吳科堰 敖明 柴冠群 吳正卓 秦松

摘 要：土壤重金屬污染已成為全世界面臨的主要環(huán)境問題之一，治理修復(fù)重金屬污染土壤倍受關(guān)注。在不同的防治和修復(fù)技術(shù)中，植物修復(fù)技術(shù)擁有獨特優(yōu)勢被人們青睞，其中非食用經(jīng)濟作物具有不進入食物鏈、生物量大、環(huán)境適應(yīng)性強、能充分利用重金屬污染耕地并能帶來經(jīng)濟效益等優(yōu)勢而成為植物修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點。本文總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者對棉花、蓖麻、苧麻、桑樹、劍麻5種非食用經(jīng)濟作物對不同重金屬的富集特性以及耐受性的研究進展，同時對非食用經(jīng)濟作物修復(fù)重金屬污染土壤進行了展望。

關(guān)鍵詞：非食用經(jīng)濟作物;植物修復(fù);重金屬;土壤

中圖分類號：X53

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0457（2019）01-0062-06 國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2019.01.012

隨著我國高度集約化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、粗放型的礦產(chǎn)資源開發(fā)利用和快速的城鎮(zhèn)化進程，各種含重金屬的農(nóng)藥、化肥及化學(xué)產(chǎn)品等污染物通過不同途徑進入環(huán)境，造成土壤，尤其是農(nóng)田土壤重金屬污染。重金屬導(dǎo)致的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)污染，不僅造成可利用土地資源減少、糧食產(chǎn)量品質(zhì)下降，還可以通過污染物的食物鏈傳遞、積累和放大，威脅人體健康[1]。

目前我國耕地普遍存在重金屬污染問題，農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂。環(huán)境保護部和國土資源部，在2014年公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報（2005-2013）》顯示，我國耕地土壤點位超標(biāo)率達(dá)19.4%，有毒重金屬Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni等8種污染物，點位超標(biāo)率分別高達(dá)7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%和4.8%，其中Cd、Hg、As、Pb等4種污染物含量分布呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢，西南、中南地區(qū)重金屬污染土壤問題最為突出。據(jù)統(tǒng)計，我國受重金屬污染的耕地面積約2000×104 hm2，占我國耕地總面積的五分之一[2]。我國每年因土壤重金屬污染導(dǎo)致糧食減產(chǎn)高達(dá)1000多萬噸，污染糧食多達(dá)1200萬噸，合計經(jīng)濟損失超過200億元[3]。農(nóng)田重金屬污染已成為影響我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大環(huán)境問題，因此，修復(fù)重金屬污染農(nóng)田對于緩解我國當(dāng)前的人口-耕地資源矛盾、保障糧食安全具有重要的現(xiàn)實意義。

本文總結(jié)了近幾年國內(nèi)外利用非食用經(jīng)濟作物修復(fù)重金屬污染土壤方面的研究成果和進展，以期推動非食用經(jīng)濟作物在重金屬污染土壤修復(fù)治理方面的應(yīng)用。

1 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)是近10年來一種與土壤恢復(fù)有關(guān)的被動修復(fù)技術(shù)，是通過植物的特殊功能清除或降低環(huán)境中的污染物質(zhì)，實現(xiàn)對環(huán)境的修復(fù)治理[4]。具有成本低、可原位實施、操作簡單、對土壤理化性質(zhì)破壞較小以及適用范圍廣等優(yōu)點[5]。但是目前發(fā)現(xiàn)的超積累植物較少，且有的植物生長緩慢，植株矮小，生物量小，不適用于大面積植物修復(fù)[6]。同時還可能導(dǎo)致生物入侵，因此不能帶來更多環(huán)境和經(jīng)濟效益[7]。基于這一現(xiàn)狀，提出了農(nóng)業(yè)生態(tài)整治策略，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，通過種植非食用經(jīng)濟作物，消除重金屬在食物鏈中的傳遞，使重金屬污染土地在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域重新獲得安全而高效的利用。利用具有經(jīng)濟效益的植物，如棉花、苧麻等，這些作物對重金屬具有較強的耐受性以及較強的吸收、轉(zhuǎn)運作用，且生物量大、不參與食物鏈循環(huán)[8]。這些作物環(huán)境適應(yīng)性強，能大面積用于重金屬污染土壤修復(fù)工程，且能進一步產(chǎn)生經(jīng)濟效益而被人們所推廣。此外，非食用經(jīng)濟作物作為修復(fù)農(nóng)作物時，可以兼顧重金屬污染產(chǎn)地的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。

