化学方法强化园林植物修复镉污染土壤的研究进展

王素君，赵立伟，陈 蔷，魏立颖

(京蓝北方园林(天津)有限公司 天津 300300)

0 引 言

土壤在人类农业生产中扮演着重要角色，是人类在地球上赖以生存的主要自然资源，也是生态环境和生物圈的重要组成部分。随着工业的进步、城市的发展和大量化学物质的施用，土壤的重金属污染、有机污染和质地破坏日益严重，其中土壤重金属污染最为严重。土壤重金属污染是指微量金属元素在土壤中过量沉积而引起的含量超过其背景值。我国仅受Cd污染的土地面积就达 20万 km2，约占总耕地面积的1/6，面对如此庞大的数字，农业和土壤研究者正在努力寻找快速、环保、简便的土壤重金属污染修复途径。同其他重金属离子一样，Cd一旦进入土壤中，对土壤造成的污染就是巨大的。因其具有隐蔽性、不可逆性和长期性等特点，单纯采用物理、工程和化学的方法很难消除。

因此人们开始把目光转向植物，植物修复作为绿色的修复方式越来越受到人们的认可，它的快速发展为修复重金属污染土壤开辟了新途径。但由于修复土壤重金属污染的富集植物不仅个体小，而且景观效果差，不能取得良好的生态和环境效益。作为环境重要因子的园林植物由于其生长速度快、景观效果好、耐性较强，开始不断被应用于土壤修复领域。园林植物作为广泛的适应性很强的一类植物群落，不仅具有很高的抗逆能力，生命力顽强，而且生长迅速，吸收能力强，能快速吸收土壤中的水分和养分等，其特性均有利于园林植物对土壤中重金属的耐性和积累性[1]。

1 植物修复重金属污染土壤优势

1.1 植物修复技术

植物修复通常是指利用绿色植物吸附、降解或围堵以去除污染土壤中的有害物质，主要通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用，降低并净化土壤中的污染物质，达到净化环境的目的。狭义上的植物修复通常是指将某种特定的植物种植在污染土壤上，通过植物吸收富集其中的污染物，降低土壤中污染物的含量。

1.2 园林植物修复的优势

园林植物因其自身的特点在修复重金属污染土壤领域中有广阔的应用前景，除了具有一般植物的特点外，它还具有以下优势。

①园林植物的可利用资源非常丰富，应用研究的潜力巨大，通常可供修复土壤筛选的植物种类繁多。

②在进行土壤修复的同时，园林植物还能够改善和美化环境，作用显著。

③园林植物属于观赏性植物，不会进入食物链，不会对人类产生危害。

④园林植物通常颜色亮丽，多姿多彩的叶色和花色，景观效果显著，能使人心情愉悦，促进人体健康机能，提高人体免疫力[2]。

⑤重金属污染的土壤不能种植农作物，用其代替耕作土栽植园林植物可有效利用污染土壤。

2 园林植物修复污染土壤研究进展

目前，国内外在植物修复技术方面已有许多报道，已发现的超积累植物有 400多种，既有草本植物，也有木本植物。但超积累植物的种类和数量有限，对于重金属超积累的园林植物也没有相关报道，只有积累和耐性园林植物的草本花卉的相关研究[3]。

蒋德明等[4]认为北京杨、加拿大杨、沙兰杨、健杨、旱柳、宽柳能够有效吸收和富集重金属污染土壤中的 Cd，而榆树、刺槐、紫穗槐和桑树则对土壤 Cd吸收富集的能力较弱。这些园林植物在富集过程中表现出较强的耐性和较强的重金属积累能力，对重金属的转运能力也很强，以上能力也是重金属超积累植物所具备的特征[5]。虽然在积累量上还达不到超积累植物的标准，但是由于园林植物的个体大，有些是多年生的植物，从吸收和富集重金属离子的绝对量综合考虑，园林植物也能从污染的土体中吸收较多的Cd，从而减轻土壤的污染。

还有一些花卉植物对重金属复合污染的土体有很强的修复效果，据报道刘家女等[6]对紫茉莉、凤仙、金盏菊和蜀葵进行了重金属耐性和积累性的研究，这4种植物对重金属 Cd、Pb单因素污染及 Cd—Pb复合污染均有很强的耐性和积累性，在浓度为100mg/kg的 Cd污染土壤中和 Pb浓度为1000mg/kg情况下，4种花卉均能正常生长且无毒害症状发生，当土壤中Cd浓度达100mg/kg时4种植物地上部重金属含量都超过 Cd超积累植物的临界标准值 100mg/kg。以上实例均表明：草本花卉植物对土壤中的 Cd有很强的耐性和积累性，同时还能吸收土壤中的 Cd而不影响自身的生长，在镉离子污染的土壤中种植能够降低土壤中镉离子的含量，是很好的Cd污染土壤的修复植物。

Li等[7]在 Cd污染土壤上，分别栽植柳树、柳树用EDTA 处理、柳树用 EDTA和乳酸乙酯处理，45d后，以上 3个处理分别使土壤中 Cd 含量下降了5%、20%和 29%；其中 EDTA 与乳酸乙酯结合处理能显著提高土壤中Cd的去除率，柳树用EDTA和乳酸乙酯三者结合处理的植物修复方式对 Cd污染土壤具有较高的修复效果。施辰阳等[8]研究施加一定浓度的外源Si能够明显提高刺柏对Cd的耐性，其研究表明，施用400mg/kg的Si影响Cd从刺柏根部向地上部的转运，茎、叶部 Cd含量明显下降，而 1000/kg的 Si处理会使 Cd毒害刺柏。吴双桃[9]的研究表明，美人蕉也能吸收土壤中多余的 Cd，土壤中的 Cd在5mg/kg左右时可促进美人蕉生长，经过大量的实验还证明，在Cd污染土壤中当Cd浓度较低时，更有利于美人蕉对Cd的吸收。

