研究背景：我國大面積農(nóng)田土壤存在重金屬含量超標情況。2014年全國土壤調(diào)查顯示，我國土壤質(zhì)量不容樂觀，污染超標地區(qū)占比達到16.1%，其中，農(nóng)田污染情況嚴重，總污染面積超過2000萬ha。污染以重金屬污染為主，占全部超標類型的82.8%。

重金屬污染農(nóng)田的治理是目前我國急需解決的環(huán)境問題之一，對于污染土壤的治理，目前常用的方法包括傳統(tǒng)物理方法(電動力學(xué)、浸出、電熱修復(fù)、玻璃化和凍土技術(shù))和化學(xué)法(改良劑、螯合劑、抑制劑、沉淀劑)以及植物修復(fù)法。與理化方法相比，植物修復(fù)以其環(huán)保、經(jīng)濟、安全、環(huán)境擾動小等特點而備受關(guān)注。本文將圍繞土壤修復(fù)的植物修復(fù)方式，從其技術(shù)類型、適用情況等方面進行綜述，旨在為受重金屬污染的土壤修復(fù)提供高效合理的整治策略。

摘要：農(nóng)田土壤重金屬污染日益惡化，嚴重危害居民生活和作物、畜牧安全，影響經(jīng)濟發(fā)展，對重金屬污染農(nóng)田的治理成為我國目前亟待解決的環(huán)境問題之一。與傳統(tǒng)的理化方法相比，植物修復(fù)技術(shù)因其環(huán)保、經(jīng)濟、安全、環(huán)境擾動小等特點而備受關(guān)注。介紹了農(nóng)田土壤重金屬污染的來源及危害，簡述了土壤重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)的概念和分類，并針對各種植物修復(fù)技術(shù)的修復(fù)原理、適用情況和研究實例進行詳細闡述。綜述了當(dāng)前國內(nèi)外可用于提高植物修復(fù)效率的方法措施，指出了當(dāng)前植物修復(fù)技術(shù)存在的修復(fù)周期及修復(fù)效果的局限性。最后，在現(xiàn)有研究分析的基礎(chǔ)上，對今后土壤重金屬植物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展方向提出了幾點展望，以期為今后農(nóng)田土壤重金屬污染植物修復(fù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

01.土壤重金屬污染的來源及危害

Hg、Cd、Pb、Cr、Zn、Cu、Ni、Co、Se、As是目前常見的土壤污染物。這些污染物的來源有諸多方面：

1)重金屬可通過大氣沉降經(jīng)雨水淋溶滲入地下，如As、Cu、Hg、Pb、Se與燃煤活動、汽車尾氣排放有關(guān)。Cd、Ni、Zn、Mo可能來源于化學(xué)燃料的燃燒等。

2)礦山開采時的采礦廢液和礦物加工后的廢棄物隨意排放直接導(dǎo)致土壤重金屬含量的增加，采礦后的礦渣和固體廢棄物的胡亂堆放經(jīng)雨水淋溶后進入土壤，使得礦區(qū)附近土壤中重金屬含量嚴重超標。之后由其他排污企業(yè)如礦產(chǎn)冶煉加工、塑料、化工、機械制造產(chǎn)生的工業(yè)“三廢”使得污染面積進一步擴大。3)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，不當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)措施對土壤造成的重金屬污染，如農(nóng)藥化肥應(yīng)用，污泥農(nóng)用及污水灌溉等。農(nóng)田施用污泥可肥田、改良土壤結(jié)構(gòu)，達到增產(chǎn)效果，但污泥中都不同程度地含有工業(yè)源重金屬污染物，是農(nóng)田土壤重金屬污染的主要來源。

在土壤環(huán)境中，重金屬污染的過程具有持久、不易探明、不可逆和易擴散轉(zhuǎn)移的特性。大部分重金屬進入土壤后，會長期存在于土壤中及植物根際周圍，且很難在物質(zhì)轉(zhuǎn)化和土壤自身凈化過程中排除，隨著時間推移勢必會對土壤的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)、土壤生物及微生物特性造成不良后果，進而威脅整個土壤植物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整和穩(wěn)定運行。已有研究顯示，土壤中微生物的種類和數(shù)量會隨著重金屬污染情況的加重而減少。在重金屬污染土壤中生長的植物，其根系會受重金屬影響而造成代謝紊亂，根系生長受到抑制，導(dǎo)致植物體營養(yǎng)虧缺，使生長發(fā)育受到破壞，從而影響植物的形態(tài)及產(chǎn)量。此外，當(dāng)人類通過生物鏈作用攝入含有過量重金屬的植物或生物時，重金屬會在人體內(nèi)富集，引起人體代謝紊亂，誘發(fā)疾病，器官損害等，直接危害人體健康。如當(dāng)人體內(nèi)含有過量的Cd時，會使腎臟發(fā)生病變，同時會使骨骼中的鈣大量流失，造成骨質(zhì)疏松、關(guān)節(jié)疼痛等病狀。

