植物修復(fù)重金屬強(qiáng)化技術(shù)和間套種研究進(jìn)展

李非里，邵魯澤，吳興飛，陸敏英

(浙江工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，浙江 杭州 310014)

隨著全世界科學(xué)技術(shù)和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，許多重金屬被大量應(yīng)用，并且通過垃圾焚燒[1]、礦山尾礦[2]等一系列人為活動(dòng)排放到環(huán)境當(dāng)中。在過去的50 年中，全世界排放的重金屬有數(shù)百萬噸[3]，它們以大氣沉降、污水和固體廢棄物排放、微塑料吸附[4]等方式進(jìn)入土壤環(huán)境。土壤重金屬污染的治理難度大、危害強(qiáng)。Chaney在1983年提出一種新的土壤污染修復(fù)理念，即利用超富集植物對(duì)重金屬的富集能力修復(fù)重金屬污染土壤。工程性的試驗(yàn)研究和實(shí)地應(yīng)用效果表明，植物修復(fù)技術(shù)擁有巨大的商業(yè)化前景。植物修復(fù)去除土壤重金屬的方式有植物提取(Phytoextraction)、植物穩(wěn)定(Phytostabilization)和植物揮發(fā)(Phytovolatilization)[5]，植物修復(fù)技術(shù)的缺陷也很明顯，比如超富集植物大多生長(zhǎng)緩慢、根系短小、生物量低，導(dǎo)致植物修復(fù)過程通常比較耗時(shí)，相比于常規(guī)的修復(fù)需要更長(zhǎng)的修復(fù)時(shí)間，并且修復(fù)元素比較單一，導(dǎo)致修復(fù)效率比較低[6]。為了提高植物修復(fù)的效率，近年來學(xué)者們研究了許多植物修復(fù)的組合強(qiáng)化技術(shù)，其中強(qiáng)化植物提取土壤中污染重金屬能力的途徑主要有兩種：一是促進(jìn)超富集植物的生長(zhǎng)，提高生物量；二是促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收，例如土壤中的重金屬能夠被螯合劑活化，從而提高其在植物體內(nèi)的富集量，因此螯合劑被廣泛用于重金屬污染土壤的植物提取強(qiáng)化中[7-8]。相比于單一修復(fù)方法，植物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)適用、周期短和操作程序簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[9]。間套種技術(shù)是我國傳統(tǒng)農(nóng)藝技術(shù)之一，可利用其獨(dú)特的生態(tài)位優(yōu)勢(shì)達(dá)到強(qiáng)化植物修復(fù)的目的。首先，在間套種時(shí)，利用生態(tài)位差異性比較大的植物，它們之間相互影響較小，有效提高了資源利用率，而且它們的分泌物可促進(jìn)彼此生長(zhǎng)，增加單位面積的植物產(chǎn)量；其次，間套種植物的分泌物，如一些氨基酸以及低分子有機(jī)酸等，可活化土壤中的重金屬，并且還可以促進(jìn)根際微生物群落結(jié)構(gòu)變化，增加微生物的活性，從而提高植物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)能力[10]；最后，雖然間套種技術(shù)的植物之間存在著生態(tài)位差異性，但同時(shí)也是一種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，這種關(guān)系相互刺激了植物，使其增強(qiáng)對(duì)重金屬的吸收[11]。

筆者將對(duì)這些植物修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)作進(jìn)一步討論，并對(duì)目前研究存在的問題進(jìn)行分析和展望，從根系分泌物、根際微生物和土壤pH等方面分析植物間套種修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)修復(fù)土壤重金屬機(jī)制，以及討論如何選配間套種植物發(fā)揮重金屬修復(fù)過程中的協(xié)同作用或拮抗作用。

1 植物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)

1.1 植物-螯合劑的聯(lián)合修復(fù)

