土壤污染治理与植物修复方法研究

　　土壤污染是一个日益严重的世界性难题。土壤污染物主要是人为活动造成的，污染物来源主要有采矿与冶炼，火力发电，工业废水、废渣、废气的排放，化肥的施用，农药的喷施，污水灌溉等[1].根据中国环境状况公告，2004 年，全国工业固体废物产生量为 12.0 亿 t,2011 年高达 32.5 亿 t,为 2004 年的 2.71 倍，年均递增 15.29%;2004 年废水排放量为 482.4 亿 t,2011 年达到了 652.1 亿 t,为 2004 年的 1.35 倍，年均递增率为 4.4%.伴随着废水排放量的增加，废水污染物排放量也在急剧增加，挥发酚从 2002 年的 0.21 万t 增加到 2010 年的 7.33 万 t,为 2002 年的 35 倍；氰化物同期从 0.077 万 t 增加到 0.72 万 t,增加了近 10 倍；石油类污染物从 2001 年的 2.9 万 t 增加到 2010 年的 35.42 万 t,增加了 11.2 倍。重金属如 Hg、Cd、Cr、Pb和 As 排放量也在增加。由于我国淡水资源的短缺，污水灌溉仍然存在，导致我国土壤污染面积较大。我国现有的 1 亿 hm2耕地中受到不同程度污染的面积占 20%左右[2],每年因重金属污染导致粮食减产 1 200 万 t,造成的直接经济损失超过 200 亿元。此外，土壤污染引起农产品中污染物含量超标，且通过食物链富集到人和动物体内，危害人畜健康。如世界八大公害事件中的日本米糠油事件是由多氯联苯引起的，而水俣病事件的罪魁祸首是甲基汞，骨痛病是由重金属 Cd 污染引起的。目前我国农产品质量安全不容乐观，有资料表明，10%的粮食、24%的农畜产品和 48%的蔬菜存在质量安全问题[3].表土中的污染物借助于风力、水力的作用能够分别进入到大气和水环境中，引起大气和水体的污染，由此引起生态系统退化等生态问题。

　　1土壤污染治理与修复方法比较

　　目前污染土壤的修复与治理主要有物理、化学、生物学等方法。物理和化学治理方法是传统的方法，主要使用的有玻璃固化[4-5]、挖掘填埋[5]、电动修复、氧化还原等技术[6].近些年发展起来的植物修复与传统修复技术相比，具有明显的优势和局限性（见表 1）[7].

　　不同处理技术的成本差距较大。玻璃固化技术、土地填埋、化学修复和电动修复技术修复的成本分别是 75~425 美元 /t、100~500 美元 /t、100~500 美元 /t 和 20~200 美元 /t[8].通过植物提取技术来修复污染的土壤，其成本只有 5~40 美元 /t.修复 4046.9m2的污染土壤（厚度为 50cm），植物修复需要 60000~100000美元，利用传统修复方法成本高达 400 000 美元[9].在欧洲也有同样的结果，每修复 1 t 土，化学修复的成本为 12~600 英镑，物理修复为 20~170 英镑，固化为 17~171 英镑，加热为 30~750 英镑，生物修复为 5~170英镑[10].总之，传统修复技术不仅成本高、过程复杂，设备和技术要求高，还容易造成二次污染。

　　2植物修复

　　植物修复就是利用绿色植物的光合作用对土壤污染物进行吸收、吸附、转移、转化等，把污染物从土壤中去除，达到修复土壤的目的。植物修复是一类技术的总称。除去污染物的途径包括：

　　（1）根部过滤。通过耐性植物根系对有机污染物、重金属以及放射性核素予以吸收并保持在根部。

　　（2）植物萃取。重金属或有机污染物经植物直接吸收后，继而转到地上部。

　　（3）植物降解。植物对有机污染物进行吸收后，在其体内进行降解，或者植物促进微生物在根际土壤中对其进行分解。

　　（4）植物挥发。在植物和微生物土壤系统中，经特定的酶将化学污染物转化降解，最终使之飞散。

　　此外，还有 2 个过程可以使污染得以遏制、固定：一是植物固定化作用，就是利用植物防止溶解态化学污染物的迁移和扩散，以降低这些污染物在土壤中的流动性；二是植物稳定化作用，即利用耐性植物将土壤污染物稳定在污染土壤中，以防止污染物在土壤中扩散，或经空气进入其他生态系统中，由植物吸收引起的快速土壤蒸散，也可使化学污染物的淋溶减慢[5,11].

