李氏禾研究进展与应用现状

李丹等

摘要多年生禾本科草本植物李氏禾（Leersia hexandra），起初作为农田杂草备受关注，后因其具有抗旱耐淹耐瘠的生物学特性以及对重金属铬的超富集特性，成为水土保持领域和重金属污染防治领域的研究热点。就李氏禾在土壤重金属污染植物修复上的应用、李氏禾在人工湿地上的应用、李氏禾在水土保持上的应用和李氏禾与农田杂草的控制4个方面进行了综述，并对其今后发展进行展望，以期为该植物的应用提供参考。

关键词李氏禾，植物修复；人工湿地；水土保持；杂草控制

中图分类号S181.3；X53文献标识码A文章编号0517-6611（2014）06-01671-03

AbstractLeersia hexandra is a perennial grass of the Poaceae family. As a variety of weed， it has received much concern initially. Therefore， it becomes a research hotspot in the field of watersoil conservation and pollution control of heavy metals for its biological characteristics of resistance to flood and drought， as well as its accumulation characteristics of heavy metal chromium. This paper summarized application of L.hexandra in four fields： phytoremediation， constructed wetland， soil and water conservation， and weed control. Further， it discussed the prospect of aplication of L.hexandra. It is expected to provide a reference for its application.

Key wordsLeersia hexandra； Phytoremediation； Constructed wetlands； Soil and water conservation； Weed control

李氏禾（Leersia hexandra）属多年生禾本科草本植物；秆下部伏卧地面或倾斜，并于节处生根，其节常具倒生微毛；叶鞘光滑或粗糙，上部短于节间；叶舌膜质，长l～2 mm，其基部两侧下延与叶鞘边缘相愈合；叶片扁平或卷折，披针形，长3～12 cm，宽约1.5 mm，具短柄。外稃5脉，脊与边缘均具刺毛，两侧具刺毛；雄蕊6枚，秋冬抽穗，广泛分布于华东、华中、河北、陕西、四川、贵州和广西等地，为湿生野草，多生于沼泽地、溪旁和稻田的田基上。李氏禾可通过种子繁殖，也可通过地下茎繁殖，繁殖速度非常快，可高密度生长，单位面积内生物量大[1-2]。李氏禾起初作为农田杂草备受关注，后因其具有抗旱耐淹耐瘠的生物学特性以及对重金属铬的超富集特性，成为水土保持领域和重金属污染防治领域的研究热点。目前关于李氏禾的研究主要集中在以下4个方面：第一，李氏禾在土壤重金属植物修复上的应用；第二，李氏禾在人工湿地上的应用；第三，李氏禾在水土保持上的应用；第四，李氏禾与农田杂草的控制。笔者对李氏禾研究进展与应用现状进行了综述，并对其今后发展进行展望，以期为该植物的应用提供参考。

1李氏禾与重金属污染植物修复

近年来，土壤有毒金属和准金属污染逐渐成为全世界普遍关注的问题。由于人类活动加剧、地球化学岩石风化及其他环境原因（火山爆发、酸雨水和大陆粉尘），土壤中金属镉（Cd）、铜（Cu）、铬（Cr）、铝（Al）、铅（Pb）、汞（Hg）、镍（Ni）及准金属砷（As）、硼（B）等的含量急剧提升[3]，严重威胁人类健康。