土壤中重金屬大部分結(jié)合于土壤固相，以生物有效性最低的殘?jiān)鼞B(tài)形式存在，成為植物修復(fù)重金屬的主要限制因素[12]。螯合劑投入到土壤中后與土壤中的重金屬發(fā)生螯合反應(yīng)，并形成具有水溶性的金屬絡(luò)合物[13-14]，大大增加了重金屬的生物有效性，從而促進(jìn)植物對(duì)污染土壤中重金屬的吸收富集，增加修復(fù)效果[15]。

目前，常用于強(qiáng)化植物修復(fù)的螯合劑主要有兩類：第一類是人工合成的，包括常見的EDTA，EGTA和DPTA等；第二類是天然的，主要是一些低分子量有機(jī)酸，如檸檬酸、草酸和酒石酸等，也包括如硫氰化銨等無機(jī)化合物[16]。其中EDTA是最常用、有效的螯合劑，施用于燕麥(Avenasativa)、大麥(Hordeumvulgare)及印度芥菜(Brassicajuncea)后，能夠顯著提高植物對(duì)Zn的積累量[17]。此外，EDTA對(duì)土壤重金屬污染中的Pb，Cd，Cu等元素也都具有一定的解吸能力[18]。相比于EDTA，EDDS對(duì)Cu和Zn有較強(qiáng)的親和力，且易生物降解，對(duì)土壤中微生物的毒性小，具有更好的環(huán)境安全性[19]。投加EGTA后，苧麻地上部Cd的含量比對(duì)照組增加了2.2～3.3倍[20]。施用NTA之后可以使大田土壤中的Zn，Cd，Cu的溶解度分別增加21，58，9倍[21]。一些小分子酸和化合物，尤其是檸檬酸，可以活化土壤中Cu。如使用62.5 mmol/kg的檸檬酸，煙草地上部Cu的濃度比對(duì)照組提高了2倍[22]。雖然螯合劑對(duì)重金屬的修復(fù)有很好的促進(jìn)作用，但同時(shí)其本身可能會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的風(fēng)險(xiǎn)，要實(shí)現(xiàn)無害化，還需對(duì)植物強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行更廣泛的研究。

1.2 植物-微生物的聯(lián)合修復(fù)

植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是一種強(qiáng)化植物修復(fù)技術(shù)，其借助土壤中微生物來協(xié)助植物根系對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行吸收、穩(wěn)定和絡(luò)合螯合反應(yīng)，提高植物修復(fù)土壤重金屬污染的效率[23]。目前，該技術(shù)存在兩種形式，分別是植物與專性菌的聯(lián)合修復(fù)以及植物與菌根的聯(lián)合修復(fù)[24]。

植物與專性菌株的聯(lián)合修復(fù)是利用對(duì)重金屬產(chǎn)生抗性的細(xì)菌促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，并且刺激植物對(duì)重金屬的吸收，以此提高植物對(duì)重金屬的修復(fù)。Belimov等[25]在Cd污染土壤中種植印度芥菜，從其根際中分離出11 株不同的細(xì)菌菌落，這些菌落耐受Cd且含有(ACC)脫氨酶，能夠促進(jìn)印度芥菜根部生長(zhǎng)，使Cd在根系中的富集量顯著提高。Sun等[26]在從事銅礦區(qū)海州香薷和鴨跖草根部的研究中，篩出了其根際的促生菌，最終使兩種植物的地上部分銅積累量上升了63%～125%，提高了植物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)效率。

