植物修复重金属强化技术和间套种研究进展

李非里，邵鲁泽，吴兴飞，陆敏英

(浙江工业大学 环境学院，浙江 杭州 310014)

随着全世界科学技术和城镇化的发展，许多重金属被大量应用，并且通过垃圾焚烧[1]、矿山尾矿[2]等一系列人为活动排放到环境当中。在过去的50 年中，全世界排放的重金属有数百万吨[3]，它们以大气沉降、污水和固体废弃物排放、微塑料吸附[4]等方式进入土壤环境。土壤重金属污染的治理难度大、危害强。Chaney在1983年提出一种新的土壤污染修复理念，即利用超富集植物对重金属的富集能力修复重金属污染土壤。工程性的试验研究和实地应用效果表明，植物修复技术拥有巨大的商业化前景。植物修复去除土壤重金属的方式有植物提取(Phytoextraction)、植物稳定(Phytostabilization)和植物挥发(Phytovolatilization)[5]，植物修复技术的缺陷也很明显，比如超富集植物大多生长缓慢、根系短小、生物量低，导致植物修复过程通常比较耗时，相比于常规的修复需要更长的修复时间，并且修复元素比较单一，导致修复效率比较低[6]。为了提高植物修复的效率，近年来学者们研究了许多植物修复的组合强化技术，其中强化植物提取土壤中污染重金属能力的途径主要有两种：一是促进超富集植物的生长，提高生物量；二是促进植物对重金属的吸收，例如土壤中的重金属能够被螯合剂活化，从而提高其在植物体内的富集量，因此螯合剂被广泛用于重金属污染土壤的植物提取强化中[7-8]。相比于单一修复方法，植物强化修复技术具有经济适用、周期短和操作程序简单等特点[9]。间套种技术是我国传统农艺技术之一，可利用其独特的生态位优势达到强化植物修复的目的。首先，在间套种时，利用生态位差异性比较大的植物，它们之间相互影响较小，有效提高了资源利用率，而且它们的分泌物可促进彼此生长，增加单位面积的植物产量；其次，间套种植物的分泌物，如一些氨基酸以及低分子有机酸等，可活化土壤中的重金属，并且还可以促进根际微生物群落结构变化，增加微生物的活性，从而提高植物对重金属污染土壤的修复能力[10]；最后，虽然间套种技术的植物之间存在着生态位差异性，但同时也是一种竞争关系，这种关系相互刺激了植物，使其增强对重金属的吸收[11]。

笔者将对这些植物修复强化技术作进一步讨论，并对目前研究存在的问题进行分析和展望，从根系分泌物、根际微生物和土壤pH等方面分析植物间套种修复强化技术修复土壤重金属机制，以及讨论如何选配间套种植物发挥重金属修复过程中的协同作用或拮抗作用。

1 植物强化修复技术

1.1 植物-螯合剂的联合修复

土壤中重金属大部分结合于土壤固相，以生物有效性最低的残渣态形式存在，成为植物修复重金属的主要限制因素[12]。螯合剂投入到土壤中后与土壤中的重金属发生螯合反应，并形成具有水溶性的金属络合物[13-14]，大大增加了重金属的生物有效性，从而促进植物对污染土壤中重金属的吸收富集，增加修复效果[15]。

目前，常用于强化植物修复的螯合剂主要有两类：第一类是人工合成的，包括常见的EDTA，EGTA和DPTA等；第二类是天然的，主要是一些低分子量有机酸，如柠檬酸、草酸和酒石酸等，也包括如硫氰化铵等无机化合物[16]。其中EDTA是最常用、有效的螯合剂，施用于燕麦(Avenasativa)、大麦(Hordeumvulgare)及印度芥菜(Brassicajuncea)后，能够显著提高植物对Zn的积累量[17]。此外，EDTA对土壤重金属污染中的Pb，Cd，Cu等元素也都具有一定的解吸能力[18]。相比于EDTA，EDDS对Cu和Zn有较强的亲和力，且易生物降解，对土壤中微生物的毒性小，具有更好的环境安全性[19]。投加EGTA后，苎麻地上部Cd的含量比对照组增加了2.2～3.3倍[20]。施用NTA之后可以使大田土壤中的Zn，Cd，Cu的溶解度分别增加21，58，9倍[21]。一些小分子酸和化合物，尤其是柠檬酸，可以活化土壤中Cu。如使用62.5 mmol/kg的柠檬酸，烟草地上部Cu的浓度比对照组提高了2倍[22]。虽然螯合剂对重金属的修复有很好的促进作用，但同时其本身可能会对环境产生一定的风险，要实现无害化，还需对植物强化技术进行更广泛的研究。

