農(nóng)田土壤Cd污染的植物修復(fù)及強(qiáng)化措施研究進(jìn)展

從輝 張有軍 曲為貴 魏子章 楊金霞 張吉 朱明奕 田野

摘要 鎘（Cd）是自然界中生物毒性最強(qiáng)的元素之一，易通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，威脅人類健康，植物修復(fù)作為一種綠色、低廉、環(huán)境友好的原位修復(fù)技術(shù)而備受關(guān)注，因而研究農(nóng)田土壤中Cd污染的植物修復(fù)技術(shù)及強(qiáng)化措施對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境和保障食品安全均有重大意義。首先對(duì)近年研究較多的鬼針草等Cd超富集植物進(jìn)行了介紹，同時(shí)針對(duì)中輕度污染農(nóng)田為實(shí)現(xiàn)“邊生產(chǎn)邊修復(fù)”的目的，對(duì)具有Cd富集能力和耐性的甜高粱等一般作物進(jìn)行了介紹，最后針對(duì)植物修復(fù)周期長(zhǎng)等局限性，重點(diǎn)闡述了微生物聯(lián)合修復(fù)、螯合劑誘導(dǎo)修復(fù)、基因工程修復(fù)、農(nóng)藝調(diào)控等植物修復(fù)強(qiáng)化措施，并對(duì)未來(lái)植物修復(fù)領(lǐng)域的研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 農(nóng)田土壤;Cd污染;植物修復(fù);強(qiáng)化措施

中圖分類號(hào) X53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2021）08-0021-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.08.006

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research Progress on Phytoremediation and Strengthening Measures of Cadmium Pollution in Farmland Soil

CONG Hui，ZHANG You-jun，QU Wei-gui et al

（Tianjin North China Geological Exploration Bureau， Tianjin 300170）

Abstract Cadmium is one of the most biologically toxic elements in nature. It easily enters the human body through the food chain and threatens human health. Phytoremediation has attracted much attention as a green， low-cost and environmentally friendly in-situ remediation technology.Therefore， research on the phytoremediation techniques and strengthening measures of cadmium pollution in farmland soil is of great significance for protecting the ecological environment and ensuring food safety. First introduced the cadmium hyper-accumulating plants such as B.pilosa L. which had been studied in recent years. At the same time， for the purpose of “production and restoration” in lightly polluted farmland， general crops such as sweet sorghm with cadmium accumulation ability and tolerance was introduced. Finally， in view of the limitations of long phytoremediation cycle， the emphasis was on phytoremediation enhancement measures such as microbial joint remediation， chelating agent-induced remediation， genetic engineering remediation and agronomic regulation， and prospected for future research directions in the field of phytoremediation.

Key words Farmland soil;Cd pollution;Phytoremediation;Strengthening measures

土壤作為支撐人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，對(duì)人體健康和社會(huì)發(fā)展至關(guān)重要。近年來(lái)，隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)大氣沉降、污水灌溉、大量施用有機(jī)肥料等[1]，導(dǎo)致農(nóng)田土壤重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。根據(jù)2014年公布的全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查結(jié)果，我國(guó)耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，以無(wú)機(jī)型污染物為主（82.8%），其中Cd污染點(diǎn)位超標(biāo)率為7%，位于首位[2]。重金屬Cd具有毒性大、遷移性強(qiáng)、不易降解、易被農(nóng)作物吸收的特點(diǎn)，在食物鏈的傳遞下，對(duì)生物體的危害極大[3]，因而對(duì)農(nóng)田土壤Cd污染的修復(fù)技術(shù)研究是當(dāng)前人們亟待解決的生態(tài)難題。國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤Cd污染修復(fù)進(jìn)行了大量研究，包括物理客土法、電動(dòng)修復(fù)法、化學(xué)淋洗法等，但傳統(tǒng)修復(fù)方法因其成本高、操作復(fù)雜、易二次污染、易土壤退化等缺點(diǎn)，較不適用于農(nóng)田土壤Cd污染修復(fù)[4]。生物法中的植物修復(fù)具有成本低、易操作、效果好、不產(chǎn)生二次污染的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。因此，筆者就近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)農(nóng)田土壤Cd污染的植物修復(fù)技術(shù)及強(qiáng)化措施研究和實(shí)踐進(jìn)行綜述。

1 Cd污染土壤植物修復(fù)技術(shù)

1.1 植物修復(fù)技術(shù)概述

“植物修復(fù)”這一專業(yè)術(shù)語(yǔ)首次在1994年由Raskin等[5]提出。植物修復(fù)是一種利用某些可以忍耐和超富集有毒元素的植物及其共存微生物體系清除污染物的環(huán)境污染治理技術(shù)[6]。根據(jù)植物修復(fù)的特點(diǎn)和機(jī)理，可以將其分為植物提取、植物穩(wěn)定、植物揮發(fā)和根系過(guò)濾。目前，Cd污染土壤植物修復(fù)主要集中在篩選超富集植物和通過(guò)強(qiáng)化措施提高植物對(duì)Cd元素的提取率。

