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土壤重金属污染及其植物修复研究进展

花匠小妙招
2025-05-13 23:50

0 引言

土壤重金属污染是国内外普遍存在的热点问题，中国土壤重金属污染较为严重[1]。玉米等农作物可以吸附土壤中重金属，造成农作物本身的重金属含量超过其背景值，甚至转化有毒的化合物，这些有毒物质通过食物链的方式进入到人体中，严重危害人体健康[2]。因此，修复和治理土壤重金属污染是非常有必要的[3]。

目前，植物修复技术相较于传统的修复方法（电化学法、化学法、客土法等）不仅成本低、操作简便、处理容易，并且能够改良土壤，保持水土[4⇓⇓-7]。所以，植物修复技术在土壤重金属污染的治理和修复方面具有较大的发展潜力[8-9]。通过在被重金属污染的土壤中种植超富集植物，一段时间后土壤重金属的含量会有明显的减少，进而实现修复和治理土壤重金属污染的目的，这种技术就是植物修复技术[10-11]。因此，了解土壤重金属污染现状，熟悉土壤重金属的植物修复机理以及土壤重金属对植物生长发育的影响，了解植物修复土壤重金属研究进展，对于修复和治理被重金属污染的土壤生态系统具有重要意义。

1 土壤重金属污染现状

1.1 城市绿地土壤重金属污染现状

城市公园和绿化带在吸收污染物和净化环境方面发挥着重要作用。它们不仅是城市居民接触重金属的主要风险源，也是城市生态系统的重要组成部分。通过对北京市属公园中的4个公园土壤的铅、锌、铜、铬、锰等5种重金属的含量进行分析，发现铬和锰的含量较少，铅、铜和锌的含量较多，其中铅的含量最高[12]。对安徽省芜湖市6个典型公园内表层土壤中铜、铬、镍、铅和锌的含量进行分析，发现污染程度按大小排序为：铜>铅>镍>锌>铬[13]。对南昌市6个不同功能区的绿化带土壤重金属含量分析发现，铜、锌、铅、镉这4种重金属离子的含量分别是江西省土壤背景值的2.58、2.57、2.08、1.13倍，但却未超过标准[14]。对咸阳市两条交通干道的绿化带表层土壤的锌、铅、铬、铜、镍、镉元素的含量等特征进行分析，发现大部分重金属离子的平均含量超过当地和国家土壤背景值[15]。

综上，城市绿地土壤重金属污染现状不容忽视，需要采取一定的预防或修复措施，尤其要对可能的污染源引起足够的重视。同时，也要加强城市居民对于重金属污染问题严重性的认知。

1.2 农田土壤重金属污染现状

在中国的土地资源中，汞、锌、铅和镉等重金属已经侵害了2000万hm2以上的面积，伴随着工业发展和城市化进程，农田土壤重金属污染问题较为严重，农田土壤重金属污染能够直接导致农作物收成降低，间接导致土地利用率下降，破坏自然环境。

目前，中国平均每年因为土壤重金属污染而亏损的农作物大约有1200万t，极大阻碍了中国农作物的有效发展[16]。据统计，2014年中国耕地土壤重金属位点超标率达到了19.4%，而到了2018年这一数字增长了近2%，达到了21.49%，且这一数字还在逐年增加[17]。而“血铅事件”“镉大米”“镉小麦”等事件的发生也为中国农田重金属污染防治敲响了警钟。珠三角地区农田土壤问题主要体现在镉砷污染较为突出，呈复合型和区域性特征[18]；河南省农田土壤中重金属镉平均含量超标，抑制了农作物的生长，影响人体的健康[19]。因此，中国需要较大的力量治理土壤重金属污染。