铬（Chromium）是一种具有银白色光泽的金属，不溶于水和硝酸，但溶于稀盐酸和硫酸而生成相应的盐类。常温下较稳定，不易被氧化，具有延展性。铬的化合物最常见的是三价或六价，常见的化合物为氧化铬（Cr2O3）、三氧化铬（CrO3）、氯化铬（CrCl3）、铬酸钠（Na2CrO4）、铬酸鉀（K2CrO4）、重铬酸钠（Na2Cr2O7）、重铬酸钾（K2Cr2O7）等[4]。铬（Cr）是一种剧毒的重金属，也是一种危害性极大的环境污染物。铬及其化合物是冶金、电镀、制革、油漆、颜料等行业的基本原料，这些行业生产过程产生的含铬废水、废渣等通过多种途径进入土壤，造成严重的铬污染[5]。据统计，全世界每年分别向大气、水体和土壤中排放30 142和896 kt铬污染物质[5]。我国每年生产329 000 t铬盐，伴随产生450 000 t铬的废弃物[6]。国务院批复的第一个“十二五”专项规划《重金属污染综合防治“十二五”规划》中将铬列为重点防控的5个元素之一。因此，有效控制及治理铬污染是一项重要且紧迫的工作。

植物修复技术是目前重金属污染土壤治理最有效的方法之一，也是当今重金属污染治理的研究热点，它具有治理效果的永久性、治理过程的原位性、治理成本的低廉、环境美学的兼容性、后期处理的简易性等优点[7]。该技术是指利用一些超富集植物把土壤中的重金属转移到植物地上部，然后收获植物以达到清除土壤中重金属污染的目的[8]。到目前为止，世界各国发现的重金属超富集植物有400多种，但铬超富集植物极少，仅有3种，分别是在津巴布韦发现的Dicoma niccolifera和Sutera fodina及[8]我国发现的李氏禾[9]。自2006年张学洪等在桂林发现首例铬超富集植物李氏禾后，国内外针对李氏禾修复重金属铬污染的研究十分活跃。主要集中在：第一，李氏禾对铬的富集特征；第二，李氏禾对铬的耐性机制；第三，外源物质对李氏禾吸收、转运铬的影响。

1.1李氏禾对铬的富集特征

李氏禾对铬具有超富集特性。研究表明，李氏禾能够在土壤铬浓度为114 mg/kg环境下生长良好，叶片内平均铬含量达1 786.9 mg/kg，变化范围为1 084～2 978 mg/kg；叶片内铬含量与根部土壤中铬含量之比最高达57，叶片内铬含量与根茎中铬含量之比最高达12，叶片内铬含量与水中铬含量之比最高达518[9]。此外，李氏禾对铜、镍也具有很强的富集特性。研究表明，当土壤铜含量达2 000 mg/kg时，根、茎、叶中铜含量分别为500.33、33581、307.89 mg/kg。在土壤培养条件下，李氏禾叶中铜含量为46.11～308.07 mg/kg，铜的生物富集系数为0.40～175；根和茎中铜含量分别为49.22～500.33和39.22～33581 mg/kg，铜的最高生物富集系数分别为1.85和147[10]；李氏禾对水体中镍的最高去除率达89.3%[11]，浓度100%的电镀污泥中镍的富集量355.06 mg/kg[11]。

1.2李氏禾对铬的耐性机制

李氏禾对重金属铬具有很强的耐性和解毒能力。当植物吸收的铬达到超富集植物的临界浓度（100 mg/kg）时，李氏禾地上部分的生物量无明显降低，显微结构和形态结构未发现明显变化[12]。李氏禾在一定铬浓度胁迫下其叶片的叶绿素、可溶性糖、MDA、类黄酮化合物、脯氨酸、可溶性蛋白含量和保护酶SOD、POD、CAT活性能适应铬胁迫并作出相应的调节，从而维持植株良好生长，说明李氏禾能适应一定浓度的铬胁迫并作出相应的调节[13]。另一方面，李氏禾对铬具有较强的解毒能力，铬化学形态分析表明，铬在茎、叶中以盐酸提取态（草酸盐结合态）为主，铬的草酸盐结合态含量与李氏禾对铬的富集解毒机制密切相关；根部以残留态为主，说明铬在根部高浓度的累积与铬的低生物利用形式有关；李氏禾对铬也存在主动吸收的可能性，对铬的吸收可能通过植物体钙离子通道进行[14]。

