油葵修复重金属污染农田研究进展

罗琼　何录秋　杨文淼

摘要 修复重金属污染农田是当今迫切需要解决的问题。介绍了油葵修复重金属污染农田的研究背景和油葵修复重金属污染农田的原理，综述了国内外油葵修复重金属污染农田的研究现状，并提出了提高油葵修复效率的措施。

关键词 油葵；重金属污染；农田；修复；研究进展

中图分类号 S565.5；X53 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）05-0225-02

Abstract Remediation of heavy metals contaminated farmland is an urgent need to solve the problem.The research background and the principle of oil sunflower repairing heavy metals contaminated farmland were introduced，and the research status of oil sunflower repairing the heavy metals contaminated farm in the domestic and foreign were summarized，and the measures to improve the efficiency of oil sunflower repairing the heavy metals contaminated farmland were put forward.

Key words oil sunflower；heavy metals contaminated；farmland；repairing；research progress

重金属污染的危害性，长期以来一直倍受公众关注。修复重金属污染农田的方法很多，而成本低、污染少、经济有效和环境友好的植物修复技术是当今研究的热点。其中油葵作为植物修复的材料具有很大潜力。

1 油葵修复重金属污染农田的研究背景

我国农田重金属污染问题突出，如何高效率地修复污染农田，保护农田生态环境，保证健康粮食已是破在眉睫。油葵修复重金属污染农田技术相比较而言，具有绝对的优势，不仅成本低，人们容易接受、实施和维持，而且比自然稀释污染物速度快、减少废物填埋、保护自然资源，此外还可以收获植物，获得较高的经济价值。因此，该技术具有双重经济效益。

1.1 我国重金属污染农田现状的严峻性

随着社会经济的快速发展和工业生产技术的飞速前进，伴随产生的大量污染物直接或间接地进入农田，污染农田生态系统。根据2014年环境保护部公布的中国土壤污染数据表明，中国已有19.4%耕地土壤被污染，污染面积约达2 300万hm2，从污染类型看，其中无机污染物超标点位数高达82.8%[1]。据调查统计[2-3]，目前中国污灌区所生产大米几乎都遭受不同程度的重金属污染，是我国城市的主要重金属污染物。中国每年被重金属污染的粮食多达1 200万t[4]。重金属污染不仅导致粮食减产，且可影响人体健康。

1.2 油葵研究应用的优越性

油葵为一年生草本植物，属菊科，是向日葵的一种，是一种适应性广、耐盐碱、耐干旱、耐瘠薄的油料作物，其抗逆性强、生育期短、产值高，且籽粒含油量高、品质优良。油葵在众多的植物修复材料中，相比较而言，具有较高的优越性和价值：一是生态环保价值。油葵根系发达，生物量大，生长迅速，适应性强，抗旱耐瘠薄，据研究表明，油葵在污染土壤中均能够正常地生长，没有出现明显的毒害症状，不影响油葵的产量，而且因其地上部分生物量大，能够吸收积累大量的多种重金属，重金属Cu、Cd在植株中的含量明显高于土壤本底值，油葵对Cu、Pb、Cd、As等重金属具有显著的富集特性。二是营养健康价值。从重金属污染土地上种植的油葵种子提取的油葵油质量符合国家食用安全标准（GB2716—2005规定As≤0.1 mg/kg，Pb≤0.1 mg/kg）。油葵油被称为“保健油”“健康油”。油葵籽粒产量高，种子中含有丰富的营养成分，具有较高的营养价值。油葵油不仅含有丰富的亚油酸，有助排除胆固醇及其产物，减轻动脉硬化，维持血压平衡；而且还含有较多的维生素和矿物质，有助于提高免疫力、促进新陈代谢、延缓衰老。三是经济价值。油葵市场价格约5 900元/t，成品油价格约18 000元/t，油葵籽实含油率为42.9%。农民种植油葵产量3 750 kg/hm2，产值22 125元/hm2。四是其他综合利用价值。油葵油属于品质优良的半干性油，可以广泛地应用于制造业、工业等相关产业。在制造业中油葵油是用来制造聚脂、树脂、胶片、肥皂、蜡烛及香料等的重要原料。在工业中可用作油漆的原料，可提炼润滑油、汽油等，用于制革 、石油、纺织等工业上。

