重金属污染土壤的植物修复技术的问题及对策.pdf
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浙江农业学报ActaAgricuhuraeZhefiangensis，2013，25（4）：
852857http：
wwwzjnyxbcn郭彬，李伟东，丁能飞，等重金属污染土壤的植物修复技术的问题及对策J浙江农业学报，2013，25（4）：
852857DOI：
103969jissn1004152420130434重金属污染土壤的植物修复技术的问题及对策郭彬，李伟东，丁能飞，傅庆林，刘琛，李凝玉（浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究，浙江杭州310021；。
杭州师范大学钱江学院理学分院，浙江杭州310012）摘要：
重金属污染土壤的植物修复技术被认为是一种绿色、生态友好的土壤修复技术。
对植物修复的低效率、二次污染风险及高成本三个不利因素进行系统的阐述，针对上述三个缺点提出相应的对策，并对其在重金属污染土壤修复中的应用进行可行性分析。
关键词：
植物修复；重金属；效率；污染风险；成本中图分类号：
x53文献标志码：
A文章编号：
10041524（2013）04-0852-06Problemsinoperationandcorrespondingcountermeasuresofphytoremediationofsoilscon-taminatedbyheavymetalsGUOBin，LIWeidong，DINGNengfei，FUQinglin，LIUChen，LINingyyu（InstituteofEnvironment，Resources，SoilandFertilizer，ZhefiangAcademyofAgriculturalSciences，Hangzhou310021，China；DepartmentofScience，QianjiangCollegeofHangzhouNormalUniversity，Hangzhou310012，China）Abstract：
Phytoremediationofheavymetalcontaminatedsoilshasbeenconsideredasagreenandecofriendlyreme-diationtechniqueHowever，thistechniqueneedssignificantimprovementstobecomepracticallyfeasibleInthispaper，threeadversefactorsofphytoremediation，pollutionrisk，lowefficiencyandhighcostofremediation，weresystematieallydiscussedFurthermore，correspondingcountermeasuresofimprovingphytoremediationefficiencyaimedattheabovethreedisadvantageswereproposedKeywords：
phytoremediation；heavymetals；efficiency；risk；costing植物修复技术是20世纪80年代初发展起来的一种环境修复技术，在重金属污染土壤治理中可分三个类别，即
（1）植物吸收：
利用植物将土壤重金属吸收、转移并储存至茎叶部，通过收割离地处理；
（2）植物稳定：
植物根部吸收固定土壤重金属；（3）植物挥发：
植物吸收重金属收稿日期：
201210-24基金项目：
农业部公益性行业项目（200903001）；国家自然基金（41001184）；浙江省自然基金（Y309050）；浙江省公益性项目（2010C33158）；杭州市科技攻关项目（20120433B15）作者简介：
