植物修复技术治理农田土壤重金属污染的研究进展

李 旭，晁 赢，阎祥慧，罗 锋，于金鹏，娄燕宏，诸葛玉平，王 会，潘 红，杨全刚

（1. 土肥高效利用国家工程研究中心/山东农业大学 资源与环境学院，山东 泰安 271018；2. 泰安高新技术产业开发区科技创新部，山东 泰安 271000；3. 邹城市农业农村局，山东 邹城 273500）

重金属在土壤中具有累积性、隐蔽性、不可逆性以及难治理性等特点，严重制约国民经济的发展和土壤资源可持续利用，土壤重金属污染已经成为世界性的环境问题[1]。土壤中积累的重金属可通过食物链进入人体，危害人体健康，土壤重金属污染对食品安全造成的影响也已成为当前社会关注的热点[2]。近年来，土壤重金属污染防治和粮食安全生产工作受到有关部门高度重视，重金属污染土壤的安全利用和修复治理是《土壤污染防治行动计划》的重点任务[3]。

植物修复技术作为一种低成本、环境友好的修复技术，在治理重金属污染土壤方面具有广阔的应用前景[4]。农田肩负着粮食生产的重要任务，尤其是在我国人口数量众多、粮食需求量大、优质耕地资源短缺与粮食生产需求矛盾异常突出的当下，对重金属污染耕地进行修复治理有特殊性和紧迫性。鉴于此，综述植物修复技术治理农田土壤重金属污染的研究现状，分析影响其作用效果的因素，并对未来受污染耕地植物修复技术研究进行展望，以期为受重金属污染农田土壤的修复和治理提供指导。

1 植物修复技术研究现状

1.1 修复植物种类多

1.1.1 超富集植物 超富集植物组织可以吸收土壤中的重金属，因此，可以通过收获植物去除土壤重金属，从而实现对污染土壤的修复，这也是目前应用最广泛的植物修复方式[5]。目前，我国所发现的重金属超富集植物有700 种，分属45 个科[6]，镉（Cd）、锌（Zn）超富集植物如伴矿景天（Sedum plumbizincicola）[7]、天蓝遏蓝菜（Thlaspi caerulescens）[8]，Cd 超富集植物如八宝景天（Sedum spectabile）[9]、龙葵（Solanum nigrumL.）[10]，铅（Pb）超富集植物如金丝草（Pogonatherum crinitum）[11]，砷（As）超富集植物如蜈蚣草（Pteris vittataL.）[12]等。

1.1.2 高积累植物 高积累植物对重金属的吸收积累能力虽然不及超富集植物，但是其耐性好、生物量大，对重金属的积累量也相当可观。如萝卜在50 mg/kg Cd 污染土壤上种植，其植株Cd 含量达到146.95 mg/kg[13]；象草在2.0 mg/kg Cd 污染土壤上种植，其富集系数大于1，转运系数为0.60～0.84[14]。此外，具有较高重金属富集特性的玉米[15]、小麦[16]、水稻[17]、滕菊[18]等也被报道，其在重金属污染土壤的修复治理中具有较大的潜力。

1.1.3 低积累植物 低积累植物的筛选及其应用是受污染耕地安全利用的重要措施之一。研究表

明，根据植物可食部分的重金属含量已筛选出多种低积累作物，如水稻[19]、小麦[20]、玉米[21]、菜豆[22]等。可在轻中度重金属污染农田种植低积累作物，或通过间作套种超富集植物，实现边生产边修复。我国人口数量大，粮食需求量大，优质耕地资源短缺与粮食生产需求矛盾突出，对受重金属污染农田大规模开发休闲农业，或种植非粮作物，亦或开展植物修复，可行性均不强。因此，低积累植物的推广应用显得尤为重要。

