鎘污染土壤的植物修復(fù)及修復(fù)植物的能源利用潛力

　　摘 要：利用鎘污染土壤的修復(fù)植物進行生物質(zhì)能源開發(fā)是一種同時解決環(huán)境問題和能源問題的新思路。文章在闡述我國土壤鎘污染現(xiàn)狀及來源的基礎(chǔ)上，對鎘污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)及其應(yīng)用情況進行了探討，分析了鎘污染土壤修復(fù)植物的能源利用潛力，并對修復(fù)植物的生物質(zhì)能源開發(fā)相關(guān)問題進行了展望。
　　關(guān)鍵詞：土壤 鎘 植物修復(fù) 超積累植物 生物質(zhì)能源
　　中圖分類號：X53 文獻標識碼：A
　　文章編號：1004-4914（2011）08-052-02
　　
　　重金屬污染是我國“十一五”期間凸顯的重大環(huán)境問題，環(huán)境保護部部長周生賢曾公開表示，僅2009年環(huán)保部就接報12起重金屬、類金屬污染事件，致使4000余人血鉛超標，并引發(fā)32起群體性事件{1}。2010年重金屬污染事件仍保持高發(fā)態(tài)勢，相繼發(fā)生了江蘇大豐、四川隆昌、湖南嘉禾、甘肅瓜州、湖北崇陽、安徽懷寧等多起血鉛事件。鑒于重金屬污染及其危害的嚴重性，2011年2月國務(wù)院正式批復(fù)《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》，這是中國第一個“十二五”專項規(guī)劃。
　　鎘是《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》重點監(jiān)控與污染物排放量控制的5種重金屬之一。土壤中的可溶鎘通過食物鏈進入動物和人類體內(nèi)，引起慢性中毒，其潛伏期可達10~30年。長期攝入鎘可引起“骨痛病”、腎功能障礙、貧血、泌尿系統(tǒng)病變，并可能導(dǎo)致癌癥。
　　土壤鎘污染的來源主要包括自然污染源和人為污染源。在沒有人為因素影響時，土壤Cd的背景值主要取決于母巖Cd含量及其風(fēng)化程度，母巖Cd含量差異很大，從痕量到90mgkg-1{2}。土壤鎘的人為污染源主要有四個方面：（1）工業(yè)污染源。礦產(chǎn)開采和冶煉、電鍍工業(yè)、塑料和電子加工、印染、化工等工業(yè)企業(yè)都可以產(chǎn)生大量的“三廢”物質(zhì)，這些污染物通過多種途徑進入農(nóng)田土壤，導(dǎo)致土壤的鎘污染{3}。（2）生活污染源。城市垃圾中大量未經(jīng)處理的廢舊電子產(chǎn)品與生活垃圾一起堆放，造成垃圾中鎘含量增加{4}。（3）交通運輸污染源?；剂先紵a(chǎn)生得的含鎘有害氣體和粉塵，通過干濕沉降進入農(nóng)田土壤{5}{6}。（4）農(nóng)業(yè)污染源。農(nóng)藥、化肥、有機肥的使用及污灌過程可導(dǎo)致土壤Cd污染{7}。目前，我國受鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染的耕地面積近2000萬公頃，約占耕地總面積的1/5，全國每年因重金屬污染而減產(chǎn)糧食1000多萬噸{8}。每年生產(chǎn)的Cd超標農(nóng)產(chǎn)品1.46×109kg。因此，鎘污染土壤的修復(fù)已成為當(dāng)前我國環(huán)境治理的重要任務(wù)之一。近年來，植物修復(fù)作為一種鎘污染土壤修復(fù)技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。但修復(fù)植物中鎘含量較高，對修復(fù)植物的最終處置仍然是一個亟待解決的問題。將鎘污染土壤的植物修復(fù)和生物質(zhì)能源開發(fā)利用結(jié)合起來是一種同時解決環(huán)境問題和能源問題的新思路。本文在綜合鎘污染土壤植物修復(fù)已有成果的基礎(chǔ)上，對修復(fù)植物的能源利用潛力進行了初步分析，并對鎘污染土壤修復(fù)植物的能源利用相關(guān)研究進行了展望。