郭彬（1979一），男，河北保定人，博士，副研究员，主要从事土壤污染防控研究。
Email：
ndgb163com；Tel：
057186404041后将其转化为气态物质。
植物修复技术是一种土壤免受扰动、绿色、生态友好的生态修复技术，近些年来，国内外学者对该技术的修复机理及其改进措施已进行了深入的研究。
但现阶段，该技术在实际应用过程中仍存在诸多限制因素，如吸收技术效率低、处置成本高，具有二次污染的风险；挥发技术只作用于As、Hg两种重金属，且具有潜在的大气污染风险；稳定技术不能去除土壤中的重金属。
因此，一些学者甚至称，当前植物修复技术还不适应进行田问试验和商业推广。
郭彬，等重金属污染土壤的植物修复技术的问题及对策853截至目前，关于植物修复技术的综述已颇多（中国期刊网上已发表260多篇），但大都对其存在的问题并未开展系统深入地讨论。
另外，尽管存在诸多不足，土壤免扰动这一优势使该技术仍是今后治理土壤重金属污染的一个重要方法。
因此，探寻植物修复的改进方法已成为土壤重金属污染治理领域的一个新的研究课题。
为此，作者对重金属污染土壤的植物修复技术重点对植物吸收技术的问题及对策进行综述，以期为该领域的深层次研究提供参考。
1植物修复技术的限制因素11低效率111修复效果受限修复效率低：
以重金属cd为例，假设土壤耕层深度025m，土壤密度为1600kgm，若预期目标将土壤cd浓度降低1mgkg，则土壤中应该被移除Cd的总量为4hm。
若植物地上部年产量为4thm（相当于常规作物如玉米、水稻的15E4），地上部Cd的浓度为50mgkg（大部分植物的耐受极限），需要连续种植20年才能将土壤cd浓度降低1mgkg。
如果要从土壤中清除更多的Cd，那么修复的时间就会更长。
超积累植物种类少：
通常，把植物地上部分（干重）中含Cd达到100mgkg，含Co，Cu，Ni，Pb达到1000mgkg，含Mn，Zn达到10000mgkg以上的植物称为超积累植物J。
到目前为止，已发现的重金属超积累植物虽然有45个属，400余种之多，但大多是Ni超积累植物，此外还有C026种、Cu24种、Se19种、zn16种、Mn11种、As2种和Cd1种。
目前我国将近2000万hm的耕地主要遭受cd，As，Pb，等不同类型重金属的污染，由于不同母质和肥力差异，其修复效果受到极大限制。
112实际修复周期长于理论推算时间
（1）土壤重金属有效性直接影响植物的修复效率。
连续收获会导致土壤重金属有效性不断降低，植物对土壤重金属的吸收能力也会随之不断下降，因此土壤重金属浓度实际上不是呈线性下降，而是呈对数衰减。
如以柳树为例，树龄6年的吸cd量（6）远低于树龄1年的（17）。
对印度芥菜进行多年收割分析也表明，在第3年收获时，芥菜中积累的cd浓度与前一年相比已开始显著下降J。
（2）植物修复能力通常在室内实验的条件下得出。
而实际上，超积累植物多为野生型稀有植物，对生物气候条件的要求比较严格，区域性分布较强，严格的适生性使成功引种受到限制。
即使引种成功，连年的种植也会使土壤养分逐步耗竭，病原微生物滋生，极易引起连作障碍等问题，若不采取轮作制度，植物的生物产量可能会逐年降低。
（3）一般超累积植物往往只对某种特定的重金属表现出超富集能力。
而现实环境中，重金属污染通常以两种或两种以上重金属同时作用形成，因此单靠某种植物并不能彻底修复这种复合污染的土壤。
同时多元素胁迫下，植物的生长会受到显著抑制，修复时间也会进一步延长。
12二次污染风险121植物凋落物造成的环境风险在植物收获的过程中，富集重金属的枯枝落叶极易随风或随附近的河流分散到邻近地区。
如果落叶中重金属含量偏高，就会导致周围环境的二次污染，并扩散为面源污染。
同时，植物落叶过程也是导致重金属在不同土层的再分配过程。