1.3 林地土壤重金属污染现状

由于林地的土壤较农田土壤容易酸化，所以林地重金属的富集能力高于农田，土壤的酸化不仅严重污染林地土壤，还对林地生态系统的功能产生损害[20]。经研究发现，南方2个省的森林土壤砷含量较其他重金属含量高，土壤的表层和底层的重金属含量没有显著差异，林地对重金属污染的治理效果明显[21]。对广州市林区中土壤重金属的污染状况研究发现，农业土壤重金属污染情况比林地土壤重金属污染情况严重，说明林地对重金属的沉降作用显著优于田地[22]。对贵州花溪区石林地土壤中的铜、锌、锰、镉、镍、铅、钴7种重金属的含量进行分析，研究发现，在人为因素的影响下，林地土壤已达到轻度生态危害的程度[23]。

因此，林地土壤重金属污染现状也不容忽视，为了保护林地土壤，保护林地生态系统的功能，应结合生态学的原理，减少重金属的释放，加强管理[24]。

2 重金属离子对植物的影响

土壤中的大部分微量元素是植物生长发育过程中必需的，对不同的重金属元素，每种植物都有一定的耐受范围，适宜的浓度有利于促进植物的萌发和生长。因此，植物对受一定浓度范围的重金属污染的土壤。但重金属浓度过高则易导致植物中毒。

2.1 重金属离子对植物种子萌发及幼苗生长的影响

2.1.1 重金属离子对植物种子萌发的影响

重金属对植物种子萌发有着促进作用和抑制作用。抑制效果随重金属离子浓度和胁迫时间的增加而增加[25]。研究发现，当用低浓度的重金属溶液胁迫植物种子时，可促使种子的萌发，而当使用高浓度重金属溶液胁迫时，呈现的是抑制萌发[26]。用不同浓度的铜离子溶液对波斯菊种子进行胁迫处理，研究发现，随着铜离子浓度的增加，波斯菊花种子的发芽势、发芽率和发芽指数先升高后降低；并且根和苗高的抑制作用也增强[27]。研究不同浓度镉离子对7个苜蓿品种种子萌发和幼苗生长的影响发现，低浓度镉离子能够促进不同苜蓿品种的种子萌发，而高浓度镉离子显著抑制不同苜蓿品种的种子萌发，且不同镉离子浓度对7种苜蓿的根长和芽长均有显著抑制效应[28]。也有研究发现镉离子对多种草坪草的种子萌发、胚根和胚芽的生长影响同样表现出“低促高抑”作用[29]。

2.1.2 重金属离子对植物幼苗生长的影响

重金属对植物幼苗生长的影响主要是抑制生长。由于重金属引起植物幼苗生理生化过程的紊乱，导致植物生长所需的物质和能量供应不足，从而抑制植物的生长，其症状变化主要体现在植物的一些营养器官上，如叶片、枝干等。镉进入植物体内其含量超过一定数值后，会出现植株生长发育缓慢、矮小、叶片变绿、产量下降等中毒症状[30]；铜能抑制植物根系生长和养分富集，导致地上部分生长缓慢，偶尔失去绿色[31]；铬可以使叶子变绿变黄，出现褐色斑点，并逐渐扩散到整个叶子，表现出缺铁的症状[32-33]。此外，重金属还影响植物的生殖生长[34]。

2.2 重金属离子对植物生理生化的影响

重金属对植物质膜的破坏是植物生理生化的最直接影响。植物细胞与外界环境进行物质交换和信息交换的屏障是植物细胞膜系统，细胞正常生理功能的基础就是细胞膜的稳定性。由于重金属进入到植物体内，会破坏叶绿体的内部结构，干预植物对营养成分的吸收和转移，阻碍叶绿素的合成，所以质膜被破坏对光合作用的影响最大[35]。此外，研究表明，重金属在植物体内不仅间接影响糖、蛋白质和脂肪的合成和分解，还影响植物的水分代谢和营养代谢[36⇓-38]。