2 非食用經(jīng)濟作物

非食用經(jīng)濟作物是指具有某種特定經(jīng)濟用途的農(nóng)作物，其主產(chǎn)品經(jīng)濟價值高，區(qū)域性強，適合集中進行專門化生產(chǎn)[9]。在眾多修復(fù)技術(shù)中，利用非食用經(jīng)濟作物進行替代種植，吸收、轉(zhuǎn)運、累積土壤中的重金屬，從而修復(fù)重金屬污染耕地的方法具有成本低、效益高、操作簡單等優(yōu)點。由于在實際修復(fù)過程中，食用作物不可避免進入食物鏈當(dāng)中，因此不宜采取可食的作物進行植物修復(fù)，采用非食用經(jīng)濟作物在保持農(nóng)田經(jīng)濟產(chǎn)出的同時，還能不斷提取土壤中重金屬，是當(dāng)前植物修復(fù)的研究熱點。

從修復(fù)環(huán)境污染的角度考慮，非食用經(jīng)濟作物是經(jīng)生產(chǎn)加工后不經(jīng)食物鏈進入人體內(nèi)的作物，主要包括棉花、蓖麻等作物。非食用經(jīng)濟作物分為能源作物和纖維作物兩種類型，能源作物是指用來作為非食糧燃料的植物，常見用于植物修復(fù)的能源植物主要有蓖麻。研究發(fā)現(xiàn)，蓖麻每年對土壤Hg的凈化率達(dá)41%，使土壤的自凈年限縮短8.5倍[10]。纖維作物是可作為工業(yè)原料的一類作物，常用于植物修復(fù)的纖維作物主要有苧麻，盆栽試驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，螯合劑和泥炭配施能更好地促進苧麻對Cd的吸收，表現(xiàn)出較強的修復(fù)能力[11]。由于非食用經(jīng)濟作物及其經(jīng)濟產(chǎn)物不參與人體及動物體食物鏈傳遞，不會對健康產(chǎn)生危害，越來越多的非食用經(jīng)濟作物被應(yīng)用到重金屬污染修復(fù)治理中。

3 非食用經(jīng)濟作物在重金屬修復(fù)中的應(yīng)用

3.1 棉花

棉花是我國最重要的纖維作物，其經(jīng)濟產(chǎn)物為非直接食用產(chǎn)品，生物量大，主產(chǎn)品經(jīng)濟價值較高，是重金屬污染區(qū)最佳的修復(fù)作物之一。研究表明，棉花對Cd、Zn、Pb等重金屬具有較強的吸收、累積能力，連續(xù)幾年種植棉花（棉稈拔除）可顯著減輕土壤重金屬污染程度[12]。2014年長株潭替代種植區(qū)Cd修復(fù)的評價結(jié)果顯示：土壤中Cd含量比播種前平均下降17.8%，2015年土壤Cd含量比播種前下降30%[13]。這表明棉花用于Cd污染耕地修復(fù)種植具有較高的潛力和可行性。

盆栽試驗研究結(jié)果表明，當(dāng)土壤中Zn濃度<16 mg/kg、土壤中Mn濃度<60 mg/kg時，棉花總產(chǎn)量不受土壤Zn-Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響[14]。棉花對Cd的富集特征結(jié)果顯示，重金屬Cd主要富集在棉花的根系，且在低Cd濃度≤5 mg/kg時，棉花地上部的吸Cd量為每株14.91 μg，說明低Cd濃度時，棉花可作為一種耐受性植物修復(fù)低Cd污染土壤[15]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤Zn含量為100 mg/kg時，棉花葉片的Zn轉(zhuǎn)運系數(shù)最高為1.981，這說明當(dāng)土壤中的Zn濃度較低時，棉花葉片對Zn具有較高的富集作用[16]。采用盆栽試驗研究土壤中Cd和Pb對水稻和棉花的影響，結(jié)果表明重金屬對水稻和棉花的生長有負(fù)面影響，且與水稻相比，棉花葉片中Cd和Pb的含量更高，說明棉花對重金屬Cd和Pb具有較強的吸收富集能力[17]。