1.2 植物-微生物的联合修复

植物-微生物联合修复技术是一种强化植物修复技术，其借助土壤中微生物来协助植物根系对土壤中重金属进行吸收、稳定和络合螯合反应，提高植物修复土壤重金属污染的效率[23]。目前，该技术存在两种形式，分别是植物与专性菌的联合修复以及植物与菌根的联合修复[24]。

植物与专性菌株的联合修复是利用对重金属产生抗性的细菌促进植物的生长，并且刺激植物对重金属的吸收，以此提高植物对重金属的修复。Belimov等[25]在Cd污染土壤中种植印度芥菜，从其根际中分离出11 株不同的细菌菌落，这些菌落耐受Cd且含有(ACC)脱氨酶，能够促进印度芥菜根部生长，使Cd在根系中的富集量显著提高。Sun等[26]在从事铜矿区海州香薷和鸭跖草根部的研究中，筛出了其根际的促生菌，最终使两种植物的地上部分铜积累量上升了63%～125%，提高了植物对重金属污染土壤的修复效率。

植物与菌根的联合修复是利用土壤中真菌菌丝与高等植物营养根系形成的一种联合体。具有酸溶和酶解能力的菌根真菌，可以转移更多的营养物质到植物体内，并且能够产生一些植物激素，促进植物生长。另外植物的根际微环境也会因为菌根真菌本身的活动而改善，增强植物抗病抗逆境的能力[27]。早在1996年，Richen等[28]就开展了基因工程的根瘤菌(MesorhizobiumhuakuiiB3)和紫云英属豆科植物联合修复重金属的研究，菌根共生体能使根瘤中Cd2+的积累量增加17%～20%；黄艺等[29]在研究比较了菌根小麦和无菌根小麦在重金属污染土壤生长后的根际Cu，Pb，Zn，Cd的形态与变化之后，得出了这几种重金属的可交换态受菌根环境影响较大的结论，而Cu，Pb，Zn，Cd在菌根根际与有机质结合的含量都高于在非菌根根际时；Valentinuzzi等[30]研究了菌根小麦和无菌根小麦根际中的Cu，Pb，Zn，Cd的形态分布，也验证了菌根的重金属富集作用。微生物联合的植物重金属修复具有污染少、效果明显的优势，但从实验室走向实际应用，仍然须考虑很多环境因素。

1.3 植物-基因工程的联合修复

植物-基因工程联合修复技术是利用基因重组技术，将具有重金属积累特性的基因导入易收获且生物量大的植物中，并将此类植物用于土壤重金属修复工程的技术。该修复技术发展于基因工程技术，通过增加植物的重金属耐受性提高其重金属修复效率，具有对环境影响小、无二次污染等优点。随着细胞和分子水平上对重金属在植物体内新陈代谢机理和相关基因研究的不断深入，应用转基因技术提高植物对重金属的耐性和积累量也随之取得巨大进展[31]。Gisbert等[32]把小麦中的植物络合素合成酶基因转入粉蓝烟草(Nicotianaglauca)中，使该转基因烟草在含Pb2+质量分数为1 572 mg/kg的土壤中生长，并且该转基因烟草中Pb的积累量比野生型烟草高2倍；Martínez等[33]将小麦PC合成酶基因TaPCS1转入烟草中，提高了其对Zn，Pb，Cd，Ni的抗性，其中对Cd和Pb的抗性分别提高到原来的6倍和3倍。

