镉污染土壤的植物修复及修复植物的能源利用潜力

摘 要：利用镉污染土壤的修复植物进行生物质能源开发是一种同时解决环境问题和能源问题的新思路。文章在阐述我国土壤镉污染现状及来源的基础上，对镉污染土壤的植物修复技术及其应用情况进行了探讨，分析了镉污染土壤修复植物的能源利用潜力，并对修复植物的生物质能源开发相关问题进行了展望。

关键词：土壤 镉 植物修复 超积累植物 生物质能源

中图分类号：X53 文献标识码：A

文章编号：1004-4914（2011）08-052-02

重金属污染是我国“十一五”期间凸显的重大环境问题，环境保护部部长周生贤曾公开表示，仅2009年环保部就接报12起重金属、类金属污染事件，致使4000余人血铅超标，并引发32起{1}。2010年重金属污染事件仍保持高发态势，相继发生了江苏大丰、四川隆昌、湖南嘉禾、甘肃瓜州、湖北崇阳、安徽怀宁等多起血铅事件。鉴于重金属污染及其危害的严重性，2011年2月国务院正式批复《重金属污染综合防治“十二五”规划》，这是中国第一个“十二五”专项规划。

镉是《重金属污染综合防治“十二五”规划》重点监控与污染物排放量控制的5种重金属之一。土壤中的可溶镉通过食物链进入动物和人类体内，引起慢性中毒，其潜伏期可达10~30年。长期摄入镉可引起“骨痛病”、肾功能障碍、贫血、泌尿系统病变，并可能导致癌症。

土壤镉污染的来源主要包括自然污染源和人为污染源。在没有人为因素影响时，土壤Cd的背景值主要取决于母岩Cd含量及其风化程度，母岩Cd含量差异很大，从痕量到90mgkg-1{2}。土壤镉的人为污染源主要有四个方面：（1）工业污染源。矿产开采和冶炼、电镀工业、塑料和电子加工、印染、化工等工业企业都可以产生大量的“三废”物质，这些污染物通过多种途径进入农田土壤，导致土壤的镉污染{3}。（2）生活污染源。城市垃圾中大量未经处理的废旧电子产品与生活垃圾一起堆放，造成垃圾中镉含量增加{4}。（3）交通运输污染源。化石燃料燃烧产生得的含镉有害气体和粉尘，通过干湿沉降进入农田土壤{5}{6}。（4）农业污染源。农药、化肥、有机肥的使用及污灌过程可导致土壤Cd污染{7}。目前，我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2000万公顷，约占耕地总面积的1/5，全国每年因重金属污染而减产粮食1000多万吨{8}。每年生产的Cd超标农产品1.46×109kg。因此，镉污染土壤的修复已成为当前我国环境治理的重要任务之一。近年来，植物修复作为一种镉污染土壤修复技术应用越来越广泛。但修复植物中镉含量较高，对修复植物的最终处置仍然是一个亟待解决的问题。将镉污染土壤的植物修复和生物质能源开发利用结合起来是一种同时解决环境问题和能源问题的新思路。本文在综合镉污染土壤植物修复已有成果的基础上，对修复植物的能源利用潜力进行了初步分析，并对镉污染土壤修复植物的能源利用相关研究进行了展望。

一、镉污染土壤的植物修复

植物修复是利用植物对土壤污染元素具有特殊的忍耐和吸收富集特性，将植物收获并进行妥善处理后将重金属从土体中去除的生态修复技术。由于该技术具有低成本、不产生二次污染、不破坏土壤环境、可进行综合利用等优点，在重金属污染土壤修复实践中应用越来越广泛。在美国，利用遏蓝菜属修复长期施用污泥导致重金属污染的土地取得了明显的效果，我国利用超积累植物圆锥南芥来修复Pb、Zn、Cd复合污染土壤。

镉污染土壤的植物修复中所应用的特定植物物种多为镉的超积累植物。Baker等人{9}提出了镉超积累植物的参考值，植物叶片或地上部（干重）中镉含量达到100mgkg-1以上，并符合地上部重金属含量高于土壤重金属含量（即富集系数BF>1），地上部重金属含量高于根部重金属含量（即转运系数TF>1）这些特征的植物称为镉超积累植物。已发现的400多种超累积植物中，符合Baker等人镉超积累植物参考值的并不多。包括芸苔属的油菜、遏蓝菜属的遏蓝菜{8}、堇菜科堇菜属宝山堇菜、景天科东南景天、茄科的龙葵、商陆科的商陆、藜科叶用红菜等{10}。几种镉超积累植物的基本特征见表1。

