重金属污染土壤的园林植物修复技术及其应用研究进展*

冼丽铧 梁登裕 冯嘉仪 吴道铭 陈红跃

（华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642）

随着人口的快速增长及城市化、工业化、农村集约化进程的加速，矿山开采与冶炼、农业生产中化肥农药的大量施用，城市建设发展用地、城市生活污水和工业污水大量排放[1]等情况加剧，重金属元素大量进入土壤系统，致使土壤的重金属污染日渐严重。2014 年，国土资源部与环境保护部发布了《全国土壤污染状况调查公报》[2]，其中指出我国土壤重金属超标率达16%以上，土壤环境形势严峻。重金属元素是一类难以降解的积累性元素，常见重金属元素包括锰（Mn）、锌（Zn）、铜（Cu）、镍（Ni）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、汞（Hg）、砷（As）、银（Ag）、锡（Sn）等。在环境污染方面，Cd、Hg、Pb、Cr、As 等重金属的生物毒性较强，Cu、Zn、Ni、Sn、钴（Co）、钒（V）等重金属也具有毒性。土壤中的重金属经过植物富集后沿食物链在营养级之间传递，从而进入人体，危害人类生命健康。如人体暴露于高水平的Pb 会导致严重的健康隐患，可导致缺乏协调性或神经系统瘫痪，尤其对幼儿智力发育有着严重的不良影响[3]，在华南沿海地区具有代表性的森林土壤，Pb 含量较高，均超过土壤污染风险管控标准规定的风险筛选值70 mg·kg-1[4]。Cd 在人体内含量超标会导致泌尿系统功能紊乱，甚至影响骨骼发育；As 是成人和儿童急性重金属中毒的最常见原因，会导致呼吸系统疾病，如肺功能降低甚至肺癌[5-6]；Hg是一种神经毒素，会损害人的中枢神经系统，包括语言中枢和听觉中枢，还会导致肌无力[7]。同时，重金属污染还对生态系统构成了隐性威胁，也对城市的生存发展提出了严峻的挑战。目前世界各国环境工作者都在共同关注土壤重金属污染问题，治理修复土壤重金属污染已成为一项研究热点。

将园林植物用于修复遭受重金属污染的土壤，不但能够减轻土壤的污染程度，而且还能净化空气、美化环境，避免重金属从食物链进入人体，带来环境与社会效益[8]。我国辽阔的国土和复杂多样的地形地势造就了丰富的植物资源，有可能蕴藏大量的超富集植物。丰富的植物资源为开展园林植物修复技术方面的研究提供了良好的条件，本文旨在对近年植物修复重金属污染土壤的研究作一综合论述，以期为园林植物在土壤重金属修复上的应用提供参考。

1 园林植物修复重金属污染土壤技术

园林植物指应用于园林绿化的植物，可分为庭荫植物、行道树、花灌木、绿篱植物、垂直绿化植物、地被植物、室内装饰植物等[9]。园林植物不仅可用作组景、观赏、装饰、分隔空间、防护、庇荫等，更是城市复合生态系统的重要组成元素，在空气净化、土壤修复、气候调节、生态环境的改善等方面起着不可或缺的作用。植物修复技术指利用天然生长植物，或通过基因工程手段培育的新植物，对土壤重金属污染进行修复的一类技术的总称，这一技术可利用植物系统本身或其根际微生物群落来挥发、固定或移除土壤中的重金属，去除或减缓由重金属污染物及其它有机或无机毒物造成的土壤污染[10]。植物修复土壤重金属污染的技术主要包括植物提取作用、植物挥发作用和植物固定作用。植物修复技术可实现治理过程的原位性，成本低廉且效果永久，更具有后期处理简易和环境美学兼容等优点[11-12]，是治理重金属污染土壤的优良选择。

1.1 植物提取

植物提取基于植物的过度积累机制[13]，指利用超富集植物根系大量吸收土壤中的重金属并转运到地上的可收割部分，通过定期收获植物或植株死亡来去除土壤中的重金属，以达成修复重金属污染土壤的目标[14]，适用于重金属污染较严重且已知污染重金属元素的土壤。超富集植物分为两类：包括超积累植物和诱导积累植物。超积累植物能够较强地吸收富集重金属，诱导积累植物虽无超积累特性，但经过改造同样能够被诱导出超积累能力。植物提取目前是最广为使用的，其发展前景也十分广阔。