2 油葵修复重金属污染农田的原理

早在1583年，人们就已经发现一些植物种能够生长在重金属含量相对较高的土壤中[5]。1977年，Brooks[6]提出了超富集植物的概念。1983年，Chaney[7]首次提出了利用超富集植物清除土壤中重金属污染物的思想。植物对重金属污染位点的修复可分为植物稳定、植物挥发、植物过滤、植物提取等4种方式，目前研究最多并且最有前景的方法是植物提取，在实践中已经表现出良好的修复性能[8]。植物提取是利用植物的根系从土壤中吸取重金属，并将其转移、储存到植物的地上部分，然后收割地上部分[9]。

油葵为一年生草本植物，是菊科油葵屬，油葵抗旱耐瘠薄，根系发达，生长迅速，生物量大，对重金属的富集性能和耐受性都比较强。据研究表明，油葵在污染土壤中均能够正常地生长，没有出现明显的毒害症状，不影响油葵的产量，而且因其地上部分生物量大，能够吸收积累大量的多种重金属，重金属Cu、Cd在植株中的含量明显高于土壤本底值，油葵对Cu、Pb、Cd、As等重金属具有显著的富集特性。充分利用油葵对重金属的耐性和富集特性，将其种植在重金属复合污染的地区，吸收积累土壤中的重金属，通过对成熟植株的挖采和处理，即油葵成熟后通过收割加工地上部分来提取土壤中的重金属，并且从油葵种子获得的提取油质量符合国家食用安全标准。

3 国内外油葵修复重金属污染农田研究现状

3.1 油葵对Cd污染农田的修复

1984年Cd被联合国环境规划署列为“危害全球环境的化学物质和化学过程清单”的首位[10]。油葵对Cd污染土壤具有一定的耐性，并且对Cd具有较强的吸收潜力。据Chen等[11]研究，向日葵地上部对Cd的积累量超过100 mg/kg。牛之欣等[12]研究表明，水培条件下紫花苜蓿、芥菜、向日葵、蓖麻根部与地上部对Cd的富集系数随重金属浓度的增加而减小，而富集量则相反。

3.2 油葵对Pb污染农田的修复

Pb具有类似雌激素的作用，能导致包括人类在内各种生物的生殖功能下降[13]。植株根部与地上部对Pb的富集量随重金属浓度的增加而增加，富集系数则相反[14]。在含Pb较低浓度溶液中，向日葵具有很强积累Pb的能力[15]。采用向日葵种苗过滤法可以使水体中的Pb在72 h内由100 mg/L迅速减少至5 mg/L以下，其中根部的积累量最高[16]。

3.3 油葵对Cu污染农田的修复

当土壤中的有效Cu含量达到200 mg/kg时，植物的正常生长受到严重影响[17]。油葵对Cu有明显的积累能力。采用种苗过滤法能够在96 h内使水体中的Cu浓度显著降低[18-19]。据王永芬等[20]研究表明，当土壤中添加Cu浓度为200 mg/kg时，Cu含量的叶根比达到1.27，此时集中收获植株地上部分，可移出土壤中过多的有效铜。

3.4 油葵对Zn污染农田的修复

油葵幼苗对Zn污染具有很好的修复作用。利用向日葵种苗根和茎的积累过滤，可以使水体的Zn浓度在144 h内明显降低[16]。Arash等[21]研究发现，经向日葵幼苗过滤后，被污染水体中的Zn、Cu、Pb浓度均在EPA（美国环保署）和FAO（联合国粮农组织）规定的农田灌溉水质标准的安全范围内[21]。

3.5 油葵对Cr污染农田的修复

Fozia等[22]研究证明，油葵茎对Cr也有一定的吸收作用，根部对Cr的吸收效果非常明显，但转移速度较慢；种子的吸收速度要比根、茎慢得多。

4 提高油葵修复效率的措施

植物修复效率一方面取决于植物自身的生物量，另一方面取决于超富集植物对重金属的积累量[23]。影响重金属植物修复的因素主要有气候因子和土壤因子[24]。通过控制一些因素和各种农艺措施，可以提高油葵修复的效率[25]。