通常来说植物地上部的重金属含量和植物本身的生物量是决定植物修复效果的主要因素，而园林植物自身具有比较大的生物量，为了进一步提高其修复重金属污染土壤的成效，关键是提高植物地上部对重金属的吸收量。为此，研究者们在努力寻找解决矛盾的途径。近几年来，国内外在螯合剂诱导的植物提取技术方面开展了较多的研究[10-15]。根据重金属在环境中的有效性程度，将土壤中的重金属分为 5个形态：可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态，不同形态的重金属之间经常处于动态平衡状态，而且这种动态平衡状态随着环境条件如螯合作用、土壤酸碱度和土壤养分等的改变而不断变化[16]。

为了提高园林植物对污染土壤中 Cd离子的吸附积累量，根据以上研究可以借助于辅助手段，如特定的强化措施等来提高其积累能力，通过调节土壤环境来提高植物吸收 Cd的能力，从而增强植物地上部积累 Cd的数量，提高植物对重金属离子的转运能力和富集系数，使其接近并达到园林植物修复重金属污染土壤的标准。

3 化学方法强化园林植物修复技术

影响植物修复效果的限制因子主要是重金属在土壤中的有效性、重金属离子的浓度和植物将重金属离子从根部向地上部转移的能力[17]。今后研究的重点为通过基因调节、物理、化学和生物方法强化植物修复技术，提高植物的修复效果，本文着重介绍采用化学方法强化园林植物修复 Cd污染土壤方面的信息，即将化学方法和生物方法相结合对土壤中的 Cd进行去除。

3.1 调节土壤酸碱度

土壤的酸碱度是影响土壤中 Cd的形态和有效性的重要因子。众多实验表明，适当降低土壤 pH值能够提高土壤溶液中 Cd离子的浓度，故在土壤重金属修复过程中施入含铵肥料或土壤酸化剂，为土壤环境提供适宜的弱酸性条件，可增加 Cd离子在土壤中的浓度并提高其生物有效性，从而进一步促进植物对土壤中多余Cd的吸收。

3.2 螯合剂强化技术

螯合剂主要通过螯合作用促进重金属从固相土壤中解析出来，并与重金属形成螯合物，进一步促进螯合物从植物根部向地上部的转移。植物重金属形成螯合物的能力与螯合剂和金属的亲和力密切相关，不同螯合剂对土壤Cd解吸率的大小不同，如EGTA＞EDTA＞HEDTA＞DTPA＞EDHA；但施加螯合剂在活化土壤中重金属离子的同时，也增强了重金属对植物的毒性，抑制植物生长，使其生物量减少，甚至死亡。因此，螯合剂的施用时间和施用量很重要，为了避免植物受到螯合物的危害，通常采用在植物收获前一次性加入高浓度螯合剂的方法，但一次性加入高浓度的螯合剂也会使植物中毒，如高浓度 EDTA会抑制植物蒸腾作用。所以 Gupta等[18]认为在整个修复过程中分次加入低浓度螯合剂效果更好。因此，针对不同重金属污染土壤和园林植物种类应选择合适的鳌合剂种类和施用时间。

园林植物虽然体量大，但是对重金属离子的吸收比较少，修复过程中使用适当浓度和种类的螯合剂，能够促进土壤固相结合的重金属解析出来，在增加土壤溶液中重金属浓度的同时，还能促进园林植物根系的吸收和对重金属离子向上转运，有效提高植物的转运系数和富集系数[19]。Blaylock等[20]研究表明，一定浓度的EGTA对Cd有很强的螯合作用。

3.3 有机类物质强化技术

施加植物所需的营养元素，能促进植物根系的生长和发育，提高根系的活动强度，促进园林植物对土壤中重金属的吸收，同时营养元素还能促进植物地上部的生长，提高园林植物的生长速度和整体生物量，从而促进植物对重金属离子的吸收[15]。魏树和等[21]在对超积累植物龙葵的研究过程中，发现施加鸡粪能够促进植物对 Cd吸收，提取率能够提高 35.7%～97.0%，在开花期收获超积累植物能使植物对 Cd的提取率提高 1.43～1.75倍。有机类物质已经在农业和林业上得到了广泛应用，今后将继续对有机类物质充分利用，并将其与现有的农业高新技术结合，促进园林植物在土壤Cd污染修复技术中得到更大发展。

4 结 语

目前，园林植物以其独特的环境优势和良好的修复效果已成为土壤重金属污染修复的重要方法，其与常用的物理化学法相比，具有投资小、施工简单、修复效果好、环境友好以及美化环境等优势，虽然相比于重金属富集植物吸附量小，但园林植物体量大，多年生，一次种植可永久修复，是今后土壤重金属污染修复的重要途径。

将物理化学法与园林植物修复相结合，更能加强园林植物吸附重金属离子的效果，增加它们的富集系数，提高它们的转化率。今后在进行园林植物修复重金属污染土壤中一定要和其他修复方法相结合，以突出其在修复污染土壤中的作用。在以后的技术开发中也要加强园林植物的研究，将基因工程技术融入其中以找到最大限度吸收镉而且环境美化功能强的园林植物。