1.2 植物修复方式多元化

1.2.1 植物吸收 超富集植物通过吸收来修复重金属污染的土壤。该方式中，重金属离子主要通过共质体和质外体途径进入植物根系，从而被植物吸收，再通过收获植物移除重金属，从而降低土壤中重金属浓度[23]。其中，通过胞间连丝运输的途径叫做共质体途径，通过细胞壁或其间隙等自由空间运输的途径叫做质外体途径。在这2 种途径中，根部细胞对重金属的吸收和转运均起着至关重要的作用[24]。研究表明，大量的Pb 会通过超富集植物东南景天（Sedym alfredii）侧根吸收进入到木质部进行体内运输，并积累在根尖分生组织和中柱中，同时，与细胞壁结合形成细胞壁结合态Pb[25]，从而减少植株内游离Pb 的浓度。SaPCR2 锌转运蛋白通过在高Zn环境下降低在超富集植物东南景天根部的表达，减少该植物表皮细胞中Zn的累积，增强薄壁细胞对其的吸收[26]。垂序商陆（Phytolacca americanaL.）对锰（Mn）的吸收则存在主动吸收的过程，Mn 通过质膜上的Ca2+通道进入细胞内，最终累积在植株根的中柱[27]。研究表明，超富集植物根系对Cd吸收的集中部位为侧根，且主要以离子态和柠檬酸结合态存在于根细胞中，该方式可提高Cd向木质部以及更高部位运输的效率[25]。对于其他超富集植物，如秋茄树（Kandelia obovata）会在Cd、Zn污染土壤中分泌酚酸，通过羧基、羟基络合Cd2+、Zn2+清除羟基自由基来减轻重金属的毒害作用[28]；龙葵体内的LRE07 菌株可以结合Cd2+和Zn2+等多种重金属离子，在单离子条件下对Cd2+和Zn2+的结合达65%以上[29]。

超富集植物对重金属具有较强的吸收能力，但其作为土壤污染的修复植物受施肥、灌溉及其他农艺措施的影响。苏金成[30]通过对农田水分调控，研究了不同浓度叶面硅肥对水稻籽粒重金属吸收的影响，发现淹水处理及叶面肥的喷施均可降低水稻籽粒的重金属转运效率。研究表明，向土壤中添加有机酸，可以提高伴矿景天的根系活力，促进伴矿景天地上部对土壤Cd 的吸收，含量可达47.57～53.11 mg/kg[31]；而施用有机肥则可以在明显提高东南景天地上部生物量的同时，也明显提高植物对Cd和多环芳烃（PAHs）的提取量，并且不会对土壤环境造成消极影响[32]。同时，间作、套种也会在一定程度上提高超富集植物对重金属的累积，如大叶景天爱媛（Sedum spectabileBoreau）与 大 雅 柑 橘（Citrus reticulataBlanco）[33]间作、东南景天和玉米套种[34]、伴矿景天与玉米套种[35]等。

1.2.2 植物挥发 该类植物可将从土壤中吸收的重金属在体内进行一系列反应和转化，最后将其排放到大气中。 BAÑUELOS 等[36]对芥菜和拟南芥的研究表明，植物吸收的无机硒可通过转化为有机硒氨基酸、硒半胱氨酸及硒硫氨酸，再通过乙基化最终形成二甲基硒化物，从而将硒（Se）挥发。海藻也可将吸收的砷（As）在体内将其转化为二甲基砷酸，再挥发到大气中[37]。然而，植物将重金属挥发后的产物及其毒性有待进一步研究，其对大气产生的影响也难以通过简单的过程加以描述。此外，重金属在植物体内气化过程的形态分布和转化机制，以及其挥发转化机制还鲜有报道。

1.2.3 植物钝化 植物钝化是指植物通过根际的沉淀作用或土壤钝化剂对重金属进行络合固定，从而降低土壤重金属的生物有效性，如植物体内的多酚物质能与多种重金属元素发生络合而形成沉淀[38]。此外，菌根在植物钝化中发挥着重要作用[39]，将根内球囊霉接种在黑麦草（Lolium perenneL.）根部形成菌根，通过提高其外表面积，增大与重金属的接触网络[40]，从而加强根部对铀（U）的吸收，同时减少U 向茎叶转移[41]，以此实现黑麦草对U 的固持作用。将丛枝菌根真菌分别接种到玉米、紫花苜蓿（MedicagosativaL.）根部，可以将土壤中重金属Cd固持在土壤中，显著降低Cd 向植物地上部的转运，降低植物内Cd 积累[42]；胡枝子和油松接种菌根后，增大了根系的重金属滞留系数，有效降低了重金属向地上部的转移速率，增强了对重金属的吸附固持作用[43]。

1.2.4 植物阻隔 植物阻隔是指通过低积累作物的种植来减少植物食用部位重金属的累积量，从而达到安全利用污染农田的目的。该项技术近几年来在受污染耕地的安全利用中得到广泛应用，但因土壤环境存在多样性导致其应用效果差异较大，如全生育期淹水条件下水稻器官中Cd 含量会显著降低[44]，且糙米中Cd 累积量随淹水时间的增加而降低[45]等，从而影响其推广应用。同时，作为植物阻隔技术关键的低积累作物还不够丰富，易受气候条件等影响，且只适用于轻中度污染农田，无法满足市场和社会需求[46]。

