城市土壤重金屬污染的大生物量植物修復技術研究進展

張芳芳等

摘 要：分析了城市土壤重金屬污染的植物修復技術研究現(xiàn)狀及存在的問題，在此基礎上進一步分析了大生物量非超富集植物修復技術的進展。概括了大生物量修復植物的優(yōu)勢，提出了篩選的判斷標準和思路。探討了大生物量植物應用于城市土壤重金屬污染修復實踐的可行性。

關鍵詞：城市土壤；重金屬污染；植物修復技術；大生物量非超富集植物；綜合評估篩選法

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.03.011

城市土壤因受人類活動強烈影響而區(qū)別于自然土壤，主要指厚度大于50 cm的非農(nóng)用土壤，通常出現(xiàn)在城市和城郊區(qū)域[1-3]。城市化過程中的工業(yè)發(fā)展、城建工程的實施和居民日常生活等人類活動排放的污染物，以各種形式直接或間接地進入城市土壤，改變了城市土壤的理化屬性，造成了城市土壤的重金屬污染[4]。城市土壤重金屬既可通過直接接觸密集的城市人群而危害人體健康，又可通過對大氣、水體的影響而影響城市生態(tài)環(huán)境，進而影響生命安全[5-6]。城市土壤既可以為城市綠色植物的生長提供養(yǎng)分，是其必不可少的生長介質(zhì)，又可以為土壤微生物提供棲息地，是其能量的重要來源之一，所以城市土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)尤為重要的組成部分，與城市生態(tài)環(huán)境息息相關[5]。因此，城市土壤重金屬污染修復技術成為國內(nèi)外學者研究的熱點領域。

1 城市土壤重金屬污染現(xiàn)狀

原成土母質(zhì)和人為活動是城市土壤重金屬的來源，其中工業(yè)生產(chǎn)、機動車輛尾氣排放、生活垃圾堆棄等人為活動是造成城市土壤重金屬污染的主要因素。一方面，人為活動產(chǎn)生的重金屬以氣溶膠的形式進入大氣，經(jīng)過干濕沉降間接進入土壤；另一方面，附著于廢棄物中，直接排入城市土壤，造成重金屬污染，甚至污染地下水。并且城市土壤重金屬污染具有一定的空間分布特征，總體表現(xiàn)為城區(qū)內(nèi)部土壤重金屬含量明顯高于郊區(qū)，并且交通干線兩側、人類活動密集區(qū)、老工業(yè)區(qū)重金屬污染較為嚴重，而受人為活動影響較小的風景區(qū)、公園等功能區(qū)土壤重金屬污染則屬于中低度污染和輕微生態(tài)風險。

城市土壤Pb、Zn、Cu、Cd等重金屬多介質(zhì)復合污染給人體健康帶來了極大的風險。食物鏈傳遞研究表明，重金屬已經(jīng)不同程度地污染了我國的城市郊區(qū)菜地土壤[7-9]，重金屬含量已超標的蔬菜大量向城市供應。除此之外，以揚塵為載體進入大氣的城市土壤重金屬，最終可通過人體的新陳代謝作用而進入體內(nèi)并逐漸積累，從而直接威脅到人體健康。研究表明，北方沙塵暴天氣發(fā)生時，大氣環(huán)境中土壤重金屬元素濃度迅速增加，Pb、Zn、Cu、Cd的濃度比平常高出3～12倍[10-11]。據(jù)相關研究部門統(tǒng)計，上海市大約有1/3的大氣顆粒物來自于土壤揚塵[7]。此外，城市土壤重金屬元素的積累對植物、動物、微生物的生理生態(tài)等方面也產(chǎn)生一定的毒害，導致城市土壤的退化。

2 土壤重金屬污染修復研究現(xiàn)狀

近年來，科研工作者不斷探索重金屬污染土壤的修復技術，使物理、化學和生物等修復技術得到了較快的發(fā)展。由表1可知，盡管這些物理、化學修復手段對治理重金屬污染土壤具有非常重要的實踐意義，但仍具有投資大、修復效率低、對周圍環(huán)境干擾性大、易導致次生污染等諸多缺點。相比較而言，盡管植物修復技術有著種質(zhì)資源較少、修復效果待改善和植物生長條件等局限性，但其仍具有技術和經(jīng)濟上的雙重優(yōu)勢，不僅能夠利用綠色植物的新陳代謝活動來修復土壤環(huán)境中的重金屬污染，而且具有一定的觀賞價值，有助于園林城市的建設。