02.植物修復(fù)技術(shù)及特點

植物修復(fù)就是利用某種或多種特定植物來揮發(fā)、固定、萃取其生長范圍內(nèi)的有毒有害物質(zhì)，以減少對環(huán)境的破壞。植物修復(fù)根據(jù)土壤修復(fù)機理可分成以下3種技術(shù)。

1.植物揮發(fā)

植物揮發(fā)即植物通過根部將重金屬吸收進植物體內(nèi)并轉(zhuǎn)變其形態(tài)為氣態(tài)，再由植物釋放到空氣中以減少土壤中重金屬的殘留。目前，有關(guān)植物揮發(fā)的研究大多為Hg和Se，這些重金屬在植物體內(nèi)通過甲基化揮發(fā)出土壤，從而降低土壤重金屬含量。該技術(shù)無須對植株進行后期回收處理，但其適用范圍小，只適用于可揮發(fā)性污染物，并且轉(zhuǎn)化成氣態(tài)污染物會進入大氣造成二次污染，再通過大氣沉降再次進入土壤，因此該技術(shù)有待進一步改進和提高。

2.植物固定

植物固定是通過植物根系中的一系列反應(yīng)鈍化、穩(wěn)定和螯合重金屬，將有害污染物轉(zhuǎn)化為一種低毒形態(tài)并在植物根部固定的方法。白彥真等研究發(fā)現(xiàn)，藜和新麥草具有能夠鈍化固定Pb的能力。Salt等發(fā)現(xiàn)一些植物根系分泌的物質(zhì)可使有毒Cr6+轉(zhuǎn)化為無毒的Cr3+。植物固定可以有效地減少污染物的流動性及其生物可利用性，但未從根本上去除污染物，一旦環(huán)境條件改變會再次造成污染。

3.植物萃取

植物萃取就是利用植物依靠根的萃取作用從土壤中獲取養(yǎng)分的同時，將土壤里的污染物轉(zhuǎn)移到其地上部分，然后被適當(dāng)?shù)鼗厥找詫崿F(xiàn)修復(fù)土壤的方法。該技術(shù)是當(dāng)前最有發(fā)展前景，修復(fù)效果最好的植物修復(fù)技術(shù)。自20世紀70年代末，由Brooks等給出了超富集植物的定義至今，超過700余種植物被研究證實為超富集植物。它是指植物體內(nèi)含Mn、Zn不低于10000μg/g，Cd不低于100μg/g，Pb、Cu、Cr、Co、Ni等不低于1000μg/g。同時，植物器官中污染物含量要大于土壤中污染物含量，植物出露于地表部分的污染物含量要大于埋入土壤部分污染物含量。印度芥菜是目前最理想的Pb超富集植物，國內(nèi)富集Pb效果較好的植物還有羽葉鬼針草、香根草等。As的超富集植物如蜈蚣草、大葉井口邊草和粉葉蕨。Cd的超富集植物有寶山堇菜、東南景天和忍冬。Ni的超富集植物相對較多，主要有Berkheyacoddii、李氏禾等。Zn的超富集植物有東南景天、PotentillagriffithiiHook、Thlaspicaerulescens等。Cu的超富集植物如鴨跖草和海州香薷等。Cr的超富集植物為李氏禾。Hg的超富集植物較少，但苧麻屬于宿根性多年生植物，利用其根系對重金屬不斷地提取，可逐漸減少土壤Hg含量。

03.提高植物修復(fù)效率措施

植物修復(fù)效率的高低決定了植物修復(fù)的應(yīng)用，而提高植物修復(fù)效率是當(dāng)前的主要研究內(nèi)容。通常采用添加劑、先進的農(nóng)藝技術(shù)、聯(lián)合微生物以及基因工程，及多種修復(fù)方法復(fù)合修復(fù)的措施以提高植物修復(fù)效率。

