镉污染土壤植物修复研究进展

镉污染土壤植物修复研究进展

熊愈辉(湖州师范学院生命科学学院,浙江湖州313000)

摘要综述近年来土壤镉污染及植物修复的相关研究成果,分析土壤镉的背景值、污染物的来源和我国农业土壤镉污染现况,阐述镉污染土壤植物修复的机理、种质资源及调控措施。

关键词镉;土壤污染;重金属;植物修复

中图分类号X173文献标识码 A 文章编号0517-6611(2007)22-06876-03

R e se a rch A dv an c e in So il Ph y to rem e d ia tion Po llu ted b y Ca dm ium

X I ONG Yu-h u i(S ch oo l o f L ife S cien ce,H u zh ou T e ach e rs C o llege,H u zh ou,Z h e jian g313000)

A b s tra c t R e se arch advan ce in cadm i umpo llu ted so il an d ph y to rem ed ia tion w as sum m a r ized in recen t yea rs.T h e cadm iumback g rou nd va l u e s an d con-tam in a tive sou rce as w e ll as cu r ren t s itu a tion o f cadm iumpo llu tion o f fa rm i n g so il in C h in a w e re an a lyzed.F u r th e rm o re,th e m ech an ism,p lan t resou rce s an d regu la tive m ea su re s fo r ph y to rem ed ia tion o f cadm i umpo llu ted so il w e re e l u c i da ted.

K e y w o rd s C adm ium;S o il po llu tion;H eav y m e ta l;P h y torem ed ia tion

土壤是人类赖以生存的环境要素之一。世界面临的粮食、资源和环境等问题都与土壤密切有关。自20世纪20年代起,随着电解工业的发展,镉(C d)产量明显增加,由C d产生的环境污染问题也随之出现。特别是20世纪60年代末在日本富山县神通川流域发现了“骨痛病”,人们开始认识到土壤中的C d容易通过食物链的富集作用进入人体,进而威胁人类生命健康。从此,有关土壤C d污染的成因、危害与治理等问题引起了全世界的高度关注,并开始进行相关研究。笔者就近年来有关土壤C d污染及植物修复的主要研究成果进行概要总结和评述。

1土壤Cd污染

1.1 土壤Cd的背景值土壤中元素的背景值是指土壤在未受到人为因素影响或影响较小的情况下,土壤中某元素的含量。C d是一种稀有分散金属,土壤C d的背景值取决于成土的母质,它在地壳中各类岩石的平均含量约为0.1～0.2 m g/k g。其中,火成岩含C d范围为0.001～1.8m g/k g,变质岩为0.04～0.1m g/k g,沉积岩为0.3～11.0m g/kg。全世界土壤C d含量范围为0.01～

2.00m g/kg,中值为0.35m g/k g[1]。我国土壤类型众多,全国41个土类C d背景值差异明显,C d含量变化范围在0.017～0.332m g/k g。其中石灰土C d背景值最高,达到0.332m g/kg;绿洲土、水稻土和高山漠土C d背景值次之;再次是灰褐土和黑垆土等,其背景值均大于0.100 m g/k g。C d背景值较低的土类主要是栗钙土、灰色森林土、砖红壤、赤红壤和红壤,均在0.060m g/k g以下,其他各土壤类型C d的背景值接近于全国土壤C d背景的平均值,为0.070～0.080m g/k g[2]。此外,我国各区域间土壤C d的背景值呈现了一定的区域分异的规律性:西部地区>中部地区>东部地区;北方地区>南方地区[3]。从行政区域来看,土壤中C d 背景值以贵州省最高,为0.332m g/kg[4];而浙江、江苏、内蒙古、福建和广东等省区土壤C d背景值较低,均在0.060m g/k g 以下。虽然各地区C d背景值有较大差异,但一般情况下土壤中自然存在的C d不至于对人类造成危害,造成危害的土壤C d大都是人为因素引入的。