以上3 种植物联合强化处理技术都各有自己独特的优势，但均阶段性地改变了这块土地的功能。在修复期内，农业生产要中断。中国作为一个农业大国，亟需开发适应我国国情的土壤修复方法。

2 植物间套种修复强化技术

间种是在同一块土地上，按一定比例一行或者多行间隔种植两种或两种以上生育季节近似的植物的方式；套种，即在前季作物生长后期的株、行或畦间播种或栽植后季作物的种植方式[34]。它们都是利用植物间生态位的差异性，将两种以上生态位有明显差异的植物同时进行种植，促进系统对资源充分利用，以提高植物产量[10]。Whiting等[35]在研究[29]玉米与东南景天套种时发现：此种方式能促进两种植物吸收更多的重金属；但是，薛建辉等[36]采用间作的模式种植茶树和杉木后发现：茶园土壤的Pb，Ni，Mn，Zn含量降低，而茶树叶片中4 种重金属的含量较单作也显著减少，茶叶品质得到改善；Su等[37]的研究也表明：Cd富集植物油菜与中国白菜间作在一起，能降低白菜对Cd的富集量。上述研究说明不同的间/套种方法，在重金属吸收方面拥有不同的效果，因此选择适当的植物进行间种或者套种，不失为一种强化植物修复土壤重金属的新途径。

2.1 常见重金属修复植物

重金属Hg，Cd，Pb，Cr和非金属As因其对人体毒害作用大而被称为“五毒金属”，也是土壤重金属污染修复中备受关注的元素。目前关于这5 种元素的植物修复已有大量研究成果。

富集Hg的植物有苎麻(Boehmerianivea)、加拿大杨(PopulusXcanadensisMoench)。苎麻(Boehmerianivea)茎叶中Hg的质量分数为1～1.3 mg/kg，对实验水稻田中Hg的年净化率达到41%；加拿大杨(PopulusXcanadensisMoench)每株体内最大汞吸收积累量约为7 mg，但是其生长受到Hg的严重抑制，生物生长量下降79%以上[38]。

关于Cd的超富集植物报道很多，包括龙葵(Solanumnigrum)、苋菜(Amaranthusmangostanus)、忍冬(Lonicerajaponica)和印度芥菜(Brassicajuncea)等，其中壶瓶碎米芥(Cardaminehupingshanensis)的富集质量分数较高，地上部Cd的质量分数变化范围为189～3 800 mg/kg，并且壶瓶碎米芥(Cardaminehupingshanensis)的根茎比例小、生物量大，Cd富集量较大；杨桃(Averrhoacarambola)作为少数木本Cd超富集植物之一，其地上部Cd质量分数最高达到487 mg/kg。除了Cd超富集植物之外，还有很多未达到超富集标准，但对Cd富集量较大的植物，同样可以用来修复Cd污染土壤。目前关于植物修复Cd的研究已经有了长足进步，但仍然存在可提升的空间[39]。

草坪草因具有良好的Pb耐受性和富集能力而备受关注。黑麦草(Loliumperenne)生物量大、再生能力强、易于种植，对铅有一定的耐性，是一种铅富集植物，适用于铅质量分数低于1 000 mg/kg的污染土壤[40]。狗牙根(Cynodondactylon)的生物量随着Pb质量分数的增加而减少，但是在Pb质量分数为2 000 mg/kg时，其地上部富集质量分数显著增加，总富集量也增加，因此当土壤铅污染浓度较高时，狗牙根(Cynodondactylon)更具有应用前景[41]。

目前关于Cr富集植物的研究较少，国外仅发现铬线蓬(SuterafodinaWild)和尼科菊(DicomanicoliferaWild)两种铬超富集植物，富集量可以达到1 500 mg/kg和2 400 mg/kg[42]。黄花稔(Sidaacuta)能够在Cr污染土壤中生长，并且其地上部对Cr的富集达到600 mg/kg，但并未达到超富集植物的标准[43]。

