耕地土壤重金屬污染現狀及植物修復的應用

摘要簡要介紹了國內外土壤重金屬的污染現狀，分析了土壤重金屬污染的危害、來源和當前國內外土壤重金屬的污染現狀，重點分析了植物修復的工作機理、應用現狀，探討了植物修復技術在今后的發展中亟需解決的關鍵問題。

關鍵詞土壤污染；重金屬；植物修復；應用現狀

中圖分類號S158.4文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）26-088-02

AbstractThis paper briefly introduces the soil heavy metal pollution status at home and abroad， and the soil heavy metal pollution harm， source and the current pollution status quo were analyzed， especially on the current application status of phytoremediation technology. Finally the key problems of phytoremediation technology that need to resolve in the future development were discussed.

Key wordsSoil pollution； Heavy metal； Phytoremediation； Application status

土壤是農業生產的基礎。土壤環境的惡化直接威脅到人類的糧食安全。隨著采礦冶技術的迅速發展，土壤重金屬污染問題越來越突出。自日本 “水俁病”、“骨痛病”出現后，重金屬污染問題受到強烈的關注，并逐漸成為研究熱點[1]。近兩年國內出現的廣西龍江鎘污染、廣東大米鎘超標、湖南血鉛事件等更是引起政府和社會各界人士的高度關注。可見，土壤重金屬污染修復問題已成為環境科學研究日益活躍的領域，也是世界性的難題[2]。土壤重金屬污染植物修復是一種快捷、有效、可持續的修復手段。筆者對近期國內外土壤重金屬污染現狀、植物技術在土壤重金屬污染修復上的研究及應用情況做簡單介紹。

1土壤重金屬污染現狀

1.1土壤重金屬污染的危害

重金屬元素具性質穩定、遷移性差等特點，一旦進入人體很難被移除出來，威脅人類的身體健康。土壤重金屬還會破壞土壤微生物結構多樣性，影響土壤環境生態平衡[3]。重金屬污染會迅速降低土壤肥力，并通過作物吸收累積到可食部位，進入食物鏈，還可以通過徑流和淋洗作用污染地表和地下水，惡化水環境，影響食品安全，危及人類的生命和健康[4]。

1.2耕地土壤重金屬污染來源

自然因素和人為因素是造成土壤重金屬污染的主要途徑。自然因素主要包括成土母質、成土過程及大氣沉降作用[5]；人為因素主要有三條途徑：①污水灌溉，即礦業采集生產廢水的灌溉，尾礦渣的淋溶和地表徑流等[6]；②大氣沉降，即空氣中的重金屬顆粒經過雨水沉降進入土壤；③化肥、農藥的使用，如含Cd磷肥的大量施用，含高Zn、Cu有機肥的施用以及含Hg、Cu、Zn、As等重金屬農藥的使用[7] 。

1.3國內外耕地土壤重金屬的污染狀況

據統計，全世界約年均排放Hg 1.5萬t、Cu 340萬t、Pb 500 萬t、Mn 1 500萬t、Ni 100萬t[8]。Huang等[9]在美國調查1 200個水稻土壤樣點，發現63%左右的樣點受Pb、Cr、Cd、Cu 不同程度的污染。日本約有47.2萬hm2農田受Cd污染，約占重金屬污染農田總面積的82%[10]。

據農業部調查，我國當前有2 667萬hm2的耕地受到不同程度的重金屬污染，污灌區約有64.8%的農田受重金屬污染，污染面積達到330萬hm2以上，每年糧食損失達到1 200萬t，合計損失至少200億元[11]。其中，Cd和Hg污染最嚴重。據統計，我國Hg污染耕地面積達到3.2萬hm2，Cd污染耕地面積達到1.33萬hm2[12]，污染涉及11個省25個地區，其中西南地區（云南、貴州、廣西），華中地區（江西、湖南），珠三角、長三角地區污染相對嚴重，Pb 和Cd 在西南地區含量明顯高于背景值；遼寧省Cd含量超出背景值約23.02倍；廣東省Cu含量達到背景值的2.92倍[13]。

2土壤重金屬污染植物修復研究進展

2.1土壤重金屬污染植物修復技術的提出

1977 年Brooks首先提出超積累植物的概念[14]。USEPA（美國國家環保局）認為，植物修復技術（Phytoremediation）是指利用植物的吸收富集、分解轉化、螯合穩定特性以達到清除或減少污染物危害的目的。