　　一、鎘污染土壤的植物修復(fù)
　　植物修復(fù)是利用植物對土壤污染元素具有特殊的忍耐和吸收富集特性，將植物收獲并進行妥善處理后將重金屬從土體中去除的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。由于該技術(shù)具有低成本、不產(chǎn)生二次污染、不破壞土壤環(huán)境、可進行綜合利用等優(yōu)點，在重金屬污染土壤修復(fù)實踐中應(yīng)用越來越廣泛。在美國，利用遏藍菜屬修復(fù)長期施用污泥導(dǎo)致重金屬污染的土地取得了明顯的效果，我國利用超積累植物圓錐南芥來修復(fù)Pb、Zn、Cd復(fù)合污染土壤。
　　鎘污染土壤的植物修復(fù)中所應(yīng)用的特定植物物種多為鎘的超積累植物。Baker等人{9}提出了鎘超積累植物的參考值，植物葉片或地上部（干重）中鎘含量達到100mgkg-1以上，并符合地上部重金屬含量高于土壤重金屬含量（即富集系數(shù)BF>1），地上部重金屬含量高于根部重金屬含量（即轉(zhuǎn)運系數(shù)TF>1）這些特征的植物稱為鎘超積累植物。已發(fā)現(xiàn)的400多種超累積植物中，符合Baker等人鎘超積累植物參考值的并不多。包括蕓苔屬的油菜、遏藍菜屬的遏藍菜{8}、堇菜科堇菜屬寶山堇菜、景天科東南景天、茄科的龍葵、商陸科的商陸、藜科葉用紅菾菜等{10}。幾種鎘超積累植物的基本特征見表1。
　　除鎘的超積累植物外，有些植物的Cd積累能力雖未達到超積累植物的標準，但是對Cd的植物修復(fù)仍有特殊的意義。與超積累植物相比，這類植物對土壤中的鎘具有一定的積累能力，同時還具有較大的生物量，可以彌補超積累植物植株矮小、生長緩慢、生物量低等不足，在Cd積累的總量上較多，這類植物稱為耐性植物。如禾本科小麥屬的冬小麥莖中可積累26mgkg-1的鎘，蕁麻科苧麻屬的苧麻對鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)最高達到了9.95；禾本科蘆竹屬的蘆竹對鎘污染土壤有很好的耐受力和吸收積累鎘的能力；Beaupre發(fā)現(xiàn)在法國北部鎘污染區(qū)生長的白楊鎘含量高達209mgkg-1，是森林樹種中的耐性植物{11}。
　　二、修復(fù)植物的能源利用潛力
　　植物生物質(zhì)能的優(yōu)點是燃燒容易、污染少、灰分較低，具有很強的再生能力。通過植物生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)可以高效地利用植物生物質(zhì)能源，生產(chǎn)各種清潔燃料，替代煤炭、石油和天然氣等燃料生產(chǎn)電力，從而減少對礦物質(zhì)能源的依賴，在化石能源日益短缺的今天，受到人們越來越多的關(guān)注。自2008年以來，全球范圍內(nèi)爆發(fā)糧食危機，不再提倡用農(nóng)作物作為生物質(zhì)能的原料，使得人們努力尋找可以替代農(nóng)作物的生物質(zhì)原料。鎘污染土壤在被完全修復(fù)前很長一段時間內(nèi)上面不能種植農(nóng)作物，即使農(nóng)作物能夠正常生長也還存在農(nóng)產(chǎn)品安全的問題。如果在鎘污染土壤上種植一些生物量大、生長周期短的超積累植物和耐性植物，不但將土壤中的鎘大量提取出來，滿足對鎘污染土壤的植物修復(fù)需要，同時又可以為生物質(zhì)能源提供穩(wěn)定的原料來源。從物理形態(tài)上講，修復(fù)植物的能源開發(fā)利用有三種途徑：（1）固化成固體燃料。將生物質(zhì)原料（如秸稈、果殼、木屑、稻草等）粉碎，在一定的壓力和溫度下將其擠壓制成棒狀、塊狀或粒狀等各種成型燃料{12}。