土壤深层的重金属通过植物吸收带到地上部，这容易导致表层土壤聚集更多的重金属。
如种植46年的柳树，由于落叶造成重金属在土壤表层聚集的量甚至要比收获带走的更多。
此外，土壤表层的有机质含量较底层要高，由于有机质易于降解，有机质吸附的重金属其生物活性远高于矿物吸附。
将含有高浓度cd和zn印度芥菜残叶施人土壤中，再种植黑麦草和印度芥菜，残叶中94的Cd和86的zn可被黑麦草和印度芥菜所吸收J。
122重金属转移至食物链的风险据推测，耕层土壤中Cd浓度若达到5mgkg，该区域内生物受毒害的概率为11，如果土壤Cd浓度提高至10mgkg一，那么生物受毒害的概率则升至26E3。
因此，用于被修复的土地需要严格监管，因为富集重金属的植物一旦被畜禽所误食，污染物就会转移至食物链中，造成更为严重的农产品的危机。
浙江农业学报第25卷第4期（2013年7月）13植物残体的处置风险及成本植物修复会产生大量的、高污染的植物残体。
例如，印度芥菜是一种常用的修复植物，每年产量可达6thm，植物残体中的重金属浓度如铅可达1000015000mgkg。
20多年来，学者们对植物残体综合处置问题开展了一系列研究，如利用堆制、压缩、热解、焚烧、灰化、液萃取等方法提取残体中的重金属，但这些技术仍属于样品前处理范畴。
由于目前处理成本过高，如何妥善管理和利用这些提取的重金属至今仍是个科研难题。
131植物残体预处理为了降低植物残体的处理难度以及运输成本，第一步需要利用堆置、压缩、降解等方法除去植物中多余的水分，减少残体体积。
然而，上述方法对周围环境均产生了一定的污染风险。
（1）堆制：
堆制可使植物体积降低25。
然而，该方法所需时间较长，从植物收割到最终堆制结束需要2至3个月时间。
堆制过程中形成的可溶性有机物增强了重金属移动性，增大了环境风险。
如何在堆制过程控制重金属的活性，以及堆置物的后续处理的研究也未见报道l11。
（2）压缩：
压缩也是有效降低植物体积的一种方式。
与堆制相比，压缩所需时间短，缩减植物体积的效率更高，但是，压缩需要专门的设备和场地，所需成本比堆制高。
与堆制的问题一样，挤压植物所产生的滤出液含有高浓度的重金属，需要适当收集和处理。
（3）热解：
与城市垃圾的热解过程相同。
该过程可在封闭厌氧的条件下进行，最终的产物是热解气和焦炭，该方法在实际应用中也存在一定问题。
一方面植物水分较高，不利于热解，另一方面，由于热解材料属于污染物，热解的设备使用专一，高成本的安装和操作不利于大面积推广。
同时残留的焦炭中含有大量的重金属，只能被作为危险废弃物处理。
132植物残体的后续处理
（1）焚烧、灰化：
被压缩的植物可以进一步进行焚烧或灰化处理。
但是，焚烧、灰化过程形成的重金属氧化物有可能会释放到周围的环境当中，需要有效的烟气清理技术作为技术保障。
废渣中的重金属虽然具有回收的可能性，但该方案还未到可行性评估阶段，这需要运输、焚烧所需设备、灰渣处理以及管理等一系列成本的估算和相关数据的支持。
（2）萃取：
目前已对植物残体的浸出液中重金属的提取开展了前期研究。
例如，运用EDTA和N一（2一乙酰氨基）亚氨基二乙酸螯合萃取技术可以从浸出液中提取985的铅，剩余物质可以作为一般的废料进行回收处理。
如果能够有效地将螯合剂和重金属会分离开来，并对螯合剂进行回收，这项技术有会推广价值。
2可行的改进措施近20年来，植物修复技术的研究重点一直放在强化植物对重金属的吸收，或者发现或培育新型超积累植物等方面。
施用螯合剂可增加植物对重金属的吸收，但其使用也会显著活化土壤中的重金属，增加污染的风险。
近些年来，针对植物修复低效率、高污染风险，高治理成本等不利因素，学者们已开始对植物修复的思路和方法进行新的探索。
21提高效率212转基因技术由于植物的高产性状由多基因控制，提高超积累植物的生物量难度极大，而超积累性状可能由少数几个关键基因控制，因此利用超积累基因改良高产作物或植物的途径较为可行。