3 土壤重金属植物修复机理及植物修复研究

3.1 土壤重金属植物修复机理

3.1.1 植物对重金属的提取、固定和挥发

去除土壤中重金属的常见方法，分别是植物挥发、植物固着、植物提取。其中植物挥发是利用某些植物特殊的根系对所处位置土壤中的重金属进行吸收或者是植物的根茎产生的物质与重金属反应，使其升华为气态，挥发到空气中，从而起到土壤重金属的净化[39]；植物固着的原理是某些植物在土壤中的部分，可以通过本身吸收养分过程中或者分泌某些物质与土壤中的重金属进行反应，使重金属从分子变成原子甚至高价态离子，从而固着在植物上，随着植物的土壤下部分被清除，土壤或地下水中的重金属含量也会下降，达到将土壤中重金属分离的目的[40]；植物提取与植物固着有着类似的原理，通过某些特定植物的种植，重金属通过植物的根系吸收，源源不断转移到植物的地上部分，随着植物地上部分的清除，相应土壤中的重金属含量会随着下降[41]。

3.1.2 微生物对重金属污染土壤的修复

微生物广泛存在于土壤中，其对重金属土壤的修复净化同样起着不可或缺的作用。首先，有的微生物在存活过程中，会吸收土壤中的重金属，从而降低重金属含量，起到保护植物的作用。其次，微生物在自身生长过程中，产生的某些物质，可以作为植物吸收重金属的催化剂，如有机酸和养分。以上为微生物净化土壤重金属的作用机理[42]。

3.2 植物修复土壤重金属研究

不同植物对不同种类重金属的修复作用存在差异。对不同植物对镉富集特征和修复效果研究发现，苋菜、狗尾草和紫薇可作为镉高富集植物来净化土壤，紫花苜蓿、芒萁、蟛蜞菊、臭牡丹、马尾松、木姜子、臭椿、枳、凤尾蕨可作为修复镉先行植物[43⇓⇓⇓⇓-48]。车前、紫花苜蓿、芦苇、银合欢、出爬山虎、野蔷薇、云南黄馨、臭椿和紫穗槐对重金属锌的富集能力较强[46⇓⇓⇓⇓-51]。夏至草、芒萁对重金属铅的富集系数较高，为铅超富集植物；除此之外，红豆草、芦苇、银合欢、臭椿、梭梭、马桑、臭牡丹、马尾松、木姜子、茉莉花、金叶女贞、黄刺玫和美洲黑杨对铅的富集和转运能力较强[44⇓⇓-47,49-50,52⇓-54]。蜈蚣草可作为修复砷污染的先行植物[44]，对砷的富集和转运能力较强的还有芒萁、臭牡丹、马尾松和木姜子[45]。旋刺花、大花紫薇、红豆草、爬墙虎和梭梭对重金属铜有一定的富集潜力[46⇓⇓⇓-50]。野外调查发现，相同条件下垂柳、紫穗槐和女贞对锰的富集量较大[47]；李春林等[49]选取6种可以吸附重金属的植物对包钢尾矿库的重金属（铅、铬、铜、锌）污染进行修复，结果表明对重金属铬吸附能力最强的植物为白刺。除此之外，臭椿和紫穗槐对重金属铬也有一定的富集能力[47]。

4 结论与展望

土壤中重金属含量过高，严重危害人类身体健康及生存环境，对整个生态系统造成的影响严重[55]。目前，草本植物对重金属吸附能力的研究较多，但是对木本植物的研究较少，所以应加强对木本植物的研究，特别是耐性强的乡土植物修复土壤重金属的能力研究。而且，单一的修复技术对修复和治理土壤重金属污染效果不显著，由于微生物与植物之间关系密切，所以也要加强对土壤微生物的研究，进而完善植物修复的策略，从而为今后使用更有效的重金属污染土壤修复技术提供理论依据。

因此，结合土壤重金属污染现状和植物修复机理，以加强土壤重金属污染对植物修复的研究效果为目的，建议做到以下4点：一是未来应挑选出超富集植物，为土壤重金属污染植物修复机理的研究工作奠定基础；二是重点研究微生物对植物修复的研究效果；三是加强对木本植物的研究，特别是耐性强的乡土植物修复土壤重金属的能力研究；四是对超富集植物凋落后的安全回收、合理利用进行研究。

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