固化成型以后的固體燃料，密度為1.1~1.4tm-3，體積縮小6~8倍，能源密度相當(dāng)于中質(zhì)煙煤，火力持久，爐膛溫度高，燃燒特性得到明顯改善{13}；同時，新型固體成型燃燒還可以減少大氣二氧化碳和二氧化硫的排放量。此外，成型生物質(zhì)塊可在生物質(zhì)炭化爐進一步炭化成生物炭，而優(yōu)質(zhì)的生物炭可以作為冶金、化工等行業(yè)的還原劑、添加劑等。將用于鎘污染土壤修復(fù)的修復(fù)植物和耐性植物收集以后進行分級處理，加工成型為固化燃料，在一定程度上解決了修復(fù)植物的污染物處理問題，同時也提供了大量的固體能源，具有廣闊的市場前景。（2）制成氣體燃料：以生物質(zhì)為原料，以氧氣、水蒸氣或氫氣等作為氣化劑，通過熱化學(xué)反應(yīng)可將生物質(zhì)中的可燃部分轉(zhuǎn)化為CO、H2和CH4等可燃氣體{13}{14}；另外，含有機質(zhì)成分的生物質(zhì)在厭氧及其他適宜的條件下，通過微生物的作用可轉(zhuǎn)化為沼氣。這些以生物質(zhì)為原料制成的氣體燃料可用于照明或成為某些化石燃料的替代品。據(jù)報道，用以沼氣為燃料的發(fā)電站，設(shè)備和技術(shù)簡單，維護和管理方便，而成本僅為小型水電站的1/2~1/3，比風(fēng)力、潮汐和太陽能發(fā)電低得多{12}。1998年12月英國首座利用特殊培育的柳樹為燃料的發(fā)電廠在西約克郡奠基。這座新型發(fā)電廠使用的主要燃料是生長速度很快的矮柳，該柳樹3~4年便可成材，其種植和采伐使用輪作方式，以保證電廠能獲得持續(xù)的燃料供應(yīng)。除了柳樹外，同樣屬于柳屬的白楊具有對鎘污染土壤的植物修復(fù)功能，且生物量大，經(jīng)過改良后是否能用其作為發(fā)電廠的燃料，這一問題值得研究{15}。（3）制取液體燃料：以生物質(zhì)為原料進行生物質(zhì)液化可制取甲醇、乙醇和生物柴油等液體燃料。這些技術(shù)在國際國內(nèi)都有一定程度的應(yīng)用{16}，2000年，巴西利用甘蔗渣制燃料乙醇總產(chǎn)量達793萬噸，新西蘭則利用飼料甜菜、紫白梧和松樹生產(chǎn)乙醇。我國黑龍江省伊春市的南忿木材水解廠20世紀60年代以木屑為原料，年產(chǎn)酒精3000噸。一般情況下，乙醇生產(chǎn)成本的60%以上為原料成本，因此選用原料對降低乙醇成本至關(guān)重要。而修復(fù)植物可以成為生物質(zhì)液體燃料的重要原料。目前，生物柴油的原料主要是大豆油和菜籽油，原料短缺成為限制生物柴油產(chǎn)業(yè)化的瓶頸，而某些鎘污染土壤的修復(fù)植物（如油菜）中含油量高，可以作為生物柴油生產(chǎn)所需的原料。
　　
　　三、結(jié)論和展望
　　自20世紀70年代以來，我國土壤鎘污染已由局部的點源污染擴展為流域性的環(huán)境污染，鎘污染土壤修復(fù)已成為當(dāng)前和今后一段時間土壤污染治理的重點。植物修復(fù)技術(shù)在鎘污染土壤修復(fù)過程中將發(fā)揮越來越重要的作用。將植物修復(fù)技術(shù)和生物質(zhì)能源利用技術(shù)有效結(jié)合是一個同時解決環(huán)境問題和能源問題的新的思考方向。與此同時，幾個重要的問題值得進一步深入研究：（1）發(fā)現(xiàn)更多生長周期短、生物量大、能源利用潛力大、鎘的耐性和吸收性能較強的超積累植物和耐性植物；（2）鎘污染修復(fù)植物的能源轉(zhuǎn)化和高效利用模式；（3）修復(fù)植物體內(nèi)鎘含量較高，修復(fù)植物能源利用過程中鎘的去向和最終處置。
　　[基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(41071216)；湖南省自然科學(xué)基金項目(10JJ6058)；水體污染控制與治理科技重大專項子課題（2009ZX07212-001-05）。]
　　
　　注釋：
　　{1}周生賢.堅定不移貫徹落實中央決