农田土壤Cd污染的植物修复及强化措施研究进展

从辉 张有军 曲为贵 魏子章 杨金霞 张吉 朱明奕 田野

摘要 镉（Cd）是自然界中生物毒性最强的元素之一，易通过食物链进入人体，威胁人类健康，植物修复作为一种绿色、低廉、环境友好的原位修复技术而备受关注，因而研究农田土壤中Cd污染的植物修复技术及强化措施对保护生态环境和保障食品安全均有重大意义。首先对近年研究较多的鬼针草等Cd超富集植物进行了介绍，同时针对中轻度污染农田为实现“边生产边修复”的目的，对具有Cd富集能力和耐性的甜高粱等一般作物进行了介绍，最后针对植物修复周期长等局限性，重点阐述了微生物联合修复、螯合剂诱导修复、基因工程修复、农艺调控等植物修复强化措施，并对未来植物修复领域的研究方向进行了展望。

关键词 农田土壤;Cd污染;植物修复;强化措施

中图分类号 X53文献标识码 A文章编号 0517-6611（2021）08-0021-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.08.006

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Research Progress on Phytoremediation and Strengthening Measures of Cadmium Pollution in Farmland Soil

CONG Hui，ZHANG You-jun，QU Wei-gui et al

（Tianjin North China Geological Exploration Bureau， Tianjin 300170）

Abstract Cadmium is one of the most biologically toxic elements in nature. It easily enters the human body through the food chain and threatens human health. Phytoremediation has attracted much attention as a green， low-cost and environmentally friendly in-situ remediation technology.Therefore， research on the phytoremediation techniques and strengthening measures of cadmium pollution in farmland soil is of great significance for protecting the ecological environment and ensuring food safety. First introduced the cadmium hyper-accumulating plants such as B.pilosa L. which had been studied in recent years. At the same time， for the purpose of “production and restoration” in lightly polluted farmland， general crops such as sweet sorghm with cadmium accumulation ability and tolerance was introduced. Finally， in view of the limitations of long phytoremediation cycle， the emphasis was on phytoremediation enhancement measures such as microbial joint remediation， chelating agent-induced remediation， genetic engineering remediation and agronomic regulation， and prospected for future research directions in the field of phytoremediation.

Key words Farmland soil;Cd pollution;Phytoremediation;Strengthening measures

土壤作為支撑人类生存和发展的基础，对人体健康和社会发展至关重要。近年来，随着工农业的迅速发展，工业大气沉降、污水灌溉、大量施用有机肥料等[1]，导致农田土壤重金属污染问题日益严重。根据2014年公布的全国土壤污染状况调查结果，我国耕地土壤点位超标率为19.4%，以无机型污染物为主（82.8%），其中Cd污染点位超标率为7%，位于首位[2]。重金属Cd具有毒性大、迁移性强、不易降解、易被农作物吸收的特点，在食物链的传递下，对生物体的危害极大[3]，因而对农田土壤Cd污染的修复技术研究是当前人们亟待解决的生态难题。国内外对土壤Cd污染修复进行了大量研究，包括物理客土法、电动修复法、化学淋洗法等，但传统修复方法因其成本高、操作复杂、易二次污染、易土壤退化等缺点，较不适用于农田土壤Cd污染修复[4]。生物法中的植物修复具有成本低、易操作、效果好、不产生二次污染的优点，应用前景广泛。因此，笔者就近年来国内外有关农田土壤Cd污染的植物修复技术及强化措施研究和实践进行综述。

1 Cd污染土壤植物修复技术

1.1 植物修复技术概述

“植物修复”这一专业术语首次在1994年由Raskin等[5]提出。植物修复是一种利用某些可以忍耐和超富集有毒元素的植物及其共存微生物体系清除污染物的环境污染治理技术[6]。根据植物修复的特点和机理，可以将其分为植物提取、植物稳定、植物挥发和根系过滤。目前，Cd污染土壤植物修复主要集中在筛选超富集植物和通过强化措施提高植物对Cd元素的提取率。

1.2 Cd超富集植物

目前，国内外已经发现和筛选的Cd超富集植物主要有东南景天、龙葵、商陆、宝山堇菜、圆锥南芥、球果蔊菜、紫茉莉、水葱、红菾菜、三叶鬼针草、籽粒苋[7-8]等。但其在生物量、收获物的利用程度和方式、降Cd效果、经济效益等方面存在较大差异。因此，该研究针对国内农田土壤特性，筛选近年研究较多的几种超富集植物进行介绍，详见表1。

鬼针草（B.pilosa L.）为一年生草本植物，分布于我国的大部分地区，喜温暖湿润气候。魏树和等[9]通过盆栽筛选试验和浓度梯度试验得出三叶鬼针草为Cd超富集植物。韩少华等[7]通过盆栽试验发现，针对上海地区2种浓度（1.2、12.0 mg/kg）Cd污染农田土壤，三叶鬼针草、中华景天、紫茉莉3种植物相比，三叶鬼针草对土壤Cd去除效果最佳，去除率分别为31.06%（1.2 mg/kg）和16.73%（12.0 mg/kg），且生物量大，可作为上海地区Cd污染农田土壤修复的优选植物。张云霞等[10]通过野外调查、原土盆栽试验和田间试验，得出鬼针草对Cd表现出稳定的积累特性，在适合鬼针草生长的亚热带季风区，土壤Cd全量为2.66～4.04 mg/kg，每1 hm2种植3茬鬼针草的去除率为12.9%～18.6%。

