聂雄峰，黄雁飞，陈桂芬，黄玉溢，刘 斌，刘永贤

（广西农业科学院农业资源与环境研究所，南宁 530007）

0 引言

农田是粮食作物与经济作物生长的基础，对农田的保护和安全利用不仅事关国家经济发展更是人民饮食健康的基本要求。造成土壤重金属污染的原因非常复杂，包括工业排放、化肥农药使用以及地矿开采等。人们将密度大于5 g/cm3的金属称为重金属，镉、镍、铜、汞、铅和砷皆可划归为重金属。重金属非常难以被生物降解，相反却能在食物链的生物放大作用下，随着生物营养级的升高而在人体内富集。重金属在人体内能和蛋白质及酶等发生相互作用，使它们失去活性，也可能在人体的某些器官中累积，造成慢性中毒[1]。根据环境保护部和国土资源部2014年公布《全国土壤污染状况调查公报》[2]的数据，中国耕地土壤的污染监测点位超标率为19.4%，以轻微（超过评价标准的1～2 倍之间）污染为主，占比70.6%。耕地的主要无机污染物为镉、镍、铜、汞、铅和砷（类金属），归属为轻微污染的点位超标率分别为5.2%、3.9%、1.6%、1.2%、1.1%和2.0%，占比对应污染物点位超标率的74.3%、81.2%、76.2%、75.0%、73.3%和74.1%。近年来，广大学者对耕地尤其是对农田的重金属污染治理与修复研究较多，探索总结出一系列的治理方法，如物理[3-4]、化学[5-6]和生物修复[7-8]等。物理修复技术和化学修复技术是利用污染物或污染介质的物理或化学特性，以破坏（如改变化学性质）、分离或同化污染物，具有实施周期短、可用于处理各种污染物等优点。但均存在处理成本高，处理工程偏大的缺点。微生物修复技术指利用微生物的代谢过程将土壤中的污染物转化为二氧化碳、水、脂肪酸和生物体等无毒物质的修复过程。植物修复技术是利用植物自身对污染物的吸收、固定、转化和积累功能，以及通过为根际微生物提供有利于修复进行的环境条件而促进污染物的微生物降解和无害化过程，从而实现对污染土壤的修复。植物修复具有处理费用较低、能获得较好的修复治理效果的特点，虽然存在修复时间较长、单一种类植物对污染物具有特异性等不足，但凭借其操作简便、对环境的扰动较低以及能够移除农田中的重金属元素等独特优点，目前依然具有较高的实际应用潜力。

1 中国南方农田重金属污染治理特点

农田重金属污染是由于采矿废渣、农药、废水、污泥和大气沉降中重金属在土壤中过量沉积而引起的土壤污染。重金属污染较为隐蔽，人们无法通过肉眼直接观察，只能通过检测手段发现，因而难以精准定位污染源头。毛红云等[9]运用单因子污染指数和内梅罗污染指数作为农田土壤质量评价指标分析中国16 个地区农田土壤重金属污染现状，结果表明秦岭淮河以南的南方地区的污染程度要比北方地区大得多。这可能是因为南方受亚热带季风气候的影响，夏季高温多雨，年降水量普遍在1000 mm以上，土壤自然呈现酸性所致。南方多丘陵少平原，农田分布零散不成片且高低起伏，使用物理化学手段集中治理修复非常困难。此外，重金属流入农田后难以迁移，易在农田堆积，主要集中在10～40 cm的土层中[10]。而0～40 cm土层是大部分粮食与经济作物根系的主要活动区域，不可扰乱破坏，所以对南方重金属超标农田的污染治理只能走“边生产、边治理、边修复”的模式，这又增加了修复治理的难度。最后，从事农业生产的种植人员绝大部分没有开展相关污染治理技术的能力也难以承担修复污染农田带来的额外成本，这要求研发出的农田污染治理方法与技术必须要足够实惠，并且简洁高效。植物修复技术只需要将种子播种于重金属超标区域并收走其植株地上部分，，是目前较为理想的能够应用于农田的重金属污染修复方法。