1.螯合劑和表面活性劑

一些特殊土質(zhì)在進行土壤整治過程中往往會不盡人意，若輔以某種特定的化學(xué)試劑即可加快根系對污染物的提取速率，以達到更好的修復(fù)效果。應(yīng)用較多的化學(xué)試劑主要是絡(luò)合劑，包括EDTA、NTA、DTPA、HEDTA、EGTA和檸檬酸。將絡(luò)合劑添加到待修復(fù)土壤中，使重金屬離子形成具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的金屬螯合物，這種螯合物更穩(wěn)定，水溶性更好，更利于根系的萃取。但施用EDTA等絡(luò)合劑時也存在爭議，由于絡(luò)合劑會使土壤重金屬可溶性增加，且對重金屬的活化作用具有非特異性，而修復(fù)植物對重金屬的提取往往具有專一性，這就會導(dǎo)致一些非目標重金屬元素危害到周圍環(huán)境甚至經(jīng)雨水淋溶進入地下水，造成二次污染。考慮到上述原因，一些易生物降解，毒性小的生物源絡(luò)合劑如EDDS、LMWOAs被認為是EDTA等人工絡(luò)合劑的最佳替代品。

2.農(nóng)業(yè)技術(shù)措施

進行污染整治的過程中，超富集植物往往會受濕度、氣溫、土壤肥力等環(huán)境因素制約，使得植物生長緩慢、植株密度小。而合理的農(nóng)業(yè)措施可以解決以上問題，提高植物修復(fù)效率，具體可從增加土壤肥力、合理灌溉、優(yōu)化栽培措施幾個方面來實施。水是植物生長的必需要素，合理的灌溉可使植物保持良好的生長狀態(tài)，維持較好的修復(fù)效果，合理的水分還會改變土壤的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，使能被植物萃取的重金屬含量最大化;合理的栽培技術(shù)可以使土地利用率最大化，提高田間單位面積植物密度，間接提高植物修復(fù)效率;磷肥不但能夠促進植物的生長，同時還可與土壤中的Pb形成難溶的磷酸鉛化合物，固定于土壤中，降低Pb的生物毒性;土壤中施用少量N肥，能夠促進小花南芥對土壤中Pb和Zn的富集作用。

3.微生物聯(lián)合修復(fù)

在重金屬污染土壤中接種特定微生物強化植物修復(fù)效果，植物根系與其周圍微生物之間存在一種互補關(guān)系，為微生物創(chuàng)造良好的生存空間并為其繁殖生長提供所需的營養(yǎng)物質(zhì)。微生物可以改善土壤質(zhì)量，使土壤環(huán)境更有利于植物修復(fù)，其作用途徑主要分為以下2種：

1)為植株在生長發(fā)育期提供有利條件，提高植株的生物量和對污染物的耐受性。如根瘤菌進行生物固氮供給植物吸收;菌根真菌可向植物根系提供所需的水分、酶類并能夠吸收轉(zhuǎn)運土里的重金屬元素，增加植物對重金屬的耐受性。2)提高植物根系周圍重金屬的活性，使更多重金屬污染物能夠被植物萃取吸收帶出土壤，如微生物能夠分泌有機酸起到對重金屬的活化作用，從而提高植物修復(fù)效率。國外已有相關(guān)研究表明，通過黃羽扇豆(Lupinusluteus)并及其內(nèi)生菌起到強化植物修復(fù)能力的效果。

4.生物技術(shù)應(yīng)用

重金屬修復(fù)植物通常生長緩慢，限制了植物修復(fù)的效果和效率，導(dǎo)入速生植物的遺傳基因成為一種可行性措施，并且已經(jīng)成功地用于提高植物對重金屬的耐受性和積累。通過導(dǎo)入優(yōu)勢基因使植物的金屬螯合分子如檸檬酸、植物螯合肽、金屬硫蛋白、重金屬轉(zhuǎn)運蛋白的表達增強，促使植物對重金屬的吸收能力增強。細菌基因(merA汞還原酶和merB有機汞裂解酶)的導(dǎo)入還可增加植物對Hg的耐受性。γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(ECS)和谷胱甘肽合成酶(GS)轉(zhuǎn)基因印度芥菜比非轉(zhuǎn)基因型印度芥菜具有更高的富集Cd和Zn的能力，富集吸收Cd和Zn的能力提高1.5～2倍。此外，ECS轉(zhuǎn)基因植物積累Cr、Cu和Pb是非轉(zhuǎn)基因植物的2.4～3倍。

5.CO2施肥技術(shù)

