矿区周边重金属污染土壤植物修复技术研究进展

赵云峰 张涛 田志君 吴大鹏 梁凯旋 韩娟娟

摘 要：矿产资源的开发利用引起的环境问题日益突出，矿区周边土壤的重金属污染已对生态环境、食品安全和人体健康构成了威胁。相比于传统的物理和化学修复技术，植物修复技术具有修复面积广、成本低廉、对土壤扰动小、操作方便管理简单、无二次污染等优点，因此受到广泛的关注。本文主要介绍了植物修复技术、超积累植物、富集系数、转运系数的概念及国内外关于超积累植物筛选的研究进展，重点总结了铅锌矿、煤矿、铁矿、铜矿、锰矿、金矿周边生长的典型修复植物，并论述了植物修复技术的作用机理，最后对矿区周边重金属污染土壤植物修复研究進行了总结，并对未来的发展方向提出了建议，以期为建立矿区人工植物修复系统，在矿区进行土壤重金属污染修复时选择合适的植物种类提供参考依据。

关键词：矿区;土壤;重金属污染;植物修复技术;超积累植物

Research Progress on Phytoremediation Technology of Heavy Metal Contaminated Soil around Mining Area

ZHAO Yunfeng， ZHANG Tao， TIAN Zhijun， WU Dapeng， LIANG Kaixuan， HAN Juanjuan

（Beijing Geological Engineering Design Institute， Beijing 101500）

Abstract： Environmental problems caused by the exploitation and utilization of mineral resources are becoming more and more serious， among which the heavy metal pollution in the soil around the mining area has become a threat to the ecological environment， food safety and human health. Compared with the traditional physical and chemical remediation technologies， phytoremediation has attracted extensive attention， because of its advantages， like wide remediation area， low cost， small soil disturbance， easy operation， simple management， without secondary pollution. This paper firstly introduces the concepts of phytoremediation， hyperaccumulator， bioconcentration factors （BCF） and translation coefficient （TC）， and the screening progress of hyperaccumulator all over the world. And then the typical remediation plants around zinc and lead mine， coal mine， iron mine， copper mine， manganese mine and gold mine were summarized， together with their phytoremediation mechanism. Finally， the phytoremediation of heavy metal contaminated soil around the mining area are summarized， and some suggestions are put forward for future development， with the aim to provide reference for the establishment of artificial phytoremediation system in mining areas and the selection of appropriate plant species for the remediation of heavy metal polluted soil in mining areas.

Keywords： Mining area; Soil; Heavy metal pollution; Phytoremediation technology; Hyperaccumulator

0 前言

我国有着十分丰富的资源储备，在我国经济发展过程中，矿山资源的开发和利用占重要地位。但是由于开采方法不当等问题，矿业开发所造成的土壤重金属污染问题日益凸显。重金属长期存在于土壤中可能会改变土地利用性质，造成适宜的耕地农田减少，导致农作物重金属超标，最终会通过食物链危及人类的健康和生命。因此矿区周边重金属污染土壤的治理和修复已成为亟待解决的环境问题之一。传统的治理土壤重金属污染的物理和化学方法，成本高、破坏土层结构、存在二次污染等问题，不宜大面积使用。植物修复技术作为新兴的一种环境友好型修复技术，与传统的物理和化学修复技术相比，具有一些无可比拟的优越性。该方法修复面积广，成本低廉，原位修复对土壤扰动小，操作方便管理简单，无二次污染，同时增加了矿区植被覆盖，有效保护表土、减少水土流失、恢复植被景观、丰富生物多样性，对于金属矿区周边土壤及矿区废弃地的生态恢复、矿区重金属污染土壤的修复具有重要的现实意义和较强的可操作性（付雄略等，2017）。目前通过植物修复技术利用重金属超富集植物的提取作用永久性地从污染土壤中去除重金属被认为是最有前途的重金属污染土壤修复技术（孙健等，2006）。

