植物修復(fù)技術(shù)治理農(nóng)田土壤重金屬污染的研究進展

李 旭，晁 贏，閻祥慧，羅 鋒，于金鵬，婁燕宏，諸葛玉平，王 會，潘 紅，楊全剛

（1. 土肥高效利用國家工程研究中心/山東農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，山東 泰安 271018；2. 泰安高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)科技創(chuàng)新部，山東 泰安 271000；3. 鄒城市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東 鄒城 273500）

重金屬在土壤中具有累積性、隱蔽性、不可逆性以及難治理性等特點，嚴重制約國民經(jīng)濟的發(fā)展和土壤資源可持續(xù)利用，土壤重金屬污染已經(jīng)成為世界性的環(huán)境問題[1]。土壤中積累的重金屬可通過食物鏈進入人體，危害人體健康，土壤重金屬污染對食品安全造成的影響也已成為當前社會關(guān)注的熱點[2]。近年來，土壤重金屬污染防治和糧食安全生產(chǎn)工作受到有關(guān)部門高度重視，重金屬污染土壤的安全利用和修復(fù)治理是《土壤污染防治行動計劃》的重點任務(wù)[3]。

植物修復(fù)技術(shù)作為一種低成本、環(huán)境友好的修復(fù)技術(shù)，在治理重金屬污染土壤方面具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。農(nóng)田肩負著糧食生產(chǎn)的重要任務(wù)，尤其是在我國人口數(shù)量眾多、糧食需求量大、優(yōu)質(zhì)耕地資源短缺與糧食生產(chǎn)需求矛盾異常突出的當下，對重金屬污染耕地進行修復(fù)治理有特殊性和緊迫性。鑒于此，綜述植物修復(fù)技術(shù)治理農(nóng)田土壤重金屬污染的研究現(xiàn)狀，分析影響其作用效果的因素，并對未來受污染耕地植物修復(fù)技術(shù)研究進行展望，以期為受重金屬污染農(nóng)田土壤的修復(fù)和治理提供指導(dǎo)。

1 植物修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 修復(fù)植物種類多

1.1.1 超富集植物 超富集植物組織可以吸收土壤中的重金屬，因此，可以通過收獲植物去除土壤重金屬，從而實現(xiàn)對污染土壤的修復(fù)，這也是目前應(yīng)用最廣泛的植物修復(fù)方式[5]。目前，我國所發(fā)現(xiàn)的重金屬超富集植物有700 種，分屬45 個科[6]，鎘（Cd）、鋅（Zn）超富集植物如伴礦景天（Sedum plumbizincicola）[7]、天藍遏藍菜（Thlaspi caerulescens）[8]，Cd 超富集植物如八寶景天（Sedum spectabile）[9]、龍葵（Solanum nigrumL.）[10]，鉛（Pb）超富集植物如金絲草（Pogonatherum crinitum）[11]，砷（As）超富集植物如蜈蚣草（Pteris vittataL.）[12]等。

1.1.2 高積累植物 高積累植物對重金屬的吸收積累能力雖然不及超富集植物，但是其耐性好、生物量大，對重金屬的積累量也相當可觀。如蘿卜在50 mg/kg Cd 污染土壤上種植，其植株Cd 含量達到146.95 mg/kg[13]；象草在2.0 mg/kg Cd 污染土壤上種植，其富集系數(shù)大于1，轉(zhuǎn)運系數(shù)為0.60～0.84[14]。此外，具有較高重金屬富集特性的玉米[15]、小麥[16]、水稻[17]、滕菊[18]等也被報道，其在重金屬污染土壤的修復(fù)治理中具有較大的潛力。

1.1.3 低積累植物 低積累植物的篩選及其應(yīng)用是受污染耕地安全利用的重要措施之一。研究表

明，根據(jù)植物可食部分的重金屬含量已篩選出多種低積累作物，如水稻[19]、小麥[20]、玉米[21]、菜豆[22]等?？稍谳p中度重金屬污染農(nóng)田種植低積累作物，或通過間作套種超富集植物，實現(xiàn)邊生產(chǎn)邊修復(fù)。我國人口數(shù)量大，糧食需求量大，優(yōu)質(zhì)耕地資源短缺與糧食生產(chǎn)需求矛盾突出，對受重金屬污染農(nóng)田大規(guī)模開發(fā)休閑農(nóng)業(yè)，或種植非糧作物，亦或開展植物修復(fù)，可行性均不強。因此，低積累植物的推廣應(yīng)用顯得尤為重要。

