非食用经济作物修复重金属污染土壤研究进展

吴科堰 敖明 柴冠群 吴正卓 秦松

摘 要：土壤重金属污染已成为全世界面临的主要环境问题之一，治理修復重金属污染土壤倍受关注。在不同的防治和修复技术中，植物修复技术拥有独特优势被人们青睐，其中非食用经济作物具有不进入食物链、生物量大、环境适应性强、能充分利用重金属污染耕地并能带来经济效益等优势而成为植物修复领域的研究热点。本文总结了国内外学者对棉花、蓖麻、苎麻、桑树、剑麻5种非食用经济作物对不同重金属的富集特性以及耐受性的研究进展，同时对非食用经济作物修复重金属污染土壤进行了展望。

关键词：非食用经济作物;植物修复;重金属;土壤

中图分类号：X53

文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2019）01-0062-06 国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2019.01.012

随着我国高度集约化的农业生产、粗放型的矿产资源开发利用和快速的城镇化进程，各种含重金属的农药、化肥及化学产品等污染物通过不同途径进入环境，造成土壤，尤其是农田土壤重金属污染。重金属导致的农田生态系统污染，不仅造成可利用土地资源减少、粮食产量品质下降，还可以通过污染物的食物链传递、积累和放大，威胁人体健康[1]。

目前我国耕地普遍存在重金属污染问题，农田土壤环境质量堪忧。环境保护部和国土资源部，在2014年公布的《全国土壤污染状况调查公报（2005-2013）》显示，我国耕地土壤点位超标率达19.4%，有毒重金属Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni等8种污染物，点位超标率分别高达7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%和4.8%，其中Cd、Hg、As、Pb等4种污染物含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势，西南、中南地区重金属污染土壤问题最为突出。据统计，我国受重金属污染的耕地面积约2000×104 hm2，占我国耕地总面积的五分之一[2]。我国每年因土壤重金属污染导致粮食减产高达1000多万吨，污染粮食多达1200万吨，合计经济损失超过200亿元[3]。农田重金属污染已成为影响我国农业可持续发展的重大环境问题，因此，修复重金属污染农田对于缓解我国当前的人口-耕地资源矛盾、保障粮食安全具有重要的现实意义。

本文总结了近几年国内外利用非食用经济作物修复重金属污染土壤方面的研究成果和进展，以期推动非食用经济作物在重金属污染土壤修复治理方面的应用。

1 植物修复技术

植物修复是近10年来一种与土壤恢复有关的被动修复技术，是通过植物的特殊功能清除或降低环境中的污染物质，实现对环境的修复治理[4]。具有成本低、可原位实施、操作简单、对土壤理化性质破坏较小以及适用范围广等优点[5]。但是目前发现的超积累植物较少，且有的植物生长缓慢，植株矮小，生物量小，不适用于大面积植物修复[6]。同时还可能导致生物入侵，因此不能带来更多环境和经济效益[7]。基于这一现状，提出了农业生态整治策略，调整种植结构，通过种植非食用经济作物，消除重金属在食物链中的传递，使重金属污染土地在农业领域重新获得安全而高效的利用。利用具有经济效益的植物，如棉花、苎麻等，这些作物对重金属具有较强的耐受性以及较强的吸收、转运作用，且生物量大、不参与食物链循环[8]。这些作物环境适应性强，能大面积用于重金属污染土壤修复工程，且能进一步产生经济效益而被人们所推广。此外，非食用经济作物作为修复农作物时，可以兼顾重金属污染产地的生态效益和经济效益。

2 非食用经济作物

非食用经济作物是指具有某种特定经济用途的农作物，其主产品经济价值高，区域性强，适合集中进行专门化生产[9]。在众多修复技术中，利用非食用经济作物进行替代种植，吸收、转运、累积土壤中的重金属，从而修复重金属污染耕地的方法具有成本低、效益高、操作简单等优点。由于在实际修复过程中，食用作物不可避免进入食物链当中，因此不宜采取可食的作物进行植物修复，采用非食用经济作物在保持农田经济产出的同时，还能不断提取土壤中重金属，是当前植物修复的研究热点。