1 矿区周边重金属污染土壤植物修复研究现状

1.1 植物修复技术相关概念

植物修复技术是近几年环保领域发展起来的一项新技术，是指在受到重金属污染的土壤上种植自然生长或遗传工程培育的某种特定植物，结合其根际微生物体系，通过吸收、累积、固定、净化等作用去除土壤中的重金属污染物，并逐步改善土壤养分状况，同时恢复土壤原有地貌，促使局部气候改善、微环境得以优化的环境治理技术（武强等，2008;王立，2019;罗仙平等，2013）。能够在重金属污染土壤上生长的特定植物即为超积累植物，这一概念在1977年由新西兰地质学家Brooks正式提出（Brooks et al.，1977），随后美国科学家Chaney等（1997）首次提出了利用超积累植物消除土壤重金属污染的思想，人们逐渐将重金属污染治理的研究重点转向了植物修复技术。一般来说，矿区土壤是一种极端的生境，其理化性质都发生了很大的改变，土壤结构差，缺乏水分和必须的营养物质，极端的pH值，重金属含量高等问题，严重影响了植物的生长和定居（杨胜香等，2007）。虽然矿区生态环境恶劣，但仍有些植物能够在逆境中生存，因此长时间观测自然条件下的群落植物修复效应，筛选可能具有污染土壤修复潜力的乡土耐性植物和超积累植物，对特定矿种的植被恢复和重金属污染土壤修复具有重要意义（张轩等，2016;刘茜等，2009）。

超积累植物是指能够在重金属浓度较高的环境中正常生长并积累重金属超过100mg/kg Cd，或1000mg/kg Cu、Pb、Ni和Co，或10000mg/kg Zn和Mn的植物（邓小鹏等，2011）。用于矿区重金属污染土壤修复的超积累植物应符合以下几个条件：第一，在污染物浓度低时也具有较高的积累效率，地上部重金属含量是普通植物在同一生长条件下的100倍，生物富集系数和转运系数都大于1;第二，抗逆性强，抗虫抗病能力强，能够在恶劣的矿区环境中良好生长，不会发生毒害现象;第三，生长快，生物量大;第四，能同时富集2种或多种重金属。另外，所选的植物种类最好具有一定的观赏和经济价值，可以转化为能源物质（张前进等，2013;董琳等，2017;吴先亮等，2018）。其中，富集系数和转运系数是衡量超积累植物的两个最重要因素，是重金属超积累植物区别于普通植物的一个重要特征。

植物对重金属的吸收具有选择性，不同植物对同一种重金属的吸收能力不同，同一种植物对不同重金属的吸收能力也不同，富集系数反映了植物对重金属的吸收能力。生物富集系数是指植物体内某种重金属元素含量与土壤中同种重金属含量的比值。富集系数越大，表明植物越易从土壤中吸收该元素，即该元素的迁移能力越强，同时，利用植物修复技术修复该元素污染土壤的可行性就越大（张前进等，2013）。对草本植物而言，当BC<0.5，说明植物对重金属的积累能力较弱;BC在0.5～1.0之间，对重金属有一定的积累能力;>1.0，说明植物对重金属的富集能力较强（吴汉福等，2016）。对木本植物而言，当BC≤0.2，说明植物对重金属污染的修复能力较弱;BC在0.2～0.4之间，对重金属有一定的积累修复能力;当BC≥0.4，则说明植物对重金属污染的修复能力较强（杨永红等，2016）。在植物修复过程中，修复能力的强弱除了与植物的富集系数有关外，还决定于植物的轉运系数。生物转运系数是指植物从土壤中吸取重金属元素并由生长周期较长的根向生长周期较短的茎叶转移能力的大小（孙健等，2006），等于植物地上部分重金属的量除以植物根中该重金属的量，它反映植物将重金属从根部向茎叶转移能力（崔晓艳等，2010）。当转运系数大于1时，说明植物能够大量吸收某种重金属并将其从地下部分转移到地上部分，经过多次种植和收割该种植物，就可以将重金属逐渐从土壤中除去，从而达到修复污染的目的（张浩嘉等，2017）。