As超富集植物包括蜈蚣草(Pterisvittata)、大叶井口边草 (Pteriscretical)和粉叶蕨 (Pityrogrmammacalomelanos)等11 种凤尾蕨属植物和1 种裸子蕨科粉叶蕨属植物。其中蜈蚣草(Pterisvittata)是国内发现的首个As超富集植物，在正常土壤中(As质量分数为9 mg/kg)其地上部含As质量分数为699 mg/kg，富集系数为80，在施As处理的土壤中(As质量分数为400 mg/kg)其地上部含As质量分数高达4 384 mg/kg，并且蜈蚣草对As的耐性和富集能力极强，生长速度快、生物量大，因此对植物修复As污染土壤有重要意义[44]。

2.2 间套作对植物修复重金属的影响机制

2.2.1 根系分泌物的影响

植物的根际分泌物是多种多样的，并且这些物质会改变土壤的理化性质，导致对土壤中重金属的影响作用也是多个方面的。根际分泌的有机酸类物质降低了土壤的pH，增加了重金属在土壤中的溶解度[45]。并且，这些物质还能络合某些土壤中的金属离子，甚至使土壤中的氧化还原电位发生改变(例如Fe3+)。除此之外，根际分泌的一些物质，比如黄酮类物质，能够作为细菌的能源物质，致使细菌和重金属不可避免地发生作用[46]。表1总结了一些植物根系分泌物对其吸收重金属的影响。

表1 植物根际分泌物对重金属的作用Table 1 Effect of plant rhizosphere secretion on heavy metals

间套种两种植物之间根际分泌物互相影响如图1所示，它们改变着植物对土壤重金属的吸收。其中主要有两种影响可能：首先，间套作相互改变植物根际分泌物的种类以及数量浓度，有研究表明利用玉米和马唐进行间种，植物分泌的有机酸高于植物单种，从而增加了对重金属Cd的吸收[56]；其次，在间套作的植物生长过程中，各种植物的根际分泌物在土壤中相互扩散，并且相互作用[57]。以上两种机制同时作用，影响着土壤中重金属的生物有效性。

图1 间套作植物修复重金属污染土壤的机制Fig.1 Mechanism of intercropping plant for remediation of heavy metal contaminated soil

2.2.2 根系微生物的影响

土壤微生物是植物根际环境的重要组成部分。根际土壤重金属活性和植物吸收能力直接受土壤微生物的影响。根际微生物可分为共生微生物和自由生活的微生物[58]，其中尤其是与植物共生的菌根(如丛枝菌根)，对植物吸收重金属起到重要作用[59]。目前为止，人们发现菌根影响植物对重金属的耐性方式有：1) 根际微生物的代谢作用可以产生多种有机物，如有机酸、表面活性剂和蛋白质等，可以对重金属产生活化、胞外络合和根际沉淀等作用，影响重金属对植物的毒害作用；2) 根际微生物能够通过催化重金属的氧化还原改变其形态，从而改变重金属的生物有效性；3) 根际微生物自身对重金属有选择性的吸收；4) 根际微生物能够促进植物生长，增加植物的根长，增强植物对重金属的耐受性[60-62]。

在植物的间套作中，可以提高土壤微生物的活性和丰度，促进植物对重金属的吸收。一些中药材与花生的间作，能够改善土壤环境，提高土壤微生物中真菌的多样性[63]。除此之外，有研究表明：将西瓜和水稻进行间作，发现土壤中真菌数量有一定程度的降低，同时放线菌和细菌数量升高[64]。这说明土壤间套作对土壤微生物种群结构有一定的影响。

2.2.3 土壤pH的影响

在植物的间套作中，影响pH的因素较为复杂，具体如图1所示，主要分为两个方面：一方面，植物进行间套作时，通过根系分泌物、土壤微生物等影响，可以降低土壤的pH值，即当pH值较高，不利于植物吸收因营养元素时，间套作又能适当降低土壤pH值[69-70]；另一方面，当土壤pH降低时，反过来也会影响植物根系分泌物、土壤微生物等。

