木本植物修复土壤重金属污染的研究进展

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　　摘要    木本植物通过树木固定、挥发和吸收重金属污染物等方式起到对土壤重金属的修复作用，有处理量大、受气候影响微弱等优点，主要表现在对重金属的耐受力和吸收性能等方面。本文概括了木本植物修复重金属污染土壤的研究进展，主要包括修复树种的筛选以及修复技术的综合运用，分析了木本植物对重金属的耐受性和吸收蓄积能力的差异，探讨了如何根据现有技术和条件利用木本植物的优势，提高其对重金属的耐受性和蓄积能力，并针对现阶段研究存在的不足提出建议，包括重点研究方向、资源的回收利用、技术的引进和综合运用，以期为修复树种的筛选、提高木本植物对重金属的耐受力和吸收能力提供理论依据。
　　关键词    土壤修复;重金属污染;木本植物;吸收能力
　　中图分类号    X53        文献标识码    A
　　文章编号   1007-5739（2019）14-0172-02                                                                                     開放科学（资源服务）标识码（OSID）
　　Abstract    Woody plants play a role in remediation of heavy metal pollution in soil mainly by fixing，evaporating and absorbing heavy metal pollutants，which can treat large amounts of contaminants and is less exposed to the risks of climate influence.This paper summarized the research progress of repairing heavy metal remediation in by woody plants contaminated soil，including the selection of repairing tree species and the comprehensive application of repair technology，analyzed the differences of the tolerance and absorptive capacity of woody plants to heavy metals and probed into how to utilize the advantages of woody plants to improve its resistance and accumulation ability of heavy metals by the existing technology and conditions.Besides，this paper put forward suggestions according to the shortcomings of relevant researches at present，which involved the core research directions，the recycling and utilization of resources，the introduction and comprehensive application of technology，so as to provide theoretical basis for repairing the screening of tree species and improving the tolerance and absorptive capacity of woody plants to heavy metals.
　　Key words    soil remediation;heavy metal pollution;woody plants;absorptive capacity
　　土壤重金属污染的污染源主要包括矿山的开采和金属的冶炼、工业生产中“三废”排放以及化肥和生长调节剂的施用[1]。植物修复具有投资小、易操作、不破坏土壤结构和无环境危害等优点，是一种极具发展前景的修复技术。木本植物对重金属具有一定的抗性和吸收能力，又有不易进入食物链危害生物健康的特点[2-3]，树木根部吸收重金属后，将其输送并储存在植物体的根部及地上部分，通过采伐后集中处理等途径回收重金属，最终达到清除土壤重金属的目的[4]。本文主要从树种的吸收蓄积能力和耐受力等方面进行分析，并据此筛选重金属污染区修复的优势树种，提出应加强木本植物修复污染土壤的相关研究，深入探索土壤修复领域。
　　1    木本植物对重金属的抗性机理
　　研究表明，树木体内的重金属螯合剂可通过结合重金属离子的方式降低重金属对细胞的毒害作用[5]。植物在重金属的胁迫下产生对植物有害的活性自由基时，抗氧化系统主要通过加强植物的抗氧化性提高植物对重金属的抗性。焦轶男等[6]研究认为，香樟、侧柏（Platycladus orientalis）、夹竹桃（Nerium indicum）、珊瑚树（Viburnum odoratissimum）、红花檵木（Loropetalum chinense）、金边黄杨（Euonymus japonicus）和女贞（Ligustrum lucidum）对镉的耐受力主要归功于植物的抗氧化系统对过氧化物的清除和对膜系统的保护。郝瑞芝等[7]在研究树木对重金属的抗性机理时发现，树木可通过根系分泌物对根际环境的改变减轻重金属离子对树木的毒害，并发现了抗重金属胁迫的内生细菌，这种细菌可通过将重金属积累在根菌的细胞壁，利用菌丝形成的“哈蒂氏网”和细胞质对重金属的累积3个途径减轻重金属离子对树木的毒害。王旭旭等[8]在对4种木本植物对铅和锌的吸收累积研究中认为，4种木本植物中栾树（Koelreuteria paniculata）能在铅污染区正常生长的原因可能是其根系对铅的排斥作用和根系分泌物对根际环境的改变。徐秋芳等[9]研究认为，马尾松（Pinus massoniana）根际土壤的交换性铝和交换性酸之所以显著高于非根际土壤，主要还是受根系分泌物的影响。当根际土壤中金属离子浓度较高时，分泌物中的粘胶物质就会交换和吸附重金属离子从而降低毒害作用。 　　2    木本植物对土壤重金属的耐受性差异