植物與菌根的聯(lián)合修復(fù)是利用土壤中真菌菌絲與高等植物營養(yǎng)根系形成的一種聯(lián)合體。具有酸溶和酶解能力的菌根真菌，可以轉(zhuǎn)移更多的營養(yǎng)物質(zhì)到植物體內(nèi)，并且能夠產(chǎn)生一些植物激素，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。另外植物的根際微環(huán)境也會(huì)因?yàn)榫婢旧淼幕顒?dòng)而改善，增強(qiáng)植物抗病抗逆境的能力[27]。早在1996年，Richen等[28]就開展了基因工程的根瘤菌(MesorhizobiumhuakuiiB3)和紫云英屬豆科植物聯(lián)合修復(fù)重金屬的研究，菌根共生體能使根瘤中Cd2+的積累量增加17%～20%；黃藝等[29]在研究比較了菌根小麥和無菌根小麥在重金屬污染土壤生長(zhǎng)后的根際Cu，Pb，Zn，Cd的形態(tài)與變化之后，得出了這幾種重金屬的可交換態(tài)受菌根環(huán)境影響較大的結(jié)論，而Cu，Pb，Zn，Cd在菌根根際與有機(jī)質(zhì)結(jié)合的含量都高于在非菌根根際時(shí)；Valentinuzzi等[30]研究了菌根小麥和無菌根小麥根際中的Cu，Pb，Zn，Cd的形態(tài)分布，也驗(yàn)證了菌根的重金屬富集作用。微生物聯(lián)合的植物重金屬修復(fù)具有污染少、效果明顯的優(yōu)勢(shì)，但從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用，仍然須考慮很多環(huán)境因素。

1.3 植物-基因工程的聯(lián)合修復(fù)

植物-基因工程聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是利用基因重組技術(shù)，將具有重金屬積累特性的基因?qū)胍资斋@且生物量大的植物中，并將此類植物用于土壤重金屬修復(fù)工程的技術(shù)。該修復(fù)技術(shù)發(fā)展于基因工程技術(shù)，通過增加植物的重金屬耐受性提高其重金屬修復(fù)效率，具有對(duì)環(huán)境影響小、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。隨著細(xì)胞和分子水平上對(duì)重金屬在植物體內(nèi)新陳代謝機(jī)理和相關(guān)基因研究的不斷深入，應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高植物對(duì)重金屬的耐性和積累量也隨之取得巨大進(jìn)展[31]。Gisbert等[32]把小麥中的植物絡(luò)合素合成酶基因轉(zhuǎn)入粉藍(lán)煙草(Nicotianaglauca)中，使該轉(zhuǎn)基因煙草在含Pb2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 572 mg/kg的土壤中生長(zhǎng)，并且該轉(zhuǎn)基因煙草中Pb的積累量比野生型煙草高2倍；Martínez等[33]將小麥PC合成酶基因TaPCS1轉(zhuǎn)入煙草中，提高了其對(duì)Zn，Pb，Cd，Ni的抗性，其中對(duì)Cd和Pb的抗性分別提高到原來的6倍和3倍。

以上3 種植物聯(lián)合強(qiáng)化處理技術(shù)都各有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但均階段性地改變了這塊土地的功能。在修復(fù)期內(nèi)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要中斷。中國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，亟需開發(fā)適應(yīng)我國國情的土壤修復(fù)方法。

2 植物間套種修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)

間種是在同一塊土地上，按一定比例一行或者多行間隔種植兩種或兩種以上生育季節(jié)近似的植物的方式；套種，即在前季作物生長(zhǎng)后期的株、行或畦間播種或栽植后季作物的種植方式[34]。它們都是利用植物間生態(tài)位的差異性，將兩種以上生態(tài)位有明顯差異的植物同時(shí)進(jìn)行種植，促進(jìn)系統(tǒng)對(duì)資源充分利用，以提高植物產(chǎn)量[10]。Whiting等[35]在研究[29]玉米與東南景天套種時(shí)發(fā)現(xiàn)：此種方式能促進(jìn)兩種植物吸收更多的重金屬；但是，薛建輝等[36]采用間作的模式種植茶樹和杉木后發(fā)現(xiàn)：茶園土壤的Pb，Ni，Mn，Zn含量降低，而茶樹葉片中4 種重金屬的含量較單作也顯著減少，茶葉品質(zhì)得到改善；Su等[37]的研究也表明：Cd富集植物油菜與中國白菜間作在一起，能降低白菜對(duì)Cd的富集量。上述研究說明不同的間/套種方法，在重金屬吸收方面擁有不同的效果，因此選擇適當(dāng)?shù)闹参镞M(jìn)行間種或者套種，不失為一種強(qiáng)化植物修復(fù)土壤重金屬的新途徑。

