聶雄峰，黃雁飛，陳桂芬，黃玉溢，劉 斌，劉永賢

（廣西農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，南寧 530007）

0 引言

農(nóng)田是糧食作物與經(jīng)濟作物生長的基礎，對農(nóng)田的保護和安全利用不僅事關國家經(jīng)濟發(fā)展更是人民飲食健康的基本要求。造成土壤重金屬污染的原因非常復雜，包括工業(yè)排放、化肥農(nóng)藥使用以及地礦開采等。人們將密度大于5 g/cm3的金屬稱為重金屬，鎘、鎳、銅、汞、鉛和砷皆可劃歸為重金屬。重金屬非常難以被生物降解，相反卻能在食物鏈的生物放大作用下，隨著生物營養(yǎng)級的升高而在人體內(nèi)富集。重金屬在人體內(nèi)能和蛋白質(zhì)及酶等發(fā)生相互作用，使它們失去活性，也可能在人體的某些器官中累積，造成慢性中毒[1]。根據(jù)環(huán)境保護部和國土資源部2014年公布《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》[2]的數(shù)據(jù)，中國耕地土壤的污染監(jiān)測點位超標率為19.4%，以輕微（超過評價標準的1～2 倍之間）污染為主，占比70.6%。耕地的主要無機污染物為鎘、鎳、銅、汞、鉛和砷（類金屬），歸屬為輕微污染的點位超標率分別為5.2%、3.9%、1.6%、1.2%、1.1%和2.0%，占比對應污染物點位超標率的74.3%、81.2%、76.2%、75.0%、73.3%和74.1%。近年來，廣大學者對耕地尤其是對農(nóng)田的重金屬污染治理與修復研究較多，探索總結出一系列的治理方法，如物理[3-4]、化學[5-6]和生物修復[7-8]等。物理修復技術和化學修復技術是利用污染物或污染介質(zhì)的物理或化學特性，以破壞（如改變化學性質(zhì)）、分離或同化污染物，具有實施周期短、可用于處理各種污染物等優(yōu)點。但均存在處理成本高，處理工程偏大的缺點。微生物修復技術指利用微生物的代謝過程將土壤中的污染物轉化為二氧化碳、水、脂肪酸和生物體等無毒物質(zhì)的修復過程。植物修復技術是利用植物自身對污染物的吸收、固定、轉化和積累功能，以及通過為根際微生物提供有利于修復進行的環(huán)境條件而促進污染物的微生物降解和無害化過程，從而實現(xiàn)對污染土壤的修復。植物修復具有處理費用較低、能獲得較好的修復治理效果的特點，雖然存在修復時間較長、單一種類植物對污染物具有特異性等不足，但憑借其操作簡便、對環(huán)境的擾動較低以及能夠移除農(nóng)田中的重金屬元素等獨特優(yōu)點，目前依然具有較高的實際應用潛力。

1 中國南方農(nóng)田重金屬污染治理特點

農(nóng)田重金屬污染是由于采礦廢渣、農(nóng)藥、廢水、污泥和大氣沉降中重金屬在土壤中過量沉積而引起的土壤污染。重金屬污染較為隱蔽，人們無法通過肉眼直接觀察，只能通過檢測手段發(fā)現(xiàn)，因而難以精準定位污染源頭。毛紅云等[9]運用單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅污染指數(shù)作為農(nóng)田土壤質(zhì)量評價指標分析中國16 個地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀，結果表明秦嶺淮河以南的南方地區(qū)的污染程度要比北方地區(qū)大得多。這可能是因為南方受亞熱帶季風氣候的影響，夏季高溫多雨，年降水量普遍在1000 mm以上，土壤自然呈現(xiàn)酸性所致。南方多丘陵少平原，農(nóng)田分布零散不成片且高低起伏，使用物理化學手段集中治理修復非常困難。此外，重金屬流入農(nóng)田后難以遷移，易在農(nóng)田堆積，主要集中在10～40 cm的土層中[10]。而0～40 cm土層是大部分糧食與經(jīng)濟作物根系的主要活動區(qū)域，不可擾亂破壞，所以對南方重金屬超標農(nóng)田的污染治理只能走“邊生產(chǎn)、邊治理、邊修復”的模式，這又增加了修復治理的難度。最后，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的種植人員絕大部分沒有開展相關污染治理技術的能力也難以承擔修復污染農(nóng)田帶來的額外成本，這要求研發(fā)出的農(nóng)田污染治理方法與技術必須要足夠?qū)嵒荩⑶液啙嵏咝?。植物修復技術只需要將種子播種于重金屬超標區(qū)域并收走其植株地上部分，，是目前較為理想的能夠應用于農(nóng)田的重金屬污染修復方法。