CO2作為植物光合作用的底物，CO2濃度的升高會使植物光合作用增強，提高植物的水分利用率，并利于植物根系發(fā)育和根系分泌物的產(chǎn)生，對植物會產(chǎn)生積極效應(yīng)，提高植物的生物量和產(chǎn)量。在重金屬脅迫環(huán)境中，隨著CO2的濃度提高，向日葵地上部的Cu含量明顯提高，高濃度CO2還會誘導(dǎo)藻類植物合成更多的植物螯合肽以螯合環(huán)境中的重金屬，減輕重金屬對植物的損害。目前常用的CO2肥施方法主要有化學(xué)反應(yīng)法、鋼瓶法、燃燒法、有機質(zhì)生物發(fā)酵法、干冰法等。

6.電動修復(fù)輔助

在土壤中施加電場，可以誘導(dǎo)孔隙流體(電滲透)、離子(電遷移)和膠體(電泳)的運動，使土壤中的重金屬被遷移出土體。Acosta-Santoyo等研究了在重金屬和多環(huán)芳烴污染的土壤中電場對黑麥草種萌發(fā)和生長發(fā)育的影響，發(fā)現(xiàn)重金屬及有機污染物會阻礙黑麥草的萌發(fā)和生長，而在土壤中施用0.2DCV/cm的直流電場后，黑麥草的萌發(fā)率提高了75%。且電動修復(fù)有助于植物生物量的積累，從而提高植物體內(nèi)重金屬含量。肖文丹等通過在土壤中施加直流電場，顯著提高了土壤中有效態(tài)鎘含量，并且在與添加劑聯(lián)合作用下使東南景天地上部的Cd積累量得到顯著提高。

7.納米零價鐵輔助修復(fù)

納米零價鐵(nZVI)是指粒徑在1～100nm的零價鐵顆粒，具有較強的還原性和較大的比表面積，已被應(yīng)用于重金屬和有機污染物污染環(huán)境的修復(fù)。納米零價鐵通過改變重金屬的價態(tài)或者通過吸附降低重金屬在環(huán)境中的流動性，從而降低污染物毒性。這種技術(shù)可修復(fù)地下水和土壤中Pb、Cd、As和Cr等多種重金屬污染。Huang等通過盆栽試驗利用nZVI輔助黑麥草修復(fù)沉積物中的Pb，發(fā)現(xiàn)低濃度(100～500mg/kg)的nZVI不僅可以有效地提高黑麥草中Pb的積累量，而且可以增加植物的生物量。

04.植物修復(fù)的局限性

由于植物生長活動的自然規(guī)律以及對污染土壤環(huán)境的適應(yīng)性差異，植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用在實踐中常受到制約。大多數(shù)超富集植物一般都有地域選擇性，且植物修復(fù)一般治理周期較長。而且，受污染土壤一般為多種污染物同時超標，而修復(fù)植物往往只針對某種污染物有較好效果，因此，在選取超富集植物時既要考慮其修復(fù)效果，也要考慮其修復(fù)單一性。重金屬富集到植物地上部之后，如果不及時對植物修復(fù)的后期進行處理，植物的地上部會因自然凋謝等原因重新回到土壤。受植物根部延伸長度限制，植物修復(fù)只能進行土壤淺層修復(fù)，修復(fù)效果有限。同時，考慮到植物耐受性，對于污染濃度過高的區(qū)域，不宜采用植物修復(fù)。

05.展望

植物修復(fù)技術(shù)因其綠色環(huán)保、經(jīng)濟實用等優(yōu)點有著極廣闊的發(fā)展前景，但目前該項技術(shù)尚未得到廣泛應(yīng)用，只停留在室內(nèi)盆栽和大田試驗研究階段，走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還需要大量的理論及試驗成果支撐，近期還需要進行重點研究的內(nèi)容有：

1)繼續(xù)尋找篩選抗逆性好，生長發(fā)育周期短，生物量大，能同時富集多種重金屬的修復(fù)植物。

2)繼續(xù)深入研究重金屬在土壤植物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化機理，開發(fā)新的能夠改變重金屬的形態(tài)利于植物富集且對環(huán)境污染風(fēng)險小的化學(xué)試劑。

3)將先進的農(nóng)藝措施推廣到植物修復(fù)工作中去，為修復(fù)植物提供良好的生長環(huán)境，供給必要的營養(yǎng)元素、激素和酶類。

4)繼續(xù)開展微生物-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)研究，通過微生物來改良土壤、提高修復(fù)植物的競爭力等，彌補植物修復(fù)工作中的不足。

5)將生物分子技術(shù)繼續(xù)擴大到植物修復(fù)工作中，通過基因?qū)氲姆绞脚嘤鲂滦偷男迯?fù)植物品種以適應(yīng)不同環(huán)境、不同污染類型的場地修復(fù)工作。