随着对重金属植物毒理的不断深入研究以及关键耐性基因的不断鉴定，应用转基因技术提高植物对重金属的耐性和积累量已取得了一些进展。
例如超量表达与植物螯合肽（PCs）生物合成有关的酶，可显著提高植物对重金属的耐性和累积。
将大肠杆菌（Ecoli）GS基因（gsh2）转入印度芥菜（Brassicajuncea）后，根部的谷胱甘肽（GSH）含量显著提高。
Cd胁迫下，突变体地上部Cd浓度与野生型相比增加了25，且生长未受影响。
拟南芥过表达zn的转运体ZAT（即AtMTP1），转基因植物对zn的抗性明显提高，在根中积累了2倍的zn，在200m0卜L的水培条件下，对照植株的根生长被抑制了85，而转基因植物的根只被抑制了15J。
过表达ACC脱氨酶可以提高植物多种金属的耐性和积累眭引。
郭彬，等重金属污染土壤的植物修复技术的问题及对策855212施肥技术重金属污染土壤常出现在矿区、废弃地等养分贫瘠区域，修复中需要根据待修复土壤的养分状况及超富集植物的需肥特性进行施肥；土壤中较高浓度的重金属元素会影响植物对营养元素的吸收，严重时会出现缺素症状甚至死亡；此外，超富集植物也会从土壤中带走大量营养元素，因此，需要通过施肥来确保超富集植物修复过程中的营养供应。
与普通作物的施肥不同，在植物修复过程中施肥除需要考虑养分功能之外，同时还需了解肥料中各种元素与重金属的相互关系及其对植物吸收重金属的影响，综合考虑选择合适的肥料类型和最佳施肥量。
22风险防控在以超积累植物修复为主导的研究中，其目标主要是把受污染土地修复至“零污染”为止，这样的修复计划导致修复成本增加、修复时间延长，并且还给监管带来了长期时效性的问题。
根据污染程度的不同区分，采取有效的污染控制和植物修复相结合的方式可使修复目标更加明确，降低了修复的成本和缩短了修复的时间。
221植物固定技术植物固定被认为是一种经济、可持续的重金属污染土壤修复技术。
这种技术的主要优点是通过植物根部对重金属的积累、吸附、沉淀来实现重金属的固定，降低重金属的移动性和生物有效性。
由于植物具有庞大的根系，在有坡度的地表，植物可以降低金属污染颗粒的分散及减少污染物向地表及地下水的转移。
近些年来，这种技术在尾矿区以及重金属污染林地中已经得到了广泛应用，取得了良好的效果。
222种植低累积作物不同作物对重金属的吸收差异较大。
一般来说，蔬菜富集重金属能力较禾谷类强。
一些蔬菜不但可以嗜吸收某种重金属，而且还具备有特殊富集能力的器官，如重金属在南瓜各部位的积累规律是根叶茎果。
叶菜类、茄果类、根茎类蔬菜品种富集重金属能力强于瓜类蔬菜品种。
而水稻、玉米、高梁、小麦、大豆、豌豆等对重金属As，Cd，Pb，Cu，zn的吸收能力小于蔬菜类，且以根部含量最大，其次为叶、茎，籽实吸收能力最小。
例如水稻吸收的Cd有80富集在根部，玉米、小麦根对Cd和zn的吸收量分别占总吸收量的70一8，58一68，籽实分别占110，925。
另外，同一作物的不同品种间对重金属的富集差异显著。
有些水稻品种植株和稻谷均为高积累型，如9311（籼稻），有的品种如jia-48（粳稻）植株属于高积累型，糙米积累Cd含量很低，可选育成为中低cd积累的高产优质的水稻品种类型2。
有专家对硬粒小麦进行的长期研究表明，低Cd品种具有较低的镉根冠转移特征，这种低转移特征与较低的木质部汁液分泌有关。
即使在污染区种植低吸收低富集品种，其收获的籽粒仍存在食品安全的风险。
在污染区繁育的作物种子（水稻、玉米），再转移至非污染区种植，这样次年产出的籽粒就可以安全食用，这也是一套较为可行的污染农田低风险利用方。
23降低成本一转变土地利用方式实际上，当前植物修复技术最大的制约因素就是成本问题：
不能将土地撂荒，风险防控及植物残体的处理均不能产生经济效益，这种纯投入的方式无法自发进行。