2 重金屬修復植物研究現(xiàn)狀

植物修復重金屬污染土地可根據(jù)治理的過程和機理分為5種類型：植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定、根際圈生物降解和根系過濾。本研究主要以植物提取技術為研究對象，植物提取又稱植物萃取，是指種植一些特殊植物，利用其根系吸收污染土壤中的有毒有害物質(zhì)并轉運至植物地上部，通過收割地上部物質(zhì)帶走土壤中污染物的一種方法。植物提取作用是目前研究最多，最有發(fā)展前景的方法之一。

2.1 重金屬超積累植物收集與分類

常用的超積累植物判定有3 項標準，一是植株地上部的重金屬濃度超過臨界濃度（鎘臨界濃度為100 mg/kg，砷、銅、鉛、鎳臨界濃度為1000 mg/kg）；二是植株地上部分的重金屬濃度超過土壤背景值，即富集系數(shù)大于1；三是植株地上部分的重金屬濃度大于根系，即轉運系數(shù)大于1。根據(jù)Roger 等[11]2017 年7 月的報道，全地球超積累植物數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)顯示世界各地已發(fā)現(xiàn)超積累植物達721種，其中鎘7種、鎳523種、銅53 種、鉛8 種以及砷5 種。但大部分超積累植物并不存在于中國境內(nèi)。因此，筆者通過中國知網(wǎng)等途徑以重金屬（鎘、鎳、銅、汞、鉛和砷）、超積累植物等為關鍵詞，收集中國境內(nèi)現(xiàn)存的超積累植物資料，通過百度和中國植物志查詢植物物種學名等信息，經(jīng)系統(tǒng)整理分析獲得以下表中結果（見表1～4）。部分超積累植物展示的數(shù)據(jù)為參考文獻中較低重金屬處理濃度(0～20 mg/kg)的試驗數(shù)據(jù)。

表1 中國境內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的鎘超積累植物表

續(xù)表1

截至2021 年3 月，中國境內(nèi)共發(fā)現(xiàn)鎘的超積累植物13科26種，砷的超積累植物2科8種，銅的超積累植物3科3種，鉛的超積累植物4科7種，少見有鎳的超積累植物報道，暫未發(fā)現(xiàn)有汞的超積累植物。

2.2 不同重金屬超積累植物的比較分析

植物提取修復技術最終收獲的是富集或超富集植物的地上部，所以植物地上部重金屬積累量的大小是植物修復過程中最具有實際意義的指標之一，表征了植物的修復潛力，決定了植物提取修復技術效率的高低。而地上部重金屬積累量的大小取決于2 個關鍵點，一個是所用富集植物生物量的大小，另一個就是所用富集植物吸收重金屬能力的強弱，即植物體重金屬濃度的大小。