2.1 常見重金屬修復(fù)植物

重金屬Hg，Cd，Pb，Cr和非金屬As因其對(duì)人體毒害作用大而被稱為“五毒金屬”，也是土壤重金屬污染修復(fù)中備受關(guān)注的元素。目前關(guān)于這5 種元素的植物修復(fù)已有大量研究成果。

富集Hg的植物有苧麻(Boehmerianivea)、加拿大楊(PopulusXcanadensisMoench)。苧麻(Boehmerianivea)莖葉中Hg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1～1.3 mg/kg，對(duì)實(shí)驗(yàn)水稻田中Hg的年凈化率達(dá)到41%；加拿大楊(PopulusXcanadensisMoench)每株體內(nèi)最大汞吸收積累量約為7 mg，但是其生長(zhǎng)受到Hg的嚴(yán)重抑制，生物生長(zhǎng)量下降79%以上[38]。

關(guān)于Cd的超富集植物報(bào)道很多，包括龍葵(Solanumnigrum)、莧菜(Amaranthusmangostanus)、忍冬(Lonicerajaponica)和印度芥菜(Brassicajuncea)等，其中壺瓶碎米芥(Cardaminehupingshanensis)的富集質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，地上部Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為189～3 800 mg/kg，并且壺瓶碎米芥(Cardaminehupingshanensis)的根莖比例小、生物量大，Cd富集量較大；楊桃(Averrhoacarambola)作為少數(shù)木本Cd超富集植物之一，其地上部Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)到487 mg/kg。除了Cd超富集植物之外，還有很多未達(dá)到超富集標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)Cd富集量較大的植物，同樣可以用來修復(fù)Cd污染土壤。目前關(guān)于植物修復(fù)Cd的研究已經(jīng)有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但仍然存在可提升的空間[39]。

草坪草因具有良好的Pb耐受性和富集能力而備受關(guān)注。黑麥草(Loliumperenne)生物量大、再生能力強(qiáng)、易于種植，對(duì)鉛有一定的耐性，是一種鉛富集植物，適用于鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1 000 mg/kg的污染土壤[40]。狗牙根(Cynodondactylon)的生物量隨著Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減少，但是在Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 000 mg/kg時(shí)，其地上部富集質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加，總富集量也增加，因此當(dāng)土壤鉛污染濃度較高時(shí)，狗牙根(Cynodondactylon)更具有應(yīng)用前景[41]。

目前關(guān)于Cr富集植物的研究較少，國外僅發(fā)現(xiàn)鉻線蓬(SuterafodinaWild)和尼科菊(DicomanicoliferaWild)兩種鉻超富集植物，富集量可以達(dá)到1 500 mg/kg和2 400 mg/kg[42]。黃花稔(Sidaacuta)能夠在Cr污染土壤中生長(zhǎng)，并且其地上部對(duì)Cr的富集達(dá)到600 mg/kg，但并未達(dá)到超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)[43]。

As超富集植物包括蜈蚣草(Pterisvittata)、大葉井口邊草 (Pteriscretical)和粉葉蕨 (Pityrogrmammacalomelanos)等11 種鳳尾蕨屬植物和1 種裸子蕨科粉葉蕨屬植物。其中蜈蚣草(Pterisvittata)是國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的首個(gè)As超富集植物，在正常土壤中(As質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9 mg/kg)其地上部含As質(zhì)量分?jǐn)?shù)為699 mg/kg，富集系數(shù)為80，在施As處理的土壤中(As質(zhì)量分?jǐn)?shù)為400 mg/kg)其地上部含As質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)4 384 mg/kg，并且蜈蚣草對(duì)As的耐性和富集能力極強(qiáng)，生長(zhǎng)速度快、生物量大，因此對(duì)植物修復(fù)As污染土壤有重要意義[44]。