2.2土壤重金屬污染植物修復的機理

當前，通過去除和減少土壤中重金屬的總量，通過鈍化減少重金屬在土壤中移動性、降低其生物有效性是土壤重金屬污染修復的重要手段。植物修復即利用植物吸收富集、分解轉化、螯合穩定的特性，通過吸收富集集中處理、螯合穩定降低作物吸收，達到排除或減輕危害的目的。

2.2.1植物揮發。

植物揮發即利用植物吸收污染物并在體內經過一系列的化學反應轉化為氣態物質釋放到空氣中的功能，以達到清除土壤或水中重金屬元素的目的。Banuelos 等[15]研究發現，洋麻、牛毛草等植物可使土壤的三價硒轉化為甲基硒而揮發，最終從土壤中去除。Rugh等[16]將細菌Hg還原酶基因轉導入擬南芥（Arabidopsi sthaliana），發現轉基因的擬南芥能吸收土壤中具有高毒性的Hg，并將其還原為低毒性的Hg0。

2.2.2植物穩定。

植物穩定作用（Phytostabilization）即利用超累積植物或耐重金屬植物，通過固定、吸附、螯合等方法鈍化、降低重金屬的生物有效性及淋濾作用，達到固定、隔絕、阻止重金屬進入水體和食物鏈的目的。Simon[17]研究發現，紫羊茅（Festuca rubra）能有效穩定礦業廢棄地的金屬；香根草（Vetiveria zizanioides）能有效降低鉛鋅銅礦尾礦DTPA 提取態Pb、Zn、Cu 含量[18]。Tang等[19]發現，小頭蓼（Polygonum microcephalum）和戟葉酸膜（Rumex hastatus）有穩定土壤污染金屬的潛力。

2.2.3植物提取。

植物提取是利用植物的超富集能力，經過吸收、轉運將土壤中的一種或幾種重金屬儲存到地上部，經集中處理，達到降低土壤重金屬含量的目的。

目前，國內外已發現重金屬的超富集植物有700多種。其中，Ni超富植物有300 多種；Zn超富集植物21種；Pb超富集植物16種[20]；Cd 超富集植物有景天科、柳品系、全葉馬蘭等，其中旱柳品最高，可富集Cd 47.19 mg/kg[21]；Mn超富集植物有木荷、商陸，其中商陸葉片最高累積Mn量達1 929.9 mg/kg[22]；As超富集植物有蜈蚣草、大葉井口邊草等；Cu超富集植物有鴨躊草、海洲香薷等[23]；Hg超富集植物有加拿大白楊和紅樹等[24]。

2.3植物修復技術的應用現狀

項雅玲等[25]研究表明，苧麻對Cd污染農田改良修復起到明顯的作用。沈麗波等[26]采用超富集植物伴礦景天與水稻輪作，同時用磷修復劑對稻田鎘污染進行修復，發現2種修復方法結合使用既能達到去除土壤重金屬的目的，又不影響糧食生產的效果。陳同斌等[27]在湖南郴州建立砷污染土壤的植物修復示范工程，采用蜈蚣草修復土壤砷污染，發現砷修復效率達71.84%。李廷強等[28]采用超積累植物東南景天對礦山污染土壤修復一季后，發現根際土壤有效態Zn 、Cd均有顯著的降低。可見，植物修復技術在土壤重金屬修復領域大有可為。

3展望

植物修復技術安全環保，具有良好的經濟、生態綜合效益。然而，植物修復還有若干個技術問題尚待解決。

（1）植物修復的超富集植物大都生物量小，生長周期長，修復目標單一，且多數為淺根生植物。篩選和培育出吸收種類廣、能力強且生物量大的植物成為當前的迫切需要。

（2）大多數超富集植物對生長環境要求較嚴，種植難，存活率低，修復效率低，大規模應用難，因此研究超累積植物的功能基因，選育出適合實際生產應用的超累積植物是關鍵。

（3）人們要充分發揮根系微生物在協同修復土壤污染物中的作用，誘導篩選出能促進植物對重金屬離子吸收的微生物。

（4）結合使用不同種修復技術，探索植物修復與化學修復、微生物修復技術之間的結合點。

（5）超累積植物修復后，如何處理修復后的超累積植物，避免處理過程中的二次污染也是今后植物修復技術發展面臨的一大難題。

參考文獻

[1] 孫麗娜，孫鐵珩，金成洙.臥龍泉河流域土壤重金屬污染的模糊評價[J].水土保持研究，2006，13（1）：126-129.

[2] 孫鐵珩，周啟星.污染生態學的研究前言與展望[J].農村生態環境，2000，16（3）：42-45，50.