基金项目国家自然科学基金项目(20277035)。

作者简介熊愈辉(1965-),男,安徽芜湖人,博士,副教授,从事植物营养与环境生态学的研究。

收稿日期2007-04-121.2土壤C d污染的来源作为土壤污染物的外源C d主要来源于采矿、冶炼、电镀、化工、废物焚化处理等行业排放的废水、废气、废渣,以及含C d化肥、农药和杀虫剂等。其中,6%来自C d生产工业,57%来自以C d为原料的工业,37%来自其他行业。人类活动每年向土壤中排放C d2.132万t,其中,来自农业和动物废物0.22万t、木材生产废物0.11万t、城市垃圾0.42万t、城市污水和有机废物0.018万t、金属制造产生的废水0.004万t、矿物灰0.72万t、肥料和杀虫剂0.02万t、工厂废弃物0.12万t、大气沉降物0.5万t[5]。

1.3农业土壤Cd污染现况随着工农业生产的发展,我国土壤C d污染呈加重的态势,尤其是农业土壤C d污染状况令人担忧。据统计,我国农田C d污染面积1980年为9333 hm2,1989年为13333hm2,在各类C d污染农田中有5%～10%的面积严重减产[6]。2001年农业部对全国24个省市320个重点污染区548万hm2农田进行调查监测,结果表明,全国污染区大田类产品中污染物超标面积占污染区农田总面积的20%。其中,重金属是土壤与农产品中的主要污染物,占污染物超标农产品总面积和总产量的80%,而C d污染农产品超标面积达27.86万hm2[7]。有些地区的C d超标现象相当严重,如沈阳市张士灌区因污水灌溉使2533hm2农田遭受C d污染(土壤C d含量≥1.0m g/kg),其中严重污染面积(所产稻米的C d含量≥1.0m g/k g)占13%。此外,陕西、河北、湖南、浙江、江西、广东等部分地区农田土壤C d污染情况均比较严重,有此地区土壤C d含量超过200m g/k g,所产稻米、小麦的C d含量在1.0m g/kg以上[8-14]。我国农田C d污染主要来源于工矿企业排放的废水、废气及污水灌溉。除沈阳张士灌区外,江西大余因污灌而造成的C d污染面积高达5500hm2,其中严重污染面积占12%。由于污灌导致土壤中的作物受C d污染的地区还有:上海的川沙灌区、广东的广州和韶关地区、广西的阳朔、湖南的衡阳等。除污灌外,导致我国农业土壤C d污染的途径还有施用污泥等固体垃圾、磷肥等农用化学品以及大气沉降物等。从这些研究报告来看,我国农田土壤C d污染不仅面积大,而且污染程度较重,部分污染区的农产品C d含量超过国家食品卫生标准几倍以上。说明土壤C d污染已经危及到我国食品安全,治理任务已刻不容缓。

安徽农业科学,Jou rn a l o f A n h u i A g ri.S ci.2007,35(22):6876-6878责任编辑庆瑢责任校对俞洁

2植物修复

2.1 植物修复重金属污染土壤的机理植物修复(P hy to re-m ed ia t ion)是一种新兴的环境治理技术。它是以植物忍耐和超量富集某种或某些化学元素的理论为基础,利用植物清除土壤中的污染重金属的一类环境整治技术[15]。与传统的物理、化学工程技术相比,植物修复具有如下特点:一是适用范围广。既可用于清除土壤中重金属污染物,也可用于清除污染土壤周围的大气、水体中污染物。二是实施原位修复。它是在不破坏土壤生态环境,保持土壤结构和微生物活性的状况下去除污染物,能增加土壤有机质含量,改善土壤结构,提高土地生产力,同时兼有保持水土、美化环境的作用。三是投入成本低。植物修复所需人力物力投入少,易于管理,同时可回收贵重金属,有一定的经济效益。