从修复环境污染的角度考虑，非食用经济作物是经生产加工后不经食物链进入人体内的作物，主要包括棉花、蓖麻等作物。非食用经济作物分为能源作物和纤维作物两种类型，能源作物是指用来作为非食粮燃料的植物，常见用于植物修复的能源植物主要有蓖麻。研究发现，蓖麻每年对土壤Hg的净化率达41%，使土壤的自净年限缩短8.5倍[10]。纤维作物是可作为工业原料的一类作物，常用于植物修复的纤维作物主要有苎麻，盆栽试验研究结果发现，螯合剂和泥炭配施能更好地促进苎麻对Cd的吸收，表现出较强的修复能力[11]。由于非食用经济作物及其经济产物不参与人体及动物体食物链传递，不会对健康产生危害，越来越多的非食用经济作物被应用到重金属污染修复治理中。

3 非食用经济作物在重金属修复中的应用

3.1 棉花

棉花是我国最重要的纤维作物，其经济产物为非直接食用产品，生物量大，主产品经济价值较高，是重金属污染区最佳的修复作物之一。研究表明，棉花对Cd、Zn、Pb等重金属具有较强的吸收、累积能力，连续几年种植棉花（棉秆拔除）可显著减轻土壤重金属污染程度[12]。2014年长株潭替代种植区Cd修复的评价结果显示：土壤中Cd含量比播种前平均下降17.8%，2015年土壤Cd含量比播种前下降30%[13]。这表明棉花用于Cd污染耕地修复种植具有较高的潜力和可行性。

盆栽试验研究结果表明，当土壤中Zn浓度<16 mg/kg、土壤中Mn浓度<60 mg/kg时，棉花总产量不受土壤Zn-Mn质量分数的影响[14]。棉花对Cd的富集特征结果显示，重金属Cd主要富集在棉花的根系，且在低Cd浓度≤5 mg/kg时，棉花地上部的吸Cd量为每株14.91 μg，说明低Cd浓度时，棉花可作为一种耐受性植物修复低Cd污染土壤[15]。研究发现，当土壤Zn含量为100 mg/kg时，棉花叶片的Zn转运系数最高为1.981，这说明当土壤中的Zn浓度较低时，棉花叶片对Zn具有较高的富集作用[16]。采用盆栽试验研究土壤中Cd和Pb对水稻和棉花的影响，结果表明重金属对水稻和棉花的生长有负面影响，且与水稻相比，棉花叶片中Cd和Pb的含量更高，说明棉花对重金属Cd和Pb具有较强的吸收富集能力[17]。

对于棉花品质而言，Cd胁迫的影响并不显著，不同浓度Cd胁迫的影响也没有显著差异;在低浓度Cd胁迫下，其纤维品质得到一定程度的提升，包括纤维长度、细度、断裂比强度以及长度整齐度指数。因此，从棉花纤维产量及品质上评估，棉花适合在低浓度Cd污染耕地上替代种植;但要在较高浓度Cd污染土壤中实现替代修复种植，需进一步改良棉花的Cd耐受性[18]。

因此，棉花对于低浓度Pb、Cd、Zn等重金属具有一定的吸收、富集能力和耐受性，将其运用于修复轻度重金属污染土壤的项目中可以发挥到很好的效果。对于中、高度重金属污染土壤地区应避免种植棉花，防止造成棉花产量下降。

3.2 桑树

桑树属速生木本植物，是一种雌雄异株植物，也是一种分布广泛、适应性较强的资源植物。其发达的根系能促进土壤中重金属元素的吸收。在试验区栽桑，耕作层Cd含量每年平均降低1.33 mg/kg[19]。桑树对矿区土壤中重金属的原位去除效应研究发现，每平方米耕作层土壤上桑树对Cu的迁移总量为12116.1 mg，修复年限为2.01年，对Pb的迁移总量为7409.83 mg，修复年限为15.45年，对Cd的迁移总量为2056.4 mg，修复年限为1.26年，对Zn的迁移总量为254532.8 mg，修复年限为0.39年[20]。

研究认为桑树雄株在环境影响下具有更强的抗性相一致[21]。在Pb污染区种植桑树研究发现，当土壤中Pb处理浓度为200 mg/kg左右时，桑树能够正常生长[22]。研究表明土壤Cd浓度为54.1 mg/kg时，桑叶Cd含量为1.55 mg/kg，说明桑树具有一定的Cd富集能力[23]。研究发现，Cd主要集中在桑树的根部，叶片中的Cd含量相对较低，即使当土壤中的Cd含量高达 145 mg/kg时，其叶片中的Cd含量也没超过2.5 mg/kg[24]。桑树不仅自身对重金属有一定累积作用，而且通过一系列外加强化措施还能增强其对重金属污染土壤的修复作用。通过EDTA对桑树吸收重金属Pb的研究发现，在相同的重金属Pb污染浓度下，加入0.55 mmol/L EDTA的桑树对Pb的吸收量比不添加EDTA的对照组明显增高[25]。以上研究表明，桑树对修复重金属复合污染土壤的耐性較强，能在修复矿区污染土壤上发挥重要作用。

