我国盐生植物在土壤重金属污染修复中的应用述评

　　摘要：重金属污染土壤的植物修复具有地域性，为了解我国盐生植物对土壤重金属污染的修复现状，采用文献计量学方法，通过Web of Science数据库及CNKI中文期刊全文数据库对2000—2020年发表的有关盐生植物重金属富集或修复的文献进行检索，从盐生植物科属和生活型、盐生植物重金属富集能力差异、盐生植物重金属富集机理等方面进行综合分析。结果表明，在64种被研究的盐生植物中，适合以植物提取方式修复重金属污染土壤的盐生植物有9种，具有重金属修复潜力的盐生植物有11种，芦苇、互花米草、野大豆、铺地黍符合超富集植物标准，盐地碱蓬、狗牙根、芦苇、海马齿对多种重金属均具有较好的富集能力。

　　关键词：盐生植物;重金属;植物修复;生物富集系数;转移系数

　　作者简介：韩承龙(1997—)，男，山东济南人，硕士研究生，从事海洋生态修复研究。E-mail：hanchenglong185@163.com。

　　通信作者：卢学强，博士，教授，从事关键带环境地球化学、生态环境修复原理与技术、海洋及流域污染控制研究。E-mail：luxq@nankai.edu.cn。

　　中国盐渍土总面积约3 600万hm2，占全国可利用土地面积的4.88%[1]，且随着全球变暖，土壤盐渍化还有扩大趋势[2]。同时，随着经济发展，土壤重金属污染问题尤其是Cu、Pb、Zn、As、Cd、Cr等6种重金属污染越来越严重[3-4]，进而在滨海地区以及干旱和半干旱地区出现了盐渍化和重金属污染共存复合型土壤环境问题，不仅降低了农作物的产量和品质，还通过食物链对动物和人体健康造成潜在威胁[5]。针对土壤重金属污染，选用具有重金属耐性和抗性的超富集植物开展植物修复，因其具有成本低、能原位修复等优点，近年来受到广泛关注[6-7]。土壤重金属植物修复技术包括植物提取、植物稳定、植物促进和植物挥发等[8]。显然，植物提取能够将重金属移除，被认为是最有效和彻底的修复，因此筛选超富集植物便成为植物修复的关键问题，即需要筛选那些地上部分重金属含量大于根部和土壤重金属含量且耐受性强的植物[9-11]。但是，目前盐碱土壤重金属植物修复不仅仅需要植物具有重金属的高富集性，同时还要对高盐、干旱、水淹等恶劣环境等具有高耐受性，即需要筛选具有重金属高富集特性的盐生植物[12-13]。而目前重金属污染土壤植物修复研究多针对甜土植物，对于具有重金属修复功能的盐生植物的研究相对较少。因此，本研究对我国盐生植物在盐碱土重金属污染修复方面的应用现状进行梳理，并对适用于重金属污染盐碱地修复的盐生植物进行筛选，以期为我国盐碱地的重金属污染修复提供参考。

　　1 数据来源与分析方法

　　1.1 数据来源

　　本研究盐生植物范围采用《中国盐生植物》中所列的555种盐生植物[14]。文献检索以中国盐生植物的中文名、拉丁文名以及“重金属”“修复”“富集”“累积”“积累”“heavy metal”“enrichment”“accumulation”“phytoremediation”等作为关键词在CNKI中文期刊全文数据库、Web of Science进行初步搜集，所搜集的文献还需满足以下条件：(1)文献中至少涉及1种盐生植物;(2)研究至少涉及Cu、Pb、Zn、As、Cr、Cd等6种重金属中的1种;(3)可直接获取重金属含量(包括植物地上部分富集量、地下部分富集量、土壤含量)、植物地上富集系数(bioaccumulation factor，BAF)、转移系数(transfer factor，TF)、生物量、根长等数据。对于文献中试验条件不做限定，当植物地上部分划分为茎、叶等部位时，则取富集量的最大值，共筛选出文献291篇，时间跨度为2000—2020年。

　　1.2 分析方法

　　选取植物地上部分重金属富集量、BAF和TF来评价盐生植物对重金属污染土壤的修复能力，评价标准如下：(1)BAF<0.1为“较弱修复能力植物”，0.11为“较强修复能力植物”，适合用于植物提取[15-16]。另外，TF值越高表明该植物耐受重金属的能力越强[17]。(2)超富集植物的判别标准为植物地上部分富集量达到Cd≥100 mg/kg，Cr、Cu≥300 mg/kg，As、Pb≥1 000 mg/kg，Zn≥3 000 mg/kg[18];同时满足TF>1;对重金属具有较强的耐性，生物量大、生长周期短、根系发达[19]。

