非食用經(jīng)濟(jì)作物修復(fù)重金屬污染土壤研究進(jìn)展

吳科堰 敖明 柴冠群 吳正卓 秦松

摘 要：土壤重金屬污染已成為全世界面臨的主要環(huán)境問題之一，治理修復(fù)重金屬污染土壤倍受關(guān)注。在不同的防治和修復(fù)技術(shù)中，植物修復(fù)技術(shù)擁有獨(dú)特優(yōu)勢被人們青睞，其中非食用經(jīng)濟(jì)作物具有不進(jìn)入食物鏈、生物量大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、能充分利用重金屬污染耕地并能帶來經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)勢而成為植物修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者對棉花、蓖麻、苧麻、桑樹、劍麻5種非食用經(jīng)濟(jì)作物對不同重金屬的富集特性以及耐受性的研究進(jìn)展，同時(shí)對非食用經(jīng)濟(jì)作物修復(fù)重金屬污染土壤進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：非食用經(jīng)濟(jì)作物;植物修復(fù);重金屬;土壤

中圖分類號：X53

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0457（2019）01-0062-06 國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2019.01.012

隨著我國高度集約化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、粗放型的礦產(chǎn)資源開發(fā)利用和快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程，各種含重金屬的農(nóng)藥、化肥及化學(xué)產(chǎn)品等污染物通過不同途徑進(jìn)入環(huán)境，造成土壤，尤其是農(nóng)田土壤重金屬污染。重金屬導(dǎo)致的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)污染，不僅造成可利用土地資源減少、糧食產(chǎn)量品質(zhì)下降，還可以通過污染物的食物鏈傳遞、積累和放大，威脅人體健康[1]。

目前我國耕地普遍存在重金屬污染問題，農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂。環(huán)境保護(hù)部和國土資源部，在2014年公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)（2005-2013）》顯示，我國耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)19.4%，有毒重金屬Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni等8種污染物，點(diǎn)位超標(biāo)率分別高達(dá)7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%和4.8%，其中Cd、Hg、As、Pb等4種污染物含量分布呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢，西南、中南地區(qū)重金屬污染土壤問題最為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國受重金屬污染的耕地面積約2000×104 hm2，占我國耕地總面積的五分之一[2]。我國每年因土壤重金屬污染導(dǎo)致糧食減產(chǎn)高達(dá)1000多萬噸，污染糧食多達(dá)1200萬噸，合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失超過200億元[3]。農(nóng)田重金屬污染已成為影響我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大環(huán)境問題，因此，修復(fù)重金屬污染農(nóng)田對于緩解我國當(dāng)前的人口-耕地資源矛盾、保障糧食安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文總結(jié)了近幾年國內(nèi)外利用非食用經(jīng)濟(jì)作物修復(fù)重金屬污染土壤方面的研究成果和進(jìn)展，以期推動(dòng)非食用經(jīng)濟(jì)作物在重金屬污染土壤修復(fù)治理方面的應(yīng)用。

1 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)是近10年來一種與土壤恢復(fù)有關(guān)的被動(dòng)修復(fù)技術(shù)，是通過植物的特殊功能清除或降低環(huán)境中的污染物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的修復(fù)治理[4]。具有成本低、可原位實(shí)施、操作簡單、對土壤理化性質(zhì)破壞較小以及適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[5]。但是目前發(fā)現(xiàn)的超積累植物較少，且有的植物生長緩慢，植株矮小，生物量小，不適用于大面積植物修復(fù)[6]。同時(shí)還可能導(dǎo)致生物入侵，因此不能帶來更多環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益[7]?；谶@一現(xiàn)狀，提出了農(nóng)業(yè)生態(tài)整治策略，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，通過種植非食用經(jīng)濟(jì)作物，消除重金屬在食物鏈中的傳遞，使重金屬污染土地在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域重新獲得安全而高效的利用。利用具有經(jīng)濟(jì)效益的植物，如棉花、苧麻等，這些作物對重金屬具有較強(qiáng)的耐受性以及較強(qiáng)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)作用，且生物量大、不參與食物鏈循環(huán)[8]。這些作物環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能大面積用于重金屬污染土壤修復(fù)工程，且能進(jìn)一步產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益而被人們所推廣。此外，非食用經(jīng)濟(jì)作物作為修復(fù)農(nóng)作物時(shí)，可以兼顧重金屬污染產(chǎn)地的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 非食用經(jīng)濟(jì)作物