除镉的超积累植物外，有些植物的Cd积累能力虽未达到超积累植物的标准，但是对Cd的植物修复仍有特殊的意义。与超积累植物相比，这类植物对土壤中的镉具有一定的积累能力，同时还具有较大的生物量，可以弥补超积累植物植株矮小、生长缓慢、生物量低等不足，在Cd积累的总量上较多，这类植物称为耐性植物。如禾本科小麦属的冬小麦茎中可积累26mgkg-1的镉，荨麻科苎麻属的苎麻对镉的转移系数最高达到了9.95；禾本科芦竹属的芦竹对镉污染土壤有很好的耐受力和吸收积累镉的能力；Beaupre发现在法国北部镉污染区生长的白杨镉含量高达209mgkg-1，是森林树种中的耐性植物{11}。

二、修复植物的能源利用潜力

植物生物质能的优点是燃烧容易、污染少、灰分较低，具有很强的再生能力。通过植物生物质能转化技术可以高效地利用植物生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭、石油和天然气等燃料生产电力，从而减少对矿物质能源的依赖，在化石能源日益短缺的今天，受到人们越来越多的关注。自2008年以来，全球范围内爆发粮食危机，不再提倡用农作物作为生物质能的原料，使得人们努力寻找可以替代农作物的生物质原料。镉污染土壤在被完全修复前很长一段时间内上面不能种植农作物，即使农作物能够正常生长也还存在农产品安全的问题。如果在镉污染土壤上种植一些生物量大、生长周期短的超积累植物和耐性植物，不但将土壤中的镉大量提取出来，满足对镉污染土壤的植物修复需要，同时又可以为生物质能源提供稳定的原料来源。从物理形态上讲，修复植物的能源开发利用有三种途径：（1）固化成固体燃料。将生物质原料（如秸秆、果壳、木屑、稻草等）粉碎，在一定的压力和温度下将其挤压制成棒状、块状或粒状等各种成型燃料{12}。固化成型以后的固体燃料，密度为1.1~1.4tm-3，体积缩小6~8倍，能源密度相当于中质烟煤，火力持久，炉膛温度高，燃烧特性得到明显改善{13}；同时，新型固体成型燃烧还可以减少大气二氧化碳和二氧化硫的排放量。此外，成型生物质块可在生物质炭化炉进一步炭化成生物炭，而优质的生物炭可以作为冶金、化工等行业的还原剂、添加剂等。将用于镉污染土壤修复的修复植物和耐性植物收集以后进行分级处理，加工成型为固化燃料，在一定程度上解决了修复植物的污染物处理问题，同时也提供了大量的固体能源，具有广阔的市场前景。（2）制成气体燃料：以生物质为原料，以氧气、水蒸气或氢气等作为气化剂，通过热化学反应可将生物质中的可燃部分转化为CO、H2和CH4等可燃气体{13}{14}；另外，含有机质成分的生物质在厌氧及其他适宜的条件下，通过微生物的作用可转化为沼气。这些以生物质为原料制成的气体燃料可用于照明或成为某些化石燃料的替代品。据报道，用以沼气为燃料的发电站，设备和技术简单，维护和管理方便，而成本仅为小型水电站的1/2~1/3，比风力、潮汐和太阳能发电低得多{12}。1998年12月英国首座利用特殊培育的柳树为燃料的发电厂在西约克郡奠基。这座新型发电厂使用的主要燃料是生长速度很快的矮柳，该柳树3~4年便可成材，其种植和采伐使用轮作方式，以保证电厂能获得持续的燃料供应。除了柳树外，同样属于柳属的白杨具有对镉污染土壤的植物修复功能，且生物量大，经过改良后是否能用其作为发电厂的燃料，这一问题值得研究{15}。（3）制取液体燃料：以生物质为原料进行生物质液化可制取甲醇、乙醇和生物柴油等液体燃料。这些技术在国际国内都有一定程度的应用{16}，2000年，巴西利用甘蔗渣制燃料乙醇总产量达793万吨，新西兰则利用饲料甜菜、紫白梧和松树生产乙醇。我国黑龙江省伊春市的南忿木材水解厂20世纪60年代以木屑为原料，年产酒精3000吨。一般情况下，乙醇生产成本的60%以上为原料成本，因此选用原料对降低乙醇成本至关重要。而修复植物可以成为生物质液体燃料的重要原料。目前，生物柴油的原料主要是大豆油和菜籽油，原料短缺成为限制生物柴油产业化的瓶颈，而某些镉污染土壤的修复植物（如油菜）中含油量高，可以作为生物柴油生产所需的原料。