2 重金属修复植物研究现状

植物修复重金属污染土地可根据治理的过程和机理分为5种类型：植物提取、植物挥发、植物稳定、根际圈生物降解和根系过滤。本研究主要以植物提取技术为研究对象，植物提取又称植物萃取，是指种植一些特殊植物，利用其根系吸收污染土壤中的有毒有害物质并转运至植物地上部，通过收割地上部物质带走土壤中污染物的一种方法。植物提取作用是目前研究最多，最有发展前景的方法之一。

2.1 重金属超积累植物收集与分类

常用的超积累植物判定有3 项标准，一是植株地上部的重金属浓度超过临界浓度（镉临界浓度为100 mg/kg，砷、铜、铅、镍临界浓度为1000 mg/kg）；二是植株地上部分的重金属浓度超过土壤背景值，即富集系数大于1；三是植株地上部分的重金属浓度大于根系，即转运系数大于1。根据Roger 等[11]2017 年7 月的报道，全地球超积累植物数据库数据显示世界各地已发现超积累植物达721种，其中镉7种、镍523种、铜53 种、铅8 种以及砷5 种。但大部分超积累植物并不存在于中国境内。因此，笔者通过中国知网等途径以重金属（镉、镍、铜、汞、铅和砷）、超积累植物等为关键词，收集中国境内现存的超积累植物资料，通过百度和中国植物志查询植物物种学名等信息，经系统整理分析获得以下表中结果（见表1～4）。部分超积累植物展示的数据为参考文献中较低重金属处理浓度(0～20 mg/kg)的试验数据。

表1 中国境内已发现的镉超积累植物表

续表1

截至2021 年3 月，中国境内共发现镉的超积累植物13科26种，砷的超积累植物2科8种，铜的超积累植物3科3种，铅的超积累植物4科7种，少见有镍的超积累植物报道，暂未发现有汞的超积累植物。

2.2 不同重金属超积累植物的比较分析

植物提取修复技术最终收获的是富集或超富集植物的地上部，所以植物地上部重金属积累量的大小是植物修复过程中最具有实际意义的指标之一，表征了植物的修复潜力，决定了植物提取修复技术效率的高低。而地上部重金属积累量的大小取决于2 个关键点，一个是所用富集植物生物量的大小，另一个就是所用富集植物吸收重金属能力的强弱，即植物体重金属浓度的大小。

表2 中国境内已发现的砷超积累植物表

苏徳纯等[19]研究发现，芥菜型油菜品种溪口花籽为Cd 超积累植物，在Cd 污染浓度为0～20 mg/kg 的相同栽培条件下，其地上部生物量、地上部吸Cd 量和对Cd污染土壤的净化率均高于超积累植物印度芥菜，是一种较好的适合在中国生长的可用于修复Cd 污染土壤的超累积植物种质资源。魏树和等[50]对农田中常见的杂草进行重金属超积累植物筛选发现，蒲公英、龙葵、小白酒花对Cd单一污染及Cd—Pb—Cu—Zn复合污染耐性较强且对Cd积累能力也很强，其富集系数与转运系数均大于1，基本具有超富集植物的主要特征，但对复合污染土壤同时修复可能会受到一定的限制。魏树和等[51]进一步通过盆栽试验研究表明，在Cd污染水平为25 mg/kg时，龙葵茎及叶的Cd含量分别都超过了100 mg/kg，首次发现龙葵是镉的超积累植物。刘威等[32]通过野外调查和温室试验发现并证实宝山堇菜(Viola baoshanensis)（植物志现将它更名为亮毛堇菜Viola lucens W.Beck.），是一种Cd 超富集植物，宝山堇菜为低矮小草本，高只有5～7 cm，生物量也较小，野外生长的宝山堇菜干重只有3 t/hm2，非常难以利用在植物修复技术上。朱光旭等[52]研究表明，苎麻是镉的富集植物，当土壤中镉浓度在10 mg/kg 以内时，苎麻对镉的富集系数与转运系数均大于1，对土壤中镉总量的吸收率为0.56%～1.51%，假设不再有任何外源镉施入的情况下，单纯只依靠种植苎麻、每年3季麻且不作其他处理，则土壤中镉含量从2 mg/kg降低至0.3 mg/kg大约需要种植56 年。张晗芝等[53]对30 个蓖麻品种的镉耐性和富集特征研究表明，不同品种间耐受程度差异显著，地上部分镉的富集能力及提取能力主要由蓖麻品种决定，受土壤中镉浓度的影响相对较小。虽然蓖麻不是镉的超富集植物，但是蓖麻具有较大的生物量和巨大的根系，生长势强，同时作为能源植物具有实际经济价值，存在较高的农田镉污染综合治理价值。外来入侵植物紫茎泽兰对镉的富集系数与转运系数均大于1，因其生长速度快、生物量大可以尝试利用它修复土壤中的重金属Cd[54]，但它的重金属修复作用较为单一，对其他重金属修复能力有限。