2.2 間套作對(duì)植物修復(fù)重金屬的影響機(jī)制

2.2.1 根系分泌物的影響

植物的根際分泌物是多種多樣的，并且這些物質(zhì)會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)，導(dǎo)致對(duì)土壤中重金屬的影響作用也是多個(gè)方面的。根際分泌的有機(jī)酸類物質(zhì)降低了土壤的pH，增加了重金屬在土壤中的溶解度[45]。并且，這些物質(zhì)還能絡(luò)合某些土壤中的金屬離子，甚至使土壤中的氧化還原電位發(fā)生改變(例如Fe3+)。除此之外，根際分泌的一些物質(zhì)，比如黃酮類物質(zhì)，能夠作為細(xì)菌的能源物質(zhì)，致使細(xì)菌和重金屬不可避免地發(fā)生作用[46]。表1總結(jié)了一些植物根系分泌物對(duì)其吸收重金屬的影響。

表1 植物根際分泌物對(duì)重金屬的作用Table 1 Effect of plant rhizosphere secretion on heavy metals

間套種兩種植物之間根際分泌物互相影響如圖1所示，它們改變著植物對(duì)土壤重金屬的吸收。其中主要有兩種影響可能：首先，間套作相互改變植物根際分泌物的種類以及數(shù)量濃度，有研究表明利用玉米和馬唐進(jìn)行間種，植物分泌的有機(jī)酸高于植物單種，從而增加了對(duì)重金屬Cd的吸收[56]；其次，在間套作的植物生長(zhǎng)過程中，各種植物的根際分泌物在土壤中相互擴(kuò)散，并且相互作用[57]。以上兩種機(jī)制同時(shí)作用，影響著土壤中重金屬的生物有效性。

圖1 間套作植物修復(fù)重金屬污染土壤的機(jī)制Fig.1 Mechanism of intercropping plant for remediation of heavy metal contaminated soil

2.2.2 根系微生物的影響

土壤微生物是植物根際環(huán)境的重要組成部分。根際土壤重金屬活性和植物吸收能力直接受土壤微生物的影響。根際微生物可分為共生微生物和自由生活的微生物[58]，其中尤其是與植物共生的菌根(如叢枝菌根)，對(duì)植物吸收重金屬起到重要作用[59]。目前為止，人們發(fā)現(xiàn)菌根影響植物對(duì)重金屬的耐性方式有：1) 根際微生物的代謝作用可以產(chǎn)生多種有機(jī)物，如有機(jī)酸、表面活性劑和蛋白質(zhì)等，可以對(duì)重金屬產(chǎn)生活化、胞外絡(luò)合和根際沉淀等作用，影響重金屬對(duì)植物的毒害作用；2) 根際微生物能夠通過催化重金屬的氧化還原改變其形態(tài)，從而改變重金屬的生物有效性；3) 根際微生物自身對(duì)重金屬有選擇性的吸收；4) 根際微生物能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增加植物的根長(zhǎng)，增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的耐受性[60-62]。

在植物的間套作中，可以提高土壤微生物的活性和豐度，促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收。一些中藥材與花生的間作，能夠改善土壤環(huán)境，提高土壤微生物中真菌的多樣性[63]。除此之外，有研究表明：將西瓜和水稻進(jìn)行間作，發(fā)現(xiàn)土壤中真菌數(shù)量有一定程度的降低，同時(shí)放線菌和細(xì)菌數(shù)量升高[64]。這說明土壤間套作對(duì)土壤微生物種群結(jié)構(gòu)有一定的影響。