1.2 国外研究进展

重金属超积累植物的筛选研究在国外起步较早。据不完全统计，全球共发现约500种，广布于植物界45个科，其中以Ni超积累植物最多，约有300多种。此外还有Cu 38种、Se 20种、Zn 21种、Mn 11种、Pb 12种、Cr 3种、As 5种和Cd 20种（王科等，2008）。加拿大发布了750多种陆生和水生、野生和培植的潜在超富集植物目录（Kumar et al.，1995）。目前国外研究得最多的植物主要为芸薹属（Brassica）、庭荠属（Alyssuns）和遏蓝菜属（Thlaspi）（封功能等，2008）。Baker等人（1994）在英国的洛桑试验站首次以田间试验的形式研究了超积累植物天蓝遏蓝菜，结果显示天蓝遏蓝菜在净化Zn污染土壤方面具有极大的潜力，体内富集的Zn是普通萝卜的150倍。芥菜组织中Zn的浓度可达1/3，比天然遏蓝菜能够更加有效的去除土壤中的Zn污染，同时芥菜生物产量是天蓝遏蓝菜的10倍（Ebbs et al.，1997）。Salt等（1995）发现印度芥菜对Cd的富集能力很高，且生物量大，但印度芥菜有很强的地域性，不适宜在我国大面积种植。普通荞麦对Pb有极强的富集能力，研究结果显示，Pb在普通荞麦体内的含量高达10000mg/kg，转移系数达到3.03（Tamura et al.，2005）。国外报道的关于Pb的超积累植物还有向日葵、圆叶遏蓝菜属、香根草等（Chandra et al.，2005;Brooks et al.，1998;Antiochia et al.，2007）。Visoottivseth等（2002）在As污染严重的尾矿中发现，蒙塔那菊、细弱翦股颖、匍茎翦股、狗牙草能够很好的生长，对As表现出极强的耐 性。此外，研究发现大虎杖、澳大利亚粉叶蕨、蜈蚣草的积累量都达到国际标准参考值，且具有较强的转运能力，可作为积累植物用于As污染土壤的修复（Kachenko et al.，2007;Bohdan et al.，2011）。国外报道的Cu的超积累植物较少，有荸荠、蓖麻、鸭跖草、密毛蕨等，其中荸荠的转运系数可达45.7（Sanijay et al.，2012;Kidd et al.，2005）。

1.3 国内研究进展

从空间分布上看，超积累植物一般生长在矿山区、成矿作用带或由富含某些化学元素的岩石风化而成的地表土壤上，构成了生态学岛屿，且是不均匀分布，因此在矿山区对本地优势植物进行分析是矿区进行植物修复很重要的一步（龙健等，2019）。我国在超积累植物筛选方面的研究工作虽然起步较晚，但也取得了不少成果，表1统计了部分我国典型矿种周边生长的土壤修复植物。

从表1可以看出，目前我国寻找和筛选修复植物主要以铅锌矿和煤矿的研究较多，对于其他金属矿种尤其是金矿的研究报道数量较少。适合在矿区生长且具有土壤重金属污染修复潜力的植物种类主要集中在菊科和禾本科，大部分为一年生或多年生草本植物，少数为灌木和乔木。草本植物抗逆境能力强，是一类人为与自然选择双重压力下产生的高度进化的植物类群，具有广泛的适应性和顽强的生命力，这些特性可能使草本对重金属有较强的耐性和排异性，同时草本也具有较强的争光、争水、争肥能力，吸收能力很强，这种较强的吸收特性可能利于草本植物对重金属的积累（王科等，2008），再加上禾本科和菊科植物种子传播能力强，对环境适应性较广（李凤梅等，2017），使得菊科和禾本科草本植物成为修复矿区重金属污染土壤较理想的植物类型。从表1中还可以看出，部分植物在文献报道中多次出现，或可以在2种或多种矿区中生长，此部分植物分别列于表2和表3。