植物对重金属污染土壤的修复主要基于两种机理:一是植物固定(Ph y tos tab ilisa t ion)。是利用植物根系的吸附作用或通过根系的分泌活动,使土壤中的重金属移动性降低,生物有效性下降,降低其迁移和生物毒性。在这一过程中,土壤中重金属含量并不减少,但形态发生了变化[16]。二是植物提取(P hy toex t ra ct ion)。是利用特殊的植物吸收土壤中的重金属,也称为植物萃取。其基本策略在是在污染土壤上种植对污染重金属耐性强,吸收和富集量大的植物,利用植物根系吸收重金属并将其转移到地上部,通过连续地收获植物地上部,从而降低土壤中重金属的含量,达到土壤修复的目的。对于C d污染土壤,植物提取修复是目前研究最多、也最具发展前景的植物修复方式之一。植物修复重金属污染土壤的效果取决于土壤、重金属和植物3者之间的关系。其中植物提取重金属的能力以及土壤重金属的含量与有效性是两个关键因素。植物修复C d污染土壤的研究大都围绕着这两方面而展开。

2.2Cd富集的植物资源按照富集能力的大小,可用于

C d污染土壤修复的植物资源可分为3类。一是C d超积累植物。植物修复主要依赖于超积累植物(H y pe ra ccum u la to r)。它是指对重金属有较强的耐性,在富含重金属的土壤上能够良好地生长而不发生毒害现象,其地上部所积累的C d>100 m g/kg,N i或C u>1000m g/k g,Zn或M n>10000m g/k g(以干重计)的植物,同时该植物的地上部重金属含量与根系重金属含量比值应大于1[17]。利用超积累植物比普通植物高出几十倍到几百倍的富集重金属能力可显著提高污染土壤的修复效率。到目前为止,世界各地已发现的超积累植物共400多种,其中主要是N i超积累植物,而C d超积累植物却比较少见,公认的C d超积累植物只有遏蓝菜属(T h la sp i)的少数几种植物。但遏蓝菜属植物生长缓慢、植株矮小、地上部生物量小,在实际应用中受到限制。因此,寻找其他C d超积累植物是C d污染土壤植物修复技术所要解决的首要问题。二是C d富集植物。这类植物对C d也有较强的耐性和富集能力,虽然地上部C d含量达不到超积累植物的定义标准,或者地上部与根部C d含量之比小于1,但其生物量较大,更具有实际应用价值。蕨类是吸收土壤中C d能力最强的植物之一,日本发现的小犬蕨(A sp lenu itr n yokoscence)对C d有很强的耐受性,叶片C d含量达到1000m g/k g时仍能良好生长,其最

高C d含量可达1200m g/kg[18]。向日葵(H eliant hus annuus)是人们较早认识的C d富集植物,在C d污染的土壤上种植1个月,植株内平均含C d量可达50m g/kg[19-20]。此外,对C d耐性和富集能力较强的植物还有叶下珠(Phy ll an t hus serpen ti n),麦瓶草(S ilen e vu lga ris),长叶莴苣(L ac tuca sa tiva),田旋花(C onv olvu lu s a rv en sis),风滚草(S a lso la ka li),大麻(C anna b is sativa),以及C d积累型玉米(Z ea m ay L.)、紫羊茅(Fest uca rubra)和烟草(N.tob acum)等[21-25]。十字花科芸苔属植物印度芥菜(B r assica juncea)是近年来筛选出的一种生长快、生物量大的C d富集植物,对于C d污染土壤的修复被公认为有很大的潜力。在含有0.1μg/m l C d的营养液中培养,其地上部C d含量超过100m g/kg(干重),单株C d积累量大大高于遏蓝菜(Th l asp i caenclescens)[26]。温室栽培试验结果表明,印度芥菜根和叶中的最高C d含量可达300、160m g/kg[27]。但印度芥菜生长有其很强的地域性,我国很难在大范围内种植此植物。苏德纯[28]和王激清[29]等从我国各地挑选了30多个芥菜型油菜品种进行C d耐性和吸收潜力的水培和土培试验,从中筛选出了2个具有C d吸收积累特征,同时具有较高生物量的芥菜型油菜基因型品种,在C d含量相同的土培和水培条件下,它们的生物量和地上部C d含量均显著高于印度芥菜或与之相当,具有良好的应用前景。三是某些普通植物。已发现蒲公英(T a raxa cum m ong o licum)、龙葵(S olanumn i-grum)、小白酒花(C ony za canad en sis)和狼把草(B id en s trip a rtite)对C d单一及复合污染均有较强的耐性和积累能力,并且地上部与根系C d含量之比大于1[30],有进一步研究和应用价值。四是香根草(V etiveria z izau io id es)、苎麻(B ueku veria n iv es)、杨树(P opu lu s sp p)、棉花、红麻、兰麻、蚕桑和柳属(S a lix)的某些植物[31-33]对C d都有不同程度的耐受性和吸收能力,可种植于C d污染土壤,对土壤C d有吸收和固定作用。由于这些植物吸收的C d不进入食物链,因而既可净化环境,又可取得一定的经济效益。