2.2.3 土壤pH的影響

在植物的間套作中，影響pH的因素較為復(fù)雜，具體如圖1所示，主要分為兩個(gè)方面：一方面，植物進(jìn)行間套作時(shí)，通過根系分泌物、土壤微生物等影響，可以降低土壤的pH值，即當(dāng)pH值較高，不利于植物吸收因營養(yǎng)元素時(shí)，間套作又能適當(dāng)降低土壤pH值[69-70]；另一方面，當(dāng)土壤pH降低時(shí)，反過來也會(huì)影響植物根系分泌物、土壤微生物等。

在實(shí)踐中，間套作修復(fù)土壤重金屬的變異性較大，除上所說的幾種因素外，還受土壤有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量等因素的影響[71-72]。這些因素都不是獨(dú)立的，它們之間相互影響，相互制約，形成一個(gè)土壤-植物微環(huán)境，影響著土壤中重金屬有效性和植物對(duì)其的吸收作用。

2.3 間套種對(duì)植物的選擇

2.3.1 協(xié)同作用模式

利用間種或套種不同的植物來增強(qiáng)植物對(duì)重金屬的吸收能力，發(fā)揮的是植物間的協(xié)同作用。Wu等[73]將Cd的富集植物甘藍(lán)型油菜(Brassicanapus)與菜心(Brassicaparachinensis)或玉米進(jìn)行間種，發(fā)現(xiàn)油菜的地上部中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)和累積量明顯增加；Zuo等[74]研究了雙子葉植物，例如花生和玉米、小麥等禾本科植物間種，加強(qiáng)了雙子葉植物對(duì)鐵、鋅的吸收并且提高種子中的鐵和鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)；蔣成愛等[75]研究東南景天與玉米和大豆的間作后發(fā)現(xiàn)，Zn，Pb，Cd在東南景天地上部的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加；黑亮等[76]對(duì)東南景天與玉米套種的研究也表明：套種顯著提高了東南景天對(duì)Zn和Cd的提取效率，Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比單種多1.5倍，高達(dá)9 910 mg/kg，而且由此生產(chǎn)出的玉米籽粒中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)符合食品和飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)；Selvam等[77]將鋅超積累植物天藍(lán)遏藍(lán)菜(Thlaspicaerulescens)與非超積累植物菥蓂(Thlaspiarvense)互作在添加ZnO或ZnS的土壤上，研究發(fā)現(xiàn)與單作相比，天藍(lán)遏藍(lán)菜的吸鋅量得到顯著增加。

雖然有很多研究都表明植物間種/套種可以提高重金屬的修復(fù)效率，但是進(jìn)行間套作的植物需要合理的選擇。例如Wieshammer等[78]將深根的鋅鎘超富集植物柳樹(Salix)和矮小的超富集植物擬南芥(Arabidopsishalleri)互作在一起時(shí)，并沒有增加植物對(duì)重金屬Zn和Cd的吸收效率。而且如果是兩種同種重金屬的超富集植物進(jìn)行間種或者套種，可能由于一系列的原因，如對(duì)同種重金屬的競(jìng)爭(zhēng)或者雜草等原因，也不會(huì)提高其對(duì)重金屬的修復(fù)能力[79]。因此選擇適當(dāng)?shù)闹参飦磉M(jìn)行間種/套種以及控制好植物的生長(zhǎng)環(huán)境至關(guān)重要。

2.3.2 拮抗作用模式

利用植物間種或者套種強(qiáng)化技術(shù)來降低植物對(duì)土壤中重金屬的吸收，也就是拮抗作用，可在修復(fù)土壤重金屬的同時(shí)，盡可能提高超富集植物對(duì)重金屬的吸收，降低與之間作或套作的植物或農(nóng)作物的重金屬含量，使之在修復(fù)的時(shí)間段里也能生產(chǎn)出符合一定衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)產(chǎn)品。這是一種充分利用時(shí)間和空間，節(jié)約土地資源的技術(shù)，符合我國農(nóng)業(yè)大國的國情。

