①園林植物的可利用資源非常豐富，應(yīng)用研究的潛力巨大，通?？晒┬迯?fù)土壤篩選的植物種類繁多。

②在進(jìn)行土壤修復(fù)的同時(shí)，園林植物還能夠改善和美化環(huán)境，作用顯著。

③園林植物屬于觀賞性植物，不會(huì)進(jìn)入食物鏈，不會(huì)對(duì)人類產(chǎn)生危害。

④園林植物通常顏色亮麗，多姿多彩的葉色和花色，景觀效果顯著，能使人心情愉悅，促進(jìn)人體健康機(jī)能，提高人體免疫力[2]。

⑤重金屬污染的土壤不能種植農(nóng)作物，用其代替耕作土栽植園林植物可有效利用污染土壤。

2 園林植物修復(fù)污染土壤研究進(jìn)展

目前，國內(nèi)外在植物修復(fù)技術(shù)方面已有許多報(bào)道，已發(fā)現(xiàn)的超積累植物有 400多種，既有草本植物，也有木本植物。但超積累植物的種類和數(shù)量有限，對(duì)于重金屬超積累的園林植物也沒有相關(guān)報(bào)道，只有積累和耐性園林植物的草本花卉的相關(guān)研究[3]。

蔣德明等[4]認(rèn)為北京楊、加拿大楊、沙蘭楊、健楊、旱柳、寬柳能夠有效吸收和富集重金屬污染土壤中的 Cd，而榆樹、刺槐、紫穗槐和桑樹則對(duì)土壤 Cd吸收富集的能力較弱。這些園林植物在富集過程中表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐性和較強(qiáng)的重金屬積累能力，對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力也很強(qiáng)，以上能力也是重金屬超積累植物所具備的特征[5]。雖然在積累量上還達(dá)不到超積累植物的標(biāo)準(zhǔn)，但是由于園林植物的個(gè)體大，有些是多年生的植物，從吸收和富集重金屬離子的絕對(duì)量綜合考慮，園林植物也能從污染的土體中吸收較多的Cd，從而減輕土壤的污染。

還有一些花卉植物對(duì)重金屬復(fù)合污染的土體有很強(qiáng)的修復(fù)效果，據(jù)報(bào)道劉家女等[6]對(duì)紫茉莉、鳳仙、金盞菊和蜀葵進(jìn)行了重金屬耐性和積累性的研究，這4種植物對(duì)重金屬 Cd、Pb單因素污染及 Cd—Pb復(fù)合污染均有很強(qiáng)的耐性和積累性，在濃度為100mg/kg的 Cd污染土壤中和 Pb濃度為1000mg/kg情況下，4種花卉均能正常生長(zhǎng)且無毒害癥狀發(fā)生，當(dāng)土壤中Cd濃度達(dá)100mg/kg時(shí)4種植物地上部重金屬含量都超過 Cd超積累植物的臨界標(biāo)準(zhǔn)值 100mg/kg。以上實(shí)例均表明：草本花卉植物對(duì)土壤中的 Cd有很強(qiáng)的耐性和積累性，同時(shí)還能吸收土壤中的 Cd而不影響自身的生長(zhǎng)，在鎘離子污染的土壤中種植能夠降低土壤中鎘離子的含量，是很好的Cd污染土壤的修復(fù)植物。

Li等[7]在 Cd污染土壤上，分別栽植柳樹、柳樹用EDTA 處理、柳樹用 EDTA和乳酸乙酯處理，45d后，以上 3個(gè)處理分別使土壤中 Cd 含量下降了5%、20%和 29%；其中 EDTA 與乳酸乙酯結(jié)合處理能顯著提高土壤中Cd的去除率，柳樹用EDTA和乳酸乙酯三者結(jié)合處理的植物修復(fù)方式對(duì) Cd污染土壤具有較高的修復(fù)效果。施辰陽等[8]研究施加一定濃度的外源Si能夠明顯提高刺柏對(duì)Cd的耐性，其研究表明，施用400mg/kg的Si影響Cd從刺柏根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，莖、葉部 Cd含量明顯下降，而 1000/kg的 Si處理會(huì)使 Cd毒害刺柏。吳雙桃[9]的研究表明，美人蕉也能吸收土壤中多余的 Cd，土壤中的 Cd在5mg/kg左右時(shí)可促進(jìn)美人蕉生長(zhǎng)，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)還證明，在Cd污染土壤中當(dāng)Cd濃度較低時(shí)，更有利于美人蕉對(duì)Cd的吸收。

通常來說植物地上部的重金屬含量和植物本身的生物量是決定植物修復(fù)效果的主要因素，而園林植物自身具有比較大的生物量，為了進(jìn)一步提高其修復(fù)重金屬污染土壤的成效，關(guān)鍵是提高植物地上部對(duì)重金屬的吸收量。為此，研究者們?cè)谂ふ医鉀Q矛盾的途徑。近幾年來，國內(nèi)外在螯合劑誘導(dǎo)的植物提取技術(shù)方面開展了較多的研究[10-15]。根據(jù)重金屬在環(huán)境中的有效性程度，將土壤中的重金屬分為 5個(gè)形態(tài)：可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)，不同形態(tài)的重金屬之間經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，而且這種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)隨著環(huán)境條件如螯合作用、土壤酸堿度和土壤養(yǎng)分等的改變而不斷變化[16]。

為了提高園林植物對(duì)污染土壤中 Cd離子的吸附積累量，根據(jù)以上研究可以借助于輔助手段，如特定的強(qiáng)化措施等來提高其積累能力，通過調(diào)節(jié)土壤環(huán)境來提高植物吸收 Cd的能力，從而增強(qiáng)植物地上部積累 Cd的數(shù)量，提高植物對(duì)重金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)能力和富集系數(shù)，使其接近并達(dá)到園林植物修復(fù)重金屬污染土壤的標(biāo)準(zhǔn)。