[3] 蒲瑞豐，康爾泗，王軻，等.石羊河流域典型工業區土壤重金屬污染狀況研究[J].干旱區資源與環境，2008，22（9）：129-133.

[4] 鮑桐，廉梅花，孫麗娜，等.重金屬污染土壤植物修復研究進展[J].生態環境，2008，17（2）：858-865.

[5] 趙彥鋒，郭恒亮，，孫志英，等.基于土壤學知識的主成分分析判斷土壤重金屬來源[J].地理科學，2008，28（1）：45-50.

[6] 戴清文，曾志明，王繼玉，等.江西省主要金屬廠礦對畜牧業影響的初步調查[J].農業環境保護，1993，12（3）：124-126.

[7] 潘攀，楊俊誠，鄧仕槐，等.土壤-植物體系中農藥和重金屬污染研究現狀及展望[J].農業環境科學學報，2011，30（12）：2389-2398.

[8] 崔德杰，張玉龍.土壤重金屬污染現狀與修復技術研究進展[J].土壤通報，2004，35（3）：366-370.

[9] HUANG Y，HU Y，LIU Y.Combined toxicity of copper and cadmium to six rice genotypes（Oryza sativa L）[J].Journal of environmental sciences，2009，21（5）：647-653.

[10] 廖自基.微量元素的環境化學及生物效應[M].北京：中國環境科學出版社，1993：301-303.

[11] 羅錫文.對加速我國農業機械化發展的思考[J].農業工程，2011，1（4）：1-8，56.

[12] 郭篤發.環境中鉛和鎘的來源及其對人和動物的危害[J].環境科學進展，1994，3（2）：71-76.

[13] 張小敏，張秀英，鐘太洋，等.中國農田土壤重金屬富集狀況及其空間分布研究[J].環境科學，2014，35（2）：692-702.

[14] 周德春.植物生態修復技術的研究[D].長春：東北師范大學，2006.

[15] BANUELOS G S，AJWA H A，MACKEY B，et al.Evaluation of different plantspecies used in phytoremediation of high soil selenium[J].Journal of environmental quality，1997，26（3）：639-646.

[16] RUGH C L，WILDE H D，STACK N M，et al.Mercuric ion reduction and resistance in transgenic Arabidopsis thaliana plants expressinga modified bacterial merA gene[J].Proceedings of the national academy of sciences of the United States of America，1996，93：3182-3187.

[17] SIMON L.Stabilization of metals in acidic mine spoil with amendments and red fescue（Festuca rubra L.）growth[J].Environmental geochemistry and health，2005，27：289-300.

[18] 張佩.香根草對土壤中Pb、Zn和Cd形態、遷移影響及對鉛鋅礦尾礦的修復[D].桂林：廣西師范大學，2008.

[19] TANG S R，FANG Y H.Copper accumulation by Polygonum microcephalum D.Don and Rumex hastatus D.Don from copper mining spoils in Yunnan Province，P.R.China [J].Environment geology，2001，40：902-907.

[20] 王學禮.福建金屬礦區植物對重金屬的富集效果研究[D].福州：福建農林大學，2008.

[21] 黃會一.木本植物對土壤Cd 的吸收富集和耐性[J].中國環境科學，1989，9（5）：327-333.

[22] 薛生國，陳英旭.中國首次發現的錳超積累植物：商陸[J].生態學報，2003，23（5）：935-937.

[23] 高陳璽，李川，彭娟，等.植物提取修復礦區重金屬污染土壤研究現狀[J].重慶工商大學學報（自然科學版），2013，30（4）：55-71.

[24] 林治慶，黃會一.植物對土壤中汞的吸收積累及耐性[J].農業環境科學學報，1989，9（4）：315-319.

[25] 項雅玲，林匡飛，胡球蘭，等.苧麻吸鎘特性及鎘污染農田的改良[J].中國麻作，1994，16（2）：39-42.

[26] 沈麗波，吳龍華，譚維娜，等.伴礦景天-水稻輪作及磷修復劑對水稻鋅鎘吸收的影響[J].應用生態學報，2010，21（11）：2952-2958.

[27] 陳同斌，張斌才，黃澤春，等.超富集植物蜈蚣草在中國地理分布及其生境特征[J].地理研究，2005，24（6）：163-171.

[28] 李廷強，朱恩，楊肖娥，等.超積累植物東南景天根際土壤酶活性研究[J].水土保持學報，2007，21（3）：141-146.