三、结论和展望

自20世纪70年代以来，我国土壤镉污染已由局部的点源污染扩展为流域性的环境污染，镉污染土壤修复已成为当前和今后一段时间土壤污染治理的重点。植物修复技术在镉污染土壤修复过程中将发挥越来越重要的作用。将植物修复技术和生物质能源利用技术有效结合是一个同时解决环境问题和能源问题的新的思考方向。与此同时，几个重要的问题值得进一步深入研究：（1）发现更多生长周期短、生物量大、能源利用潜力大、镉的耐性和吸收性能较强的超积累植物和耐性植物；（2）镉污染修复植物的能源转化和高效利用模式；（3）修复植物体内镉含量较高，修复植物能源利用过程中镉的去向和最终处置。

[基金项目：国家自然科学基金项目(41071216)；湖南省自然科学基金项目(10JJ6058)；水体污染控制与治理科技重大专项子课题（2009ZX07212-001-05）。]

注释：

{1}周生贤.坚定不移贯彻落实中央决策部署,让人民群众远离重金属污染危害.中国环境科学,2010,30(8):1078

{2}McLaughlin MJ,Parker DR,Clarke JM.Metals and micronutrients―food safety issues.Food Crops Research,1999,60:143-163

{3}Rautaray SK,Ghosh BC,Mittra BN.Effect of fly ash,organic wastes and chemical fertilizers on yield,nutrient uptake,heavy metal content and residual fertility in a rice-mustard cropping sequence under acid lateritic soils.Bioresource Technology,2003,90:275-283

{4}常青山,马祥庆,王志勇等.城市垃圾填埋场重金属污染特征及其评价.福建农林大学学报(自然科学版),2007(2):194-197

{5}Fang GC,Wu YS,Huang SH,et al.Review of atmospheric metallic elements in Asia during 2000-2004.Atmospheric Environment,2005,39:3003-3013

{6}刘瑞超，王成新，王明苹.高速公路对区域城市群职能结构的影响分析――以山东半岛城市群为例[J].湖南师范大学自然科学学报，2010(1):80-85

{7}赵政阳,张翠花,梁俊等.施用农药福美胂对苹果果园砷污染的研究.园艺学报,2007(5):1117-1122

{8}郭朝晖，朱永官.典型矿冶周边地区土壤重金属污染及有效性含量[J].生态环境,2004(4):553-555.

{9}Reeves R D and Baker A J M. Metal accumulating plants. In Phytoremediation of Toxic Metals:Using Plants to Clean Up the Environment.Eds.H Raskin and B D Ensley.pp.2000,193-230.John Wiley & Sons,Inc.,London

{10}蔡丽娟，范仲学.镉超积累植物及植物镉积累特性转基因改良研究进展[J].广西植物，2009(5)：658-.663

{11}文秋红，史锟.部分植物富集镉能力探讨[J].环境科学与技术, 2006(12):90-92.

{12}陈军，陶占良.能源化学[M].化学工业出版社，2004，216-217

{13}姚向君，田宜水.生物质能资源清洁转化利用技术[M].化学工业出版社，2005，108-109

{14}张慧,谢炳庚.基于生态足迹理论的生态经济协调发展研究――以常德市临澧县为例[J].湖南师范大学自然科学学报，2010,33(3)：119- 123

{15}孙凤莲，王雅鹏，王薇薇.我国林木生物质能源产业发展的区域定位和替代潜力及开发利用对策[J].农业现代化研究,2010(3):325-329

{16}徐向阳.能源供应安全视角下中印生物质能源利用的比较[J].自然资源学报,2010(10):1806-1812

（作者单位：1.湖南师范大学资源与环境科学学院 湖南长沙 410081；2.中国科学院亚热带农业生态研究所 湖南长沙 410125）

（责编：若佳）