2 重金属污染农田植物修复技术存在的问题

2.1 超富集植物普遍具有较强的区域适应性

国内外已经被确认的超富集植物广泛存在，但均有其各自区域适应性，限制了大规模的应用推广。理想的超富集植物能够耐受较高浓度的重金属，同时积累多种重金属元素，生长周期短且生物量大，此外，还具有较强的抗虫抗病能力[47]。但超富集植物对重金属污染土壤的修复能力受土壤理化性质、气候环境等多方面影响，如超富集植物大叶井口边草（Pteris nervosn）是铅锌矿地的典型修复植物，而在煤矿地和锰矿地，该植物并不适用[48]。张云霞等[49]的研究发现，鬼针草（Bidens pilosaL.）在广东省的Cd 转运系数达到2.84，而在贵州省的Cd 转运系数为1.39；藿香蓟（Ageratum conyzoidesL.）对重金属Cd 的转运系数在湖南省、广东省分别达到3.91、3.87，而在广西省、贵州省仅分别为1.63、1.09[50]。因此，推广超富集植物时应充分考虑土壤及环境条件的差异。

2.2 植物后续处理处置工艺不成熟

植物吸收重金属后如何被处理是当前植物修复技术发展面临的瓶颈。目前，所采用的处理方法主要有压缩填埋法、堆肥法、焚烧法等[51]。焚烧可有效减少累积重金属的植物体积，但工艺还不够成熟，焚烧残渣如何处理尚未得到有效解决，而堆肥、压缩填埋中产生的渗滤液造成的污染也难以得到有效控制[52]。因此，基于资源化利用原则，需要创制一种更为新型的处理技术，降低植物修复时产生的二次污染带来的影响，真正实现现有资源的减量化、再利用、再循环原则，这也是亟待解决的问题。

2.3 超富集植物对重金属吸收选择性强

大多数超富集植物对重金属的吸收具有很强的选择性，导致超富集植物应用受限。如镍（Ni）超富集植物大吴风草（Lycopus lucidus）对Ni 的富集系数可达0.547，而对Cd 的富集系数仅为0.193[53]；飞龙掌血（Toddalia asiatica）对Cd 的富集系数达0.64，而对Mn 的富集系数仅为0.04[54]；芦苇［Phragmites australis（Cav.）Trin.ex Steud.］对Mn 的富集系数为0.47，对铬（Cr）的富集系数仅为0.01[55]。

2.4 高积累植物的应用规模不大

目前，王书凤[56]对39 个甘蓝型油菜进行研究，并从中筛选出高积累型油菜；王兴富等[57]在废弃矿区对6 种农作物进行研究发现，辣椒可以作为Cd 高积累植物，且Cd 对辣椒造成的风险较其他农作物小；郑陶[58]通过田间试验对56 种水稻材料进行研究，筛选出武金4B 等7 种水稻高积累品种。虽然已经筛选出较多高富集植物，但因其对重金属的吸收积累能力较超富集植物弱，大多仅限于在矿区废弃地及周边复耕土壤上种植应用，且农作物可食部位如茎块[59]等有极大超标风险，对人体健康造成潜在威胁。在重金属污染土壤的安全利用中，常将低积累植物的选用作为技术核心进行研究。沈丽波等[60]选用高积累植物伴矿景天与低积累水稻中香1号轮作的方式开展了污染土壤的植物修复研究；王志辉等[61]通过试验筛选出薄荷、车前子等8 种药用植物作为Cd 低积累植物，较高积累植物更加安全可靠。综上，高积累植物在重金属污染土壤的修复中受重视程度不高。

2.5 植物阻隔技术应用不广泛

低积累植物品种的筛选工作成效显著，如已筛选获得Cd 低积累水稻如深优9708、五优9708[62]，大豆如沈农10 号、铁丰31 号[63]，及低积累蔬菜如香港四季青梗菜（Brassica campestrisL.）[64]。但是对于适合不同区域的小麦、玉米等大宗粮食作物低积累品种的筛选工作尚处于起步阶段。目前，尚未有低积累的主导小麦、玉米品种被推荐，当前的研究还主要是在实验室阶段。而且土壤重金属污染呈现复合污染的状况，但其适用的低积累品种筛选工作尚不充分，亟需加强低积累品种筛选和应用的针对性、系统性研究。