1.2 植物修復(fù)方式多元化

1.2.1 植物吸收 超富集植物通過吸收來修復(fù)重金屬污染的土壤。該方式中，重金屬離子主要通過共質(zhì)體和質(zhì)外體途徑進入植物根系，從而被植物吸收，再通過收獲植物移除重金屬，從而降低土壤中重金屬濃度[23]。其中，通過胞間連絲運輸?shù)耐緩浇凶龉操|(zhì)體途徑，通過細胞壁或其間隙等自由空間運輸?shù)耐緩浇凶鲑|(zhì)外體途徑。在這2 種途徑中，根部細胞對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運均起著至關(guān)重要的作用[24]。研究表明，大量的Pb 會通過超富集植物東南景天（Sedym alfredii）側(cè)根吸收進入到木質(zhì)部進行體內(nèi)運輸，并積累在根尖分生組織和中柱中，同時，與細胞壁結(jié)合形成細胞壁結(jié)合態(tài)Pb[25]，從而減少植株內(nèi)游離Pb 的濃度。SaPCR2 鋅轉(zhuǎn)運蛋白通過在高Zn環(huán)境下降低在超富集植物東南景天根部的表達，減少該植物表皮細胞中Zn的累積，增強薄壁細胞對其的吸收[26]。垂序商陸（Phytolacca americanaL.）對錳（Mn）的吸收則存在主動吸收的過程，Mn 通過質(zhì)膜上的Ca2+通道進入細胞內(nèi)，最終累積在植株根的中柱[27]。研究表明，超富集植物根系對Cd吸收的集中部位為側(cè)根，且主要以離子態(tài)和檸檬酸結(jié)合態(tài)存在于根細胞中，該方式可提高Cd向木質(zhì)部以及更高部位運輸?shù)男蔥25]。對于其他超富集植物，如秋茄樹（Kandelia obovata）會在Cd、Zn污染土壤中分泌酚酸，通過羧基、羥基絡(luò)合Cd2+、Zn2+清除羥基自由基來減輕重金屬的毒害作用[28]；龍葵體內(nèi)的LRE07 菌株可以結(jié)合Cd2+和Zn2+等多種重金屬離子，在單離子條件下對Cd2+和Zn2+的結(jié)合達65%以上[29]。

超富集植物對重金屬具有較強的吸收能力，但其作為土壤污染的修復(fù)植物受施肥、灌溉及其他農(nóng)藝措施的影響。蘇金成[30]通過對農(nóng)田水分調(diào)控，研究了不同濃度葉面硅肥對水稻籽粒重金屬吸收的影響，發(fā)現(xiàn)淹水處理及葉面肥的噴施均可降低水稻籽粒的重金屬轉(zhuǎn)運效率。研究表明，向土壤中添加有機酸，可以提高伴礦景天的根系活力，促進伴礦景天地上部對土壤Cd 的吸收，含量可達47.57～53.11 mg/kg[31]；而施用有機肥則可以在明顯提高東南景天地上部生物量的同時，也明顯提高植物對Cd和多環(huán)芳烴（PAHs）的提取量，并且不會對土壤環(huán)境造成消極影響[32]。同時，間作、套種也會在一定程度上提高超富集植物對重金屬的累積，如大葉景天愛媛（Sedum spectabileBoreau）與 大 雅 柑 橘（Citrus reticulataBlanco）[33]間作、東南景天和玉米套種[34]、伴礦景天與玉米套種[35]等。

1.2.2 植物揮發(fā) 該類植物可將從土壤中吸收的重金屬在體內(nèi)進行一系列反應(yīng)和轉(zhuǎn)化，最后將其排放到大氣中。 BA?UELOS 等[36]對芥菜和擬南芥的研究表明，植物吸收的無機硒可通過轉(zhuǎn)化為有機硒氨基酸、硒半胱氨酸及硒硫氨酸，再通過乙基化最終形成二甲基硒化物，從而將硒（Se）揮發(fā)。海藻也可將吸收的砷（As）在體內(nèi)將其轉(zhuǎn)化為二甲基砷酸，再揮發(fā)到大氣中[37]。然而，植物將重金屬揮發(fā)后的產(chǎn)物及其毒性有待進一步研究，其對大氣產(chǎn)生的影響也難以通過簡單的過程加以描述。此外，重金屬在植物體內(nèi)氣化過程的形態(tài)分布和轉(zhuǎn)化機制，以及其揮發(fā)轉(zhuǎn)化機制還鮮有報道。