1.2 植物挥发

植物挥发是利用一些植物根系分泌的特殊物质，或由于植物代谢潜能与根际微生物的共同作用，使土壤中的重金属转化为可挥发形式释放到环境中的方法[15]，对于消除土壤中的重金属效果显著，但目前可应用范围仅限于极少数的挥发性重金属如Hg 和硒（Se）[14]。植物挥发虽然能够使土壤中重金属的含量暂时降低，但同时又会污染周围的环境，因而采用植物挥发技术必须满足转化产物毒性小于未转化前的条件，以避免对环境造成危害。

1.3 植物固定

植物固定是利用植物根部积累、沉淀、转化重金属，降低污染基质中重金属的流动性，减少其被生物利用；或通过根表皮细胞吸附重金属元素，使其固定于植物体内或体表，进而减轻土壤重金属污染的植物修复技术[14]。该技术适用于轻度重金属污染土壤。用于植物固定的植物应具有较发达的根系，根系分泌物能够沉淀、吸附或还原重金属，并且金属从根到芽的迁移率较低[16-17]。然而，植物固定只能短暂地固定重金属，无法将其从土壤中去除，一旦周围环境改变，就可能使重金属重新活化继而恢复毒性，因此目前植物固定修复技术仍需改进。

2 重金属富集园林植物的筛选

应用植物修复重金属污染土壤的重点在于选择适宜的超富集植物。大部分重金属在植物的生长周期内属于非必需元素，其在植物体内积累达到一定含量时会影响植物细胞的生理活性，导致植物的生理指标降低、生理活动受到抑制[18-19]。实验证明，植物细胞分裂受到重金属含量升高的负面影响[20-21]。重金属毒性会抑制植物细胞中的细胞质酶活性，并由于氧化应激而导致细胞结构受损[22-23]。随着重金属在土壤中含量的升高以及时间的延长，重金属对植物造成的毒害作用也会相应增大[24-26]。所以，植物对重金属的吸收富集能力、对重金属毒害的耐受力这两项能力的强弱是决定其是否可应用于植物修复的重要条件。

重金属富集植物筛选的理论原则主要包括以下几点：（1）理想的重金属富集植物应满足易于获得、生长速度快、根系统发达、生物量较大、具有较强的抗病虫害能力等条件[27]；（2）由于污染重金属种类较多，在选择园林绿化植物时需考虑不同重金属对土壤毒害的协同作用，选择对重金属耐受性较高的植物[28]，特别是具有较强的排毒和隔离能力的植物[29-30]；（3）在选择修复植物时应集中在乡土植物范围，保护当地的生物多样性[31-32]，轻易引进外来植物可能会导致物种入侵，破坏生态系统结构平衡[33]；（4）木本植物比草本植物具有更高的生物量和生长率，在中低浓度的重金属污染土壤中能够正常生长，因此在富集重金属的潜力方面，木本植物比草本植物更有效[34-35]。学者Ent 等[35]根据干燥叶片中的金属浓度，给出如下超富集植物标准：Cd 100 μg·g-1；钴、Cu、Cr 300 μg·g-1；Pb、Ni 1 000 μg·g-1；Zn 3 000 μg·g-1。

目前，研究已发现大约500 种超富集植物，其中菊科、十字花科、石竹科、莎草科、葫芦科、豆科、鸢尾科、唇形科、禾本科、堇菜科、大戟科、紫罗兰科占多数[36-37]。常见Cd 超富集园林植物有柳树Salix babylonica、东南景天Sedum alfredii、南天竹Nandina domestica、杜鹃Rhododendron simsii、雪松Cedrus deodara、桑树Morus alba、银杏Ginkgo biloba、法国冬青Viburnum odoratissimumvar.awabuki、芦苇Phragmites communis等；常见Pb 超富集园林植物有桂花Osmanthussp.、红花檵木Sedum alfredii、侧柏Nandina domestica、杜鹃、法国冬青、南天竹、杨梅Myrica rubra、芦苇等；常见Hg 超富集园林植物有杨梅、黄杨Buxus sinica、冬青Ilex chinensis、牵牛Ipomoea nil、榆树Ulmus pumila等；常见Cr 超富集园林植物有美人蕉Canna indica、芦苇、牵牛、绿萝Epipremnum aureum、白花三叶草Trifolium repens等；常见As 超富集园林植物有杏树Armeniaca vulgaris、柳树、杨树、芦苇等[8,38]。其中柳树、南天竹、杜鹃、冬青、杨梅、芦苇对多种重金属有较强的富集吸收能力，且在重金属污染土壤中有较强耐受力，生态功能与环境效益良好，因此在重金属污染土壤修复中可优先选择。