对于桑树品质而言，从轻度污染土壤采集的叶片生长发育正常，蚕丝、蚕蛹和蚕粪均达到国家纺织品、饲料和农业污泥标准。桑树在Cd浓度小于40.6 mg/kg的土壤中仍能正常生长，且在此浓度下蚕的生长发育和蚕茧质量均属于正常[26]。因此，桑树作为矿区污染土壤的修复植物，具有广阔的应用前景和现实的指导意义。利用重金属污染土壤种植桑树来发展养蚕业时，应注意及时加强养蚕时的残存桑叶以及蚕排出的粪尿等含Cd残留物的管理，防止重金属污染的扩散。

3.3 蓖麻

蓖麻作为世界十大油料作物之一，其生物量大，适应性广，是理想的油料作物和环保植物。已被国内外学者证明对Cd、Pb、Zn等多种重金属具有较好的耐受性和累积能力，是一种潜在的修复重金属污染土壤的植物[27]。蓖麻对尾矿土中Pb、Zn、Cd去除发现，蓖麻对Pb、Zn、Cd的吸收表现为Zn>Cd>Pb，且Zn、Cd在蓖麻体内的累积量达到了超富集植物累积量标准，表明蓖麻具备较强的复合重金属污染耐性和富集能力[28]。

通过蓖麻种苗对水体中Cu去除研究发现，在较短时间内，蓖麻根部能累积较高的Cu，达到Cu的近超量积累效果[29]。蓖麻在土壤Cd处理浓度达到400 mg/kg时仍能生长，同时蓖麻根系对Cd的积累量大于地上部对Cd的积累[30]。研究证明，蓖麻在积累较高浓度Cd、Cu的同时，对Pb、Zn也具有一定的吸收能力[31]。通过蓖麻对重金属Zn的耐性与积累特性研究发现，在Zn浓度为2000 mg/kg时仍能生长，蓖麻植株对重金属Zn表现出较强的吸收和累积特性，表明蓖麻是一种高浓度Zn污染的耐性植物[32]。通过一系列外加强化措施还可以加强其对重金属污染土壤的净化作用。向蓖麻根际引入蜡样芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌，植物地上部Pb的吸收量分别比对照显著增加40%、18%和19%[33]。

蓖麻对于土壤中重金属Zn、Pb、Cd、Cu污染都具有较强的耐性，且表现为“低促高抑”，因此蓖麻对于修复重金属污染土壤具有现实的指导意义。但蓖麻对Cd向地上部运输的能力较差，因此在实际应用中应考虑这方面的问题。应当通过改善其生长条件和基因技术，以提高蓖麻将根部积累的重金属向地上部运输的能力，使其能用于高浓度污染土壤的修复。

3.4 苎麻

苎麻为多年生纤维作物，其根系发达，生长迅速，具有较强的抗逆性、生物量大等特点。通过不同来源的苎麻在田间和水培条件下对重金属As、Cd、Pb和Zn的耐受性进行研究，结果认为苎麻对Pb、Zn、Cd和As具有一定的组织结构耐受性，在植物各部位，尤其是根系中积累了一定程度的重金属，可作为重金属污染场所植物修复的良好选择[34]。从种植于Cd污染农田的40份苎麻品种中，筛选8个苎麻品种进行植株各部分及土壤Cd含量测定，结果表明不同苎麻品种均可明显降低根际土的含Cd量，其中最高的宜春红心麻品种可使根际土的Cd含量相对田间土的Cd含量降低80.84%，最低的8322号品种也能使根际土Cd含量降低34.85%[35]。

