植物修复重金属污染土壤效果研究.docx
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植物修复重金属污染土壤效果研究
不同植物种类修复重金属污染土壤效果分析
摘 要:
关键词：
中图分类号:
S157.433 文献标识码:
A 文章编号:
100523409（2007）0120024205
采矿，冶炼，加工，农业及废弃物处置等一系列人类活动已经产生了严重的重金属环境污染，已逐步成为一个全球性的问题。
重金属污染不仅对农作物的收成与质量产生了重要影响，而且已经影响到了大气及水环境质量，并通过食物链危及人类健康（Cunninghametal.,1995；Chenetal.,2000）。
我国受Hg，Cr，Cd，Pb等重金属污染的耕地面积达2×108hm2，约占总耕地面积的1/5。
广东省翁源县上坝村，由于长期使用富含重金属的污水灌溉农田，使得大部分农田Cd，Cu含量超出国家标准10多倍，成了癌症高发村（周建民等，2004）。
目前国内外采用的重金属污染土壤的修复技术分为物理修复法、化学修复法和生物（植物）修复法。
利用物理和/或化学方法治理重金属污染土壤往往投资昂贵、容易造成二次污染，因此无法大面积应用。
通过植物吸收，转运，积累，从而去除土壤或水体中有害重金属，从而实现土壤修复的技术已引进许多国家和科学界的重视。
植物修复技术是利用植物的吸收和代谢功能将环境介质中的有毒有害污染物进行分解、富集和稳定的过程（Cunningghametal.,1996）。
以植物为基础的植物修复法由于具有其他技术无可比拟的优点：
经济、绿色、环境友好和可以进行原位修复等（McGrathetal.,2002），逐渐成为当今环境科学领域的一个研究热点。
污染土壤的植物修复技术主要包括植物固定法（Phytostabilization）和植物提取法（Phytoextraction）。
植物固定法较适用于重度污染的土壤，但并不去除土壤中的污染物，植物提取法则较适用于低度和中度污染的土壤。
大面积的环境问题与低到中度重金属污染土壤有关，因此植物提取法被认为是植物修复技术中最具有经济市场和发展前景的方法。
进行土壤修复时，根据所选用的不同植物大体上可以分为三类，即利用超积累植物修复，利用高生物量农作物修复和利用农田杂草修复等。
1超积累植物修复效果
植物修复中，超积累植物是进行植物修复中首选要考虑的种类。
植物种类的选择是成功的关键因素之一。
超积累植物是能超量吸收重金属并将其运移到地上部的植物。
通常，超富集植物的界定可考虑以下两个主要因素：
①植物地上部富集的重金属应达到一定的量；②植物地上部的重金属含量应高于根部。
由于各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异，因此，对不同重金属，其超富集植物富集浓度界限也有所不同。
目前采用较多的是Baker和Brooks（1983）年提出的参考值,即把植物叶片或地上部（干重）中含Cd达到100mgkg-1，含Co，Cu，Ni，Pb达到1000mgkg-1，Mn，Zn达到10000mgkg-1以上的植物称为超富集植物。
同时这些植物还应满足转运系数 S/R＞1的条件（S和R分别指植物地上部和根部重金属的含量）。
表1部分超富集植物种对重金属的富集状况
重金属
植物种
叶浓度/mgkg-1
发现地点
引用文献
Zn
遏蓝菜属Thlaspicalaminare
39600
德国
Brook
遏蓝菜属Thlaspigoesingense
50000
法国
Escarre等
遏蓝菜属Thlaspicaerulescens
25000
德国
Escarre等
碎米荠属Cardaminopsishalleri
21500
法国
Muller等
东南景天Sedumalfredii
4515
中国
杨肖娥等
Cd
遏蓝菜属Thlaspicaerulescens
1800
美国
Robinson等
遏蓝菜属Thlaspigoesingense
15000
法国
Brook
碎米荠属Cardaminopsishalleri
281
法国
Muller等
凤眼莲Eichhorniacrassipes
4000～9300
中国
郭静等
宝山堇菜Violabaoshanensis
1168
中国
刘威等
Ni