3 化學(xué)方法強(qiáng)化園林植物修復(fù)技術(shù)

影響植物修復(fù)效果的限制因子主要是重金屬在土壤中的有效性、重金屬離子的濃度和植物將重金屬離子從根部向地上部轉(zhuǎn)移的能力[17]。今后研究的重點(diǎn)為通過基因調(diào)節(jié)、物理、化學(xué)和生物方法強(qiáng)化植物修復(fù)技術(shù)，提高植物的修復(fù)效果，本文著重介紹采用化學(xué)方法強(qiáng)化園林植物修復(fù) Cd污染土壤方面的信息，即將化學(xué)方法和生物方法相結(jié)合對(duì)土壤中的 Cd進(jìn)行去除。

3.1 調(diào)節(jié)土壤酸堿度

土壤的酸堿度是影響土壤中 Cd的形態(tài)和有效性的重要因子。眾多實(shí)驗(yàn)表明，適當(dāng)降低土壤 pH值能夠提高土壤溶液中 Cd離子的濃度，故在土壤重金屬修復(fù)過程中施入含銨肥料或土壤酸化劑，為土壤環(huán)境提供適宜的弱酸性條件，可增加 Cd離子在土壤中的濃度并提高其生物有效性，從而進(jìn)一步促進(jìn)植物對(duì)土壤中多余Cd的吸收。

3.2 螯合劑強(qiáng)化技術(shù)

螯合劑主要通過螯合作用促進(jìn)重金屬從固相土壤中解析出來，并與重金屬形成螯合物，進(jìn)一步促進(jìn)螯合物從植物根部向地上部的轉(zhuǎn)移。植物重金屬形成螯合物的能力與螯合劑和金屬的親和力密切相關(guān)，不同螯合劑對(duì)土壤Cd解吸率的大小不同，如EGTA＞EDTA＞HEDTA＞DTPA＞EDHA；但施加螯合劑在活化土壤中重金屬離子的同時(shí)，也增強(qiáng)了重金屬對(duì)植物的毒性，抑制植物生長(zhǎng)，使其生物量減少，甚至死亡。因此，螯合劑的施用時(shí)間和施用量很重要，為了避免植物受到螯合物的危害，通常采用在植物收獲前一次性加入高濃度螯合劑的方法，但一次性加入高濃度的螯合劑也會(huì)使植物中毒，如高濃度 EDTA會(huì)抑制植物蒸騰作用。所以 Gupta等[18]認(rèn)為在整個(gè)修復(fù)過程中分次加入低濃度螯合劑效果更好。因此，針對(duì)不同重金屬污染土壤和園林植物種類應(yīng)選擇合適的鰲合劑種類和施用時(shí)間。

園林植物雖然體量大，但是對(duì)重金屬離子的吸收比較少，修復(fù)過程中使用適當(dāng)濃度和種類的螯合劑，能夠促進(jìn)土壤固相結(jié)合的重金屬解析出來，在增加土壤溶液中重金屬濃度的同時(shí)，還能促進(jìn)園林植物根系的吸收和對(duì)重金屬離子向上轉(zhuǎn)運(yùn)，有效提高植物的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)[19]。Blaylock等[20]研究表明，一定濃度的EGTA對(duì)Cd有很強(qiáng)的螯合作用。

3.3 有機(jī)類物質(zhì)強(qiáng)化技術(shù)

施加植物所需的營養(yǎng)元素，能促進(jìn)植物根系的生長(zhǎng)和發(fā)育，提高根系的活動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)園林植物對(duì)土壤中重金屬的吸收，同時(shí)營養(yǎng)元素還能促進(jìn)植物地上部的生長(zhǎng)，提高園林植物的生長(zhǎng)速度和整體生物量，從而促進(jìn)植物對(duì)重金屬離子的吸收[15]。魏樹和等[21]在對(duì)超積累植物龍葵的研究過程中，發(fā)現(xiàn)施加雞糞能夠促進(jìn)植物對(duì) Cd吸收，提取率能夠提高 35.7%～97.0%，在開花期收獲超積累植物能使植物對(duì) Cd的提取率提高 1.43～1.75倍。有機(jī)類物質(zhì)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)和林業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用，今后將繼續(xù)對(duì)有機(jī)類物質(zhì)充分利用，并將其與現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)高新技術(shù)結(jié)合，促進(jìn)園林植物在土壤Cd污染修復(fù)技術(shù)中得到更大發(fā)展。

4 結(jié) 語

目前，園林植物以其獨(dú)特的環(huán)境優(yōu)勢(shì)和良好的修復(fù)效果已成為土壤重金屬污染修復(fù)的重要方法，其與常用的物理化學(xué)法相比，具有投資小、施工簡(jiǎn)單、修復(fù)效果好、環(huán)境友好以及美化環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，雖然相比于重金屬富集植物吸附量小，但園林植物體量大，多年生，一次種植可永久修復(fù)，是今后土壤重金屬污染修復(fù)的重要途徑。

將物理化學(xué)法與園林植物修復(fù)相結(jié)合，更能加強(qiáng)園林植物吸附重金屬離子的效果，增加它們的富集系數(shù)，提高它們的轉(zhuǎn)化率。今后在進(jìn)行園林植物修復(fù)重金屬污染土壤中一定要和其他修復(fù)方法相結(jié)合，以突出其在修復(fù)污染土壤中的作用。在以后的技術(shù)開發(fā)中也要加強(qiáng)園林植物的研究，將基因工程技術(shù)融入其中以找到最大限度吸收鎘而且環(huán)境美化功能強(qiáng)的園林植物。