1.2.3 植物鈍化 植物鈍化是指植物通過根際的沉淀作用或土壤鈍化劑對重金屬進行絡(luò)合固定，從而降低土壤重金屬的生物有效性，如植物體內(nèi)的多酚物質(zhì)能與多種重金屬元素發(fā)生絡(luò)合而形成沉淀[38]。此外，菌根在植物鈍化中發(fā)揮著重要作用[39]，將根內(nèi)球囊霉接種在黑麥草（Lolium perenneL.）根部形成菌根，通過提高其外表面積，增大與重金屬的接觸網(wǎng)絡(luò)[40]，從而加強根部對鈾（U）的吸收，同時減少U 向莖葉轉(zhuǎn)移[41]，以此實現(xiàn)黑麥草對U 的固持作用。將叢枝菌根真菌分別接種到玉米、紫花苜蓿（MedicagosativaL.）根部，可以將土壤中重金屬Cd固持在土壤中，顯著降低Cd 向植物地上部的轉(zhuǎn)運，降低植物內(nèi)Cd 積累[42]；胡枝子和油松接種菌根后，增大了根系的重金屬滯留系數(shù)，有效降低了重金屬向地上部的轉(zhuǎn)移速率，增強了對重金屬的吸附固持作用[43]。

1.2.4 植物阻隔 植物阻隔是指通過低積累作物的種植來減少植物食用部位重金屬的累積量，從而達到安全利用污染農(nóng)田的目的。該項技術(shù)近幾年來在受污染耕地的安全利用中得到廣泛應(yīng)用，但因土壤環(huán)境存在多樣性導(dǎo)致其應(yīng)用效果差異較大，如全生育期淹水條件下水稻器官中Cd 含量會顯著降低[44]，且糙米中Cd 累積量隨淹水時間的增加而降低[45]等，從而影響其推廣應(yīng)用。同時，作為植物阻隔技術(shù)關(guān)鍵的低積累作物還不夠豐富，易受氣候條件等影響，且只適用于輕中度污染農(nóng)田，無法滿足市場和社會需求[46]。

2 重金屬污染農(nóng)田植物修復(fù)技術(shù)存在的問題

2.1 超富集植物普遍具有較強的區(qū)域適應(yīng)性

國內(nèi)外已經(jīng)被確認的超富集植物廣泛存在，但均有其各自區(qū)域適應(yīng)性，限制了大規(guī)模的應(yīng)用推廣。理想的超富集植物能夠耐受較高濃度的重金屬，同時積累多種重金屬元素，生長周期短且生物量大，此外，還具有較強的抗蟲抗病能力[47]。但超富集植物對重金屬污染土壤的修復(fù)能力受土壤理化性質(zhì)、氣候環(huán)境等多方面影響，如超富集植物大葉井口邊草（Pteris nervosn）是鉛鋅礦地的典型修復(fù)植物，而在煤礦地和錳礦地，該植物并不適用[48]。張云霞等[49]的研究發(fā)現(xiàn)，鬼針草（Bidens pilosaL.）在廣東省的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)達到2.84，而在貴州省的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)為1.39；藿香薊（Ageratum conyzoidesL.）對重金屬Cd 的轉(zhuǎn)運系數(shù)在湖南省、廣東省分別達到3.91、3.87，而在廣西省、貴州省僅分別為1.63、1.09[50]。因此，推廣超富集植物時應(yīng)充分考慮土壤及環(huán)境條件的差異。

2.2 植物后續(xù)處理處置工藝不成熟

植物吸收重金屬后如何被處理是當前植物修復(fù)技術(shù)發(fā)展面臨的瓶頸。目前，所采用的處理方法主要有壓縮填埋法、堆肥法、焚燒法等[51]。焚燒可有效減少累積重金屬的植物體積，但工藝還不夠成熟，焚燒殘渣如何處理尚未得到有效解決，而堆肥、壓縮填埋中產(chǎn)生的滲濾液造成的污染也難以得到有效控制[52]。因此，基于資源化利用原則，需要創(chuàng)制一種更為新型的處理技術(shù)，降低植物修復(fù)時產(chǎn)生的二次污染帶來的影響，真正實現(xiàn)現(xiàn)有資源的減量化、再利用、再循環(huán)原則，這也是亟待解決的問題。