　　根据盐生植物对重金属污染土壤修复能力的评价，结合盐生植物分科和生活型等植物的生物学特征，对所筛选出的文献数据进行综合分析。

　　2 结果与分析

　　2.1 盐生植物对不同重金属的富集特征

　　目前，我国555种盐生植物中只发现64种(115%)被应用于土壤重金属修复，且多用于Cu、Pb、Zn、Cd污染土壤修复，用于As、Cr污染土壤修复的研究较少。用于重金属污染土壤修复的盐生植物主要集中在禾本科(Poaceae)、藜科(Chenopodiaceae)，且多为1年生或多年生草本植物，尤其以芦苇(Phragmites australi)、盐地碱蓬(Suaeda salsa)、狗牙根(Cynodon dactylon)、甘草(Glycyrrhiza uralensis)、互花米草(Spartina alterniflora)为主(表1)。

　　由图1、图2可知，对于Cu污染土壤而言，盐地碱蓬、羊草(Leymus chinensis)的BAF>1且TF>1，可作为Cu污染土壤修复植物。铺地黍(Panicum repens)、驼绒藜(Ceratoides latens)、喜盐草(Halophila ovalis)的富集效果中等，TF>1，具有应用潜力。碱蓬(Suaeda glauca)、互花米草、野大豆(Glycine soja)、铺地黍的地上部分最大富集量均大于300 mg/kg，TF均大于1，为Cu的超富集植物。对于Pb污染土壤，海马齿、地肤(Kochia scoparia)、狗牙根、盐地碱蓬的BAF>1且TF>1，可作为Pb污染土壤修复植物。碱蓬和矮大叶藻(Zostera japonica)的0.11，具有应用潜力。芦苇、鹅绒藤(Cynanchum chinense)、铺地黍的地上部分最大富集量均大于1 000 mg/kg，TF均大于1，为Pb的超富集植物。对于Zn污染土壤，盐地碱蓬、野大豆的BAF>1且TF>1，可作为Zn污染土壤修复植物。蜀葵(Althaea rosea)、喜盐草的0.11，具有应用潜力。鹅绒藤、芦苇的地上部分最大富集量均大于3 000 mg/kg，TF均大于1，屬于富集Zn的超富集植物。对于As污染土壤，喜盐草的BAF>1且TF>1，可作为As污染土壤修复植物。鹅绒藤和盐地碱蓬的0.11，具有应用潜力。对于Cr污染土壤，灰绿藜(Chenopodium glaucum)和大叶藻(Zostera marina)的0.11，具有应用潜力。狗牙根、芦苇的地上部分最大富集量均大于 300 mg/kg，TF均大于1，为Cr的超富集植物。对于Cd污染土壤，盐地碱蓬、狗牙根、海菖蒲(Enhalus acodoides)的BAF>1且TF>1，可作为Cd污染土壤修复植物。地肤和鹅绒藤的0.11，具有应用潜力。矮大叶的地上部分最大富集量大于100mg/kg，TF>1，为Cd的超富集植物。

　　2.2 盐生植物的重金属富集机制及富集差异

　　盐生植物是在盐生环境中自然进化的植物区系，具有多种组织器官以富集重金属，包括肉质组织、盐腺、液泡以及细胞质等[20]。以植物对盐的摄取量和富集量将盐生植物划分为泌盐盐生植物(recretohalophyte)、真盐生植物(euhalophyte)和假盐生植物(pseudohalophyte)[21]。

　　狗牙根、铺地黍和野大豆属于泌盐盐生植物，其依靠叶片或茎上的鹽腺或囊泡来适应盐渍环境。盐腺组织分泌钠离子和氯离子，并将光合活性组织中的重金属离子清除到叶片表面，囊泡则将盐分和金属离子储存起来[22]。其中，盐腺分泌过程又被称作为“植物排泄”，这种新的植物修复方法可以用于修复受盐和重金属影响的土壤[23]。碱蓬、盐地碱蓬和盐角草属于真盐生植物，这类植物没有盐腺，而是将盐离子和金属离子积累在液泡和肉质化组织中。一方面，植物将金属螯合过程从细胞质转移至液泡中，使液泡成为大量积累金属的储存库[24-25];另一方面，盐生植物的肉质化组织增强了液泡的储存能力，并可以提供足够的空间来富集金属离子[26]。芦苇是假盐生植物，通常将盐离子和金属离子积累在薄壁的液泡和根部木质部薄壁组织中[21]，且根系能够将多种有机化合物排泄到周围的介质中，从而增强金属的生物有效性并促进根系对金属的吸收[27]。

　　盐生植物具有独特的组织器官来富集重金属，又通过由过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)等酶类抗氧化剂和谷胱甘肽、类胡萝卜素和抗坏血酸等非酶类抗氧化剂组成的抗氧化机制[28-29]、产生渗透保护剂以保持有利的水势梯度[30]、产生金属硫蛋白(MTs)和植物螯合素(PCs)等金属结合分子以螯合金属[31-32]等机制而使富集的重金属不对自身产生毒性效应。