2.3 促进植物富集Cd的调控措施适当的调控措施一方面可以活化土壤C d,提高土壤C d的植物有效性,另一方面可促进植物生长,增强光合、呼吸等代谢活动,促进植物对C d 的吸收。研究表明,土壤pH值变化影响植物对重金属的吸收。B row n等[34]通过盆栽试验研究了不同pH处理的C d污染花园土和山地土,结果发现,Thlasp i caenclescen的吸C d量随土壤pH值下降而增加。此外,施肥可以提高植物修复提取C d的能力。施氮可以增加土壤C d活性,促进植物C d吸收[35]。而且,氮肥种类不同,作用程度也不同。向营养液中加入氨态氮的促进效应大于施用硝态氮[36]。在C d污染土壤上施用钾肥对作物的吸C d也有促进作用[37]。以硫酸盐和磷酸盐作为肥料可以显著提高印度芥菜(Bjun cea)地上部对C d的富集量。研究还表明,向土壤中施加人工合成的螯合剂(ED T A,D TPA,E GT A、柠檬酸等)能够活化土壤中的重金属,提高重金属的生物有效性,促进植物吸收[38]。骆永明[39]发现,向C d污染土壤中加入ED T A等螯合剂,植物吸收的C d量明显增加,并且不同的螯合剂对于重金属还表现出一定的特异性,对于印度芥菜施用EG TA效果最好。T u rgu t 等研究表明,ED T A和柠檬酸能提高土壤溶液中C d含量,促

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35卷22期熊愈辉镉污染土壤植物修复研究进展

进向日葵(H eli anthus annuus)对C d的吸收。但也有一些研究结果表明,E DT A施入土壤后降低了C d的有效性,抑制了植物对C d的吸收。其原因可能是ED T A施入土壤后与C d离子形成了稳定的络合物,降低土壤溶液中C d离子活度,不利于植物吸收[40]。由此看来,螯合剂对植物C d吸收的影响可能因土壤条件和植物种类而异,不能一概而论。

3结语

目前,在我国工业化进程中,如何保护好有限的土地资源,最大限度地减少由环境污染而导致的土地资源的损失,是环境保护工作中的一项紧迫任务。C d污染土壤的植物修复工程量小,所需费用低,比较适合我国的国情。但现已发现的C d超积累植物生长缓慢,生物量小,用于土壤修复期限较长。而且,目前我国还缺乏有自主知识产权的C d超积累植物品种。我国疆土辽阔,地势和气候差异大,植物种质资源丰富,为筛选新的C d超积累植物提供了良好的基础。我国的一些学者已开始这方面的研究工作,并有了初步成果,今后还应加强这方面工作,尽快选育出若干个适合我国不同地域特点的C d超积累植物,为我国植物修复实践服务。

有关植物超积累重金属的机制还不十分清楚,尤其是对C d超积累机理的研究报导相对更少。因此,今后应加强超积累植物对C d的耐性、吸收、转运和富集机理的理论研究,在分子水平上阐明这些过程的调控机制,以完善植物修复C d污染土壤的理论体系。在此基础上,应通过基因工程技术和栽培驯化两条途径,加快对现有C d富集植物种质资源的改造,克服其生长缓慢、植株矮小的缺点,培育出生长迅速、植株高、生物产量大的品种。相信通过多方面的共同努力,若干年后我国土壤C d污染的状况会得到控制和缓解。参考文献

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