非食用經(jīng)濟(jì)作物是指具有某種特定經(jīng)濟(jì)用途的農(nóng)作物，其主產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，區(qū)域性強(qiáng)，適合集中進(jìn)行專門化生產(chǎn)[9]。在眾多修復(fù)技術(shù)中，利用非食用經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行替代種植，吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、累積土壤中的重金屬，從而修復(fù)重金屬污染耕地的方法具有成本低、效益高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。由于在實(shí)際修復(fù)過程中，食用作物不可避免進(jìn)入食物鏈當(dāng)中，因此不宜采取可食的作物進(jìn)行植物修復(fù)，采用非食用經(jīng)濟(jì)作物在保持農(nóng)田經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的同時(shí)，還能不斷提取土壤中重金屬，是當(dāng)前植物修復(fù)的研究熱點(diǎn)。

從修復(fù)環(huán)境污染的角度考慮，非食用經(jīng)濟(jì)作物是經(jīng)生產(chǎn)加工后不經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)的作物，主要包括棉花、蓖麻等作物。非食用經(jīng)濟(jì)作物分為能源作物和纖維作物兩種類型，能源作物是指用來作為非食糧燃料的植物，常見用于植物修復(fù)的能源植物主要有蓖麻。研究發(fā)現(xiàn)，蓖麻每年對土壤Hg的凈化率達(dá)41%，使土壤的自凈年限縮短8.5倍[10]。纖維作物是可作為工業(yè)原料的一類作物，常用于植物修復(fù)的纖維作物主要有苧麻，盆栽試驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，螯合劑和泥炭配施能更好地促進(jìn)苧麻對Cd的吸收，表現(xiàn)出較強(qiáng)的修復(fù)能力[11]。由于非食用經(jīng)濟(jì)作物及其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物不參與人體及動(dòng)物體食物鏈傳遞，不會對健康產(chǎn)生危害，越來越多的非食用經(jīng)濟(jì)作物被應(yīng)用到重金屬污染修復(fù)治理中。

3 非食用經(jīng)濟(jì)作物在重金屬修復(fù)中的應(yīng)用

3.1 棉花

棉花是我國最重要的纖維作物，其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物為非直接食用產(chǎn)品，生物量大，主產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，是重金屬污染區(qū)最佳的修復(fù)作物之一。研究表明，棉花對Cd、Zn、Pb等重金屬具有較強(qiáng)的吸收、累積能力，連續(xù)幾年種植棉花（棉稈拔除）可顯著減輕土壤重金屬污染程度[12]。2014年長株潭替代種植區(qū)Cd修復(fù)的評價(jià)結(jié)果顯示：土壤中Cd含量比播種前平均下降17.8%，2015年土壤Cd含量比播種前下降30%[13]。這表明棉花用于Cd污染耕地修復(fù)種植具有較高的潛力和可行性。

盆栽試驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)土壤中Zn濃度<16 mg/kg、土壤中Mn濃度<60 mg/kg時(shí)，棉花總產(chǎn)量不受土壤Zn-Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響[14]。棉花對Cd的富集特征結(jié)果顯示，重金屬Cd主要富集在棉花的根系，且在低Cd濃度≤5 mg/kg時(shí)，棉花地上部的吸Cd量為每株14.91 μg，說明低Cd濃度時(shí)，棉花可作為一種耐受性植物修復(fù)低Cd污染土壤[15]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤Zn含量為100 mg/kg時(shí)，棉花葉片的Zn轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最高為1.981，這說明當(dāng)土壤中的Zn濃度較低時(shí)，棉花葉片對Zn具有較高的富集作用[16]。采用盆栽試驗(yàn)研究土壤中Cd和Pb對水稻和棉花的影響，結(jié)果表明重金屬對水稻和棉花的生長有負(fù)面影響，且與水稻相比，棉花葉片中Cd和Pb的含量更高，說明棉花對重金屬Cd和Pb具有較強(qiáng)的吸收富集能力[17]。

對于棉花品質(zhì)而言，Cd脅迫的影響并不顯著，不同濃度Cd脅迫的影響也沒有顯著差異;在低濃度Cd脅迫下，其纖維品質(zhì)得到一定程度的提升，包括纖維長度、細(xì)度、斷裂比強(qiáng)度以及長度整齊度指數(shù)。因此，從棉花纖維產(chǎn)量及品質(zhì)上評估，棉花適合在低濃度Cd污染耕地上替代種植;但要在較高濃度Cd污染土壤中實(shí)現(xiàn)替代修復(fù)種植，需進(jìn)一步改良棉花的Cd耐受性[18]。