1.3外源物质对李氏禾吸收、转运铬的影响

在进行重金属污染植物修复时，单纯依靠超富集植物自身的耐性和富集特性很难达到理想的修复效果，因此往往需要添加外源物质作为辅助手段，以期增强植物的耐性和富集能力[15]。植物中与重金属转运和积累相关的机理研究受到越来越广泛的关注，然而，重金屬转运和积累是极其复杂的生理过程[16]，研究表明，施加有机酸会对李氏禾富集铬产生不同程度的影响[17-18]，李氏禾在铬胁迫下，分别外施 EDTA（乙二胺四乙酸）、CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）和 SA（水杨酸）对李氏禾吸收铬含量及其生理特性产生不同的影响[19]：①EDTA（乙二胺四乙酸）使叶绿素含量稍有恢复，SOD/POD、SOD/CAT 的活性比降低，MDA含量减少，同时促进铬从根部向地上部分运输及积累，根系铬含量下降，总体铬含量仍有较大的提高[20]。②CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）使叶绿素含量降低，酶活性比值升高，MDA 含量增加，并有效促进根部对铬的吸收和积累，对铬向地上部分的运输也有一定的促进作用，总体铬含量有大幅度的提高[21]。③SA（水杨酸）可使叶绿素含量、酶活比值有所恢复，减少 MDA 的积累，对铬的吸收和运输无显著影响[21]。

2李氏禾与人工湿地

人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制地投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术[22]。人工是一个综合的生态系统，它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理和结构与功能协调原则[23]，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益[24-25]。植物是人工湿地的重要组成部分[26]。人工湿地根据主要植物优势种的不同，分为浮水植物人工湿地、浮叶植物人工湿地、挺水植物人工湿地和沉水植物人工湿地等不同类型[27]。湿地中的植物对于湿地净化污水的作用能起到极重要的影响[28]。

李氏禾作为人工湿地的植物能够有效去除水体中铬、铜、镍重金属污染物，研究显示，李氏禾对水中铬的去除率接近100%，对水中铜、镍的最高去除率分别达到93.8%和893%[11]。同时它也能在含铬、铜和镍等重金属的电镀污泥中较好生长，在100%电镀污泥中达到最高，分别为588.21、345.49、355.06 mg/kg [10]。此外，也将李氏禾试用于处理生活污水的研究中，李氏禾人工湿地处理人工模拟生活污水，采用引入原水自然启动的方式，渐渐增大水力负荷的方式来培养李氏禾，增强湿地微生物的适应能力及其生长速度。其中李氏禾人工湿地系统对氨氮的去除率在80%～90%，对总磷的去除率在80%左右。李氏禾作为人工湿地处理生活污水的植物具有一定的应用价值[29]。

3李氏禾与水土保持

消涨带是指江河、湖泊的坡岸在丰水期水位与枯水期水位之间的水位差地带，具有周期性淹水和出露交替的特征，淹露交替造成了消涨带生境的极端变化，导致陆生和水生植物均难以生长，因而在缺乏植被覆盖的条件下，往往形成水土流失较严重的受损生态系统。目前国外关于适用于消涨带生态恢复的植物种类的研究仍十分有限[30]。

李氏禾具有抗旱耐淹耐瘠的生物学特性。该植物分蘖快，可迅速形成覆盖，根系发达，能有效防止水土流失，在水库岸坡消涨带植被恢复中减少坡面径流，防止水土流失，改善生态环境，提升景观等有一定应用价值，用于消涨带植被恢复有一定的前景[31]。在新丰江水库历经较典型的3种来水时段，即2000年为平水年，2001年为丰水年，2002年为枯水年，证明李氏禾的确抗旱耐淹。如2001年秋至2002年春，广东地区出现60年来罕见的秋、冬、春连旱气候，试验区的蟛蜞菊在部分瘦瘠岸坡上表现出明显的不良长势，但李氏禾仍能适应其干旱条件；而2001年上半年是特丰水量，来水量比平水年多近50%。试验区李氏禾受淹最深10 m，淹没最长达10个月，2002年出露后迅速返青，生长良好[32]。因此，将抗逆性强、尤其是把对水分逆境有较强抗性的李氏禾应用于消涨带植被恢复工程具有重要意义[33]。