4.1 合理施肥

合理施肥可促进植物生长，提高植物生物量，可以强化重金属污染土壤的植物修复，使植物修复效率提高数倍[26]。Mahmoud等研究证明，通过使用螯合剂DTPA、调节pH值和合理施肥，可使向日葵对Zn和Pb的吸收大幅提高。对生长于Cu污染土壤的油葵进行CO2施肥处理后，植株体内的Cu含量显著增加，Cu积累的叶根比也显著增加，说明CO2施肥有利于Cu由根向叶片的运输[27]。但需要注意的是，肥料的使用量需要在一个适当的范围内[28]。

4.2 科学栽培

合理的油葵栽培与田间管理同样会提高植物修复效率。Liphadzi等研究表明，在向日葵稀植條件下，其叶片中的重金属（Cd、Ni、Pb、Cu、Zn）含量明显高于密植处理，但由于密植时其生物量是稀植时的1.5倍左右，所以油葵在密植条件下对土壤中重金属的去除效率比稀植条件下要高。

4.3 应用植物修复剂

添加螯合剂和有机酸等能够促使重金属离子解吸和溶解[29]。EDTA是目前使用最广、效果较好的螯合剂之一，可以明显提高油葵对重金属的吸收量[13，28]。采用向日葵修复Cd-Ni复合污染土壤时，当一次加入5 mmol/kg EDTA或分2次加入10 mmol/kg柠檬酸时，植株提取的Ni总量最大；当加入EDTA 2.5 mmol/kg或柠檬酸5 mmol/kg时，向日葵提取的Cd总量达最大值[30]。Liphadzi等[31]研究表明，加入EDTA可以明显增强向日葵对重金属的去除效果。

5 展望

综上所述，油葵对重金属污染具有很强的耐受性和植物修复能力，可以有效去除土壤中的重金属元素，修复重金属污染农田，并且油葵经济价值高。因此，种植油葵是治理农田重金属污染的一条行之有效的途径，具有广阔的应用前景和推广价值，对改善农业生态环境、保障农产品安全、实现农民增产增收将起到重要作用。我国农田重金属污染问题直接关系到国家的粮食安全，现阶段普遍推广的土壤重金属污染修复技术尚存在诸多不足之处，仍需不断深入研究改进和创新解决办法[32-34]。

6 参考文献

[1] 杨启良，武振中，陈金陵，等.植物修复重金属污染土壤的研究现状及其水肥调控技术展望[J].生态环境学报，2015，24（6）：1075-1084.

[2] 丁真真.中国农田土壤重金属污染与其植物修复研究[J].水土保持研究，2007，14（3）：19-20.

[3] 邢艳帅，乔冬梅，朱桂芬，等.土壤重金属污染及植物修复技术研究进展[J].中国农学通报，2014，30（17）：208-214.

[4] 罗琼，王昆，许靖波，等.我国稻田镉污染现状、危害、来源及其生产措施[J].安徽农业科学，2014，42（30）：10540-10542.

[5] BROOKS R R.Plants that hyperaecumulate heavy metals[J].CAB interna-tional，1989（1）：1-2.

[6] BROOKS R R，LEE J，REEVES R D，et al.Detection of nickelif erous rocks by analysis of herbarium specimens of indicatorplants[J].Geochemi-cal Eploration，1977（7）：49-57.

[7] CHANEY R L，MALIK M，LI Y M，et al.Phyt0remendiation of soil metals[J].Current Opinion in Biotechnology，1997，8（3）：279-284.

[8] PILON-SMITS E，PILON M.Breeding mercury-breathing plants for environmental cleanup[J].Trends in Plant Science，2000，5（6）：235-236.

[9] 杨科壁.中国农田土壤重金属污染与其植物修复研究[J].世界农业，2007（8）：58-61.

[10] 郭艳丽，台培东，韩艳萍，等.镉胁迫对向日葵幼苗生长和生理特性的影响[J].环境工程学报，2009，3（12）：2291-2296.

[11] HONG CHEN，TERESA CUTRIGHT.EDTA and HEDTA effects on Cd. Cr and Ni uptake by Helianthus annuus[J].Chemosphere，2001，45（1）：21-28.