在实践中，间套作修复土壤重金属的变异性较大，除上所说的几种因素外，还受土壤有机质、阳离子交换量等因素的影响[71-72]。这些因素都不是独立的，它们之间相互影响，相互制约，形成一个土壤-植物微环境，影响着土壤中重金属有效性和植物对其的吸收作用。

2.3 间套种对植物的选择

2.3.1 协同作用模式

利用间种或套种不同的植物来增强植物对重金属的吸收能力，发挥的是植物间的协同作用。Wu等[73]将Cd的富集植物甘蓝型油菜(Brassicanapus)与菜心(Brassicaparachinensis)或玉米进行间种，发现油菜的地上部中Cd质量分数和累积量明显增加；Zuo等[74]研究了双子叶植物，例如花生和玉米、小麦等禾本科植物间种，加强了双子叶植物对铁、锌的吸收并且提高种子中的铁和锌质量分数；蒋成爱等[75]研究东南景天与玉米和大豆的间作后发现，Zn，Pb，Cd在东南景天地上部的质量分数显著增加；黑亮等[76]对东南景天与玉米套种的研究也表明：套种显著提高了东南景天对Zn和Cd的提取效率，Zn的质量分数比单种多1.5倍，高达9 910 mg/kg，而且由此生产出的玉米籽粒中重金属质量分数符合食品和饲料卫生标准；Selvam等[77]将锌超积累植物天蓝遏蓝菜(Thlaspicaerulescens)与非超积累植物菥蓂(Thlaspiarvense)互作在添加ZnO或ZnS的土壤上，研究发现与单作相比，天蓝遏蓝菜的吸锌量得到显著增加。

虽然有很多研究都表明植物间种/套种可以提高重金属的修复效率，但是进行间套作的植物需要合理的选择。例如Wieshammer等[78]将深根的锌镉超富集植物柳树(Salix)和矮小的超富集植物拟南芥(Arabidopsishalleri)互作在一起时，并没有增加植物对重金属Zn和Cd的吸收效率。而且如果是两种同种重金属的超富集植物进行间种或者套种，可能由于一系列的原因，如对同种重金属的竞争或者杂草等原因，也不会提高其对重金属的修复能力[79]。因此选择适当的植物来进行间种/套种以及控制好植物的生长环境至关重要。

2.3.2 拮抗作用模式

利用植物间种或者套种强化技术来降低植物对土壤中重金属的吸收，也就是拮抗作用，可在修复土壤重金属的同时，尽可能提高超富集植物对重金属的吸收，降低与之间作或套作的植物或农作物的重金属含量，使之在修复的时间段里也能生产出符合一定卫生标准的农产品。这是一种充分利用时间和空间，节约土地资源的技术，符合我国农业大国的国情。

例如浙江大学的安玲瑶[57]在将青菜与甘蓝间作时发现：间作提高了Cd在青菜中的富集，同时降低了Cd在甘蓝中的富集，并且间作处理下两种蔬菜均可安全食用；因此Wu等[73]率先提出将重金属超富集植物与玉米套种的方法，与单种时相比，超富集植物提取重金属的效率显著提高，而且玉米也能够产出符合卫生标准的食品、动物饲料和生物能源等；Gove等[80]根据自己的研究，将遏蓝菜与大麦进行间作后发现大麦降低了对土壤中Zn的吸收；菥蓂(遏蓝菜)是一种常见的药材和蔬菜，而同属的天蓝遏蓝菜也是一种常见的Zn超富集植物，Whiting等[81]将两种植物间作在添加ZnO或ZnS的土壤上，研究发现：作为药材或蔬菜的菥蓂对Zn的吸收量显著降低，并且因对Zn吸收的降低，导致菥蓂的生物量明显增大，这是因为天蓝遏蓝菜对Zn有很强的吸收富集能力，能够优先吸收土壤中的Zn，从而减少锌对菥蓂的毒害，在一定程度上起到保护菥蓂的作用；赵颖等[82]对玉米与苜蓿间种进行了相关研究，认为苜蓿在自身大量吸收重金属的同时，能够抑制玉米对土壤重金属的吸收富集；同时也有学者发现：玉米与苜蓿间种不仅能够改善土壤的理化性质，使土壤容重降低、有机质含量升高，并且能增加土地单位面积的作物产值，提高土地利用率[83-84]；居述云等[85]研究了伴矿景天与小麦以及茄子的间作，结果表明：在间作模式下，小麦籽粒和茄子果实中的重金属含量显著降低，其中小麦籽粒中的重金属降低了52.4%。这些研究都进一步证明了该项技术在现实中是具有实际应用价值的，是一种不需要间断农业生产、较经济合理的治理方法。