對于棉花品質(zhì)而言，Cd脅迫的影響并不顯著，不同濃度Cd脅迫的影響也沒有顯著差異;在低濃度Cd脅迫下，其纖維品質(zhì)得到一定程度的提升，包括纖維長度、細(xì)度、斷裂比強度以及長度整齊度指數(shù)。因此，從棉花纖維產(chǎn)量及品質(zhì)上評估，棉花適合在低濃度Cd污染耕地上替代種植;但要在較高濃度Cd污染土壤中實現(xiàn)替代修復(fù)種植，需進一步改良棉花的Cd耐受性[18]。

因此，棉花對于低濃度Pb、Cd、Zn等重金屬具有一定的吸收、富集能力和耐受性，將其運用于修復(fù)輕度重金屬污染土壤的項目中可以發(fā)揮到很好的效果。對于中、高度重金屬污染土壤地區(qū)應(yīng)避免種植棉花，防止造成棉花產(chǎn)量下降。

3.2 桑樹

桑樹屬速生木本植物，是一種雌雄異株植物，也是一種分布廣泛、適應(yīng)性較強的資源植物。其發(fā)達(dá)的根系能促進土壤中重金屬元素的吸收。在試驗區(qū)栽桑，耕作層Cd含量每年平均降低1.33 mg/kg[19]。桑樹對礦區(qū)土壤中重金屬的原位去除效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，每平方米耕作層土壤上桑樹對Cu的遷移總量為12116.1 mg，修復(fù)年限為2.01年，對Pb的遷移總量為7409.83 mg，修復(fù)年限為15.45年，對Cd的遷移總量為2056.4 mg，修復(fù)年限為1.26年，對Zn的遷移總量為254532.8 mg，修復(fù)年限為0.39年[20]。

研究認(rèn)為桑樹雄株在環(huán)境影響下具有更強的抗性相一致[21]。在Pb污染區(qū)種植桑樹研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中Pb處理濃度為200 mg/kg左右時，桑樹能夠正常生長[22]。研究表明土壤Cd濃度為54.1 mg/kg時，桑葉Cd含量為1.55 mg/kg，說明桑樹具有一定的Cd富集能力[23]。研究發(fā)現(xiàn)，Cd主要集中在桑樹的根部，葉片中的Cd含量相對較低，即使當(dāng)土壤中的Cd含量高達(dá) 145 mg/kg時，其葉片中的Cd含量也沒超過2.5 mg/kg[24]。桑樹不僅自身對重金屬有一定累積作用，而且通過一系列外加強化措施還能增強其對重金屬污染土壤的修復(fù)作用。通過EDTA對桑樹吸收重金屬Pb的研究發(fā)現(xiàn)，在相同的重金屬Pb污染濃度下，加入0.55 mmol/L EDTA的桑樹對Pb的吸收量比不添加EDTA的對照組明顯增高[25]。以上研究表明，桑樹對修復(fù)重金屬復(fù)合污染土壤的耐性較強，能在修復(fù)礦區(qū)污染土壤上發(fā)揮重要作用。

對于桑樹品質(zhì)而言，從輕度污染土壤采集的葉片生長發(fā)育正常，蠶絲、蠶蛹和蠶糞均達(dá)到國家紡織品、飼料和農(nóng)業(yè)污泥標(biāo)準(zhǔn)。桑樹在Cd濃度小于40.6 mg/kg的土壤中仍能正常生長，且在此濃度下蠶的生長發(fā)育和蠶繭質(zhì)量均屬于正常[26]。因此，桑樹作為礦區(qū)污染土壤的修復(fù)植物，具有廣闊的應(yīng)用前景和現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。利用重金屬污染土壤種植桑樹來發(fā)展養(yǎng)蠶業(yè)時，應(yīng)注意及時加強養(yǎng)蠶時的殘存桑葉以及蠶排出的糞尿等含Cd殘留物的管理，防止重金屬污染的擴散。