[12] 牛之欣，孫耵娜，孙铁珩.水培条件下4种植物对Cd、Pb富集特征[J].生物学杂志，2010，29（2）：267-268.

[13] 肖璇.油菜和向日葵修复Pb污染土壤的研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2009.

[14] NIU Z X，SUN I N，SUN T H，et al.Evaluation of phytoex-tracting cad-mium and lead by sunflower，ricinus，alfalfa and mustard in hydroponic culture[J].Environmental Sciences，2007，19（8）：961-967.

[15] 郭平，刘畅，张海博，等.向日葵幼苗对Pb、Cu富集能力与耐受性研究[J].水土保持学报，2007，21（6）：92-113.

[16] 渠荣遴，李德森，杜荣骞.水体重金属污染的植物修复研究（I）种苗过滤去除水中重金属[J].农业环境保护，2002，21（4）：297-300.

[17] 夏立江，王宏康.土壤污染与防治[M].上海：华东理工大学出版社，2001.

[18] 渠荣遴，李德森，杜荣骞.水体重金属污染的植物修复研究（Ⅳ）一种苗过滤去除水中重金属铜[J].农业环境科学学报，2003，22（2）：167-169.

[19] 单正军，王连生，蔡道基，等.果园土壤铜污染状况及其对作物生长的影响[J].农业环境保护，2002，21（2）：119-121.

[20] 王永芬，席磊.向日葵对土壤中铜的积累作用研究[J].中国生态农业学报，2006，14（4）：131-133.

[21] ARASH Z.Abdolmajid L A，Hassanoghli. Phytoremediation Treatment of Water Contaminated With Zin，Copper and Lead[C]//International Commission on Irrigation and Drainage.International Commission on Irrigation and Drainage Nineteenth Congress.Symposium（R.09）.Beijing：International Commission on Irrigation and Drainage，2005，9：142-144.

[22] FOZIA A，MUHAMMAD A Z，MUHAMMAD A，et al.Effect of chromium on growth attributes in sunflower[J].Journal of Environmental Sciences，2008（12）：1475-1480.

[23] 陈玉成.污染环境生物修复工程[M].北京：化学工业出版社，2003.

[24] 廖晓勇，陈同斌，阎秀兰，等.提高植物修复效率的技术途径与强化措施[J].环境科学学报，2007，27（6）：881-893.

[25] 廖晓勇，陈同斌，谢华，等.磷肥对砷污染土壤的植物修复效率的影响：田间实例研究[J].环境科学学报，2004，24（3）：455-462.

[26] 刘晓冰，邢宝山，周克琴，等.污染土壤植物修复技术及其机理研究[J].中国生态农业学报，2005，13（1）：134-138.

[27] 席磊，王永芬.CO2气肥对向日葵Cu积累能力影响的研究[J].安徽农业科学，2008，36（2）：636-637.

[28] 张守文.重金属Cd污染土壤的植物修复研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2009.

[29] BLAYLOCK M J，SALT D E，DUSHENKOV S，et al.Enhanced accumu-lation of Pb in Indian mustard by soil-applied chelating agents[J].Environmental Science & Technology，1997，31：860-865.

[30] 王学锋，崔倩.EDTA、柠檬酸对向日葵吸收重金属Cd-Ni的影响[C]//中国农业生态环境保护协会.第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集.天津：中国农业生态环境保护协会，2007：221-225.

[31] LIPHADZI M S，KIRKHAM M B，MANKIN K R，et al.EDTA—assisted heavy metal uptake by poplar and sunflower grown at a long-term sewage sludge farm[J].Plant and Soil，2003，10（1）：171-182.

[32] 张燕.试论农业生态修复技术在农田土壤重金属污染中的应用[J].环境与可持续发展，2015，40（5）：136-137.

[33] 王腾飞，王一志，张凤，等.农田重金属污染及修复技术综述[J].湖南城市学院学报（自然科学版），2015，24（3）：104-106.

[34] 任露陆，吴文成，蔡信德，等.经济作物对农田重金属污染土壤修复的研究进展[J].贵州农业科学，2015，43（8）：254-256.