重金属污染土壤的植物修复技术的问题及对策.pdf

1、浙江农业学报 A c t a A g r i c u h u r a e Z h e fi a n g e n s i s，2 0 1 3，2 5(4)：8 5 2 8 5 7 h t t p：w w w z j n y x b c n 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，2 0 1 3，2 5(4)：8 5 2 8 5 7 D O I：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 4 1 5 2 4 2 0 1 3 0 4 3 4 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

2、业科学院 环境资源与土壤肥 料研究，浙江 杭州 3 1 0 0 2 1；。杭州师范大学钱江学院 理学分院，浙江 杭州 3 1 0 0 1 2)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：x 5 3 文献标志码：A 文章编号：1 0 0 4 1 5 2 4(2 0 1 3)0 4-0 8 5 2-0 6 Pr o b l e ms i n o pe r

3、a t i o n a nd c or r e s po nd i ng c o unt e r m e a s ur e s o f ph yt o r e m e di a t i o n o f s o i l s c o n-t ami n at e d by he a v y me t a l s G U O B i n ，L I We i d o n g ，D I N G N e n g f e i ，F U Q i n g l i n ，L I U C h e n ，L I N i n g y y u (I n s t i t u t e o f E n v i r o n m

4、e n t，R e s o u r c e s，S o i l a n d F e r t i l iz e r，Z h e fi a n g A c a d e m y of A g r i c u l t u r a l S c i e n c e s，H a n g z h o u 3 1 0 0 2 1，C h i n a；D e p a r t m e n t of S c i e nce，Q i a n j i a n g C o l l e g e ofH a n g z h o u N o r m a l U n i v e r s i t y，H a n g z h o u

5、3 1 0 0 1 2，C h i n a)Ab s t r a c t：P h y t o r e me d i a t i o n o f h e a v y me t a l c o n t a mi n a t e d s o i l s h a s b e e n c o n s i d e r e d a s a g r e e n a n d e c o f r i e n d l y r e me-d i a t i o n t e c h n i q u e Ho we v e r，t h i s t e c h n i q u e n e e d s s i g n i f

6、 i c a n t i mp r o v e me n t s t o b e c o me p r a c t i c a l l y f e a s i b l e I n t h i s p a p e r，t h r e e a d v e r s e f a c t o r s o f p h y t o r e me d i a t i o n，p o l l u t i o n r i s k，l o w e ffi c i e n c y a n d h i g h c o s t o f r e me d i a t i o n，w e r e s y s t e ma t

7、 i e a l l y d i s c u s s e d F u r t h e r mo r e，c o r r e s p o n d i n g c o u n t e r me a s u r e s o f i mp r o v i n g p h y t o r e me d i a t i o n e ffi c i e n c y a i me d a t t h e a b o v e t h r e e d i s a d v a n t a g e s w e r e p r o p o s e d Ke y wo r d s：p h y t o r e me d i

8、 a t i o n；h e a v y me t a l s；e ffi c i e n c y；r i s k；c o s t i n g 植物修复技术是 2 0世纪 8 0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：2 0 1 2 1 0-2 4 基金项 目：农业部 公益性 行业项 目(2 0 0 9 0 3 0 0 1)；国家 自然基 金(4 1 0 0

9、1 1 8 4)；浙 江省 自然 基金(Y 3 0 9 0 5 0)；浙 江省 公 益 性项 目 (2 0 1 0 C 3 3 1 5 8)；杭 州市科技攻关项 目(2 0 1 2 0 4 3 3 B 1 5)作者简介：郭彬(1 9 7 9 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。E m a i l：n d g b 1 6 3 c o m；T e l：0 5 7 1 8 6 4 0 4 0 4 1 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

10、 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 A s、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 8 5 3 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 2 6 0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

11、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 1 1 低效率 1 1 1 修 复效果受限 修复效率低：以重金属 c d为例，假设土壤耕 层深度 0 2 5 m，土壤密度为 1 6 0 0 k g m，若 预 期 目标将土壤 c d浓度降低 1 m g k g，则土壤 中 应该被移除 C d的总量为 4 h m。若植物地 上部年产量 为 4 t h m (相

12、 当于常规作 物如 玉 米、水稻的 1 5 E 4 )，地上部 C d的浓度 为 5 0 m g k g (大部分植物的耐受极 限)，需要连续种植 2 0年才能将土壤 c d浓度降低 1 m g k g。如果 要从土壤 中清除更多的 C d，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 C d达到 1 0 0 m g k g，含 C o，C u，N i，P b达 到 1 0 0 0 mg k g，含 Mn，Z n达 到 1 0 0 0 0 m g k g 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 4 5个 属，4 0