廣義的植物修復技術是在多學科交叉點上發(fā)展起來的新技術，建立在植物對某種或某些化學元素的耐性和積累性基礎之上，利用植物及其根際共存微生物體系的吸收、揮發(fā)、降解和轉(zhuǎn)化作用來清除環(huán)境中的污染物的一門環(huán)境污染治理技術[12]。通常所說的植物修復技術是指選擇具有吸收富集土壤中污染元素能力的植物，并將該植物種植于特定重金屬污染的土壤上，隨著該植物收獲和植物組織器官的妥善處理，便可移除土體中的該種污染重金屬，最終達到污染治理與生態(tài)修復污染土壤的目的[13]。這種技術因為其在土壤污染治理方面的巨大應用潛力，吸引了各國相關領域的科學家進行相關研究，并取得了一定的進展。

2.1 超富集植物修復技術

現(xiàn)今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的超富集植物約500多種，主要分布在氣候溫和的歐洲、美國、新西蘭及澳大利亞的污染區(qū)，但利用植物修復污染土壤則是近幾十年的工作。目前，關于超富集植物對重金屬耐性和積累性機理、修復性能改進及應用技術等方面的研究已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)展開，并且也取得了一定的進展。此外，植物修復技術商業(yè)化因其工程性的試驗研究以及實地應用效果，在未來具有巨大的商業(yè)前景。

2.2 超富集植物修復的局限性

超富集植物在修復土壤重金屬污染方面表現(xiàn)出顯著的生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益。盡管利用植物修復技術修復重金屬污染土壤具有廉價、有效、使土壤免受擾動等優(yōu)點，但是在實際應用中，超富集植物由于其固有的特點，大大限制了在植物修復技術中的應用。第一，大部分超富集植物生物量低下，嚴重制約了修復效率，且植株矮小，不便于機械化作業(yè)；第二，超富集植物引種易受到地域性限制，因其多為野生植物種質(zhì)資源，區(qū)域性分布較強，難以適應新的生物氣候條件；第三，超富集植物往往只適用于某種特定的重金屬元素，具有較強的專一性，對土壤中其他含量較高的重金屬則表現(xiàn)出中毒癥狀，從而在重金屬復合污染土壤修復中的應用受到了限制；最后，超富集植物根、葉、果實等器官機械折斷、凋謝或腐爛等途徑使重金屬重返土壤，易造成二次污染，間接降低了修復效率。

2.3 大生物量非超富集植物與超富集植物修復技術

Ebbs等[16]認為超富集植物以外的其他大生物量非超富集植物也具有修復重金屬污染土壤的可能性，并提出農(nóng)作物地上部可觀的生物量能夠補償?shù)厣喜枯^低的重金屬含量的觀點。周振民等[17]指出了大生物量非超富集植物修復技術是一項非常有發(fā)展?jié)摿Φ闹参镄迯图夹g。因此植物修復技術走向工程實踐的主要任務是篩選與開發(fā)大生物量、富集重金屬能力強且具有觀賞性的復合型修復植物。

3 土壤重金屬污染大生物量植物修復技術研究進展

現(xiàn)有超富集植物種質(zhì)資源貧乏，并且其具有自身的局限性，修復效果也有待于進一步加強，故植物修復技術還不成熟。另外，評價植物修復重金屬污染的標準是重金屬遷移總量，然而已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的超富集植物因其生物量小、生長緩慢而使重金屬遷移總量相對較低，自然種群中存在著對重金屬具有一定耐性的大生物量植物，雖然其單位質(zhì)量的重金屬含量尚不滿足超富集植物的定義，但此時其所積累的重金屬絕對量反而比超積累植物的絕對量大。因此大生物量非超富集植物對城市土壤重金屬的修復作用更大。

3.1 大生物量修復植物的優(yōu)勢

以大生物量植物種質(zhì)資源作為篩選修復植物對象是有依據(jù)的，一方面，大生物量修復植物具備普通植物的功能特點；另一方面，大生物量修復植物還有普通植物不具備的諸多優(yōu)點。主要表現(xiàn)為：