2.3 超富集植物對重金屬吸收選擇性強

大多數(shù)超富集植物對重金屬的吸收具有很強的選擇性，導(dǎo)致超富集植物應(yīng)用受限。如鎳（Ni）超富集植物大吳風草（Lycopus lucidus）對Ni 的富集系數(shù)可達0.547，而對Cd 的富集系數(shù)僅為0.193[53]；飛龍掌血（Toddalia asiatica）對Cd 的富集系數(shù)達0.64，而對Mn 的富集系數(shù)僅為0.04[54]；蘆葦［Phragmites australis（Cav.）Trin.ex Steud.］對Mn 的富集系數(shù)為0.47，對鉻（Cr）的富集系數(shù)僅為0.01[55]。

2.4 高積累植物的應(yīng)用規(guī)模不大

目前，王書鳳[56]對39 個甘藍型油菜進行研究，并從中篩選出高積累型油菜；王興富等[57]在廢棄礦區(qū)對6 種農(nóng)作物進行研究發(fā)現(xiàn)，辣椒可以作為Cd 高積累植物，且Cd 對辣椒造成的風險較其他農(nóng)作物??；鄭陶[58]通過田間試驗對56 種水稻材料進行研究，篩選出武金4B 等7 種水稻高積累品種。雖然已經(jīng)篩選出較多高富集植物，但因其對重金屬的吸收積累能力較超富集植物弱，大多僅限于在礦區(qū)廢棄地及周邊復(fù)耕土壤上種植應(yīng)用，且農(nóng)作物可食部位如莖塊[59]等有極大超標風險，對人體健康造成潛在威脅。在重金屬污染土壤的安全利用中，常將低積累植物的選用作為技術(shù)核心進行研究。沈麗波等[60]選用高積累植物伴礦景天與低積累水稻中香1號輪作的方式開展了污染土壤的植物修復(fù)研究；王志輝等[61]通過試驗篩選出薄荷、車前子等8 種藥用植物作為Cd 低積累植物，較高積累植物更加安全可靠。綜上，高積累植物在重金屬污染土壤的修復(fù)中受重視程度不高。

2.5 植物阻隔技術(shù)應(yīng)用不廣泛

低積累植物品種的篩選工作成效顯著，如已篩選獲得Cd 低積累水稻如深優(yōu)9708、五優(yōu)9708[62]，大豆如沈農(nóng)10 號、鐵豐31 號[63]，及低積累蔬菜如香港四季青梗菜（Brassica campestrisL.）[64]。但是對于適合不同區(qū)域的小麥、玉米等大宗糧食作物低積累品種的篩選工作尚處于起步階段。目前，尚未有低積累的主導(dǎo)小麥、玉米品種被推薦，當前的研究還主要是在實驗室階段。而且土壤重金屬污染呈現(xiàn)復(fù)合污染的狀況，但其適用的低積累品種篩選工作尚不充分，亟需加強低積累品種篩選和應(yīng)用的針對性、系統(tǒng)性研究。

2.6 強化修復(fù)技術(shù)對土壤環(huán)境影響不明晰

為提高植物修復(fù)的效率，添加根際促生菌、基因工程改良等強化修復(fù)技術(shù)多有報道[65-71]。如在無菌條件下將提取出的菌種進行基因改造后，篩選出特異微生物，能有效去除土壤重金屬[65]；盧琪[68]通過在土壤中添加根際促生菌ABA 代謝菌[樊慶生紅球菌（Rhodococcus qingshengii）]，促進了野生型擬南芥對重金屬的吸收，其吸收能力提高了47%；通過基因識別、引入酶基因[70]等基因改良的方式可改變植物對重金屬的累積特性。但無論是添加促生菌，還是基因改良，都有可能對土壤環(huán)境造成更深層次的污染，甚至存在潛在威脅[71]。目前，對于該領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，強化修復(fù)技術(shù)對土壤環(huán)境帶來的影響尚不明晰。