叶下珠属Phyllanthusserpentinus
13700
非洲
Collins
庭荠菜属Alyssum
10000
美国
Robinson等
Pb
遏蓝菜属Thlaspicaerulescens
667
英国
Baker和Walker
香蒲属Typhalatifolia
1635
英国
Ye等
遏蓝菜属Thlaspirotundifolium
8200
德国
Baker和Walker
Se
黄芪属Astragalusracemosus
14900
美国
Baker和Walker
Mn
串珠藤属Alyxiarubricaulis
11500
非洲
Brooks等
As
蜈蚣草Pterisvittata
800
中国
陈同斌等
（王松良等，2007）
Baker（1994）等在英国洛桑试验站首次以田间试验研究了在Zn污染土壤（440mgkg-1）栽种不同超富集植物和非超富集植物对土壤Zn的吸收清除效果。
结果表明，超富集植物T.caeulescens富集Zn是非超富集植物Raphnussatinus（萝卜）的150倍，富集Cd相应则是10倍。
其每年从土壤中吸收的Zn量为30kghm-2,，是欧盟允许年输入量的2倍，而非超富集植物萝卜则仅能清除其1%的量。
Baker同时也发现，尽管T.caeulescens吸收重金属能力很强,但由于其生物量小,需13～14a的连续栽种才能将试验地的重金属含量修复到欧共体规定的临界标准（300mgkg-1）。
而Brassicajuncea（印度芥菜）对重金属的富集能力虽不如T.caeulescens，但其生物量至少是它的20倍,因而显示B.juncea在植物修复上具有更大的潜力。
Robinson等（1998）在法国南部利用盆栽和田间试验结合进一步研究了T.caerulescens修复污染土地的潜力,通过施肥，Thlaspicaerulescens的生物量增加了两倍，而其地上部Zn，Cd含量没有下降，但修复<500mgkg-1Zn污染土地仍需8.13a。
但目前具有推广价值的超积累植物通常只能吸收一种或两种重金属，特别是超积累植物植株矮小、生物量低、生长缓慢和生活周期长，使其对某些重金属提取效率偏低。
Keller等（2003）综合有关文献后认为，超积累植物T.caerulescens对土壤某些重金属的提取效率没有农作物高，如B.juncea对Cu提取效率为146gha-1，N.tabacum为474gha-1，Z.mays为163gha-1，T.caerulescens仅为50gha-1；对于Zn，B.juncea可以提取894gha-1，N.tabacum为1834gha-1，Z.mays为1998gha-1，但是T.caerulescens竟高达5052gha-1；对于Cd，则B.juncea可以提取6.95gha-1，N.tabacum为41.7gha-1，Z.mays为9gha-1，T.caerulescens为179gha-1。
超积累植物进行原位修复污染土壤时，在某些条件下，并不能充分发挥它的修复潜力。
如McGrath等（2006）在原位修复中发现，圆叶南芥A.halleri仅从土壤中提取出了0.02%的Cd和0.066%的Zn。
T.caerulescens的生物产量变化很大，在不同条件下生态型条件下，其生物量在0.5~13.4tha-1变动，相差26倍，严重影响到了其提取效率。
Clemente等（2005）观测到，在田间条件下，印度芥菜（B.juncea）对土壤中Zn，Cu，和Pb的吸收量很低，对土壤中共存的其他金属忍耐能力差，限制了植物修复技术在复合污染土壤治理方面的应用，表明了利用植物提取对清除多金属污染的土壤修复仍有一定的问题。
超积累植物修复时产生的直接经济效益偏低。
如田旋花（Convolvulusarvensi）可以积累1500mgkg-1的Cd（Gardea-Torresdeyetal.,2004），但其经济价值非常的低。
使用超积累植物如十字花科菥冥属（Thlaspi）芸薹属（Brassica）时同样也存在这样的问题。
这不符合我国当前污灌区土壤修复的现实情况。
应该是有可行的并且有一定经济效益的才能考虑。
具有一定的经济效益且没有可食用部分。
如植树造林，切花植物，植草可以使污染物不进入食物链。
生长迅速间伐林（shortrotationcoppice）如桉树，柳树等