　　表 2 总结了植物修复技术在不同土壤污染情况下的应用，表 3 列举了植物修复技术针对不同污染物修复与治理的研究和应用情况[12].

　　3超富集植物

　　在植物萃取修复中，超富集植物对重金属的富集是主要作用。Brooks 于 1977 年提出了超富集植物的概念。所谓超富集植物是指能从土壤中超量富集重金属并能转移到地上部的植物，吸收量要超过一般植物的 100 倍以上且不影响正常生理活动。1983 年，Chaney 提出了利用超富集植物修复重金属污染土壤的思想，将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上，而该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力，将植物收获并进行妥善处理后可将重金属移出土体，达到治理污染与恢复生态的目的[13].

　　1989 年 Baker 重新定义了超积累植物，即植物能富集大于 l 000 mg/kg 的 Cu、Co、Ni、Pb,或是大于 l0 000 mg/kg的 Mn 或 Zn,且地上部分重金属含量大于地下部分的本地植物就称为超积累植物[14].
 

　　迄今发现的超富集植物分布于约 50 个科，但绝大多数属于 Ni 超富集植物，达 329 种；Cu 超富集植物 37 种，Co 超富集植物 29 种，Zn 超富集植物 21 种，Se 超富集植物 20 种，Pb 超富集植物 17 种，Mn 超富集植物 13 种，As 超富集植物 5 种，Cd 超富集植物 3 种，Cr 超富集植物 2 种，Sb 超富集植物 2 种，Tl 超富集植物 2 种，稀土元素超富集植物 1 种[15-17].根据超富集植物对重金属的富集能力可分为高富集能力（如十字花科、藜科、茄科、菊科）、中富集能力（如禾本科、百合科、葫芦科）和低富集能力（如豆科植物）3 种[18].

　　吴大付等院污染土壤的植物修复第2期以富集的重金属类别划分，富集 Ni 的植物最多，达到了 329 种，且主要集中在十字花科、大戟科、菊科、大风子科、黄杨科、茜草科等科（见表 4）[14,16,19-20].

　　4提高修复能力的对策

　　4.1调节环境因子，促进修复植物的生长

　　除植物种类外，凡是涉及到植物生长的因素都能影响到植物的修复能力。因此，应尽量创造修复植物生长的适宜条件，促进植物的生长，加大对污染物的吸收。土壤中有机质和矿质营养的多寡，也会极大地影响到重金属的富集。土壤中有机质含量增加，提高了土壤对阳离子的固定率，减少了植物对重金属的吸收。

　　4.2农艺措施

　　4.2.1 施肥 植物营养元素，特别是氮磷钾等大量营养元素，通过有机肥的施用或化肥的施用，提高植物的生长量，在一定程度上可以增加污染物的吸收量；在化肥施用过程中，还要注意肥料品种对植物修复效果的影响。施肥可以影响超富集植物对重金属的积累。适量施用氮肥可显着地提高植物的生物学产量，而不会降低植物从环境中吸收和积累重金属的量。Robinson 等的研究结果表明，施用氮肥可以使超富集植物A lyssum bertolonii的生物量提高 2 倍，而不会降低其地上部的 Ni 含量[21].Kulli 等的研究表明，施入尿素可使莴苣、黑麦草对 Cu、Cd 和 Zn 的累积量比对照显着升高[22].但氮肥施用量过高会对植物的重金属富集产生“稀释作用”,有可能使累积量降低[23].施用磷肥对超富集植物也有一定的影响。廖晓勇等田间试验表明，适量施用磷肥可明显促进蜈蚣草的生长，提高 As 累积量[24];而过量施磷不仅不会进一步提高蜈蚣草产量，反而有降低 As 累积量的趋势[25].氮肥形态不同，也会影响到玉米对重金属的吸收[26].