例如浙江大學(xué)的安玲瑤[57]在將青菜與甘藍(lán)間作時(shí)發(fā)現(xiàn)：間作提高了Cd在青菜中的富集，同時(shí)降低了Cd在甘藍(lán)中的富集，并且間作處理下兩種蔬菜均可安全食用；因此Wu等[73]率先提出將重金屬超富集植物與玉米套種的方法，與單種時(shí)相比，超富集植物提取重金屬的效率顯著提高，而且玉米也能夠產(chǎn)出符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的食品、動(dòng)物飼料和生物能源等；Gove等[80]根據(jù)自己的研究，將遏藍(lán)菜與大麥進(jìn)行間作后發(fā)現(xiàn)大麥降低了對(duì)土壤中Zn的吸收；菥蓂(遏藍(lán)菜)是一種常見的藥材和蔬菜，而同屬的天藍(lán)遏藍(lán)菜也是一種常見的Zn超富集植物，Whiting等[81]將兩種植物間作在添加ZnO或ZnS的土壤上，研究發(fā)現(xiàn)：作為藥材或蔬菜的菥蓂對(duì)Zn的吸收量顯著降低，并且因?qū)n吸收的降低，導(dǎo)致菥蓂的生物量明顯增大，這是因?yàn)樘焖{(lán)遏藍(lán)菜對(duì)Zn有很強(qiáng)的吸收富集能力，能夠優(yōu)先吸收土壤中的Zn，從而減少鋅對(duì)菥蓂的毒害，在一定程度上起到保護(hù)菥蓂的作用；趙穎等[82]對(duì)玉米與苜蓿間種進(jìn)行了相關(guān)研究，認(rèn)為苜蓿在自身大量吸收重金屬的同時(shí)，能夠抑制玉米對(duì)土壤重金屬的吸收富集；同時(shí)也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)：玉米與苜蓿間種不僅能夠改善土壤的理化性質(zhì)，使土壤容重降低、有機(jī)質(zhì)含量升高，并且能增加土地單位面積的作物產(chǎn)值，提高土地利用率[83-84]；居述云等[85]研究了伴礦景天與小麥以及茄子的間作，結(jié)果表明：在間作模式下，小麥籽粒和茄子果實(shí)中的重金屬含量顯著降低，其中小麥籽粒中的重金屬降低了52.4%。這些研究都進(jìn)一步證明了該項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中是具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的，是一種不需要間斷農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、較經(jīng)濟(jì)合理的治理方法。

3 植物間套作修復(fù)效率評(píng)價(jià)

3.1 植物修復(fù)時(shí)間

修復(fù)效率主要由植物干重[86]和其富集系數(shù)決定。雖然間套作的農(nóng)藝技術(shù)能增加其生物量，但是超富集植物只占少部分，且超富集植物通常較為矮小，修復(fù)時(shí)間是大家普遍關(guān)注的一個(gè)問題。間套作植物修復(fù)重金屬污染嚴(yán)重場(chǎng)地的時(shí)間計(jì)算式為

式中：CS,i，CS,f為修復(fù)前后土壤中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；ρ為土壤密度，g/m3；H為土壤深度或植物根長(zhǎng)，m；CP1，CP2為間套作植物中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；D1，D2為間套作植物干質(zhì)量，kg/(hm2·a)，即每年每公頃土地上植物的干質(zhì)量。

由此可得出：間套作植物修復(fù)依然是一個(gè)耗時(shí)的過程，可能達(dá)到幾十年甚至幾百年。在實(shí)際運(yùn)用中，修復(fù)時(shí)間還會(huì)因各種因素延長(zhǎng)，如大田植物的富集系數(shù)要低于實(shí)驗(yàn)室的盆栽植物[87]。此外，實(shí)際應(yīng)用過程中存在許多不可預(yù)測(cè)的因素，例如多種重金屬的存在、天氣情況等，這些狀況嚴(yán)重影響甚至決定了植物的生物量和富集系數(shù)[88]。實(shí)際修復(fù)中，污染土壤深度通常遠(yuǎn)大于植物的根際長(zhǎng)度，尤其是農(nóng)作物，使其對(duì)較深土壤的修復(fù)效果不佳，去除效果受到限制。以上這些問題影響著修復(fù)年限，制約間套作植物修復(fù)的發(fā)展。