转变污染土地的利用方式，在修复土壤的同时，使污染农田能够得到再利用，这或许是一条长期良性的植物修复途径。
231种植远离食物链的经济植物
（1）能源植物：
在污染土壤上种植一些生物量大、生长周期短的能源植物，不但可以修复重金属污染土壤，同时又可以为生物质能源提供稳定的原料来源。
例如，杂交狼尾草的生物年产量为59thm，在生长不受影响的情况下对As，Hg，Cu，Pb，Cd的绝对富集量分别达到2300，035，113200，9500，607ghm。
芦竹在6年的种植期内的能量输出输人比为26100（从施肥到不施肥），且能在多种重金属高浓度胁迫下正常成活。
五节芒是禾本科芒属多年生草本植物，株丛高大，生长快，对Mn，Ni，As和zn均具有较强的吸收能力。
（2）经济作物：
苎麻是我国特产的重要纤维用经济作物，属于多年生作物，根系庞大、生物量大、抗逆性强，在50200mgkg的高浓度cd胁迫下仍能正常生长，具有较好的应用前景。
此外，许多花卉植物对重金属有相当的耐性，如紫浙江农业学报第25卷第4期（2013年7月）茉莉、凤仙、金盏菊和蜀葵在土壤Cd浓度达到100mgkg。
的情况下仍能正常生长，且地上部的Cd浓度也超过了100mgkg。
232间作套种间混套作是我国传统的精耕细作的农艺技术之一。
将超积累植物与作物间作，通过超积累植物对土壤重金属的强吸聚作用来降低作物对重金属的吸收，同时达到充分利用和修复污染农田的目的。
例如在受Cd污染的土壤上，将印度芥菜与苜蓿进行间作，苜蓿地上部Cd含量较单作降低了28483_3。
将超富集植物东南景天与玉米、黑麦草、大豆混作后，显著地降低了玉米和黑麦草对Cd和zn的吸收。
233利用绿化苗木移栽的方式修复重金属污染土壤在污染的土壤上种植绿化苗木，吸聚重金属后再通过移栽的方式进行转移，将重金属固定和分散于植物体内，达到修复土壤以及安全利用污染土壤的目的。
此项技术的优点具体表现在
（1）木本植物耐重金属毒害能力较强：
例如某旱柳品系可富集472mgkgCd，当年生加拿大杨对Hg的富集量高达68mg株，为对照的130倍；
（2）修复效率高：
目前市场上的绿化苗木在苗期生长均很快，具有较大生物量和发达的根系，可以充分地吸聚土壤中的重金属，如蓝冰柏根部可累积大于300mgkg的cd，而针叶中仅含0510mgkgCd；（3）重金属固定于植物体内，苗木移栽后不会对周围土体产生二次污染：
跟踪调查发现，移栽2个月后苗木根部的Cd总量与初期相比并未显著降低。
（4）可产生经济效益：
能够在污染土壤上建立新型经济增长模式，缓解污染土壤与区域农业发展之间的矛盾。
3展望尽管存在诸多不足，但绿色、生态这一优势使植物修复技术仍是今后治理土壤重金属污染的一个重要方法，当前，探寻该技术的改进方法已成为该领域一个新的研究课题，同时也为植物修复技术带来了新的发展契机。
（1）目前转基因技术已取得阶段性成果，但该技术仍局限于实验室阶段，而合理高效的水肥管理、轮作制度、刈割等农艺措施均可以成倍地提高植物的修复效率。
（2）施用螯合剂虽可促进植物对重金属的吸收，但其活化作用一旦超出植物根系吸收的范围，就会增加污染风险。
目前植物重金属收集技术还尚未实现，研发各种稳定技术，减少重金属向食物链转移的途径看起来更为可行。
（3）重金属不可被分解和消灭。
因此解决土壤重金属污染只能是两个方向：
浓缩提取与控制固定。
实践证明，无论从生产成本上还是从管控风险上讲，浓缩提取均远高于控制固定。
深入探讨重金属的源与宿问题，正确认识不同条件下重金属的污染阈值，以转变污染土地的利用方式为主导，才能形成一整套有利润链条的良性修复模式。
参考文献：
1孙铁珩，李培军，周启星，等土壤污染形成机理与修复技术M
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