2.6 强化修复技术对土壤环境影响不明晰

为提高植物修复的效率，添加根际促生菌、基因工程改良等强化修复技术多有报道[65-71]。如在无菌条件下将提取出的菌种进行基因改造后，筛选出特异微生物，能有效去除土壤重金属[65]；卢琪[68]通过在土壤中添加根际促生菌ABA 代谢菌[樊庆生红球菌（Rhodococcus qingshengii）]，促进了野生型拟南芥对重金属的吸收，其吸收能力提高了47%；通过基因识别、引入酶基因[70]等基因改良的方式可改变植物对重金属的累积特性。但无论是添加促生菌，还是基因改良，都有可能对土壤环境造成更深层次的污染，甚至存在潜在威胁[71]。目前，对于该领域的研究尚处于起步阶段，强化修复技术对土壤环境带来的影响尚不明晰。

3 研究展望

植物修复技术在土壤重金属污染的治理修复中具有巨大的应用潜力，面对受污染土壤类型多样、污染程度差异大、区域气候环境条件异质性强、单一污染与复合污染并存的现状，需要强化对超富集植物、高积累植物和低积累品种的筛选与培育，建立种质资源圃或种质资源库以及修复治理植物数据库，构建生物强化、外源物质调控及农艺调控的植物联合和强化修复技术体系，通过长期定位监测来评价修复效果。此外，要加强对重金属污染农业废弃物的资源化利用，防控二次污染。开展基于植物修复的重金属污染土壤的治理及安全利用，最大程度实现农业生产的经济效益、社会效益和生态效益。

3.1 适宜的超富集植物筛选与培育

根据区域土壤特性、气候环境条件，因地制宜筛选超富集植物。同时，针对不同的污染类型、污染程度，着重从本土植物中筛选超富集植物。同时，依据气候环境条件，分区域构建超富集植物种质资源圃或种质资源库。不仅需要强化对现存种质资源的选用，还需要充分利用传统和现代植物育种技术，培育筛选生物量大、生长周期短、修复效率高的重金属修复植物新品种。强化对超富集植物的收集、保育、研究和新品种创制，加强对筛选出的超富集植物区域适种范围及其对不同重金属耐受程度等的研究，构建面向全国大众、数据共享共用的重金属超富集植物数据库，不断加强超富集植物在重金属污染土壤中的应用。

3.2 强化高积累植物的应用

充分选择生物量大、区域适应性强、农民接受程度高的高积累植物，针对当地农业种植习惯，优化农业种植模式，合理利用高积累植物开展间作、套种、轮作等，在实现作物高产的同时去除土壤重金属。同时，发展农牧结合模式，建立高积累植物产品和秸秆的高效、安全利用技术体系。

3.3 扩大植物阻隔修复技术的运用

加强重金属低积累品种选育，充分利用分子生物学手段提升育种水平，尤其是通过转基因技术提高低积累植物本身对重金属的耐性。建立重金属污染土壤低积累品种高效栽培技术，结合钝化剂施用、叶面阻控等技术，在保证作物稳产、高产的同时实现安全生产。扩大低积累植物利用，合理开展间作、套种，实现受污染土壤修复与粮食安全生产的双重目的。

3.4 集成高效的植物强化和联合修复技术

充分发挥植物修复在重金属污染土壤修复中的优势与潜力，通过优化施肥、钝化剂施用、叶面阻控等技术配合实现受重金属污染农田的安全利用；通过微生物强化、内源激素调控、渗透调节物质调节等强化措施，增强植物对重金属的吸收转运能力，实现对重金属污染土壤的高效修复。因此，集成优化高效的植物强化修复和联合修复技术是重金属污染农田土壤修复治理的发展方向。

3.5 创新修复植物的产后安全处置技术

植物修复产生的秸秆等废弃物需要进行安全处置，要遵循实现减量化、再利用、再循环的原则和目标，根据修复植物的特性，研发专门的工艺和技术，系统开展修复植物中重金属回收技术和原理研究，提高回收效率。研发高效、低耗、安全的废弃物安全处置技术，最大限度地实现修复植物产后的资源化利用。同时，要加强对修复植物产后处置技术的经济可行性及环境影响评价。