3 植物间套作修复效率评价

3.1 植物修复时间

修复效率主要由植物干重[86]和其富集系数决定。虽然间套作的农艺技术能增加其生物量，但是超富集植物只占少部分，且超富集植物通常较为矮小，修复时间是大家普遍关注的一个问题。间套作植物修复重金属污染严重场地的时间计算式为

式中：CS,i，CS,f为修复前后土壤中重金属质量分数，mg/kg；ρ为土壤密度，g/m3；H为土壤深度或植物根长，m；CP1，CP2为间套作植物中重金属质量分数，mg/kg；D1，D2为间套作植物干质量，kg/(hm2·a)，即每年每公顷土地上植物的干质量。

由此可得出：间套作植物修复依然是一个耗时的过程，可能达到几十年甚至几百年。在实际运用中，修复时间还会因各种因素延长，如大田植物的富集系数要低于实验室的盆栽植物[87]。此外，实际应用过程中存在许多不可预测的因素，例如多种重金属的存在、天气情况等，这些状况严重影响甚至决定了植物的生物量和富集系数[88]。实际修复中，污染土壤深度通常远大于植物的根际长度，尤其是农作物，使其对较深土壤的修复效果不佳，去除效果受到限制。以上这些问题影响着修复年限，制约间套作植物修复的发展。

3.2 经济可行性评价

经济可行性是植物间套作修复能否成功的先决条件，任何不考虑经济和人力的技术最终都不能为社会所接受，作为一个新兴的修复技术，植物间套作修复技术的经济可行性必须得到充分考虑[89]。总经济价值(TEV)战略是评估土壤恢复效益的一种系统方法，具体如图2所示。

图2 间套作植物修复经济评估Fig.2 Economic evaluation of intercropping phytoremediation

图2中的直接使用价值指人们直接使用此技术产生的价值；间接价值指此技术在达到修复目的的同时产生有利于人们的价值；期权价值则为保留在未来可利用而产生的价值；非使用价值指人们可以通过了解它就可体验到的享受。一般而言，直接使用价值最容易估算，最常用的是函数法；间接使用价值通常较难测量；而非使用价值在生活中几乎不可见，因此成为最难估算的一种。后两种一般利用非市场估值方法(例如揭示偏好价值评估法或叙述性偏好法等)[90]。

植物修复的价值取决于评估方法、植物修复生物量和修复速度[91]。评估植物修复价值有多种选择，对于研究人员和决策者来说，考虑经济因素，根据植物修复作物的潜在效益和对人类和整个社会的回报来评估植物修复作物至关重要。

4 结 论

近几年来，关于土壤重金属污染植物修复强化技术研究及其应用方面都取得了诸多重要的成果。间套作植物修复技术无疑是一个极具发展前景的方向，相比其他修复技术，更加绿色环保并且符合我国农业大国的国情，体现了社会生态综合效益的原则。利用不同的作物进行间套作，既能强化修复效果，也能达到在修复的同时不间断农业生产的目的。间套作植物修复土壤重金属的缺点是：相对于化学修复，修复速度较为缓慢，并且大多数植物，特别是农作物的根系较为短小，对较深土壤的修复效果不佳，去除效果受到限制。建议在实际应用中，可联合相关的农业措施(如施肥、种植密度等)进一步加强修复效果。今后的研究可从以下3个方面进一步展开：土壤环境因子，如有机质、阳离子交换量和土壤酶活性的作用；间套作过程中植物体内重金属的转运、解毒方式；植物之间的相互作用机理(包括地上和地下)。