1.2 Cd超富集植物

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和篩選的Cd超富集植物主要有東南景天、龍葵、商陸、寶山堇菜、圓錐南芥、球果蔊菜、紫茉莉、水蔥、紅菾菜、三葉鬼針草、籽粒莧[7-8]等。但其在生物量、收獲物的利用程度和方式、降Cd效果、經(jīng)濟(jì)效益等方面存在較大差異。因此，該研究針對(duì)國(guó)內(nèi)農(nóng)田土壤特性，篩選近年研究較多的幾種超富集植物進(jìn)行介紹，詳見(jiàn)表1。

鬼針草（B.pilosa L.）為一年生草本植物，分布于我國(guó)的大部分地區(qū)，喜溫暖濕潤(rùn)氣候。魏樹(shù)和等[9]通過(guò)盆栽篩選試驗(yàn)和濃度梯度試驗(yàn)得出三葉鬼針草為Cd超富集植物。韓少華等[7]通過(guò)盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)上海地區(qū)2種濃度（1.2、12.0 mg/kg）Cd污染農(nóng)田土壤，三葉鬼針草、中華景天、紫茉莉3種植物相比，三葉鬼針草對(duì)土壤Cd去除效果最佳，去除率分別為31.06%（1.2 mg/kg）和16.73%（12.0 mg/kg），且生物量大，可作為上海地區(qū)Cd污染農(nóng)田土壤修復(fù)的優(yōu)選植物。張?jiān)葡嫉萚10]通過(guò)野外調(diào)查、原土盆栽試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，得出鬼針草對(duì)Cd表現(xiàn)出穩(wěn)定的積累特性，在適合鬼針草生長(zhǎng)的亞熱帶季風(fēng)區(qū)，土壤Cd全量為2.66～4.04 mg/kg，每1 hm2種植3茬鬼針草的去除率為12.9%～18.6%。

籽粒莧（Amaranthus hypochondriacus）是一年生的草本植物，在國(guó)內(nèi)的種植區(qū)域很廣，具有生長(zhǎng)速度快、生物量大、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[11]。谷雨等[12]通過(guò)在湖南省長(zhǎng)株潭休耕區(qū)輕、中、重度Cd污染區(qū)開(kāi)展田間試驗(yàn)，對(duì)比分析了6種植物（籽粒莧、商陸、甜高粱、生物質(zhì)高粱、玉米、油葵）對(duì)土壤中Cd的富集特性，發(fā)現(xiàn)籽粒莧地上部重金屬Cd的含量和對(duì)Cd的富集系數(shù)均最高。

藿香薊（Ageratum conyzoides L.）為菊科，屬一年生草本植物，在我國(guó)廣東、廣西、貴州等地廣泛分布，喜溫暖、陽(yáng)光充足的環(huán)境。孫園園等[13]通過(guò)盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，藿香薊地上部和地下部Cd含量隨脅迫濃度的增加而逐漸升高，在Cd（300 mg/kg）脅迫下，植株地上部Cd含量為125.5 mg/kg，但高濃度Cd脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)有抑制作用。張?jiān)葡嫉萚14]通過(guò)野外調(diào)查、原土盆栽試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)藿香薊葉片中 Cd 含量最大，在不同礦區(qū)表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，在適合藿香薊生長(zhǎng)的中亞熱帶季風(fēng)區(qū)，土壤Cd全量為4.5 mg/kg，每667 m2種植3茬藿香薊的去除率為13.2%～15.6%。

龍葵（Solanum nigrum L.）屬茄科，為一年或多年生的草本植物。翁添富[15]通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)，研究了龍葵對(duì)重金屬Cd的富集特征和修復(fù)潛力，得出龍葵地上部Cd含量為22.109 mg/kg，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為1.692。陳帥[16]通過(guò)溫室盆栽試驗(yàn)設(shè)置不同Cd濃度梯度和真實(shí)污染土樣種植黑果和紅果2種龍葵屬植物，發(fā)現(xiàn)2種龍葵屬植物在株高、生物量干重、龍葵各器官中的Cd含量、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均表現(xiàn)出超富集植物的特性，且黑果龍葵表現(xiàn)出更好的富集優(yōu)勢(shì)。

1.3 一般農(nóng)作物

因部分超富集植物具有生物量低、植株矮小、生長(zhǎng)緩慢等缺點(diǎn)，在中輕度污染農(nóng)田土壤中，可以選用生物量大、適應(yīng)性強(qiáng)的植物或經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行修復(fù)，詳見(jiàn)表2。