表2 中國境內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的砷超積累植物表

蘇徳純等[19]研究發(fā)現(xiàn)，芥菜型油菜品種溪口花籽為Cd 超積累植物，在Cd 污染濃度為0～20 mg/kg 的相同栽培條件下，其地上部生物量、地上部吸Cd 量和對Cd污染土壤的凈化率均高于超積累植物印度芥菜，是一種較好的適合在中國生長的可用于修復Cd 污染土壤的超累積植物種質(zhì)資源。魏樹和等[50]對農(nóng)田中常見的雜草進行重金屬超積累植物篩選發(fā)現(xiàn)，蒲公英、龍葵、小白酒花對Cd單一污染及Cd—Pb—Cu—Zn復合污染耐性較強且對Cd積累能力也很強，其富集系數(shù)與轉運系數(shù)均大于1，基本具有超富集植物的主要特征，但對復合污染土壤同時修復可能會受到一定的限制。魏樹和等[51]進一步通過盆栽試驗研究表明，在Cd污染水平為25 mg/kg時，龍葵莖及葉的Cd含量分別都超過了100 mg/kg，首次發(fā)現(xiàn)龍葵是鎘的超積累植物。劉威等[32]通過野外調(diào)查和溫室試驗發(fā)現(xiàn)并證實寶山堇菜(Viola baoshanensis)（植物志現(xiàn)將它更名為亮毛堇菜Viola lucens W.Beck.），是一種Cd 超富集植物，寶山堇菜為低矮小草本，高只有5～7 cm，生物量也較小，野外生長的寶山堇菜干重只有3 t/hm2，非常難以利用在植物修復技術上。朱光旭等[52]研究表明，苧麻是鎘的富集植物，當土壤中鎘濃度在10 mg/kg 以內(nèi)時，苧麻對鎘的富集系數(shù)與轉運系數(shù)均大于1，對土壤中鎘總量的吸收率為0.56%～1.51%，假設不再有任何外源鎘施入的情況下，單純只依靠種植苧麻、每年3季麻且不作其他處理，則土壤中鎘含量從2 mg/kg降低至0.3 mg/kg大約需要種植56 年。張晗芝等[53]對30 個蓖麻品種的鎘耐性和富集特征研究表明，不同品種間耐受程度差異顯著，地上部分鎘的富集能力及提取能力主要由蓖麻品種決定，受土壤中鎘濃度的影響相對較小。雖然蓖麻不是鎘的超富集植物，但是蓖麻具有較大的生物量和巨大的根系，生長勢強，同時作為能源植物具有實際經(jīng)濟價值，存在較高的農(nóng)田鎘污染綜合治理價值。外來入侵植物紫莖澤蘭對鎘的富集系數(shù)與轉運系數(shù)均大于1，因其生長速度快、生物量大可以嘗試利用它修復土壤中的重金屬Cd[54]，但它的重金屬修復作用較為單一，對其他重金屬修復能力有限。

陳同斌等[37]對雄黃礦高砷區(qū)采集土壤和植物樣本時發(fā)現(xiàn)野生蜈蚣草具有較高的含砷量，他通過進一步的室內(nèi)實驗研究證明蜈蚣草是砷的超富集植物，對砷具有極強的耐性。雖然蜈蚣草具有生長快、生物量大等特點，但它難以在酸性土壤中存活，其生長地土壤的pH 7.0～8.0，是鈣質(zhì)土及石灰?guī)r的指示植物。韋朝陽等[38]在采樣點的土壤pH 6.52～7.77，含砷濃度為111～299 mg/kg（平均值為168 mg/kg）的生境中發(fā)現(xiàn)大葉井口邊草（學名：鳳尾蕨）能夠富集砷，檢測結果表明各采樣點植物地上部含砷量均大于土壤砷含量，且隨土壤砷含量的增加而增加,其生物富集系數(shù)為1.3～4.8，轉運系數(shù)為1～2.6，屬于砷的超富集植物。