13、0余种之多，但大多是 N i 超积累植物，此外 还有 C 0 2 6种、C u 2 4种、S e 1 9种、z n 1 6种、Mn 1 1种、A s 2种和 C d 1 种 。目前我国将近 2 0 0 0 万 h m 的耕地主要遭受 c d，A s，P b，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。1 1 2 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

14、龄 6 年的吸 c d量(6)远低于树龄 1年的(1 7)。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 c d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

15、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。1 2 二次污染风险 1 2 1 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 4 6年的柳树，由于落

16、 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 c d和 z n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 9 4 的 C d和 8 6 的 z n可被黑麦草 和印度芥菜所吸收 J。1 2 2 重金 属 转移 至食物链 的风 险 据推测，耕层土壤 中 C d浓度 若达到 5 m g k g，该区域内生物受毒害的概率为 1 1，如果 土壤 C d浓度提高至 1 0 m g k g 一，那 么生物受 毒 害的概率则升至2 6 E 3 。

17、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 2 5卷第 4期(2 0 1 3年 7月)1 3 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 6 t h m，植物残体 中的重金属浓度 如铅可达 1 0 0 0 01 5 0 0 0 mg k g 。2 0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

18、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。1 3 1 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 2 5。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l 1 1 。(2)压缩：压 缩也是有效降低植

19、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。1 3 2植 物 残体 的后

20、 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 E D T A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 9 8 5 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

21、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 2 0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。2 1 提高效率 2 1 2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

22、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(P C s)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(E c o l i)G S基 因(g s h 2)转入印度芥 菜(B r a s s i c a j u n c e a)后，根部 的谷胱甘肽(G S H)含量显著提高。C d胁迫下，突变体地上部 C d 浓度与野生 型相 比增加 了 2 5 ，且 生长未受 影 响 。拟南芥过表达 z n的转运体 Z A T

23、(即 A t M T P 1)，转基因植物对 z n的抗性明显提高，在根 中积累了 2 倍的 z n，在 2 0 0 m 0 卜L 的水培条件 下，对照植株的根生长被抑制了8 5，而转基因植 物的根只被抑制了 1 5 J。过表达 A C C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 8 5 5 2 1 2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

24、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 。2 2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

25、明确，降低了修复的成本和缩短了修复的时间。2 2 1 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。2 2 2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

26、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 A s，C d，P b，C u，z n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 C d有 8 0 富 集在根部，玉米、小麦根对 C d和 z n的吸收量分 别占总吸收量的 7 0 一8，5 8 一 6 8 ，籽实分 别 占 1 1 0，9 2 5 。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

27、均为 高积累型，如 9 3 1 1(籼稻)，有的品种如j i a-4 8(粳 稻)植株属于高积 累型，糙米积 累 C d含量很低，可选育成为中低 c d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 C d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。2 3 降低成本一转变土地利用方式

28、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。2 3 1 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 5 9 t h m，在生长不受影 响的情况下对 A s，H g，C u，P b，C d的绝对富集

29、量分别达到 2 3 0 0，0 3 5，1 1 3 2 0 0，9 5 0 0，6 0 7 g h m 。芦竹在 6年 的种植期 内的能量输 出输 人 比为 2 61 0 0 (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，N i，A s和 z n 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 5 0 2 0 0 m g k g 的高浓度 c d 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

30、浙江农业学报第 2 5卷第 4期(2 0 1 3年 7月)茉莉、凤仙、金盏菊 和蜀葵在 土壤 C d浓度达 到 1 0 0 m g k g。的情况下仍能正常生长，且地上部的 C d浓度也超过了 1 0 0 m g k g 。2 3 2 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 C d污染 的土壤 上，将 印度 芥菜与苜蓿进行 间作，苜蓿地上部 C d含量较单 作降低 了 2 8 4 8 3 _ 3。将超 富集 植物东 南景

31、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 C d和 z n的吸收。2 3 3 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 4 7 2 m g k g C d，当年生加拿大杨 对 Hg 的富集量高达 6 8 m g 株，为对照 的 1 3 0 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

32、聚土壤中的重金属，如蓝冰 柏根部 可累积大 于 3 0 0 mg k g 的 c d，而针 叶中仅含 0 51 0 m g k g C d；(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 C d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

33、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