3.3 蓖麻

蓖麻作為世界十大油料作物之一，其生物量大，適應(yīng)性廣，是理想的油料作物和環(huán)保植物。已被國內(nèi)外學(xué)者證明對Cd、Pb、Zn等多種重金屬具有較好的耐受性和累積能力，是一種潛在的修復(fù)重金屬污染土壤的植物[27]。蓖麻對尾礦土中Pb、Zn、Cd去除發(fā)現(xiàn)，蓖麻對Pb、Zn、Cd的吸收表現(xiàn)為Zn>Cd>Pb，且Zn、Cd在蓖麻體內(nèi)的累積量達(dá)到了超富集植物累積量標(biāo)準(zhǔn)，表明蓖麻具備較強的復(fù)合重金屬污染耐性和富集能力[28]。

通過蓖麻種苗對水體中Cu去除研究發(fā)現(xiàn)，在較短時間內(nèi)，蓖麻根部能累積較高的Cu，達(dá)到Cu的近超量積累效果[29]。蓖麻在土壤Cd處理濃度達(dá)到400 mg/kg時仍能生長，同時蓖麻根系對Cd的積累量大于地上部對Cd的積累[30]。研究證明，蓖麻在積累較高濃度Cd、Cu的同時，對Pb、Zn也具有一定的吸收能力[31]。通過蓖麻對重金屬Zn的耐性與積累特性研究發(fā)現(xiàn)，在Zn濃度為2000 mg/kg時仍能生長，蓖麻植株對重金屬Zn表現(xiàn)出較強的吸收和累積特性，表明蓖麻是一種高濃度Zn污染的耐性植物[32]。通過一系列外加強化措施還可以加強其對重金屬污染土壤的凈化作用。向蓖麻根際引入蠟樣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌和銅綠假單胞菌，植物地上部Pb的吸收量分別比對照顯著增加40%、18%和19%[33]。

蓖麻對于土壤中重金屬Zn、Pb、Cd、Cu污染都具有較強的耐性，且表現(xiàn)為“低促高抑”，因此蓖麻對于修復(fù)重金屬污染土壤具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。但蓖麻對Cd向地上部運輸?shù)哪芰^差，因此在實際應(yīng)用中應(yīng)考慮這方面的問題。應(yīng)當(dāng)通過改善其生長條件和基因技術(shù)，以提高蓖麻將根部積累的重金屬向地上部運輸?shù)哪芰?，使其能用于高濃度污染土壤的修?fù)。

3.4 苧麻

苧麻為多年生纖維作物，其根系發(fā)達(dá)，生長迅速，具有較強的抗逆性、生物量大等特點。通過不同來源的苧麻在田間和水培條件下對重金屬As、Cd、Pb和Zn的耐受性進行研究，結(jié)果認(rèn)為苧麻對Pb、Zn、Cd和As具有一定的組織結(jié)構(gòu)耐受性，在植物各部位，尤其是根系中積累了一定程度的重金屬，可作為重金屬污染場所植物修復(fù)的良好選擇[34]。從種植于Cd污染農(nóng)田的40份苧麻品種中，篩選8個苧麻品種進行植株各部分及土壤Cd含量測定，結(jié)果表明不同苧麻品種均可明顯降低根際土的含Cd量，其中最高的宜春紅心麻品種可使根際土的Cd含量相對田間土的Cd含量降低80.84%，最低的8322號品種也能使根際土Cd含量降低34.85%[35]。

安化縣Cd污染農(nóng)田利用苧麻進行生物凈化結(jié)果顯示，中苧一號原麻每年的產(chǎn)量可達(dá)3450 kg/hm2，同時地上部每年能帶走Cd 0.28 kg/hm2[36]。苧麻對重金屬Pb耐受性的研究發(fā)現(xiàn)，在低濃度處理≤800 mg/kg時能促進苧麻植株生長，在最高處理濃度為2300 mg/kg時，苧麻仍能完成生長周期，表明苧麻對重金屬Pb具有較強的耐受性[37]。以野生型和栽培型兩種類型苧麻耐Cd能力以及Cd富集積累特性進行研究，結(jié)果表明富順青麻、冷水江野麻和“湘苧3號”對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于1，表明苧麻植株向地上部運輸Cd的能力較強，對Cd有一定的富集能力[38]。