籽粒苋（Amaranthus hypochondriacus）是一年生的草本植物，在国内的种植区域很广，具有生长速度快、生物量大、适应性强等特点[11]。谷雨等[12]通过在湖南省长株潭休耕区轻、中、重度Cd污染区开展田间试验，对比分析了6种植物（籽粒苋、商陆、甜高粱、生物质高粱、玉米、油葵）对土壤中Cd的富集特性，发现籽粒苋地上部重金属Cd的含量和对Cd的富集系数均最高。

藿香蓟（Ageratum conyzoides L.）为菊科，属一年生草本植物，在我國广东、广西、贵州等地广泛分布，喜温暖、阳光充足的环境。孙园园等[13]通过盆栽试验发现，藿香蓟地上部和地下部Cd含量随胁迫浓度的增加而逐渐升高，在Cd（300 mg/kg）胁迫下，植株地上部Cd含量为125.5 mg/kg，但高浓度Cd胁迫对植物生长有抑制作用。张云霞等[14]通过野外调查、原土盆栽试验和田间试验，发现藿香蓟叶片中 Cd 含量最大，在不同矿区表现出较好的稳定性，在适合藿香蓟生长的中亚热带季风区，土壤Cd全量为4.5 mg/kg，每667 m2种植3茬藿香蓟的去除率为13.2%～15.6%。

龙葵（Solanum nigrum L.）属茄科，为一年或多年生的草本植物。翁添富[15]通过田间小区试验，研究了龙葵对重金属Cd的富集特征和修复潜力，得出龙葵地上部Cd含量为22.109 mg/kg，转运系数为1.692。陈帅[16]通过温室盆栽试验设置不同Cd浓度梯度和真实污染土样种植黑果和红果2种龙葵属植物，发现2种龙葵属植物在株高、生物量干重、龙葵各器官中的Cd含量、富集系数和转移系数均表现出超富集植物的特性，且黑果龙葵表现出更好的富集优势。

1.3 一般农作物

因部分超富集植物具有生物量低、植株矮小、生长缓慢等缺点，在中轻度污染农田土壤中，可以选用生物量大、适应性强的植物或经济作物进行修复，详见表2。

甜高粱（Sorghum bicolor（Linn.）Moench）是重要的能源植物和粮食作物，具有生物量大、抗逆性强、适应性广等特点，同时也是生产生物乙醇的重要原材料。Jia等[17]研究在Cd胁迫条件下甜高粱（M-81E）细胞结构、金属离子分布等的变化，从植物生理角度证明甜高粱作为Cd污染土壤植物修复材料的潜力。薛忠财等[18]通过田间控制试验发现，甜高粱对Cd具有较强的吸收能力和耐性，单株Cd的积累量最高可达0.84 mg（土壤Cd含量为18 mg/kg），Cd主要积累在甜高粱的根部，采用ASSF技术对甜高粱茎秆进行发酵处理，发现Cd处理对发酵过程中糖利用率和乙醇转化率均没有影响，可以用于生产燃料乙醇，从而实现边生产边修复。

皇竹草（Pennisetum hydridum）为多年生禾本科植物，具有根系发达、生长快、产量高、耐旱涝、耐贫瘠、抗酸碱等特点，可安全应用于饲用牧草、还田肥料、造纸原料等途径。谢华等[19]在大田条件下，研究了在酸与Cd污染农田土壤中种植皇竹草的治理效果，发现土壤中 Cd 含量为 0.71 mg/kg时，皇竹草中Cd含量为1.69 mg/kg，富集系数为2.38，修复效果优于同等条件下种植的龙葵。

红麻（Hibiscus cannabinus）是锦葵科木槿属一年生纤维作物，具有耐旱、耐贫瘠、耐盐碱、易栽培、纤维产量高等特性，是一种生物产量极高的经济作物。黄玉敏等[20]以中红麻3号、中红麻16号等6个红麻品种为试验材料，进行中轻度Cd污染农田（土壤Cd含量0.39～0.53 mg/kg）土壤修复试验，发现6个红麻品种Cd富集情况为叶>茎>根>花，各器官富集系数为2.08～17.08，6个品种中以中红麻3号产量最高，修复效果最好。

甘蓝型油菜（Brassica napus L.）在我国南北地区广泛种植，生物量大，可生产菜籽油和作为生物柴油。费维新等[21]选用10个主要油菜品种在重金属Cd污染区与非污染区种植，发现油菜植株对Cd的吸收富集主要集中在茎叶部位，苗期秦优10号对重金属Cd的富集能力最强。

2 植物修复技术强化措施

在修复工程实际应用中，由于大部分超富集植物存在植株矮小、生物量低、生长缓慢、修复周期长等局限性，因而可通过对超富集植物施加强化措施的方式提高修复效率。目前研究较多的强化措施主要有微生物联合修复技术、螯合剂诱导修复技术、基因工程修复技术、农艺调控技术等。

49卷8期从 辉等 农田土壤Cd污染的植物修复及强化措施研究进展

3 展望

植物修复是一种安全、环境友好、成本相对低廉的修复技术，但也存在着耗时长、见效慢、易受环境因素干扰的缺点。近年来，国内外诸多学者在植物修复技术理论研究及实际应用方面取得了一定成果，但由于土壤本身的复杂性和植物对生长环境的强烈依赖性导致部分研究成果无法在实际大范围内应用。因此，结合实际生产，今后需要对以下几个方面进行深入研究：①加强对农田土壤Cd的来源识别和影响因子分析，针对不同土壤类型构建基于环境主控因子的农田土壤Cd生物有效性最佳调控技术体系;②借助基因工程、杂交育种等手段筛选适合Cd、Pb等复合污染土壤的超富集植物，同时对转基因植物潜在生态风险和环境威胁进行评估，避免产生二次污染;③加强多种强化措施的联合应用，结合污染物特征、作物种类、耕作模式、水肥管理等探索绿色、高效的联合修复模式，切实指导农业生产。

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