许多超积累植物种群仅零星分布，一般在偏远地带，植物种子较小，繁殖体的收集较为困难。
不易于机械化操作，修复效益低，达到土壤重金属标准含量的时间长。
同时利用野生的，非本地的超积累植物环境风险性较高，有些可能不适合超积累植物的生长。
2高生物量农作物的土壤修复效果
高生物量作物对重金属积累的含量一般比较低，但其生物量较大，所以有较高的重金属积累量。
利用高生物量作物修复土壤已引起广泛的关注（Lingeretal.,2002；Meersetal.,2005；DiezLazaroetal.,2006）。
植物生物量可以作为生长在重金属污染土壤里植物健康的一个标志（Fayigaetal.,2004）。
对高生物量作物的研究一般集中在白杨木，向日葵，大麻，芒草（Miscanthusfloridulu（Labnll.）Warb），柳树等经济和能源植物上，高生物量植物重金属富集能力通常情况下远比超积累植物低，但对污染物的最终移除取决于生物产量和金属的浓度（Chaneyetal.,1997；Sebastianietal.,2004）。
具有高生物量，有一定的耐性，有一定的积累能力的作物在植物修复具有广阔和前景（Arduinietal.,2005）。
通过种植和收获农作物来提取修复中轻度多金属污染土壤是一个有希望的技术（Bouwmanetal.,2005）。
作物原位修复效果对土壤重金属污染的清除十分重要。
植物修复是否成功决定于以下几个因素：
对某种高浓度的重金属提取过程中，要保持较高的生物量；可以采用农艺措施重复种植和收获富含重金属的组织。
在现有高生物量农作物中，不降低其生物量而提高重金属的积累是进行植物修复最为可行的策略（Cuietal.,2004）。
苏德纯等（2002）对油菜作为超富积植物修复Cd污染土壤的潜力进行了研究，结果发现，油菜溪口花籽有较强的吸收Cd的能力，其地上部分生物量、地上部吸Cd量和对Cd污染土壤的净化率均明显高于目前公认的参比植物印度芥菜（B.juncea）。
Moussa等（2003）研究发现了一种生物量大，生长迅速的Zn的累积植物－山芋（Alocasiamacrorrhiza），其茎中Zn含量达1109.4mgkg-1。
王凯荣等（1998）研究了Cd污染农田生态模式，筛选出了湖桑，苎麻，红麻，棉花等一批适生耐Cd作物品种，种植后使土壤中Cd含量普遍下降。
甘蔗（SaccharumofficinarumL.）甘蔗是一种经济价值较高、管理较粗放、耗工较少、而抗灾防病虫害能力较强的一种高产作物。
水田旱地都可种植，而且产量比较稳定。
甘蔗对重金属有一定的耐性，可能为Cd的超积累植物，特别是蔗汁重金属含量极低。
但有关甘蔗的这方面研究极少。
甘蔗幼苗对Cd具有一定的耐性。
Sereno等（2006）研究表明，甘蔗苗在100µM的Cu溶液处理，33天后其鲜重没有明显下降，同时在地上部分积累了45mgkg-1Cu，Cu致死量在250µM～300µM之间。
在500µM的Cd溶液中，没有明显的毒害症状，地上部分积累量为451mgkg-1Cu。
何炎森等（2003）盆栽试验表明，当土壤Cd含量不超过0.53mg/kg时，对甘蔗产量影响不大；随着土壤Cd含量的提高，甘蔗受害程度加重，影响了糖分的合成及产量的构成，使甘蔗产量急剧下降，蔗糖分降低。
甘蔗各部分对Cd的富集能力不同，根系的Cd含量最高，蔗汁中Cd含量最低，适于在轻度Cd污染的农田种植。
按照Kabata-Pendias和Pendias（1984），研究土壤中60－125mgkg-1Cu，70－400mgkg-1Zn，100－400mgkg-1Pb，3－8mgkg-1Cd，将认为对植物产生毒害。
但Deng等（2004）对12种湿地植物调查时发现 L.hexandra在127－1022mgkg-1Pb，438－5420mgkg-1Zn和21－6993mgkg-1Cu的土壤中能正常生长。
J.effuses在141－15138mgkg-1Pb，306－10606mgkg-1Zn和31－860mgkg-1Cu的环境中也能正常生长。
这说明生长在长期重金属污染条件下的植物已形成了某种程度的适应。
在研究地的上坝村重金属污染农田里，仍有部分群众不间断地种植甘蔗，甘蔗产量并没有明显下降，没有产生明显的毒害症状。
高粱（Sorghumbicolor（Linn.）对重金属具有一定的耐性和积累能力。