安化县Cd污染农田利用苎麻进行生物净化结果显示，中苎一号原麻每年的产量可达3450 kg/hm2，同时地上部每年能带走Cd 0.28 kg/hm2[36]。苎麻对重金属Pb耐受性的研究发现，在低浓度处理≤800 mg/kg时能促进苎麻植株生长，在最高处理浓度为2300 mg/kg时，苎麻仍能完成生长周期，表明苎麻对重金属Pb具有较强的耐受性[37]。以野生型和栽培型两种类型苎麻耐Cd能力以及Cd富集积累特性进行研究，结果表明富顺青麻、冷水江野麻和“湘苎3号”对Cd的转运系数均大于1，表明苎麻植株向地上部运输Cd的能力较强，对Cd有一定的富集能力[38]。

苎麻纤维品质的优劣是评价种质的重要指标之一。通过对Hg污染稻田改种苎麻和利用HgCl2处理土壤的盆栽试验发现，当土壤含Hg量在5-130 mg/kg范围时，Hg对苎麻产量和品质未造成显著影响[39]。Cd对苎麻纤维品质的影响程度相对较小，通过对12份苎麻品种Cd污染土壤适应性研究表明，在Cd含量超过100 mg/kg的土壤下，其经济性状和纤维产量并没有降低，产出的麻纤维仍能满足加工中等质量麻织品的质量要求[40]。

以上研究表明，用苎麻作为修复重金属污染土壤的植物，不仅适用性广，可以降低健康风险同时还具有较好的经济效益。由于苎麻对重金属的毒性有一定的适应性，故在实际应用中注意选择适宜的苎麻栽培品种，合理种植，合理处理除原麻之外的丢弃物防止重金属的扩散，既可以修复污染土壤又可以保证较高的经济效益。

3.5 剑麻

剑麻是多年生草本植物，其根系发达、生物量大。由于其加工产品与食物链分开，因此常用其修复重金属污染土壤。浓度为1000 mg/kg的中度Cu污染土壤上剑麻植株可以正常生长，按每公顷4500株剑麻计算，其一年地上部可以移走32.50 kg的Cu[41]。按中国剑麻叶片平均产量计算，每公顷剑麻叶片所带走的Pb量为127.5 kg，按照重金属Pb土壤环境质量一级标准值为≤35 mg/kg，修复三级污染土壤（500 mg/kg）需要8年，修复二级污染土壤（300 mg/kg）需要4.7年[42]。以上研究表明，剑麻具有修复重金属Cu、Pb污染土壤的潜力。

剑麻根系发达，在Pb浓度高达15900 mg/kg下仍能存活，说明该植物对Pb污染具有极强的抗性，可将其用于生态重建[43]。砂培试验结果表明，剑麻在Cu浓度<1000 mg/kg时仍能正常生长，浓度达到4000 mg/kg以上时整个剑麻植株才死亡[44]。

由于全球能源和环境问题的日益严峻，采用天然植物纤维替代合成纤维在复合材料中的应用，广泛受到关注。目前有关重金属污染对剑麻品质影响的相关研究较少，暂未能从品质上对剑麻能否在重金属污染土壤上种植进行评估，但剑麻纤维取自剑麻的叶片，而以上相关研究表明剑麻地上部的重金属含量相對较低，因此推测其纤维品质也不受影响，推测有待进一步研究考证。通过以上研究表明，剑麻在修复重金属Pb、Cu污染地区具有较大的应用潜力。剑麻根系向地上部分运输Pb的能力较弱，因此如何促进Pb向剑麻地上部分的转移仍是未来研究的难题。

4 展望

利用非食用经济作物修复重金属污染土壤不仅可以阻止As、Cu、Zn、Cd、Pb等重金属进入食物链，消除对人体健康的影响，而且能大规模修复污染土壤并且能带来一定的经济效益，是一项具有很好应用前景的修复技术。目前虽然已取得了阶段性的研究进展，但并不完整，尚有较多需要研究和完善之处。

非食用经济作物在生活中较为常见，具有良好的生态效益和经济效益，但如何在重金属污染土壤的生态修复中加以合理高效利用尚需深入研究;不同作物对于不同重金属的耐性不同，不同作物对于重金属的富集量也不同，几种非食用经济作物对重金属元素的吸收积累具有较明显的种间差异，因此，如何针对不同地区污染状况选择合适的修复作物是今后需要进一步探索的问题;目前有关重金属污染对非食用经济作物品质影响的相关研究较少，暂未能从品质上对非食用经济作物是否适合在重金属污染土壤上种植进行评估，因此是今后需要进一步重点探索的问题。

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