（1）高生物量植物種質(zhì)資源豐富，有著巨大的潛力，可為篩選提供堅實的基礎；

（2）在進行城市土壤修復、調(diào)控大氣環(huán)境的同時，能夠美化環(huán)境，一舉兩得；

（3）具備觀賞性的大生物量修復植物，不會進行食物鏈的傳遞積累，減少了對人體的危害；

（4）大生物量植物對人類健康也有著一定的作用，如油松、核桃、桑樹等對桿菌和球菌的殺菌力均極強，花卉芳香油可抗菌，提高人體免疫力，可作為保健食品或調(diào)控大氣環(huán)境；

（5）在長期的生產(chǎn)實踐中，品種選育、植物栽培以及病蟲害防治等經(jīng)驗日益豐富。因此，篩選大生物量植物修復城市土壤重金屬污染是可行的。

3.2 大生物量植物的耐性與積累性研究

4 大生物量修復植物的判斷標準與篩選

由周振民等[17]對重金屬污染土壤大生物量修復植物進行的綜合研究可知，其篩選對象主要為部分農(nóng)作物、雜草、樹木和花卉。修復城市土壤的大生物量植物應具有一定的生態(tài)功能和觀賞價值，按觀賞部位可分為觀花的、觀葉的、觀芽的、觀莖的、觀果的五類；從低等到高等植物，從水生到陸生；有草本也有木本，有灌木、喬木和藤木，種類繁多。因此篩選既具有觀賞性又具有生態(tài)修復功能的大生物量修復植物就尤為重要了。

為了便于采取定性與定量相結合的綜合評估分析法篩選出具備此能力的大生物量修復植物，這就要求植物符合一定的判定標準。耐性特征、積累特征、觀賞性和生態(tài)調(diào)控功能是主要的評定指標，其中耐性特征和積累特征是最基本的判斷標準。耐性植物應該能夠在較高重金屬污染濃度的土壤上完成生命周期，并且污染處理的植物地上部生物量與對照植物的地上部生物量相比沒有明顯的下降，這才說明該植物對重金屬污染的土壤具有一定的耐性。積累特征以轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)綜合表示，李庚飛等[25]研究表明，在利用大生物量非超富集植物進行重金屬污染修復時，若植物對某重金屬元素的轉(zhuǎn)移系數(shù)和地上部分富集系數(shù)均大于0.1，說明植物對該金屬元素具有富集的潛力。此外，植物觀賞性和固碳釋氧、吸收有毒有害氣體等生態(tài)調(diào)控功能等指標的納入，對采用綜合評估篩選法進行復合型修復植物的篩選更有意義。

大生物量植物種類繁多，盲目地篩選是不科學的。因此首先應該搜集資料，調(diào)查各種植物的特點及其本身生長習性，從中初選出最有可能成為修復植物的種質(zhì)資源進行研究，之后再進一步確認。例如，可從受污染嚴重的區(qū)域采集仍然能夠正常生長的物種進行試驗，或從生長不易受環(huán)境影響的物種著手。初選大生物量修復植物在一定程度上可由植物的根、莖、葉初步判斷[26]。生物量與株高成正比，而生物量越大，修復效率也相應增大，因此株高是修復植物的重要選擇依據(jù)。為使篩選出的修復植物具有更好的實踐性，也應盡量地人為模擬與特定重金屬污染城市土壤條件相一致的環(huán)境條件，利用盆栽試驗篩選出大生物量復合型修復植物。

5 結 語

我國對植物修復重金屬污染土壤的研究起步較晚，篩選工作做得不多，大量有潛力的修復植物還有待發(fā)現(xiàn)，尤其是以大生物量修復植物為篩選對象將成為一個突破口。總的來說，用大生物量修復植物修復污染土壤的潛力巨大。在城市污染土壤修復中，大面積地應用與其他手段相結合的大生物量修復植物，既可以美化環(huán)境，又能帶來巨大的經(jīng)濟效益。因此進一步提高大生物量修復植物的修復效率，應從生態(tài)位的理論出發(fā)，開展植物品種的篩選與培育、復合修復技術應用、修復效果驗證試驗等方面的研究，以適應城市需要，并將植物修復、觀賞植物苗木生產(chǎn)、園林景觀建設與生物質(zhì)能利用有機結合，形成環(huán)境污染修復產(chǎn)業(yè)，走循環(huán)利用綠色發(fā)展之路。

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