鎘污染土壤的植物修復及修復植物的能源利用潛力

　　摘 要：利用鎘污染土壤的修復植物進行生物質能源開發是一種同時解決環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狀及來源的基礎上，對鎘污染土壤的植物修復技術及其應用情況進行了探討，分析了鎘污染土壤修復植物的能源利用潛力，并對修復植物的生物質能源開發相關問題進行了展望。
　　關鍵詞：土壤 鎘 植物修復 超積累植物 生物質能源
　　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”期間凸顯的重大環境問題，環境保護部部長周生賢曾公開表示，僅2009年環保部就接報12起重金屬、類金屬污染事件，致使4000余人血鉛超標，并引發32起群體性事件{1}。2010年重金屬污染事件仍保持高發態勢，相繼發生了江蘇大豐、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月國務院正式批復《重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》，這是中國第一個“十二五”專項規劃。
　　鎘是《重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》重點監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，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、泌尿系統病變，并可能導致癌癥。
　　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）工業污染源。礦產開采和冶煉、電鍍工業、塑料和電子加工、印染、化工等工業企業都可以產生大量的“三廢”物質，這些污染物通過多種途徑進入農田土壤，導致土壤的鎘污染{3}。（2）生活污染源。城市垃圾中大量未經處理的廢舊電子產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。化石燃料燃燒產生得的含鎘有害氣體和粉塵，通過干濕沉降進入農田土壤{5}{6}。（4）農業污染源。農藥、化肥、有機肥的使用及污灌過程可導致土壤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糧食1000多萬噸{8}。每年生產的Cd超標農產品1.46×109kg。因此，鎘污染土壤的修復已成為當前我國環境治理的重要任務之一。近年來，植物修復作為一種鎘污染土壤修復技術應用越來越廣泛。但修復植物中鎘含量較高，對修復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和生物質能源開發利用結合起來是一種同時解決環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已有成果的基礎上，對修復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植物的能源利用相關研究進行了展望。
　　一、鎘污染土壤的植物修復
　　植物修復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修復技術。由于該技術具有低成本、不產生二次污染、不破壞土壤環境、可進行綜合利用等優點，在重金屬污染土壤修復實踐中應用越來越廣泛。在美國，利用遏藍菜屬修復長期施用污泥導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Pb、Zn、Cd復合污染土壤。
　　鎘污染土壤的植物修復中所應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BF>1），地上部重金屬含量高于根部重金屬含量（即轉運系數TF>1）這些特征的植物稱為鎘超積累植物。已發現的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移系數最高達到了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發現在法國北部鎘污染區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、修復植物的能源利用潛力
　　植物生物質能的優點是燃燒容易、污染少、灰分較低，具有很強的再生能力。通過植物生物質能轉化技術可以高效地利用植物生物質能源，生產各種清潔燃料，替代煤炭、石油和天然氣等燃料生產電力，從而減少對礦物質能源的依賴，在化石能源日益短缺的今天，受到人們越來越多的關注。自2008年以來，全球范圍內爆發糧食危機，不再提倡用農作物作為生物質能的原料，使得人們努力尋找可以替代農作物的生物質原料。鎘污染土壤在被完全修復前很長一段時間內上面不能種植農作物，即使農作物能夠正常生長也還存在農產品安全的問題。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需要，同時又可以為生物質能源提供穩定的原料來源。從物理形態上講，修復植物的能源開發利用有三種途徑：（1）固化成固體燃料。將生物質原料（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，能源密度相當于中質煙煤，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，成型生物質塊可在生物質炭化爐進一步炭化成生物炭，而優質的生物炭可以作為冶金、化工等行業的還原劑、添加劑等。將用于鎘污染土壤修復的修復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：以生物質為原料，以氧氣、水蒸氣或氫氣等作為氣化劑，通過熱化學反應可將生物質中的可燃部分轉化為CO、H2和CH4等可燃氣體{13}{14}；另外，含有機質成分的生物質在厭氧及其他適宜的條件下，通過微生物的作用可轉化為沼氣。這些以生物質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。據報道，用以沼氣為燃料的發電站，設備和技術簡單，維護和管理方便，而成本僅為小型水電站的1/2~1/3，比風力、潮汐和太陽能發電低得多{12}。1998年12月英國首座利用特殊培育的柳樹為燃料的發電廠在西約克郡奠基。這座新型發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的燃料供應。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功能，且生物量大，經過改良后是否能用其作為發電廠的燃料，這一問題值得研究{15}。（3）制取液體燃料：以生物質為原料進行生物質液化可制取甲醇、乙醇和生物柴油等液體燃料。這些技術在國際國內都有一定程度的應用{16}，2000年，巴西利用甘蔗渣制燃料乙醇總產量達793萬噸，新西蘭則利用飼料甜菜、紫白梧和松樹生產乙醇。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，年產酒精3000噸。一般情況下，乙醇生產成本的60%以上為原料成本，因此選用原料對降低乙醇成本至關重要。而修復植物可以成為生物質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業化的瓶頸，而某些鎘污染土壤的修復植物（如油菜）中含油量高，可以作為生物柴油生產所需的原料。
　　
　　三、結論和展望
　　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境污染，鎘污染土壤修復已成為當前和今后一段時間土壤污染治理的重點。植物修復技術在鎘污染土壤修復過程中將發揮越來越重要的作用。將植物修復技術和生物質能源利用技術有效結合是一個同時解決環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）發現更多生長周期短、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）鎘污染修復植物的能源轉化和高效利用模式；（3）修復植物體內鎘含量較高，修復植物能源利用過程中鎘的去向和最終處置。
　　[基金項目：國家自然科學基金項目(41071216)；湖南省自然科學基金項目(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