Moench）Marchiol等（2007）用高梁（Sorghumbicolor（Linn.）Moench）和向日葵（Helianthusannuus）修复黄铁矿渣污染农田时发现，在含As309，Cd4.29，Co50.9，Cu1527，Pb233和Zn980mgkg-1的土壤里，二者对Cd的积累含量都在一般植物生长正常的范围之内，向日葵比高梁更为有效地积累富Cd。
两种植物对Cu有较高的积累量，如高梁根部达到到了594mgkg-1，地上部分48.9mgkg-1，向日葵根部含量则达到了837mgkg-1，地上部分为36.2mgkg-1。
二者含营养质的土壤对植物生物量影响十分有效，但却没有提高植物收获组织重金属含量，高梁能移除2000gha-1的Zn，而向日葵却只能移除1000gha-1。
从高粱和向日葵移除重金属的相对量来看，作物对土壤重金属的修复潜力是很小的。
另一方面在大间条件下，一般的农艺措施如改善营养水平并没有大幅度地提高重金属生物可利用度和植物对重金属的提取。
应探讨更为有效的农艺措施。
两种作物对酸都有一定的耐性。
特别是对Cd的耐性，而且没有什么明显的毒害症状。
在磷酸盐施用下可以提高对某种金属的提取。
表3部分具有植物修复潜力的作物种类
植物
修复重金属种类特征
资料来源
印度芥菜（Brassicajuncea）
Zn，Cd污染土壤的修复
Ebbsetal.,1998
大麦（Hordeumvulgare）
耐受高浓度的Cu，Cd，Zn，积累在茎部
Ebbsetal.,1998
燕麦（Avenasativa）
耐受高浓度的Cu，Cd，Zn，积累在茎部
Ebbsetal.,1998
柳树（Salixviminalis）
对Zn，Cd具有富集能力，生物量高
Hammetetal.,2003
油菜（Brassicajunica）
可超量积累Cd
王激清等，2003
苎麻（Boeherianivea）
吸收和积累中度Cd
曹德菊等，2004
蓖麻（Ricinuscommunis）
对Cd污染有一定修复能力
陆晓怡等，2005
玉米（Zeamays）
Pb，Zn，Cd中度污染土壤
Lajosetal.,2006
向日葵（Helianthusannuus）
用于Pb，Cd中度污染农田
Lajosetal.,2006
植物套种模式修复技术Steven等（2001）通过套种超富集植物Thlaspicarulescens和非超富集植物Thlaspiarvense，发现当这两种植物的根系交织在一起时，Thlaspicarulescens对Zn的富集能力显著提高。
孟庆强等（2002）研究了套种超富集植物，Thlaspicarulescens和非超富集植物黑麦草（LoliumperenceL.）和玉米对重金属污染土壤的处理效果，盆栽试验结果表明，Thlaspicarulescens对土壤中Cd的去除率3个月达35%，是黑麦草吸收能力的10倍。
Moussa等（2003）通过套种Thlaspicarulescens和非超富集植物玉米，收获的玉米子粒中含Cu4.72mgkg-1，符合食品卫生标准Cu<10mgkg-1。
黑亮等（2007）将超富集植物东南景天与玉米套种后发现，套种能显著提高东南景天提取Zn和Cd的效率，Zn含量达9910mgkg-1，是单种的1.5倍，而且生产出的玉米籽粒重金属含量也符合食品和饲料卫生标准，处理后的污泥生物稳定性明显提高。
3农田杂草在重金属污染土壤修复中的应用
杂草具有抗逆性强，生长迅速，繁殖能力强，在环境适宜条件下生物量能够急剧提高等特点，是较理想的土壤重金属修复资源，对植物修复具有开拓性的意义。
如魏树和等（2004）对12个科22种农田杂草和积累特性研究时发现了8种对Cd具有超积累性的杂草。
表4部分具有修复潜力的农田杂草种类
杂草
修复特征
文献资料
紫花苜蓿（Medicagosativa）
土壤Pb污染理想修复材料
叶春和等，2002
酸模（Rumexacetosa）
积累Pb达到1480mgkg-1
刘秀梅等，2002
羽叶鬼针草（Bidensaximowicaiana）
对Pb和Cd具有富集作用
刘秀梅等，2002
龙葵（Solanumnigrum）
地上部分富集系数大于1，吸收量达到228.4mgkg-1
魏树和等，2003
欧洲千里光（Seneciovulgaris）
对Cd的富集系数大于1
魏树和等，2004