苧麻纖維品質(zhì)的優(yōu)劣是評價種質(zhì)的重要指標(biāo)之一。通過對Hg污染稻田改種苧麻和利用HgCl2處理土壤的盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤含Hg量在5-130 mg/kg范圍時，Hg對苧麻產(chǎn)量和品質(zhì)未造成顯著影響[39]。Cd對苧麻纖維品質(zhì)的影響程度相對較小，通過對12份苧麻品種Cd污染土壤適應(yīng)性研究表明，在Cd含量超過100 mg/kg的土壤下，其經(jīng)濟性狀和纖維產(chǎn)量并沒有降低，產(chǎn)出的麻纖維仍能滿足加工中等質(zhì)量麻織品的質(zhì)量要求[40]。

以上研究表明，用苧麻作為修復(fù)重金屬污染土壤的植物，不僅適用性廣，可以降低健康風(fēng)險同時還具有較好的經(jīng)濟效益。由于苧麻對重金屬的毒性有一定的適應(yīng)性，故在實際應(yīng)用中注意選擇適宜的苧麻栽培品種，合理種植，合理處理除原麻之外的丟棄物防止重金屬的擴散，既可以修復(fù)污染土壤又可以保證較高的經(jīng)濟效益。

3.5 劍麻

劍麻是多年生草本植物，其根系發(fā)達(dá)、生物量大。由于其加工產(chǎn)品與食物鏈分開，因此常用其修復(fù)重金屬污染土壤。濃度為1000 mg/kg的中度Cu污染土壤上劍麻植株可以正常生長，按每公頃4500株劍麻計算，其一年地上部可以移走32.50 kg的Cu[41]。按中國劍麻葉片平均產(chǎn)量計算，每公頃劍麻葉片所帶走的Pb量為127.5 kg，按照重金屬Pb土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)值為≤35 mg/kg，修復(fù)三級污染土壤（500 mg/kg）需要8年，修復(fù)二級污染土壤（300 mg/kg）需要4.7年[42]。以上研究表明，劍麻具有修復(fù)重金屬Cu、Pb污染土壤的潛力。

劍麻根系發(fā)達(dá)，在Pb濃度高達(dá)15900 mg/kg下仍能存活，說明該植物對Pb污染具有極強的抗性，可將其用于生態(tài)重建[43]。砂培試驗結(jié)果表明，劍麻在Cu濃度<1000 mg/kg時仍能正常生長，濃度達(dá)到4000 mg/kg以上時整個劍麻植株才死亡[44]。

由于全球能源和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，采用天然植物纖維替代合成纖維在復(fù)合材料中的應(yīng)用，廣泛受到關(guān)注。目前有關(guān)重金屬污染對劍麻品質(zhì)影響的相關(guān)研究較少，暫未能從品質(zhì)上對劍麻能否在重金屬污染土壤上種植進行評估，但劍麻纖維取自劍麻的葉片，而以上相關(guān)研究表明劍麻地上部的重金屬含量相對較低，因此推測其纖維品質(zhì)也不受影響，推測有待進一步研究考證。通過以上研究表明，劍麻在修復(fù)重金屬Pb、Cu污染地區(qū)具有較大的應(yīng)用潛力。劍麻根系向地上部分運輸Pb的能力較弱，因此如何促進Pb向劍麻地上部分的轉(zhuǎn)移仍是未來研究的難題。

4 展望

利用非食用經(jīng)濟作物修復(fù)重金屬污染土壤不僅可以阻止As、Cu、Zn、Cd、Pb等重金屬進入食物鏈，消除對人體健康的影響，而且能大規(guī)模修復(fù)污染土壤并且能帶來一定的經(jīng)濟效益，是一項具有很好應(yīng)用前景的修復(fù)技術(shù)。目前雖然已取得了階段性的研究進展，但并不完整，尚有較多需要研究和完善之處。

非食用經(jīng)濟作物在生活中較為常見，具有良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益，但如何在重金屬污染土壤的生態(tài)修復(fù)中加以合理高效利用尚需深入研究;不同作物對于不同重金屬的耐性不同，不同作物對于重金屬的富集量也不同，幾種非食用經(jīng)濟作物對重金屬元素的吸收積累具有較明顯的種間差異，因此，如何針對不同地區(qū)污染狀況選擇合適的修復(fù)作物是今后需要進一步探索的問題;目前有關(guān)重金屬污染對非食用經(jīng)濟作物品質(zhì)影響的相關(guān)研究較少，暫未能從品質(zhì)上對非食用經(jīng)濟作物是否適合在重金屬污染土壤上種植進行評估，因此是今后需要進一步重點探索的問題。

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