4李氏禾与杂草控制

李氏禾虽然为是重金属超富集植物，但在农业生产上却是水稻的克星。李氏禾地下茎的萌芽能力强，平均萌芽比例高达80.0%以上；不同年无性系种群的分蘖株株高差异显著（P<0.05），建植1和2年的无性系种群的分蘖株株数显著高于建植3年的；未经处理的李氏禾种子生活力可达695%，但种子萌发率低，一般仅为3.8%[34]。无性繁殖是李氏禾得以繁衍的主要途径，1 m2稻有李氏禾80株，可使水稻减产80%；有100株以上，可使水稻减产90%，甚至绝产[35]，其实繁殖生长速度快有诸多不可控性，推广到实际应用存在一定困难。

目前关于防治李氏禾对稻田的危害措施主要有以下3种措施。第一，农作措施防除：在秋季或春季对稻田进行深翻深耕，把李氏禾的地下根茎暴露于土表，阻断其衍生繁殖；第二，建立或恢复水旱轮作：为了有效控制稻田恶性杂草李氏禾的危害，可实行水旱轮作减少李氏禾基数，并调节地力和改良土壤，大大减少再生苗的发生量；第三，化学药剂防除：韩乐天、农美利2种药剂对李氏禾的效果显著，可有效控制稻田李氏禾的危害，明确20%上格千金防除直播水稻田禾本科杂草的效果良好[36-38]。

42卷6期李 丹等李氏禾研究进展与应用现状

5展望

李氏禾开始是作为一种农田杂草，由于其在环境修复领域和水土保持领域的独特性，成为人们广泛关注的热点。今后可加强在以下几个方面的深入研究：

（1）李氏禾虽然具有生长快速，整体生物量较大等优势，但单株李氏禾生物量较小，若能从基因工程方面入手，改善其生长特性，提高单株生物量，进而提高其富集重金属的能力。另一方面，目前关于超富集植物的研究，多集中于植物对重金属的积累量、耐性及积累机理，以及如何提高植物的金属积累性方面[39-40]，但对于修复植物的后期处理问题关注不多，且技术尚未成熟。超富集植物的后期处置问题主要是借鉴废弃物的处置技术，工艺较单一，较少有针对修复植物特性的先进工艺技术，还需更系统深入地开展回收技术研究[41]，这样才能使其综合利用既有一定的经济效益，又使污染物得到妥善处理避免“二次污染”。因此如何妥善处理提取重金属之后的李氏禾是今后需要重点研究的问题之一。

（2）李氏禾具有忍耐淹水和干旱的共耐性特点。可以考虑从生物驯化方面入手，适当地驯化出一批对极端环境适应能力强的新种李氏禾，将其应用在水库消涨带的生态恢复中。加强李氏禾生物学特性特别是抗逆性的研究，弄清其在不同条件下的抗性大小与抗性机理；多年生李氏禾地下根系发达，蓄水保土能力强，深入研究李氏禾在固土护坡、水土保持、消涨带生态恢复等抑制崩塌、改良土壤、改善生态环境等方面的作用功能和作用及其机理，为其推广应用提供理论指导和科学依据[42]。

（3）人工湿地去污效果的影响因素分为季节差异、湿地类型、湿地植物组合和pH等[43]。将李氏禾和其他湿地植物混种或者利用李氏禾发达的根系并在人工湿地中人为添加微生物提高污水处理能力。

（4）实际推广应用李氏禾期间应注意预防其对水稻田的危害，应以“预防为主、综合防治”为推广方针，本着安全、有效、经济、简易的原则，因地因時制宜，合理推行，实现水稻田保护与土壤污染修复双赢效益[44]。

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