陈同斌等[37]对雄黄矿高砷区采集土壤和植物样本时发现野生蜈蚣草具有较高的含砷量，他通过进一步的室内实验研究证明蜈蚣草是砷的超富集植物，对砷具有极强的耐性。虽然蜈蚣草具有生长快、生物量大等特点，但它难以在酸性土壤中存活，其生长地土壤的pH 7.0～8.0，是钙质土及石灰岩的指示植物。韦朝阳等[38]在采样点的土壤pH 6.52～7.77，含砷浓度为111～299 mg/kg（平均值为168 mg/kg）的生境中发现大叶井口边草（学名：凤尾蕨）能够富集砷，检测结果表明各采样点植物地上部含砷量均大于土壤砷含量，且随土壤砷含量的增加而增加,其生物富集系数为1.3～4.8，转运系数为1～2.6，属于砷的超富集植物。

中国学者谢学锦等[55]于1952 年在安徽某地含铜量为4000～5000 r/g 的土壤中发现一种生长茂盛的植物，该植物经鉴定为海州香薷，并确定该植物为铜矿指示植物。廖斌等[56]研究铜的富集植物鸭跖草时发现处于矿山生境的鸭跖草和处于正常土壤生境的鸭跖草之间存在较大差异，矿山鸭跖草比非矿山鸭跖草具有更高的铜胁迫耐受性，但是在低浓度铜胁迫时，非矿山鸭跖草吸收转运铜的能力要强于矿山鸭跖草。通过收集文献中数据发现海州香薷和鸭跖草对铜的转运系数均较低，并且植株地上部分在铜较低浓度(0～20 mg/kg)时富集能力一般，因此本研究不将它们归属为超积累植物。车前草对重金属Cu2+和Ni2+具有较高的耐受性，可以用于修复较低浓度的Cu2+和Ni2+复合污染土壤[7]，它对Cd 也具有一定的耐性，不同浓度处理时，耐性系数均大于1，但富集系数和转移系数均小于1[57]。祖元刚等[43]通过室内盆栽试验研究入侵植物假苍耳(Iva xanthifolia)在营养生长阶段对铜、铅的耐性及富集特征表明，假苍耳对铜、铅2种单一金属均有很强的耐性及富集作用，当铜含量在1～16 mg/L，铅含量在0.5～14 mg/L 时，其地上部最大富集含量分别为607.59、404.38 mg/L 对应富集系数分别为11.39、4.18，转运系数分别为4.43、11.71，生长数据表明，假苍耳种植后一个月便可达到对铜与铅的最大富集。学者张静言[44]在超积累植物筛选中发现‘北国之春’、‘北吉峰’与‘红珍珠’菊花以及柠檬百里香、海蝇子草和虎杖均为铜的超积累植物，除虎杖之外笔者未能在植物志与百度中搜寻到相关物种资源信息，故而未在表3中列出。

表3 中国境内已发现的铜超积累植物表

杨远祥[46]发现小鳞苔草在矿区自然条件下对铅的最大积累浓度为1013.23 mg/kg，转运系数为1.961，通过室内砂培验证小鳞苔草在单一铅胁迫下转运系数小于1，当存在一定浓度的锌时会促进小鳞苔草将铅向地上部分转运使得转运系数高于1，表现出超积累植物特征。仲崇府[49]研究发现垫状卷柏在铅锌矿污染区附近生长时植株地上部与地下部对铅富集系数均较低，但盆栽设定土壤铅浓度800 mg/kg，锌浓度150 mg/kg时却表现出超积累现象。