近年来，园林植物对土壤中重金属元素吸收和富集特征的相关研究报道屡见不鲜，针对不同重金属元素的植物筛选也取得了一定的进展（表1）。张长锋[39]研究发现矮型四季菊Dendranthema morifolium对Cd 的耐受能力和富集能力较强，可作为理想的土壤Cd 污染修复植物。崔爽等[40]研究发现，美女樱Verbena hybrida对Pb 的耐受性较强，可用于固定修复土壤Pb 污染。侯静等[41]进行水培试验发现，牵牛能够较强地耐受和富集重金属Hg，加上具有美化环境的优点，可以作为Hg 污染土壤的修复植物在城市进行大范围推广运用。Cui 等[42]研究鸡冠花Celosia cristata等3 种植物对Pb 的耐受和积累特征，结果表明鸡冠花是耐受Pb 的优良树种。董冰冰等[43]研究圆叶牵牛Ipomoea purpurea和黑麦草Lolium perenne对Cr的积累量和耐受程度，结果表明，二者均能够用作修复Cr 污染土壤的植物资源。

表1 我国常见园林植物对土壤中重金属元素吸收和富集特征Table 1 Characteristics of absorption and enrichment of heavy metals in soil by common landscape plants in China

3 修复重金属污染土壤的园林植物应用效果

应用园林植物修复重金属污染土壤是促进城市生态恢复与美化环境的一种有效途径，我国已利用植物修复技术在矿工业区生态修复、固体废弃物资源利用等方面进行了尝试，目前仍集中在试验阶段。我国广东、广西、贵州、江苏等地学者利用乡土植物开展了相关研究（表2），其中所用园林植物多集中于禾本科、大戟科、菊科等。

4 不同植物修复技术的联合应用

近年来，将其它治理重金属污染土壤方法与植物修复技术联合应用已成为兴起的新型修复技术，能够极大地弥补单一修复技术的缺陷，是未来植物修复重金属污染土壤领域一个极具前景的发展方向。在实践运用过程中，植物修复主要通过与电压修复、螯合剂诱导、改良剂修复、微生物修复和基因工程等方法联合来对土壤进行修复[58]（表3），从分子生物学、物理化学等方面分析联合修复的效果，达到治理修复的目标。

4.1 螯合剂-植物修复

螯合剂与土壤中的重金属相结合，可提高土壤中重金属的含量，从而使植物吸收重金属的能力更加强化[59]。Komárek 等[60]研究发现，施加乙二胺四乙酸能够显著提高有效态重金属在土壤中的含量，加强了杂交杨树对重金属的吸收；Liphadzi 等[61]研究发现向土壤中加入乙二胺四乙酸后向日葵Helianthus annuus地上部的Pb 含量明显增加，提取重金属量比不添加螯合剂高约4 倍。

4.2 基因工程-植物修复

使用基因重组技术向植物体内导入具有积累金属特性的外源基因，再移入田间试验进行确认[62]。赵汝等[63]研究转基因高羊茅对Pb 的耐受性与吸收能力发现，DREB1A 基因并未改变高羊茅对Pb 的转运机制，但增强了高羊茅对Pb 的耐受性及富集能力；Tang 等[64]发现矮松Pinus virginiana导入CaPF1 基因后，对金属Cd、Cu、Zn的抗性也有所提高。

4.3 微生物-植物修复

利用一些微生物对重金属的沉淀、吸收、还原和氧化等作用，把重金属污染物转化为毒性较低的物质，来减少土壤中重金属的毒害作用[65]。Wang 等[66]将美洲黑杨Populus deltoides接种根瘤菌后，其吸收富集As 的浓度提高了1～3 倍；Polti等[67]将链霉菌接种于玉米Zea mays幼苗上种植在200 mg·kg-1的Cr（Ⅵ）污染土壤中，玉米的生物量增加了57%，土壤中的生物可利用Cr 含量下降了96%。

4.4 电压-植物修复

电极周围的土壤溶液通过电压条件可发生电化学反应，导致土壤的理化性质改变，增加土壤中重金属的含量，从而增强植物对重金属的积累和吸收[68]。徐海舟[69]研究东南景天联合直流电场修复Cd 污染土壤发现，直流电场作用下可促进东南景天生长，且植株地上部分对Cd 的吸收富集量有明显提高。