因此，棉花對于低濃度Pb、Cd、Zn等重金屬具有一定的吸收、富集能力和耐受性，將其運(yùn)用于修復(fù)輕度重金屬污染土壤的項(xiàng)目中可以發(fā)揮到很好的效果。對于中、高度重金屬污染土壤地區(qū)應(yīng)避免種植棉花，防止造成棉花產(chǎn)量下降。

3.2 桑樹

桑樹屬速生木本植物，是一種雌雄異株植物，也是一種分布廣泛、適應(yīng)性較強(qiáng)的資源植物。其發(fā)達(dá)的根系能促進(jìn)土壤中重金屬元素的吸收。在試驗(yàn)區(qū)栽桑，耕作層Cd含量每年平均降低1.33 mg/kg[19]。桑樹對礦區(qū)土壤中重金屬的原位去除效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，每平方米耕作層土壤上桑樹對Cu的遷移總量為12116.1 mg，修復(fù)年限為2.01年，對Pb的遷移總量為7409.83 mg，修復(fù)年限為15.45年，對Cd的遷移總量為2056.4 mg，修復(fù)年限為1.26年，對Zn的遷移總量為254532.8 mg，修復(fù)年限為0.39年[20]。

研究認(rèn)為桑樹雄株在環(huán)境影響下具有更強(qiáng)的抗性相一致[21]。在Pb污染區(qū)種植桑樹研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中Pb處理濃度為200 mg/kg左右時(shí)，桑樹能夠正常生長[22]。研究表明土壤Cd濃度為54.1 mg/kg時(shí)，桑葉Cd含量為1.55 mg/kg，說明桑樹具有一定的Cd富集能力[23]。研究發(fā)現(xiàn)，Cd主要集中在桑樹的根部，葉片中的Cd含量相對較低，即使當(dāng)土壤中的Cd含量高達(dá) 145 mg/kg時(shí)，其葉片中的Cd含量也沒超過2.5 mg/kg[24]。桑樹不僅自身對重金屬有一定累積作用，而且通過一系列外加強(qiáng)化措施還能增強(qiáng)其對重金屬污染土壤的修復(fù)作用。通過EDTA對桑樹吸收重金屬Pb的研究發(fā)現(xiàn)，在相同的重金屬Pb污染濃度下，加入0.55 mmol/L EDTA的桑樹對Pb的吸收量比不添加EDTA的對照組明顯增高[25]。以上研究表明，桑樹對修復(fù)重金屬復(fù)合污染土壤的耐性較強(qiáng)，能在修復(fù)礦區(qū)污染土壤上發(fā)揮重要作用。

對于桑樹品質(zhì)而言，從輕度污染土壤采集的葉片生長發(fā)育正常，蠶絲、蠶蛹和蠶糞均達(dá)到國家紡織品、飼料和農(nóng)業(yè)污泥標(biāo)準(zhǔn)。桑樹在Cd濃度小于40.6 mg/kg的土壤中仍能正常生長，且在此濃度下蠶的生長發(fā)育和蠶繭質(zhì)量均屬于正常[26]。因此，桑樹作為礦區(qū)污染土壤的修復(fù)植物，具有廣闊的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。利用重金屬污染土壤種植桑樹來發(fā)展養(yǎng)蠶業(yè)時(shí)，應(yīng)注意及時(shí)加強(qiáng)養(yǎng)蠶時(shí)的殘存桑葉以及蠶排出的糞尿等含Cd殘留物的管理，防止重金屬污染的擴(kuò)散。

3.3 蓖麻

蓖麻作為世界十大油料作物之一，其生物量大，適應(yīng)性廣，是理想的油料作物和環(huán)保植物。已被國內(nèi)外學(xué)者證明對Cd、Pb、Zn等多種重金屬具有較好的耐受性和累積能力，是一種潛在的修復(fù)重金屬污染土壤的植物[27]。蓖麻對尾礦土中Pb、Zn、Cd去除發(fā)現(xiàn)，蓖麻對Pb、Zn、Cd的吸收表現(xiàn)為Zn>Cd>Pb，且Zn、Cd在蓖麻體內(nèi)的累積量達(dá)到了超富集植物累積量標(biāo)準(zhǔn)，表明蓖麻具備較強(qiáng)的復(fù)合重金屬污染耐性和富集能力[28]。

