云南农业大学学报期刊点评

现代农业生产中农药和化肥的大量使用，汽车尾气的大量排放，城市污水及垃圾处理不当，工业生产所产生的“三废”的不合理排放以及因采矿造成的废弃地等问题，导致土壤中重金属含量急剧增加，土壤一植物系统中重金属污染问题日趋严重。1955～1972年，日本富山县的“骨痛病”，就是由于居民食用了含cd量高的稻米和引用含cd量高的水中毒而引起的。因此，重金属污染土壤的修复问题日益引起了社会的普遍关注。植物修复技术具有成本低、工程量小、无二次污染、能减少土壤侵蚀、美化景观、提高土壤有机质和培肥地力等优点，受到科学家们的普遍关注。目前对于超富集植物的研究大多停留在对野外品种的筛选阶段，多集中于植物对重金属的积累量、耐性及积累机理，究竟如何有效地将其应用到实践当中的研究并不多见。影响植物修复效果好坏的一个重要因素就是超富集植物地上部生物量的大小，通过改善栽培技术，提高超富集植物地上部生物量和重金属积累量，是值得关注的一个重要方面。 1 超富集植物在植物修复方面存在的问题 植物修复技术主要是通过超富集植物根系吸收固定重金属，并转移到地面部分，采用收割植物的方式去除土壤中重金属。这项技术具有越来越广阔的前景。 植物修复中使用的修复植物是一类超富集植物(hyperaccumulators)。超富集植物是能超量吸收重金属并将其运移到地上部的植物。通常，超富集植物的界定可考虑以下两个主要因素：①植物体内富集的重金属应达到一定的量；②植物地上部的重金属含量应高于根部，由于各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异，因此，对不同重金属，其超富集植物富集浓度界限也有所不同。目前，采用较多的是BAKER和BROOKSt提出的参考值，即把植物叶片或地上部(干重)中含Cd达到100μg，含Co，Cu，Ni，Ph达到l 000 t~g／g，Mn，zn达到10000μg／g以上的植物称为超富集植物。同时这些植物还应满足植物地上部重金属的含量／根部重金属的含量>1。 理想的超富集植物应具有生长速率快、生长周 期短、地上部生物量大、能同时富集两种或两种以上重金属的特点，但现实中其应用具有一定的局限性。一般认为植物修复技术在污染量较低和中等地块或污染处于相对浅表层的区域最为有效。采取适宜的栽培调控措施可以促进超富集植物对土壤中重金属吸收是值得研究的重要问题。例如，通过调节诸如土壤水分、土壤养分、土壤pH值以及利用土壤改良剂和生物螯合剂促进土壤结构、生物多样性以提高超富集植物的修复效果。 2超富集植物的栽培措施 2．1 品种选择 首先要调查土壤的污染程度和污染土壤主要重金属的类型，根据土壤的污染程度和污染重金属的类型选择相应的超富集植物品种进行修复。从金属矿区筛选来的重金属超富集植物是一个有效途径。ZU等从Pb，zn矿区筛选到了多种具有明显效果的重金属超富集植物，如中华山蓼(Oxyria isnensis Var．Hemsl)、圆叶无心菜(Are— TtaT~a rotumdifolia Var．Bieberstein)、续断菊(Son— chus asper(L．)Var．Hill)和小花南芥(Arabis alpinal Var．parviflora Franch)等。 国内外对此方面作了较多的研究，现将部分常见的超富集植物及其积累的重金属含量归纳于表1。2．2 幼苗繁育 超富集植物多数是野生植物，人们对它们的生活习性了解甚少，几乎没有完善的幼苗繁育技术。通常可以借鉴农作物的驯化栽培经验对其幼苗进行繁育。野生植物的种子一般都很小，可以利用种子包衣技术促进超富集植物种子萌发。首先采用收集种子的方式进行直接繁育，如果没有采到成熟的种子可以移栽植物待其成熟后进行采收。育苗的过程中要保证充足的养分、湿度和温度，土壤不可过于贫瘠、板结，培育出健壮的小苗是试验能否继续的关键因素。其次可以将收集到的苗进行组织培养，以顶芽或带节的嫩茎为材料，用这种繁育方法可以生产无病毒种苗，有的植物要靠分株来增加数量是非常难的，此时可以利用组织培养的方法在短期时间内迅速而且大量的繁殖与母株一模一样的种苗，以组织培养繁殖的种苗与母株有着相同的遗传基因。这项技术可让优良的品种不断地延续。 一般情况下，为了缩短植物修复的周期，在育苗方面还可以采取移栽的方法缩短植物的生育期。