3 研究展望

植物修復(fù)技術(shù)在土壤重金屬污染的治理修復(fù)中具有巨大的應(yīng)用潛力，面對受污染土壤類型多樣、污染程度差異大、區(qū)域氣候環(huán)境條件異質(zhì)性強、單一污染與復(fù)合污染并存的現(xiàn)狀，需要強化對超富集植物、高積累植物和低積累品種的篩選與培育，建立種質(zhì)資源圃或種質(zhì)資源庫以及修復(fù)治理植物數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建生物強化、外源物質(zhì)調(diào)控及農(nóng)藝調(diào)控的植物聯(lián)合和強化修復(fù)技術(shù)體系，通過長期定位監(jiān)測來評價修復(fù)效果。此外，要加強對重金屬污染農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用，防控二次污染。開展基于植物修復(fù)的重金屬污染土壤的治理及安全利用，最大程度實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益。

3.1 適宜的超富集植物篩選與培育

根據(jù)區(qū)域土壤特性、氣候環(huán)境條件，因地制宜篩選超富集植物。同時，針對不同的污染類型、污染程度，著重從本土植物中篩選超富集植物。同時，依據(jù)氣候環(huán)境條件，分區(qū)域構(gòu)建超富集植物種質(zhì)資源圃或種質(zhì)資源庫。不僅需要強化對現(xiàn)存種質(zhì)資源的選用，還需要充分利用傳統(tǒng)和現(xiàn)代植物育種技術(shù)，培育篩選生物量大、生長周期短、修復(fù)效率高的重金屬修復(fù)植物新品種。強化對超富集植物的收集、保育、研究和新品種創(chuàng)制，加強對篩選出的超富集植物區(qū)域適種范圍及其對不同重金屬耐受程度等的研究，構(gòu)建面向全國大眾、數(shù)據(jù)共享共用的重金屬超富集植物數(shù)據(jù)庫，不斷加強超富集植物在重金屬污染土壤中的應(yīng)用。

3.2 強化高積累植物的應(yīng)用

充分選擇生物量大、區(qū)域適應(yīng)性強、農(nóng)民接受程度高的高積累植物，針對當?shù)剞r(nóng)業(yè)種植習慣，優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植模式，合理利用高積累植物開展間作、套種、輪作等，在實現(xiàn)作物高產(chǎn)的同時去除土壤重金屬。同時，發(fā)展農(nóng)牧結(jié)合模式，建立高積累植物產(chǎn)品和秸稈的高效、安全利用技術(shù)體系。

3.3 擴大植物阻隔修復(fù)技術(shù)的運用

加強重金屬低積累品種選育，充分利用分子生物學手段提升育種水平，尤其是通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高低積累植物本身對重金屬的耐性。建立重金屬污染土壤低積累品種高效栽培技術(shù)，結(jié)合鈍化劑施用、葉面阻控等技術(shù)，在保證作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的同時實現(xiàn)安全生產(chǎn)。擴大低積累植物利用，合理開展間作、套種，實現(xiàn)受污染土壤修復(fù)與糧食安全生產(chǎn)的雙重目的。

3.4 集成高效的植物強化和聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

充分發(fā)揮植物修復(fù)在重金屬污染土壤修復(fù)中的優(yōu)勢與潛力，通過優(yōu)化施肥、鈍化劑施用、葉面阻控等技術(shù)配合實現(xiàn)受重金屬污染農(nóng)田的安全利用；通過微生物強化、內(nèi)源激素調(diào)控、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)調(diào)節(jié)等強化措施，增強植物對重金屬的吸收轉(zhuǎn)運能力，實現(xiàn)對重金屬污染土壤的高效修復(fù)。因此，集成優(yōu)化高效的植物強化修復(fù)和聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)治理的發(fā)展方向。

3.5 創(chuàng)新修復(fù)植物的產(chǎn)后安全處置技術(shù)

植物修復(fù)產(chǎn)生的秸稈等廢棄物需要進行安全處置，要遵循實現(xiàn)減量化、再利用、再循環(huán)的原則和目標，根據(jù)修復(fù)植物的特性，研發(fā)專門的工藝和技術(shù)，系統(tǒng)開展修復(fù)植物中重金屬回收技術(shù)和原理研究，提高回收效率。研發(fā)高效、低耗、安全的廢棄物安全處置技術(shù)，最大限度地實現(xiàn)修復(fù)植物產(chǎn)后的資源化利用。同時，要加強對修復(fù)植物產(chǎn)后處置技術(shù)的經(jīng)濟可行性及環(huán)境影響評價。