结合表2和表3可以看出，商陆、龙葵、小飞蓬、鸭跖草、蜈蚣草、狗尾草、鬼针草、铁杆蒿在不同矿种的修复植物筛选研究中多次出现，说明其具有较高的土壤重金属污染修复能力，且生命力旺盛，能够适应多种恶劣的矿区生长环境，是矿区进行土壤重金属污染修复时理想的植物种类。刘茜等（2009）人对湘潭锰矿业废弃地自然定居的草本植物进行研究，发现商陆和荩草对Mn的吸收量分别达到10929mg/kg和10613mg/kg，对Mn的富集系数分别为50.89和49.42，转运系数为13.49和19.00，应将商陆和荩草视为重金属Mn的超积累植物。采集湖南及江苏8个矿区或冶炼厂周边的4种茄科植物后发现，龙葵根、茎、叶中Cd的质量浓度最高分别达177.0mg/kg、197.0mg/kg、187.0mg/kg，远超过国际公认的Cd超积累植物标准100mg/kg，印证了龙葵对Cd的超积累能力（邓小鹏等，2011）。生长在广东梅州明山煤矿的胜红蓟和小飞蓬叶片吸收、囤积的重金属元素高于根部和茎部，有利于通过对植物的大面积收割、治理回收利用重金属，且胜红蓟和小飞蓬对Cd的富集系数分别为7.43和4.29，可以认为是明山煤矿废弃地土壤镉的超积累植物（沈洽金等，2011）。李凤梅等（2017）对湘西典型锰渣库优势植物进行调查发现，鸭跖草和商陆体内Mn和Zn含量均超出正常含量的上限值，对Mn的富集系数大于1，对Cd、Mn、Pb、Zn的转移系数均较高，可作为重金属轻度污染土壤的修复植物。孙楠等（2016）人结合北京市采矿废弃地土壤地质环境情况，选取金矿、铁矿和煤矸石堆为研究对象，进行植物修复研究。共开展4种类型的修复试验，即选用高羊茅、紫花苜蓿和三叶草3种修复植物分别进行修复，同时与板蓝根、桔梗、波斯菊和薄荷等中草药进行混合种植修复，在植物生命周期的不同阶段采集样品分析测试。结果表明：在4种修复类型中，高羊茅对金矿尾矿土中Pb、Zn、Cr、Cd去除效果最好，最大去除率达到18.10%、14.57%、13.81%、18.12%;混合种植对铁矿尾矿土中Cr、Ni、As、Hg去除率达到4种修复类型的最大值，分别为14.81%、9.80%、37.25%、50%。三叶草对煤矸石修复效果最好，对Cr、Pb、Zn、Cd的去除率分别为5.65%、37.15%、15.15%、20%，是4种修复模式去除率的最大值。综合植物修复效果看，高羊茅对于污染程度最大的金矿尾矿土修复效果最好;混合种植的修复模式对污染程度稍低的铁矿尾矿土具有最佳修复效果;三叶草在污染程度最低的煤矸石土中具有最满意的修复效果;紫花苜蓿在金矿尾矿土修复效果较好，但在铁矿尾矿土和煤矸石土的修复效果均为最弱。在重金属污染程度较高的土壤修复中，首选高羊茅和紫花苜蓿作为主要的修复植物，在土壤重金属污染程度不高的修复工程中，可以综合考虑景观效果和经济价值，选择多种植物进行混合种植，可能取得最佳的修复效果。

2 土壤重金属植物修复技术机理

作为绿色生物技术，植物修复技术利用植物及其根际微生物的联合作用，通过植物提取、植物稳定、植物挥发3种途径达到对重金属污染土壤的修复效果。

植物提取是指利用重金属超积累植物的富集和转运作用，将重金属从污染土壤中经过根部吸收，并转移到植物的地上部分，通过连续的种植和收获植物来减少土壤中重金属含量，最终达到修复污染的目的（安浩，2012）。一般狭义的植物修复技术即为植物提取，它可以永久地去除土壤中的重金属，是目前研究最多且具有发展前景的一种生态修复技术。植物提取技术的关键，在于超积累植物的筛选。国内外科学家已经在植物资源的调查、鉴定和研究方面开展了大量的工作。韦朝阳等（2002）和陈同斌等（2002）对湖南一些炼砷区的植被和土壤污染状况进行了研究，首次发现砷的超富集植物蜈蚣草叶片含砷量高达5000mg/kg，此后，又发现了与蜈蚣草同属的另一种凤尾蕨类植物大叶井边草对砷具有明显的富集功能。束文圣等（2001）在湖北铜绿山古冶炼渣堆进行了植被和土壤调查，发现鸭跖草是铜的超富集植物，可用于铜污染土壤的植物修复与重建。薛生国等（2003）对湘潭锰矿污染区的植物和土壤进行了野外调查，发现陆科植物商陆对锰具有明显的超富集性。刘威等（2003）发现并证实宝山堇菜是一种镉超富集植物。杨胜香等（2006）通过对广西平乐锰矿区受污染土壤及该区7种优势植物的调查和重金属含量的分析，发现其中山茶科木荷叶子中锰含量高达30075.94mg/kg，表现出对锰的超富集能力。