　　根据不同的环境选择合适的耐性树木是植物修复能否成功的关键。研究发现，蒿柳（Salix viminalis）能迅速适应条件极端不利的土壤，对镉的固定量大，且有较高的耐受性[10];欧阳林男[11]以湘潭锰矿区尾矿渣为基质，通过盆栽试验研究了5种树木对锰污染土壤的修复能力，结果表明，构树（Broussonetia papyrifera）不仅在根系锰含量极高的情况下仍然生长良好，还表现出对锰极强的耐受力，是修复锰矿区的先锋树种。银合欢（Leucaena leucocephala）、女贞、夹竹桃、槐树则因其耐受力强，被大量种植在重金属矿区废弃地中，参与植被恢复工程，除此之外，还可联合白花泡桐（Paulownia fortunei）修复镉污染土壤。不同树种对重金属的耐受力不同，主要由树种本身的特性决定。重金属领域的工程不单是植物修复，还有植物监测等，可根据耐受力的差异划分应用领域。Paolis等[12]报道，杨树根系发达，对重金属耐受性强，具有吸收及转运重金属到地上部分的能力，能用于修复重金属污染土壤。洋紫荆（Bauhinia blakeana）、南洋杉（Araucaria cunninghamii）、高山榕（Ficus altissima）、雅榕（Ficus concinna）分别对铅、镉、汞、砷的抗性最小，即敏感性最强，可用于重金属的监测领域[13]。
　　3    木本植物对重金屬的吸收蓄积能力比较
　　研究表明，木本植物根际环境的pH值变化、根系分泌物、根际微生物效应以及金属有机成分的改变都可能会影响植物根系对重金属的吸收和运输[14-15]。因此，木本植物对重金属的吸收能力大小不一。速生乔木具有发达的根系，可以扎根到土壤深处对深层重金属进行吸收[16]。个别树种表现出对某一重金属的超富集能力，可用于单一重金属污染土壤的修复。例如，杨胜香等[17]研究发现，锰矿区木荷（Schima superba）树叶的锰含量高达30 075.94 mg/kg，表现出对锰的超富集能力，可用于锰污染区的修复治理。王旭旭等[18]通过人工控制研究了榉树（Zelkova serrata）、毛红椿、栾树等在不同浓度的铅锌处理下体内重金属的分布、累积情况。结果表明，榉树、栾树、毛红椿在各浓度处理下均表现出较好的富集与转运能力，可用于铅污染区的治理。大部分树种都表现出对多种重金属较强的吸收能力。康  薇等[19]对湖北古铜矿遗址区的调查表明，法国冬青（Viburnum odoratissimum）、苦楝（Melia azedarach）、梧桐（Firmiana platanifolia）和桂花（Osmanthus fragrans）对铜、镉和铅都具有较强的重金属富集能力，是土壤重金属污染修复的潜力树种。由此可知，植物对重金属的吸收蓄积能力与树种和重金属类型息息相关。
　　4    重金属土壤污染区修复树种的筛选
　　重金属污染土壤修复树种的筛选应该综合考虑各种因素，例如植物在污染区的生长情况、生物量的大小、吸收与富集能力和环境耐受力等。康  薇等[20]在对湖北矿区的研究结果表明，铅污染区域可选择栽植二球悬铃木（Platanus acerifolia）和构树等树种进行修复，镉污染区域可栽植法国冬青、梧桐、刺槐（Robinia pseudoacacia）等树种，而Cu-Cd-Pb复合污染区可用苦楝、女贞、梧桐和桂花等树种进行修复。木荷生物量大，对锰耐性强，具有保持水土，增强肥力的功能，已有多项研究表明[21-23]，木荷是潜在的锰超富集植物，有极强的锰转移能力。植物对重金属的吸收能力和耐受力很大程度上决定了植物修复能力的大小。曾  鹏等[24]通过盆栽试验研究了树木对镉的耐受能力和富集特征，结果表明，珊瑚树是镉富集型植物，可用于修复镉轻度污染土壤;侧柏、金边黄杨、香樟和女贞是镉囤积型植物，可运用于镉重度污染土壤中镉的固定。张富运等[25]对铅锌超富集植物及耐性植物筛选的研究中得出，光皮树（Swida wilsoniana）、黧蒴锥（Castanopsis fissa）、楠木（Phoebe zhennan）是修复铅锌污染土壤潜力树种，有较强的耐性，对铅锌污染土壤具有一定的修复能力。
　　5    木本植物修复重金属污染土壤的实际应用
　　杨树是一种耐瘠薄、抗逆性强且生长迅速的树种，利用杨树修复重金属污染是一种低成本，无二次污染的新兴技术。杨树在波兰还被用于构建人工湿地[26]，以清除和吸收水体中的富营养化元素，如磷、镁、钾、锌、铝等。吴雁华[27]研究表明，杨树对重金属污染有较强的修复能力，并提出了京南重金属污染区杨树修复的生态模式。桑树对土壤的适应性强，且吸收的重金属主要集中在叶片中，有利于回收，能有效减缓二次污染。Alahabadi 等[28]通过研究城市中不同树种对重金属的富集能力发现，墨桑（Morus nigra）和白桑（Morus alba）对重金属的吸收能力较强，可用于吸收城市中绿化带和缓冲区的重金属。在瑞典，人们利用柳树过滤废水，治理土壤污染[29]，响应绿色发展经济的号召。
　　6    建议与展望
　　草本植物具有生长速度快、适应性强、物种丰富等特点，一直被广泛应用于土壤重金属的修复。乔木修复技术起步较晚，很多方面还有待完善。但乔木生物量大、重金属耐性强，兼备植被恢复的功能，在修复重金属污染土壤方面具有广阔的应用前景。多数草本植物和木本植物都占有不同的生态位[30-32]，所以实际应用中应充分利用二者的生态位差异，提高修复效率，以达到缩短修复周期的目的。地上部分重金属含量大于根部或土壤重金属含量的植物更适用于重金属污染土壤的修复，应加强对木本植物地上部分的重金属蓄积能力和向上部分转移能力的研究，以提高修复效率。修复的同时还要避免二次污染，将环境保护与经济发展结合。环境问题的本质是经济问题，经济发展依赖于环境，二者相互作用，相互促进。应深入开展对植物回收的研究，将环境与经济紧密结合，既可避免重金属的二次污染，还能将资源有效回收利用，产生一定的经济效益。 　　7    参考文献
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