4.5 化学改良剂-植物修复

在土壤中加入磷酸盐、石灰、硅酸盐等土壤改良剂可以调节土壤理化性质及营养。陈永华等[70]研究改良剂对夹竹桃、栾树Koelreuteria paniculata、泡桐Paulownia fortunei和苎麻Boehmeria nivea的影响，结果表明土壤中的重金属含量显著低于未添加改良剂处理的重金属含量，植物对Pb和Zn 的转运与富集能力也有一定的提高。

5 超富集植物安全处置与有效利用

超富集植物收获后，若未进行妥善安全的处置，其体内富含的重金属成分可能重新返回到环境，造成二次污染。近年来，众多学者们[71]研究出了一系列技术来处置修复后的植物生物质，不同技术存在各自的优点与不足。焚烧法、高温分解法、灰化法的减量化达90%以上，液相萃取法和植物冶金法环境风险低，金属可回收，但其减量化较低（表4）。

6 展望

当前植物修复技术在迅速发展，具有广大的应用前景。从植物资源方面，我国植物种类丰富，为我国进行筛选超富集植物与应用奠定了坚实的基础。对比传统的工程、化学、物理修复等技术，植物修复优势明显：操作简单便捷、投资和维护成本较低、无二次污染且后期易于处理，可恢复土地使用功能，改善城市生态环境。从可持续发展层面，植物修复更符合环境保护的标准，占用资源少，能够促进物质循环，有益于形成良好的生态系统。利用园林植物治理修复土壤重金属污染是一条经济、绿色、可持续的生态修复途径。

虽然利用园林植物修复重金属污染土壤具有诸多优点及显著的环境、经济、社会效益，但在实际应用中仍存在一定的局限性：（1）植株生物量低：许多超富集植物生物量较低，植株体量矮小，生长速度较慢，极大地影响了修复效率，机械化作业条件难以实现；（2）引种困难：超富集植物大多来自野外，且具有较强的区域分布性，对水分、气候、盐度、土壤肥力、酸碱度等生长条件有一定的标准，使引种栽培受到限制；（3）专一性强：单种超富集植物通常具有特定吸收富集的一到两种重金属元素，对其它重金属则反映为中毒症状，因此使植物修复技术在治理多种重金属交叉污染土壤方面的应用受到限制；（4）循环污染：由于器官腐败、落叶以及死亡后未及时回收处理等原因，富集在植物体内的重金属可能重新返回到环境中，造成二次污染。

近年来，超富集植物的筛选与应用、多种修复技术的联合应用、分子生物学手段的应用等成为植物修复的重要发展方向。有学者在全国范围内甚至国外调查统计超富集植物资源，了解超富集植物的分布区域并创建相应的数据库，对发现的超富集植物进行培育筛选[71]。超富集植物的筛选可以与分子生物学手段结合，利用转基因技术，把相关超积累调控基因和耐受基因转入至生长速度快、生物量较大的污染地区乡土植物体内，通过强化和筛选，最终得到转基因超富集植物。微生物因其降解重金属的能力也可被用于植物修复[72]，可降解重金属微生物的基因重组技术包括使用新载体将基因片段引入植物宿主、开发调节基因表达的新方式、使用靶向诱变和随机诱变来增加生物降解酶的活性[73-74]。

超富集园林植物应能够一定程度上耐受所修复的重金属，才能够在被污染的土壤上正常生长。不同植物可耐受的重金属有差异，在单一重金属污染情况下和多种重金属交叉污染情况下，其对于重金属的富集量也有较大差异。目前超富集园林植物对多种重金属耐性机制相关方面的研究较为欠缺，而且局限在单一生态环境范畴内，难以进行宏观判断。若能研究出减少甚至无二次污染且具有一定经济效益的重金属回收利用技术，将成为植物修复技术极具前景的发展方向。土壤淋洗、电化学和植物提取等方法各有其优劣势及适用范围，若能根据实际污染情况选择适合方法，在修复土壤重金属污染实践中进行综合应用，效果可能事半功倍。植物修复技术虽然存在一定的局限性，但其在生态修复上应用前景广阔，需要科研工作者的进一步研究，完善并加强各类园林植物修复重金属污染土壤的实践环节，创立实践基地，进行植物修复重金属污染土壤的示范，对超富集植物的作用和机理进行持续研究。