　　盐生植物对重金属的富集除了与植物生理过程相关外，还与土壤盐分及重金属污染水平有关。Feng等认为，高盐度可增强盐生植物对重金属胁迫的耐受能力，并影响重金属的吸收及其从根向地上部组织的转移[33]。盐分可能引起叶肉质增加，从而提供足够的空间来积累金属离子并增加液泡的储存能力[34]。重金属与Cl-结合形成的氯络合物在土壤中具有较高的迁移率，使其更易向植物体转移[35]。体内重金属则可能由于盐的存在促进蒸腾作用过程，进而增强由植物根部向地上部分的转移能力[25]。因此，可以合理地推断土壤盐度有助于某些盐生植物中重金属的积累。另外，相对高污染水平也会使植物体内污染物水平相应提高。以芦苇为例分析土壤重金属含量与植物体内重金属含量的关系(图3)，可见土壤中Pb、Zn、Cr、Cd的含量与芦苇地上部分重金属含量均呈极显著正相关关系(P<0.01)，Cu、Pb、Cr的含量与芦苇地下部分重金属含量均呈显著相关关系(P<0.05)，Zn、Cd含量呈现出极显著正相关。即土壤污染的高水平促进了植物体内的重金属含量富集，这与前人得出的结论[36-38]相同。

　　2.3 盐生植物在重金属污染土壤修复中的应用前景

　　有着良好应用前景的超富集植物往往具备生物量大、生长周期短和根系发达等特点[39]，具有良好的应用前景。图4列出上述筛选的8种超富集植物的相关特征，8种盐生植物的生长周期均较短，其中碱蓬、野大豆为1年生草本，其余为多年生草本。芦苇、互花米草、野大豆、铺地黍、鹅绒藤地上部分生物量均较大(>10 g/株)，除鹅绒藤、矮大叶藻以外，其余盐生植物的主根均较长。因此，芦苇、互花米草、野大豆、铺地黍表现出良好的生理优势，符合超富集植物的特点。这些盐生植物与目前公认的超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata)、东南景天(Sedum alfredii Hance)和印度芥菜(Brassica juncea)相比，生物量大，主根较长，这些优势在盐碱地的植物修复中可以发挥极大的作用，即这4种盐生植物是盐碱地土壤重金属修复的潜力植物。

　　重金属污染土壤往往是多种重金属共存的复合型污染，因而在工程实践中，往往须要筛选同时具有富集多种重金属能力的盐生植物。本研究对盐生植物进行了多种重金属的富集效果分析(图2，BAF均值)。盐地碱蓬对土壤中的Cu、Pb、Zn、As、Cd具有较好的富集能力，其作为重金属复合污染土壤修复的工具对种植物具有较大的潜力与应用价值[40]。狗牙根不仅对土壤中的Cu、Pb、Zn、Cr、Cd具有良好的富集能力，对水土保持也有较好的效果，是土壤结构遭到破坏的废弃矿地最适宜选择的修复植物之一[41]。芦苇对土壤中的Pb、Zn、Cr、Cd具有良好的富集能力，可作为湿生环境植物修复的优势物种[42]。海马齿对土壤中的Cu、Pb、Zn、Cd具有较好的富集能力，且其生命力强，扦插即可繁殖，在陆生和湿生环境中均能生长，具有耐旱和耐盐碱的特性，是应用较广的环境修复植物[43]。

　　盐生植物在盐碱地土壤重金属修复过程中表现出独特的优势，即抗逆能力强;盐分可以活化土壤重金属，不仅可以促进根部对重金属的吸收，还可以促进重金属从根部向地上部分转移;盐生植物从土壤中富集重金属的同时，也可以吸收土壤中的盐分，达到改良盐碱地的效果。然而，利用盐生植物进行土壤重金属修复同样摆脱不了植物修复土壤重金属污染的限制，如超富集植物种类少、快速修复难度较大、植物对重金属存在一定的选择性等。因此，今后的研究亟待发现更多的超富集及富集多重金属的盐生植物，与工程绿化、废弃矿山及废弃地治理等长线治理措施相结合，以发挥盐生植物的独特优势。

　　3 结论

　　在我国555种盐生植物中，近20年有研究的盐生植物有64种。经筛选发现，适合修复重金属污染盐碱土壤的盐生植物为Cu(盐地碱蓬、羊草)、Pb(海马齿、地肤、狗牙根、盐地碱蓬)、Zn(盐地碱蓬、野大豆)、As(喜盐草)、Cd(盐地碱蓬、狗牙根、海菖蒲)，具有土壤重金属污染修复潜力的盐生植物包括Cu(铺地黍、驼绒藜、喜盐草)、Pb(碱蓬、矮大叶藻)、Zn(蜀葵、喜盐草)、As(鹅绒藤、盐地碱蓬)、Cr(灰绿藜、大叶藻)、Cd(地肤、鹅绒藤)。另外，芦苇、互花米草、野大豆、铺地黍属于重金属超富集植物，盐地碱蓬、狗牙根、芦苇、海马齿具有多种重金属同时富集的能力，还具有其他环境价值，可以作为重金属复合型污染土壤修复的备选植物。

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