中國學者謝學錦等[55]于1952 年在安徽某地含銅量為4000～5000 r/g 的土壤中發(fā)現(xiàn)一種生長茂盛的植物，該植物經(jīng)鑒定為海州香薷，并確定該植物為銅礦指示植物。廖斌等[56]研究銅的富集植物鴨跖草時發(fā)現(xiàn)處于礦山生境的鴨跖草和處于正常土壤生境的鴨跖草之間存在較大差異，礦山鴨跖草比非礦山鴨跖草具有更高的銅脅迫耐受性，但是在低濃度銅脅迫時，非礦山鴨跖草吸收轉運銅的能力要強于礦山鴨跖草。通過收集文獻中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)海州香薷和鴨跖草對銅的轉運系數(shù)均較低，并且植株地上部分在銅較低濃度(0～20 mg/kg)時富集能力一般，因此本研究不將它們歸屬為超積累植物。車前草對重金屬Cu2+和Ni2+具有較高的耐受性，可以用于修復較低濃度的Cu2+和Ni2+復合污染土壤[7]，它對Cd 也具有一定的耐性，不同濃度處理時，耐性系數(shù)均大于1，但富集系數(shù)和轉移系數(shù)均小于1[57]。祖元剛等[43]通過室內(nèi)盆栽試驗研究入侵植物假蒼耳(Iva xanthifolia)在營養(yǎng)生長階段對銅、鉛的耐性及富集特征表明，假蒼耳對銅、鉛2種單一金屬均有很強的耐性及富集作用，當銅含量在1～16 mg/L，鉛含量在0.5～14 mg/L 時，其地上部最大富集含量分別為607.59、404.38 mg/L 對應富集系數(shù)分別為11.39、4.18，轉運系數(shù)分別為4.43、11.71，生長數(shù)據(jù)表明，假蒼耳種植后一個月便可達到對銅與鉛的最大富集。學者張靜言[44]在超積累植物篩選中發(fā)現(xiàn)‘北國之春’、‘北吉峰’與‘紅珍珠’菊花以及檸檬百里香、海蠅子草和虎杖均為銅的超積累植物，除虎杖之外筆者未能在植物志與百度中搜尋到相關物種資源信息，故而未在表3中列出。

表3 中國境內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的銅超積累植物表

楊遠祥[46]發(fā)現(xiàn)小鱗苔草在礦區(qū)自然條件下對鉛的最大積累濃度為1013.23 mg/kg，轉運系數(shù)為1.961，通過室內(nèi)砂培驗證小鱗苔草在單一鉛脅迫下轉運系數(shù)小于1，當存在一定濃度的鋅時會促進小鱗苔草將鉛向地上部分轉運使得轉運系數(shù)高于1，表現(xiàn)出超積累植物特征。仲崇府[49]研究發(fā)現(xiàn)墊狀卷柏在鉛鋅礦污染區(qū)附近生長時植株地上部與地下部對鉛富集系數(shù)均較低，但盆栽設定土壤鉛濃度800 mg/kg，鋅濃度150 mg/kg時卻表現(xiàn)出超積累現(xiàn)象。

3 農(nóng)田重金屬植物修復探索

重金屬富集植物中轉運系數(shù)低的，表明它主要集中在根部，地上部分含量少，但根部較難分離土壤，因而此類植物不適合做重金屬超標農(nóng)田修復植物；超積累植物中生物量小的，地上部重金屬濃度高但絕對含量值小，一定生長時期內(nèi)其修復效果可能還不如生物量大的非超積累植物，這類植物應用價值同樣較低。此外，農(nóng)田重金屬污染濃度遠低于礦場附近土壤，從礦場土壤中篩選出的富集與超富集植物在重金屬濃度較低的農(nóng)田中不一定能夠起到修復作用，還需關注那些能夠在較低重金屬濃度中超積累且生物量大的修復植物。

根據(jù)農(nóng)田污染治理“邊生產(chǎn)，邊修復”的特點，筆者認為能被應用于南方重金屬超標農(nóng)田工程修復的超積累植物品種應當具有以下特性。一是具有良好的生長適應性及抗逆能力，且種子制備簡便，易于栽培；二是生長季節(jié)與農(nóng)田主季種植作物生長季節(jié)重疊較少，盡量避免對主季作物生產(chǎn)的影響；三是該植物生物量足夠大、地上部吸收量高且株高大于50 cm，每季的修復效率較高機械收割方便；四是篩選出的植物盡可能增加其經(jīng)濟或者藥用價值，增加農(nóng)田種植修復植物的效益與意愿。