甜高粱（Sorghum bicolor（Linn.）Moench）是重要的能源植物和糧食作物，具有生物量大、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，同時(shí)也是生產(chǎn)生物乙醇的重要原材料。Jia等[17]研究在Cd脅迫條件下甜高粱（M-81E）細(xì)胞結(jié)構(gòu)、金屬離子分布等的變化，從植物生理角度證明甜高粱作為Cd污染土壤植物修復(fù)材料的潛力。薛忠財(cái)?shù)萚18]通過(guò)田間控制試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，甜高粱對(duì)Cd具有較強(qiáng)的吸收能力和耐性，單株Cd的積累量最高可達(dá)0.84 mg（土壤Cd含量為18 mg/kg），Cd主要積累在甜高粱的根部，采用ASSF技術(shù)對(duì)甜高粱莖稈進(jìn)行發(fā)酵處理，發(fā)現(xiàn)Cd處理對(duì)發(fā)酵過(guò)程中糖利用率和乙醇轉(zhuǎn)化率均沒(méi)有影響，可以用于生產(chǎn)燃料乙醇，從而實(shí)現(xiàn)邊生產(chǎn)邊修復(fù)。

皇竹草（Pennisetum hydridum）為多年生禾本科植物，具有根系發(fā)達(dá)、生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、耐旱澇、耐貧瘠、抗酸堿等特點(diǎn)，可安全應(yīng)用于飼用牧草、還田肥料、造紙?jiān)系韧緩健Ｖx華等[19]在大田條件下，研究了在酸與Cd污染農(nóng)田土壤中種植皇竹草的治理效果，發(fā)現(xiàn)土壤中 Cd 含量為 0.71 mg/kg時(shí)，皇竹草中Cd含量為1.69 mg/kg，富集系數(shù)為2.38，修復(fù)效果優(yōu)于同等條件下種植的龍葵。

紅麻（Hibiscus cannabinus）是錦葵科木槿屬一年生纖維作物，具有耐旱、耐貧瘠、耐鹽堿、易栽培、纖維產(chǎn)量高等特性，是一種生物產(chǎn)量極高的經(jīng)濟(jì)作物。黃玉敏等[20]以中紅麻3號(hào)、中紅麻16號(hào)等6個(gè)紅麻品種為試驗(yàn)材料，進(jìn)行中輕度Cd污染農(nóng)田（土壤Cd含量0.39～0.53 mg/kg）土壤修復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)6個(gè)紅麻品種Cd富集情況為葉>莖>根>花，各器官富集系數(shù)為2.08～17.08，6個(gè)品種中以中紅麻3號(hào)產(chǎn)量最高，修復(fù)效果最好。

甘藍(lán)型油菜（Brassica napus L.）在我國(guó)南北地區(qū)廣泛種植，生物量大，可生產(chǎn)菜籽油和作為生物柴油。費(fèi)維新等[21]選用10個(gè)主要油菜品種在重金屬Cd污染區(qū)與非污染區(qū)種植，發(fā)現(xiàn)油菜植株對(duì)Cd的吸收富集主要集中在莖葉部位，苗期秦優(yōu)10號(hào)對(duì)重金屬Cd的富集能力最強(qiáng)。

2 植物修復(fù)技術(shù)強(qiáng)化措施

在修復(fù)工程實(shí)際應(yīng)用中，由于大部分超富集植物存在植株矮小、生物量低、生長(zhǎng)緩慢、修復(fù)周期長(zhǎng)等局限性，因而可通過(guò)對(duì)超富集植物施加強(qiáng)化措施的方式提高修復(fù)效率。目前研究較多的強(qiáng)化措施主要有微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)、螯合劑誘導(dǎo)修復(fù)技術(shù)、基因工程修復(fù)技術(shù)、農(nóng)藝調(diào)控技術(shù)等。

49卷8期從 輝等 農(nóng)田土壤Cd污染的植物修復(fù)及強(qiáng)化措施研究進(jìn)展

3 展望

植物修復(fù)是一種安全、環(huán)境友好、成本相對(duì)低廉的修復(fù)技術(shù)，但也存在著耗時(shí)長(zhǎng)、見(jiàn)效慢、易受環(huán)境因素干擾的缺點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者在植物修復(fù)技術(shù)理論研究及實(shí)際應(yīng)用方面取得了一定成果，但由于土壤本身的復(fù)雜性和植物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的強(qiáng)烈依賴性導(dǎo)致部分研究成果無(wú)法在實(shí)際大范圍內(nèi)應(yīng)用。因此，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，今后需要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究：①加強(qiáng)對(duì)農(nóng)田土壤Cd的來(lái)源識(shí)別和影響因子分析，針對(duì)不同土壤類型構(gòu)建基于環(huán)境主控因子的農(nóng)田土壤Cd生物有效性最佳調(diào)控技術(shù)體系;②借助基因工程、雜交育種等手段篩選適合Cd、Pb等復(fù)合污染土壤的超富集植物，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)基因植物潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境威脅進(jìn)行評(píng)估，避免產(chǎn)生二次污染;③加強(qiáng)多種強(qiáng)化措施的聯(lián)合應(yīng)用，結(jié)合污染物特征、作物種類、耕作模式、水肥管理等探索綠色、高效的聯(lián)合修復(fù)模式，切實(shí)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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