小白酒花（Conyzaanadensis）
对Cd的富集系数大于1
魏树和等，2004
艾蒿（Agropyronelongatum）
Cu富集浓度达91-698mgkg-1
李红艳等，2003
黑麦草（Agropyronelongatum）
作为Zn污染土壤的修复材料
周启星等，2004
叶片Cu浓度最高为98.2mgkg-1
钱海燕等，2004
香根草（Vetiveriazizanioides）
Pb的吸收量达到540.8mgkg-1
聂俊华等，2004
4植物修复中存在的主要问题
植物对重金属污染的某些适应机理尚处于推测阶段 修复植物本身的差异以及重金属元素毒性效应的不同，使得植物对重金属污染的适应过程和机理的研究极为复杂，很多机理和规律尚未发现，其中的一些尚处于推测阶段（王宏镔等，2005）。
目前，不同的研究者从不同的生命组织层次，从基因，细胞，个体和群体水平上探讨了很多生物体与受重金属污染环境之间的相互作用规律和机理，但是，比如对于超量积累植物的研究,植物体内复杂的转运和螯合机制控制了重金属吸收和储存的速率,但是金属的转运和储存形态在很大程度上尚未为人们所知,许多转运系统的机理、定位、结构和功能等仍待深入研究。
复合污染研究是热点但同时也是难点 复合污染研究对于客观揭示环境中污染物的行为具有重要意义，但是由于环境因素的复杂性，重金属种类的多样性以及生物体对重金属耐受的差异广泛性，使得复合污染研究多为室内严格控制条件下的盆栽试验，这就使得研究结论与野外大田条件相比存在很多差别。
重金属污染的治理方法研究仍然是一个世界性难题 重金属污染的治理特别是重金属污染土壤的治理是一个世界性难题，虽然很多方法如物理法，化学法和生物法相继问世，但每种方法都有各自的优缺点。
现在普遍推崇的植物修复方法，其费用低廉，不会破坏甚至会改善土壤理化性质以及具有较高的美学价值等优点而倍受青睐。
但超量积累重金属植物往往生物量低，生长缓慢，修复时间较长等缺陷以及重金属复合污染的制约，也就决定论了该类植物实际应用的局限性。
今后寻找或驯化分布范围广，地上部生物量高、生命周期短以及繁殖速率快的超量积累重金属植物是植物修复技术应用与推广中必须加以解决的一个重要问题（王宏镔等，2005）。
植物修复年限比较长 当土壤被超过一种重金属重度污染时，植物提取时间可能要超过一个世纪（Ernst,2005）。
早期的植物提取技术研究主要集中在超富集植物方面，但超富集植物通常只能富集某种特定的金属元素，并且生长速度慢，生物量低，这些不足限制了它在植物修复技术中的实际应用。
近年来，有不少学者提出在植物修复材料方面可选择一些对重金属有一定耐性的能源或经济类植物，这些植物在修复污染土壤的同时还可以产生一定的经济价值，且一般不经过食物链，但这方面的研究较少。
总的来说，目前的植物修复技术，无论在国外还是在国内基本上都停留在室内实验和小面积的田间示范实验阶段，还没有形成成熟的土壤修复技术。
目前的植物修复并非一个稳定成熟的技术。
为了实际应用，植物修复方面需要大量的分子及生理方面知识，这时就很难预测。
还没有对高生物量植物和超积累植物进行深入研究达到田间生产应用阶段。
在田间条件与温室条件下，植物对重金属积累效果有很大的不同。
Kayser等（2000）研究结果为在温室条件下植物组织提取的Cd，Zn，Cu浓度远比田间自然条件下的要高。
但Anderson等（2005）在用玉米和印度芥对金的提取试验中却认为温室的效果与自然条件下的效果是一致的。
Jiang等（2004）发现在温室盆栽时香薷（Elsholtziasplendens）地上部分Cu浓度为10mgkg-1，但在田间条件下却高达250mgkg-1。
表2 植物修复技术在美国的田间应用及其效果
应用地点
应用方式
植物
重金属
效果
Trenton
植物萃取作用
印度芥菜BrassicaJuncea
Pb
把Pb控制到标准以下
Dearing,KS
植物钝化作用
白杨Pupulus.spp.
Pb，Zn，Cd
50%植物存活3年
Whitewood
植物钝化作用
白杨Pupulus.spp.
As，Cd
95%的植物死亡
Pennsylvania
植物萃取作用
遏蓝菜属植物T.caerulescen
Zn，Cd
植物吸收
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