　　4.2.2 灌溉与中耕 根据污染土壤上所种植物对水分的需求，定期和不定期进行灌溉，可以造成土壤环境的干湿交替，使污染物进行氧化还原形态相互转变，特别是对于重金属污染的土壤，重金属在土壤中可以存在数千年而不降解，但是能够进行氧化态、还原态和有机态之间的相互转化。在降水过多的情况下，不仅要排水，还需要进行中耕，同样可以创造氧化还原条件，促进植物对污染物的吸收和转化。

　　4.2.3 间套作 在农业生产上，农作物之间间作套种技术的应用十分普遍。在受污染的土壤上，采用该技术，利用不同植物进行间套作，形成特色的植物生态系统，可促进对污染物的吸收，加速对污染物的清除。

　　刘海军等利用玉米与马唐间作系统，促进了玉米根部对 Cd 的吸收，而籽粒中 Cd 的量反而有所降低[23].黑亮等利用东南景天和玉米套种系统进行的研究结果表明，在套种条件下，玉米能够促进东南景天对重金属 Cd、Zn 的吸收，原因在于玉米根系降低溶液 pH 和提高 DOC 以及 Zn/Cd 值，从而可向超富集植物东南景天一侧输送更多的水溶态 Zn、Cd[25].

　　4.3环保育种

　　为解决超富集植物生长慢、生物学产量低、收割不能实行机械化等问题，利用现有的育种技术对这些超富集植物进行改良[27].因现在发现的超富集植物一般都是野生的，远缘杂交的亲和力可能较弱，甚至出现不亲和性。为了克服这一难关，就要利用现代生物技术，进行转基因，以加快人工选育超富集植物的步伐[28].不同品种的玉米、小麦、大麦、大豆、花生、向日葵等作物对重金属的吸收存在显着差异，这些都为育种提供了丰富的种质资源[29].将超富集植物和生物量大、生长迅速的植物特别是农作物进行杂交，培育出具有两者优势的人工超富集植物，不仅能够提高生物量，大幅度地增加这些超富集植物吸收重金属的量，加快污染环境治理与修复的速度，也为超富集植物修复步入商业化创造了物质基础。

　　4.4利用超富集植物与非超富集集植物组建复合生态系统

　　因土壤一般都是复合污染，单单利用一种植物进行修复效率往往比较低。Baker 等在田间试验条件下比较了超富集植物T.caeulescens和非超富集植物萝卜对 Zn、Cd 污染的清除效果，结果表明，超富集植物对 Zn 的富集能力是萝卜的 150 倍，对 Cd的富集能力是萝卜的 10 倍，每年能吸收土壤中 Zn 的量为30 kg/hm2,而萝卜只能清除 1%的量[4].因超富集植物的生物学产量低，需要 13~14 a 连续栽培，才能将试验田的重金属含量修复到欧共体规定的临界标准。而印度芥菜虽不是超富集 Zn 植物，但是生物学产量是超富集植物的 20 倍，在植物修复上有潜在优势[15].

　　可以充分利用超富集植物与非超富集植物组建复合生态系统，形成合力，加快对污染土壤的修复。一方面充分利用植物对污染物的耐性、避性和抗性的差异性，另一方面可以充分利用我国培育的现有品种的高产性，应用我国传统农业技术的精华，使不同植物通过间作套种形成复合生态系统，特别是利用乔木，像杨树、柳树、刺槐等树种与超富集植物或农作物间作套种，形成农林复合系统；超富集植物与农作物间作套种，一年生植物与多年生植物间作套种，浅根系的农作物与深根植物如香根草间套作，可以增加根系的吸收面积，强化修复效果。目前在美国利用杂交杨、柳树、柳枝稷与甘蔗、桉树组建农林复合系统[30],不仅净化了污染的环境，还是比较好的生物质能来源，在一定程度上缓解了生物能作物与粮食作物争地的矛盾。