在植物收割前的一段时间培育秧苗，等到植物收割后，将适宜移栽的秧苗移栽到污染土壤区，可以节省种子播种到出苗之间的时间。例如在塑料大棚内，利用其适宜的温度、湿度等条件对植物进行繁育，若是喜荫植物则可利用遮荫设备促进其萌发生长，还可施干冰提高二氧化碳的浓度，进而提高植物的光和强度促进植物幼苗生长。 2．3施肥措施 超富集植物的施肥研究主要包括施有机肥和化肥对超富集植物吸收重金属效果的影响。 2．3．1有机肥 有机肥料包括动物厩肥、绿肥和堆肥等，它不仅可以改善土壤的理化性状、增加土壤的肥力，而且可以影响重金属在土壤中的形态及植物对它的吸收，施用有机肥可以提高超富集植物地上部分生物量 也有人研究表明使用有机肥必须注意腐殖质的性质和种类。土壤有机质的矿化可以提高土壤中重金属的活性，从而更容易被植物吸收。若长期施用人粪尿，不仅易使土壤板结，其中的cl-可络合汞，造成被汞污染的土壤汞活性增强。利用有机肥改良Cd污染土壤，由于有机肥在矿化过程中分解出的低分子量的有机酸和腐殖酸组分对土壤中的Cd起到了活化作用，从而有利于超富集植物对重金属的吸收。 有机肥的使用要注意土壤中腐殖酸组分和土壤环境条件。主要是由于有机肥在矿化过程中分解出的低分子量的有机酸和腐殖酸组分对土壤中的cd起到了活化作用，关键取决于腐殖酸组分和土壤环境条件，如果能够系统地掌握不同pH， Eh，质地等土壤条件下，腐殖酸组分对cd的移动性和生物有效性的影响，就能够合理利用有机肥更好的应用于植物修复。 2．3．2化肥 不同形态的N，P，K化肥，对土壤理化性质和根际环境具有明显的影响，选择适宜的化肥，既是一种简便的提高植物生物量的方式又有利于植物修复中超累积植物对土壤中重金属的吸收。 氮肥施入土壤后，首先改变了土壤的pH，一般情况下pH降低，土壤溶液电导值增大，离子强度增强，植物从土壤中吸收重金属的能力就会增强。因此，如果施氮肥使土壤变酸，就会增大土壤中重金属的溶解度，减少了土壤中吸附重金属的量，提高了超富集植物对重金属的积累量。从根际环境看，当植物吸收NH和N0，根系分泌不同的离子，吸收NH-N时引起H+的分泌，造成根际周围酸化。而吸收NO2-N植物分泌OH－，造成根际碱化。利于超富集植物累积重金属的氮肥其作用强度顺序为(NH4)2SO4> NH4N03>ca(NO3)2。即不同形态的氮肥，由于对土壤酸化、根际环境及竞争作用的影响程度不同，对超富集植物累积重金属的量也不同。一般情况下施加氮肥能增加土壤中重金属的植物活性，利于超富集植物对土壤中重金属的吸收。 磷肥对植物吸收重金属的作用有所不同，有促进植物活性，也有抑制。磷肥对土壤重金属的作用机制之一就是沉淀效应，使土壤溶液中的重金属离子发生沉淀，降低植物的吸收。磷还通常用来改良砷污染土壤，使生长的蔬菜可食部分砷含量降至食品卫生标准以下。但最新的研究表明，施人较多的磷时，砷超富集植物蜈蚣草对磷砷(V价盐)的吸收表现为协同作用。说明磷肥的种类对重金属在土壤中的形态有不同的影响。因此合理的选用磷肥才能增加超富集植物对土壤中重金属的吸收。研究表明能提高超富集植物地上部分生物量和重金属镉浓度的积累量的化肥形态是：①氮肥： (NH4)2S04>CO(NH2)2> NH4HC03>Ca(N03)2；②磷肥：Ca(H2P04)2>钙镁磷肥；③钾肥：KCI>K2S04。 综上所述，由于N，P肥和有机肥能改变土壤重金属的化学行为，因而植物对其吸收也会有所不同。一般来说，参与根际环境中污染物降解的微生物群落结构复杂，往往包含微生物多种类型。N，P肥和有机质对土壤重金属的影响离不开环境条件。所以，实践中通过施肥来增加超富集植物对土壤中重金属的吸收应考虑土壤环境条件，从而提高超富集植物地上部的生物量，进而更好的应用到重金属污染土壤的植物修复中。 2．4土壤中施用螯合剂和改良剂 向土壤中施用螯合剂和改良剂能诱导、强化植物超富集作用，提高超富集植物地上部的生物量和重金属积累量。理想的螯合剂应具有3个特点：专一性靶络合金属；促进植物对重金属的吸收和转移；降解快，无残留毒性。生产中常用的螯合剂如：EDTA，DTPA，EG-TA，柠檬酸等。 施用螯合剂可提高超积累植物对重金属的吸收，如在铅污染的土壤中，能被植物利用的Ph仅为0．1％，增施螯合剂以后，可显著提高土壤中植物可利用Pb的量达100倍以上；Pb在土壤中的移动性和生物可利用性增强，使某些植物超富集Pb，达到修复Pb污染土壤的目的。