植物稳定就是利用一些耐重金属植物或超积累植物的根系及其微生物群组的分泌物，通过改变土壤的物理、化学、生物等条件，将重金属从有毒形态转化为低毒或无毒形态，使其附着于植物根系周围，从而降低重金属渗漏污染地下水和进入食物链的风险，减少对环境和人类健康的危害（李红霞等，2005;郭丹丹等，2012;罗仙平等，2013）。植物稳定技术包括分解、沉淀、螯合、氧化还原等多种过程，适用于土壤质地黏重，有机质含量高的污染土壤的修复，对矿区土壤重金属污染物和放射性核素污染物固定尤为重要（武强等，2008）。有学者指出，在微生物吸附过程中，金属离子可以通过配位、螯合与离子交换、物理吸附及微沉淀等作用中的一种或几种复合至细胞表面，降低金属离子的生物活性，从而减少植物对重金属元素的吸收（李韵诗等，2015）。豆科植物将重金属固定在根系中，防止重金属在土壤中移动，属于植物固定的修复方法，大多数豆科植物都可以将重金属固定在根系细胞内，使重金属与植物细胞内的谷胱甘肽、金属硫蛋白、有机酸、组氨酸、烟碱酸等分子螯合并储存在根系液泡中，远离植株地上部的生理反应，减少对植株的毒害（黑泽文等，2019）。需要注意的是，植物稳定只是暂时改变了重金属元素的形态和生物有效性，但土壤中重金属总量并没有发生变化，一旦土壤环境发生改变，钝化的重金屬有可能被诱导活化，重新产生毒性，仍有扩散、渗滤的可能。

植物挥发，是利用植物根系分泌的一些特殊物质或者微生物使土壤中的某些重金属转化为挥发形态，或者植物将污染物吸收到体内后将其转化为气态物质释放到大气中，达到治理土壤重金属污染的目的（高陈玺等，2013）。目前已有的研究主要是针对易形成具有挥发性、低毒性的金属元素汞和类金属元素硒。有人将细菌体内汞的还原酶基因转入拟南芥中表达，然后通过种植该植物来消除土壤中的汞元素（Rugh et al.，1998）;在污染土壤中种植洋麻、牛毛草等植物可将环境中的硒转化为气态形式的二甲基硒和二甲基二硒（Banuelos et al.，1997）。该技术的应用范围仅限于可挥发性重金属，无法大规模应用，且转化的气态重金属对环境是否会造成二次污染仍需进一步研究。

3 结论与建议

植物修复技术是一条绿色环保，符合大众心理需求的新兴生态净化途径，结合目前国内外植物修复技术的研究现状，得出如下结论和建议：

（1）商陆、龙葵、小飞蓬、鸭跖草、蜈蚣草、狗尾草、鬼针草、铁杆蒿能够生长在不同地区不同矿种的矿区环境中，在矿区修复治理时可以进行优先选择。

（2）目前的研究多集中于铅锌矿和煤矿，对其他矿种尤其是金矿的文献报道较少，可以扩展研究的范围，丰富不同矿种的超积累植物资源库，以期为同种矿区开展污染土壤的植物修复提供借鉴和参考。

（3）目前发现的超积累植物多是草本植物，木本植物的种类较少。应加大对木本植物的开发和研究。虽然木本植物对重金属的吸收积累量远不如草本植物，但对于生物量为草本植物的几十乃至数百倍的成年木本植物而言，所积累的重金属总量远远高于一般超富集草本植物，因此，木本植物对矿区的植被恢复和景观美化具有重要的生态意义。

（4）草本的超积累植物生长周期短，生物量小，对重金属的吸收量相对较小，导致修复效果受到影响，将重金属污染土壤修复到安全水平需要很长时间，因此可以探究各种土壤改良措施与植物修复技术的联合应用，探究各种物理耕作措施和化学改良剂与植物种植的联合修复效果，提高植物对重金属的吸收量，从而大大促进植物修复技术在土壤中的应用。

（5）植物将重金属吸收转移至地上部后要及时收割，防止植物枯萎腐败后重金属元素重新迁移到土壤中。将富集重金属的植物回收、提纯，提高重金属的利用率，防止二次污染。

目前我国矿区周边重金属污染土壤的植物修复仍处于研究和小规模试验阶段，要实现商业化应用还有相当的距离。针对矿山的具体情况，通过结合生态学、土壤學、遗传学、环境科学等多学科交叉研究，植物修复技术将会成为矿区周边重金属污染土壤治理的最具吸引力的原位绿色环保技术。

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