通過蓖麻種苗對水體中Cu去除研究發(fā)現(xiàn)，在較短時(shí)間內(nèi)，蓖麻根部能累積較高的Cu，達(dá)到Cu的近超量積累效果[29]。蓖麻在土壤Cd處理濃度達(dá)到400 mg/kg時(shí)仍能生長，同時(shí)蓖麻根系對Cd的積累量大于地上部對Cd的積累[30]。研究證明，蓖麻在積累較高濃度Cd、Cu的同時(shí)，對Pb、Zn也具有一定的吸收能力[31]。通過蓖麻對重金屬Zn的耐性與積累特性研究發(fā)現(xiàn)，在Zn濃度為2000 mg/kg時(shí)仍能生長，蓖麻植株對重金屬Zn表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收和累積特性，表明蓖麻是一種高濃度Zn污染的耐性植物[32]。通過一系列外加強(qiáng)化措施還可以加強(qiáng)其對重金屬污染土壤的凈化作用。向蓖麻根際引入蠟樣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌和銅綠假單胞菌，植物地上部Pb的吸收量分別比對照顯著增加40%、18%和19%[33]。

蓖麻對于土壤中重金屬Zn、Pb、Cd、Cu污染都具有較強(qiáng)的耐性，且表現(xiàn)為“低促高抑”，因此蓖麻對于修復(fù)重金屬污染土壤具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。但蓖麻對Cd向地上部運(yùn)輸?shù)哪芰^差，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮這方面的問題。應(yīng)當(dāng)通過改善其生長條件和基因技術(shù)，以提高蓖麻將根部積累的重金屬向地上部運(yùn)輸?shù)哪芰Γ蛊淠苡糜诟邼舛任廴就寥赖男迯?fù)。

3.4 苧麻

苧麻為多年生纖維作物，其根系發(fā)達(dá)，生長迅速，具有較強(qiáng)的抗逆性、生物量大等特點(diǎn)。通過不同來源的苧麻在田間和水培條件下對重金屬As、Cd、Pb和Zn的耐受性進(jìn)行研究，結(jié)果認(rèn)為苧麻對Pb、Zn、Cd和As具有一定的組織結(jié)構(gòu)耐受性，在植物各部位，尤其是根系中積累了一定程度的重金屬，可作為重金屬污染場所植物修復(fù)的良好選擇[34]。從種植于Cd污染農(nóng)田的40份苧麻品種中，篩選8個(gè)苧麻品種進(jìn)行植株各部分及土壤Cd含量測定，結(jié)果表明不同苧麻品種均可明顯降低根際土的含Cd量，其中最高的宜春紅心麻品種可使根際土的Cd含量相對田間土的Cd含量降低80.84%，最低的8322號品種也能使根際土Cd含量降低34.85%[35]。

安化縣Cd污染農(nóng)田利用苧麻進(jìn)行生物凈化結(jié)果顯示，中苧一號原麻每年的產(chǎn)量可達(dá)3450 kg/hm2，同時(shí)地上部每年能帶走Cd 0.28 kg/hm2[36]。苧麻對重金屬Pb耐受性的研究發(fā)現(xiàn)，在低濃度處理≤800 mg/kg時(shí)能促進(jìn)苧麻植株生長，在最高處理濃度為2300 mg/kg時(shí)，苧麻仍能完成生長周期，表明苧麻對重金屬Pb具有較強(qiáng)的耐受性[37]。以野生型和栽培型兩種類型苧麻耐Cd能力以及Cd富集積累特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明富順青麻、冷水江野麻和“湘苧3號”對Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1，表明苧麻植株向地上部運(yùn)輸Cd的能力較強(qiáng)，對Cd有一定的富集能力[38]。

苧麻纖維品質(zhì)的優(yōu)劣是評價(jià)種質(zhì)的重要指標(biāo)之一。通過對Hg污染稻田改種苧麻和利用HgCl2處理土壤的盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤含Hg量在5-130 mg/kg范圍時(shí)，Hg對苧麻產(chǎn)量和品質(zhì)未造成顯著影響[39]。Cd對苧麻纖維品質(zhì)的影響程度相對較小，通過對12份苧麻品種Cd污染土壤適應(yīng)性研究表明，在Cd含量超過100 mg/kg的土壤下，其經(jīng)濟(jì)性狀和纖維產(chǎn)量并沒有降低，產(chǎn)出的麻纖維仍能滿足加工中等質(zhì)量麻織品的質(zhì)量要求[40]。