螯合剂的主要作用体现在：增加了土壤中的Pb溶解度；提高了Pb的根际扩散能力；增加了Pb从根系向地上部的转运系数。近年来，施加螯合剂不但提高了某些植物对Pb的吸收量，更重要的是促进了 Pb在植物地上部分的生物量和累积量。 己研究过的影响Pb迁移性的螯合剂有：乙二胺四乙酸(EDTA)、环己烷二胺四乙酸(CD— TA)、二次乙基三胺五乙酸(DTPA)、乙二胺(氧乙基氮基)四乙酸(EGTA)、乙二胺二(0一羟基苯)乙酸(EDDHA)、羟乙基替乙二胺三乙酸(HEDTA)和氮川三乙酸(NTA)等。不同螯合剂促进植物对Pb吸收的效应与螯合剂对土壤 Pb的活化效应相一致，其强弱顺序为：EDTA> HEDTA>CDTA：DTPA>EGTA>EDDH>NAT．因此，EDTA被证明是最有效的螯合剂。 土壤酸化与施加螯合物相结合可显著增加印度芥菜对Ph的吸收效率。VASSIL等报道用Pb和EDTA共同处理印度芥菜，其地上部分Pb含量高达55 mmol／kg(干重)，相当于培养液Pb浓度的75倍，对印度芥菜茎部提取液的直接测定证明，茎部的大部分Pb是以与EDTA结合的形式存在的。 在土壤中施加改良剂可降低重金属在土壤中的活性。由于污染土壤结构较差，养分缺乏，重金属以毒性较强的形态存在，从而影响植物的生长。通常要加入各种改良剂以改善土壤的物理化学性质，促进植物生长，增加生物量，增强植物修复的效果。除了必要的氮、磷、钾肥料外，常用的改良剂包括石灰、磷矿物、铁锰氧化物、粉煤灰、生物活性污泥、合成锆石等。不同改良剂适用于不同的重金属污染土壤，石灰适用大多数重金属的稳定化过程，但不适用砷的稳定，因为砷在碱性土壤环境中吸附性降低而趋于释放，二巯基丁二酸盐是一种砷的螯合剂，加入后可促进印度芥菜对砷的吸收。 2．5土壤水分条件 合理的灌水是促进超富集植物生长和增加地上部生物量的主要因素，了解超富集植物需水的关键期，对于科学用水和提高超富集植物地上部生物量具有重要意义的。 从超富集植物生育前期、中期和后期的需水量情况看，是一个由少到多再到少的变化过程。因此，要根据植物生长发育的不同时期及生理特性进行灌溉，营养生长初期阶段应适量浇水，营养生长和生殖生长阶段应保证植株充足的水分，开花以后随耗水量降低而减少水量。过量灌水既浪费资源也不利于植物生长，直接影响土壤的pH和氧化还原条件，还可能引起土壤中重金属的扩散。湿地中微量和有毒金属元素的移动性较旱地条件下高，淹水(厌氧)条件下普通植物对土壤中重金属的吸收较非淹水条件下的低。 2．6群落构建 要合理做好乔、灌、草的搭配，乔木、灌木、草本植物、藤本植物都有其特定的植物生态功能，各自在自然界中发挥着自身的作用，可以充分利用周围的环境资源。通过这种方式可以提高生物量和重金属积累量。 重金属污染土壤多是几种重金属混合在一起的复合污染，而超富集植物往往只对其中一种重金属具有提取作用，只种植一种超富集植物每次仅能治理一种重金属，待这一种重金属治理完之后再种植理一种超富集植物去治理其余的重金属，如此进行下去既费工又耗时。因此，根据土壤污染的情况，将几种具有不同修复功能的超富集植物搭配种植，既可以提高修复效果又可以节省修复时间。在cu，Zn污染的土壤上可种植印度芥菜、黑麦草、海州香薷、天蓝遏蓝菜、东南景天等。对于Cd，Pb，zn和Cu含量较高的污染土壤，可种植野菊花、旋鳞莎草和五节芒3种植物。在cd污染的植物修复中，已筛选出了湖桑、苎麻、红麻、棉花等一批耐cd作物品种，种植后使土壤cd含量普遍下降。通过套种超富集植物天蓝遏蓝菜Thlaspi caerulescens和非超富集植物 Thlaspi arvense，发现当这两种植物的根系交织在一起时，Thlaspi carulescens对zn的富集能力显著提高。通过盆栽试验研究了套种超富集植物 Thlaspi carullesce和非超富集植物黑麦草(Lolium perence L)对重金属污染土壤的处理效果，结果表明Thlaspi carulescens对土壤中Cd的去除率3个月达35％，是黑麦草吸收能力的10倍。对于 Thlaspi carulescens和非超富集植物玉米处理zn和 Cu超标的城市污泥进行研究，结果表明，植物修复半年后，污泥体积降低为原来的1／4，EDTA浸取zn明显降低。而且用该处理技术产出的玉米，经多次试验均表明符合食品卫生标准(cu