3 农田重金属植物修复探索

重金属富集植物中转运系数低的，表明它主要集中在根部，地上部分含量少，但根部较难分离土壤，因而此类植物不适合做重金属超标农田修复植物；超积累植物中生物量小的，地上部重金属浓度高但绝对含量值小，一定生长时期内其修复效果可能还不如生物量大的非超积累植物，这类植物应用价值同样较低。此外，农田重金属污染浓度远低于矿场附近土壤，从矿场土壤中筛选出的富集与超富集植物在重金属浓度较低的农田中不一定能够起到修复作用，还需关注那些能够在较低重金属浓度中超积累且生物量大的修复植物。

根据农田污染治理“边生产，边修复”的特点，笔者认为能被应用于南方重金属超标农田工程修复的超积累植物品种应当具有以下特性。一是具有良好的生长适应性及抗逆能力，且种子制备简便，易于栽培；二是生长季节与农田主季种植作物生长季节重叠较少，尽量避免对主季作物生产的影响；三是该植物生物量足够大、地上部吸收量高且株高大于50 cm，每季的修复效率较高机械收割方便；四是筛选出的植物尽可能增加其经济或者药用价值，增加农田种植修复植物的效益与意愿。

笔者从表1～4 中发现，当某一植物物种被鉴定为超积累植物时，其变种和同属物种有几率同为超积累植物，如镉超积累植物千穗谷和繁穗苋、东南景天和伴矿景天、早开堇菜和亮毛堇菜，砷的超积累植物凤尾蕨科凤尾蕨属中的7 个植物物种，以及铅的超积累植物密毛白莲蒿和白莲蒿等。物种所具有的能力大部分是由基因决定，同科同属植物物种基因相近，可能是出现上述现象的原因。那么在筛选超积累植物时，是否可以尝试在中国植物志里针对性研究已发现超积累植物的同属植物，这是一个值得探讨的问题。此外，在已发现的超积累植物中，苋科植物生物量较大，株高范围20～80 cm，在低浓度时植株地上部分也具有较高富集系数和转运系数，理论上较为适宜农田中镉的吸收修复。表1 中还有茄科、十字花科和菊科与苋科情况相近，部分物种还带有观赏、药用等价值。表2砷的超积累植物中，凤尾蕨科研究较为深入，虽然大多是在矿场附近发现的，但砷在较低浓度时也具有一定的修复价值。表3铜的超积累植物中菊科假苍耳各项数据表明其对农田中铜污染修复潜力巨大，但假苍耳是外来入侵植物且本身具有较高的危害性，在“可控”之前应用需要谨慎。表4铅的超积累植物飞机草同属为外来入侵植物，虽然抗逆性强，各项数据优异，但应用在农田铅污染修复前需要先研究它的生长控制方法。

表4 中国境内已发现的铅超积累植物表

4 讨论与展望

尽管目前发现的多数超富集植物对重金属的富集能力很强，但其地上部生物量小、生长慢、繁殖困难以及区域适应性差等问题，目前还难以大规模工程化应用于重金属超标农田。继续挖掘未知的重金属超积累植物或培育驯化已发现的超积累植物，使之满足重金属超标农田修复要求仍是当前的主要任务之一，尤其是针对中国境内汞和镍的超积累植物筛选。同一物种下不同品种之间也会存在重金属吸收差异，对环境的敏感程度也会有所不同[58]，在超积累物种中筛选或培育出抗逆性更强、生物量更大和吸收量更多的优良品种亦是值得去探讨的。例如以转基因方式给超积累植物导入促进根部对重金属吸收的基因和增强向地上部转运的基因；通过染色体加倍技术强化超积累植株的生物量；或是使用常规育种手段培育综合能力更加优良的杂合品种等等。

当前重金属的超积累植物筛选大多以盆栽试验为主，少见有相关的应用于农田的验证试验。若要最大限度发挥超积累植物对农田重金属的修复能力，那么研究它的生长季节、习性、配套的农艺栽培措施和生物化学强化措施等是有必要的。地域不同，主季农作物不同，适宜栽培的超积累植物自然也不同，因此，开展不同地域环境的超积累植物农田修复探索与验证试验也是非常有必要的。外来入侵的重金属超积累物种具有生物量大、生长速度快等优点，在“变废为宝”利用于重金属超标农田时也需要关注其对主季作物生产及农田环境生物多样性的危害，避免“引狼入室”。最后，农田修复植物收获后含有重金属的地上部植株如何创造经济价值来提升种植意愿，是非常值得深入探讨的。