3.2 經(jīng)濟(jì)可行性評(píng)價(jià)

經(jīng)濟(jì)可行性是植物間套作修復(fù)能否成功的先決條件，任何不考慮經(jīng)濟(jì)和人力的技術(shù)最終都不能為社會(huì)所接受，作為一個(gè)新興的修復(fù)技術(shù)，植物間套作修復(fù)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性必須得到充分考慮[89]?？偨?jīng)濟(jì)價(jià)值(TEV)戰(zhàn)略是評(píng)估土壤恢復(fù)效益的一種系統(tǒng)方法，具體如圖2所示。

圖2 間套作植物修復(fù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估Fig.2 Economic evaluation of intercropping phytoremediation

圖2中的直接使用價(jià)值指人們直接使用此技術(shù)產(chǎn)生的價(jià)值；間接價(jià)值指此技術(shù)在達(dá)到修復(fù)目的的同時(shí)產(chǎn)生有利于人們的價(jià)值；期權(quán)價(jià)值則為保留在未來可利用而產(chǎn)生的價(jià)值；非使用價(jià)值指人們可以通過了解它就可體驗(yàn)到的享受。一般而言，直接使用價(jià)值最容易估算，最常用的是函數(shù)法；間接使用價(jià)值通常較難測(cè)量；而非使用價(jià)值在生活中幾乎不可見，因此成為最難估算的一種。后兩種一般利用非市場(chǎng)估值方法(例如揭示偏好價(jià)值評(píng)估法或敘述性偏好法等)[90]。

植物修復(fù)的價(jià)值取決于評(píng)估方法、植物修復(fù)生物量和修復(fù)速度[91]。評(píng)估植物修復(fù)價(jià)值有多種選擇，對(duì)于研究人員和決策者來說，考慮經(jīng)濟(jì)因素，根據(jù)植物修復(fù)作物的潛在效益和對(duì)人類和整個(gè)社會(huì)的回報(bào)來評(píng)估植物修復(fù)作物至關(guān)重要。

4 結(jié) 論

近幾年來，關(guān)于土壤重金屬污染植物修復(fù)強(qiáng)化技術(shù)研究及其應(yīng)用方面都取得了諸多重要的成果。間套作植物修復(fù)技術(shù)無疑是一個(gè)極具發(fā)展前景的方向，相比其他修復(fù)技術(shù)，更加綠色環(huán)保并且符合我國農(nóng)業(yè)大國的國情，體現(xiàn)了社會(huì)生態(tài)綜合效益的原則。利用不同的作物進(jìn)行間套作，既能強(qiáng)化修復(fù)效果，也能達(dá)到在修復(fù)的同時(shí)不間斷農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目的。間套作植物修復(fù)土壤重金屬的缺點(diǎn)是：相對(duì)于化學(xué)修復(fù)，修復(fù)速度較為緩慢，并且大多數(shù)植物，特別是農(nóng)作物的根系較為短小，對(duì)較深土壤的修復(fù)效果不佳，去除效果受到限制。建議在實(shí)際應(yīng)用中，可聯(lián)合相關(guān)的農(nóng)業(yè)措施(如施肥、種植密度等)進(jìn)一步加強(qiáng)修復(fù)效果。今后的研究可從以下3個(gè)方面進(jìn)一步展開：土壤環(huán)境因子，如有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量和土壤酶活性的作用；間套作過程中植物體內(nèi)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)、解毒方式；植物之間的相互作用機(jī)理(包括地上和地下)。