以上研究表明，用苧麻作為修復(fù)重金屬污染土壤的植物，不僅適用性廣，可以降低健康風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)還具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。由于苧麻對重金屬的毒性有一定的適應(yīng)性，故在實(shí)際應(yīng)用中注意選擇適宜的苧麻栽培品種，合理種植，合理處理除原麻之外的丟棄物防止重金屬的擴(kuò)散，既可以修復(fù)污染土壤又可以保證較高的經(jīng)濟(jì)效益。

3.5 劍麻

劍麻是多年生草本植物，其根系發(fā)達(dá)、生物量大。由于其加工產(chǎn)品與食物鏈分開，因此常用其修復(fù)重金屬污染土壤。濃度為1000 mg/kg的中度Cu污染土壤上劍麻植株可以正常生長，按每公頃4500株劍麻計(jì)算，其一年地上部可以移走32.50 kg的Cu[41]。按中國劍麻葉片平均產(chǎn)量計(jì)算，每公頃劍麻葉片所帶走的Pb量為127.5 kg，按照重金屬Pb土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)值為≤35 mg/kg，修復(fù)三級污染土壤（500 mg/kg）需要8年，修復(fù)二級污染土壤（300 mg/kg）需要4.7年[42]。以上研究表明，劍麻具有修復(fù)重金屬Cu、Pb污染土壤的潛力。

劍麻根系發(fā)達(dá)，在Pb濃度高達(dá)15900 mg/kg下仍能存活，說明該植物對Pb污染具有極強(qiáng)的抗性，可將其用于生態(tài)重建[43]。砂培試驗(yàn)結(jié)果表明，劍麻在Cu濃度<1000 mg/kg時(shí)仍能正常生長，濃度達(dá)到4000 mg/kg以上時(shí)整個(gè)劍麻植株才死亡[44]。

由于全球能源和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，采用天然植物纖維替代合成纖維在復(fù)合材料中的應(yīng)用，廣泛受到關(guān)注。目前有關(guān)重金屬污染對劍麻品質(zhì)影響的相關(guān)研究較少，暫未能從品質(zhì)上對劍麻能否在重金屬污染土壤上種植進(jìn)行評估，但劍麻纖維取自劍麻的葉片，而以上相關(guān)研究表明劍麻地上部的重金屬含量相對較低，因此推測其纖維品質(zhì)也不受影響，推測有待進(jìn)一步研究考證。通過以上研究表明，劍麻在修復(fù)重金屬Pb、Cu污染地區(qū)具有較大的應(yīng)用潛力。劍麻根系向地上部分運(yùn)輸Pb的能力較弱，因此如何促進(jìn)Pb向劍麻地上部分的轉(zhuǎn)移仍是未來研究的難題。

4 展望

利用非食用經(jīng)濟(jì)作物修復(fù)重金屬污染土壤不僅可以阻止As、Cu、Zn、Cd、Pb等重金屬進(jìn)入食物鏈，消除對人體健康的影響，而且能大規(guī)模修復(fù)污染土壤并且能帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，是一項(xiàng)具有很好應(yīng)用前景的修復(fù)技術(shù)。目前雖然已取得了階段性的研究進(jìn)展，但并不完整，尚有較多需要研究和完善之處。

非食用經(jīng)濟(jì)作物在生活中較為常見，具有良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，但如何在重金屬污染土壤的生態(tài)修復(fù)中加以合理高效利用尚需深入研究;不同作物對于不同重金屬的耐性不同，不同作物對于重金屬的富集量也不同，幾種非食用經(jīng)濟(jì)作物對重金屬元素的吸收積累具有較明顯的種間差異，因此，如何針對不同地區(qū)污染狀況選擇合適的修復(fù)作物是今后需要進(jìn)一步探索的問題;目前有關(guān)重金屬污染對非食用經(jīng)濟(jì)作物品質(zhì)影響的相關(guān)研究較少，暫未能從品質(zhì)上對非食用經(jīng)濟(jì)作物是否適合在重金屬污染土壤上種植進(jìn)行評估，因此是今后需要進(jìn)一步重點(diǎn)探索的問題。

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