筆者從表1～4 中發(fā)現(xiàn)，當某一植物物種被鑒定為超積累植物時，其變種和同屬物種有幾率同為超積累植物，如鎘超積累植物千穗谷和繁穗莧、東南景天和伴礦景天、早開堇菜和亮毛堇菜，砷的超積累植物鳳尾蕨科鳳尾蕨屬中的7 個植物物種，以及鉛的超積累植物密毛白蓮蒿和白蓮蒿等。物種所具有的能力大部分是由基因決定，同科同屬植物物種基因相近，可能是出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因。那么在篩選超積累植物時，是否可以嘗試在中國植物志里針對性研究已發(fā)現(xiàn)超積累植物的同屬植物，這是一個值得探討的問題。此外，在已發(fā)現(xiàn)的超積累植物中，莧科植物生物量較大，株高范圍20～80 cm，在低濃度時植株地上部分也具有較高富集系數(shù)和轉運系數(shù)，理論上較為適宜農(nóng)田中鎘的吸收修復。表1 中還有茄科、十字花科和菊科與莧科情況相近，部分物種還帶有觀賞、藥用等價值。表2砷的超積累植物中，鳳尾蕨科研究較為深入，雖然大多是在礦場附近發(fā)現(xiàn)的，但砷在較低濃度時也具有一定的修復價值。表3銅的超積累植物中菊科假蒼耳各項數(shù)據(jù)表明其對農(nóng)田中銅污染修復潛力巨大，但假蒼耳是外來入侵植物且本身具有較高的危害性，在“可控”之前應用需要謹慎。表4鉛的超積累植物飛機草同屬為外來入侵植物，雖然抗逆性強，各項數(shù)據(jù)優(yōu)異，但應用在農(nóng)田鉛污染修復前需要先研究它的生長控制方法。

表4 中國境內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的鉛超積累植物表

4 討論與展望

盡管目前發(fā)現(xiàn)的多數(shù)超富集植物對重金屬的富集能力很強，但其地上部生物量小、生長慢、繁殖困難以及區(qū)域適應性差等問題，目前還難以大規(guī)模工程化應用于重金屬超標農(nóng)田。繼續(xù)挖掘未知的重金屬超積累植物或培育馴化已發(fā)現(xiàn)的超積累植物，使之滿足重金屬超標農(nóng)田修復要求仍是當前的主要任務之一，尤其是針對中國境內(nèi)汞和鎳的超積累植物篩選。同一物種下不同品種之間也會存在重金屬吸收差異，對環(huán)境的敏感程度也會有所不同[58]，在超積累物種中篩選或培育出抗逆性更強、生物量更大和吸收量更多的優(yōu)良品種亦是值得去探討的。例如以轉基因方式給超積累植物導入促進根部對重金屬吸收的基因和增強向地上部轉運的基因；通過染色體加倍技術強化超積累植株的生物量；或是使用常規(guī)育種手段培育綜合能力更加優(yōu)良的雜合品種等等。

當前重金屬的超積累植物篩選大多以盆栽試驗為主，少見有相關的應用于農(nóng)田的驗證試驗。若要最大限度發(fā)揮超積累植物對農(nóng)田重金屬的修復能力，那么研究它的生長季節(jié)、習性、配套的農(nóng)藝栽培措施和生物化學強化措施等是有必要的。地域不同，主季農(nóng)作物不同，適宜栽培的超積累植物自然也不同，因此，開展不同地域環(huán)境的超積累植物農(nóng)田修復探索與驗證試驗也是非常有必要的。外來入侵的重金屬超積累物種具有生物量大、生長速度快等優(yōu)點，在“變廢為寶”利用于重金屬超標農(nóng)田時也需要關注其對主季作物生產(chǎn)及農(nóng)田環(huán)境生物多樣性的危害，避免“引狼入室”。最后，農(nóng)田修復植物收獲后含有重金屬的地上部植株如何創(chuàng)造經(jīng)濟價值來提升種植意愿，是非常值得深入探討的。