本文作者：徐笑作者单位：南京农业大学生命科学学院

铜矿区土壤由于含铜量较高，使大部分植物无法生存，造成植被破坏、土地裸露、水土流失等严重生态问题，还可能污染地下水和农作物，从而严重威胁人类健康。但生长在多数矿区的海州香薷种群不仅耐受这种恶劣生长条件，而且适当的有效铜浓度对海州香薷生长有一定促进作用，使其光合能力增强，有机物质积累增多，地上地下部分都有一定的铜积累。作为铜矿地区的指示物以及吸附改善铜污染土壤优势植物之一的海州香薷，对铜、锌、铅复合污染土壤有较强的耐性，生物量较大，生长速度快，能够在严重重金属污染土壤中完成包括营养生长和生殖生长在内的整个生命史，为弥补物理、化学方法处理土壤中重金属易引起二次污染的瑕疵。利用海州香薷等植物修复土壤技术显现出越来越高的研究价值。海州香薷属唇形科，多年生草本，高30～40cm，茎直立，通常呈棕红色，生于山野，分布于辽宁、山东、河北等地，素有“铜草”之称，有它的地方就有铜矿。海州香薷通过植物萃取作用降低了表层土壤中铜、锌、铅的浓度，从而为其他植物提供了相对适宜的生存环境，但这种利用植被自然修复和演替的过程十分缓慢，需要通过人为干预来提高恢复效率。因此，提高植物含铜量是成功修复铜污染土壤的关键因素之一，辅助植物修复作用和有效解决处理后的植物将关系到植物修复技术能否应用到实际中。

1影响海州香薷对重金属吸附能力的原因

在影响海州香薷铜积累量以及土壤恢复效率的诸因素中，土壤本身的污染水平和营养状况以及植物对土壤条件的适应能力最为关键。有研究表明，土壤pH值、全磷和有效磷与植物的铜、锌积累量具有很高的相关性，这为人们有目的地改良土壤性状，加速植被演替和恢复，提高植物修复效率等提供了有价值的参考［1］。据最近研究成果，海州香薷中地上部含Cu量在水培条件下可以达到3417mg/kg(干重)，但在土培条件下地上部含铜量最高只有260mg/kg，甚至在10mg/kg以下［2］，但在Cu污染土壤上施用EDTA和EDDS培养10d后，其地上部Cu含量和积累量均显著增加，甚至达数十倍［3］。此外，与单一Cu污染相比，Cu、Zn复合污染可促进海州香薷生长，增加其地上部干物重。

1.1土壤中铜的有效浓度对海州香薷修复土壤机制的影响

不同重金属形态对植物的毒性以及被植物吸收的情况差异很大，有效态的重金属更易被植物吸收，而对重金属的有效性有重大影响，主要是土壤有机质和酸碱度等条件，因而，有效金属浓度不仅取决于金属的总浓度，还跟土壤其他参数如磷、pH值等有关。有研究证明，土壤中的磷以及较高的pH值更有利于有效态重金属的释放。但对照试验结果显示，铜、锌的积累量均与有效铜的相关性最低，而与土壤总铜量和土壤pH值的相关性很高［1］，尽管如此，其他研究者给出了多种猜想，Song等发现，提高土壤溶液的pH值，能够增加海州香薷根部的铜浓度，即在铜浓度保持不变情况下pH值升高增加了铜离子的植物有效性，这可能跟高pH值条件下生物表面(细胞壁和生物膜)铜的结合能力提高有关［2］。又经研究表明，铜浓度与pH值的关系呈“U”形，pH值较低时，铜浓度随着pH值的增加而下降，而pH值较高时，则随pH值的增加而增加［4］。通过改变土壤的酸碱性使各金属离子呈现不同的价态，改变植物对它们的吸收量、耐受程度以及在体内代谢形式，实为影响海州香薷修复土壤机制的重要因素之一。在今后的实验中，我们可以通过采取多梯度、多个对照样、严格控制单一变量、提高实验同步性来增加结果的真实度。

1.2土壤中有效磷浓度对海州香薷修复土壤机制的影响

除了土壤pH值的影响至关重要之外，土壤中有效磷的作用也不可小觑。研究证实，随着有效磷浓度的增加，海州香薷对铜、锌的积累量也明显提高。因为铜等重金属易引起植物体磷等营养元素低于正常水平，所以，土壤中充足磷的供应将会改善海州香薷的营养条件，从而增加其根部对铜、锌的吸收活性［1］。矿区的海州香薷种群在过量铜的环境下对磷饥饿时具有自我拯救机制，即通过增强植物酸性磷酸酶活性以及向根际土壤的分泌作用，而使植物在胁迫条件下维持正常的磷生理代谢。重金属胁迫下，植物内生细菌分泌大量酸性磷酸酶是一种脱毒机制。经研究发现，铜胁迫下海州香薷根系体内的酸性磷酸酶活性显著提高，这促使金属离开细胞的敏感位点，同时磷被认为与一些金属元素有拮抗作用，能减少这些元素的吸收。如土壤中磷的增加会减少Cd和Zn的生物积累，磷的增加也能减少植物对Cu的积累。铜的吸收积累是一个十分复杂的过程，许多机制共同参与，其中有关酸性磷酸酶的作用仍需更多的实验，其分子机制也需进一步探索，我们可以结合新兴的代谢组学、蛋白质组学等手段做更深入细致的研究。

1.3EDTA和EDDS与植物铜积累量的关系

螯合诱导植物修复理念是向土壤中施加螯合剂来增加土壤重金属的可溶性，提高植株地上部的干物重以促进植物的重金属积累。有研究表明，施加5mmol/kgEDTA(乙二胺四乙酸)和EDDS(乙二胺二琥珀酸)可增加海州香薷地上部的Cu、Pb、Zn和Cd的含量和积累量。其中，EDDS比EDTA具有更强的溶解土壤Cu、Zn和增加植物吸收积累Cu、Zn的能力，但对土壤Pb、Cd的溶解及Pb、Cd在植物地上部积累的促进作用，EDTA大于EDDS［3］。这种方法虽增加了重金属在土壤中的可溶性，但同时也增加了重金属向下和四周迁移的可能性，易对地下水和周边环境造成二次污染，且高剂量人工合成螯合剂会破坏自然生存体系，对植物、微生物产生毒害作用。尽管有资料显示，EDDS对土壤真菌和其他微生物群落毒性影响较小，易降解，但施用EDDS的时间长短、施用前后当地天气条件等多种实际问题必须要进行进一步探讨。提高金属的移动力俨然是促进植物重金属吸收的可行之路，但是否是螯合剂发挥了作用仍需要做进一步研究。

1.4植物对Cu、Zn、Pb等元素复合污染土壤的修复作用

在自然条件下，铜矿污染区多富集锌、铅等重金属，因而考察海州香薷与环境的相互作用时不能忽略非铜重金属的影响。我们常用吸收富集系数来表征土壤———植物体中重金属元素迁移的难易程度。有文献报道，土壤受重金属复合污染时，Cu、Zn、Pb共存能够提高植物对几种重金属元素的吸收系数，促进这些重金属元素在植物体内的迁移。因为复合污染时，铜、锌、铅等元素共存能够提高植物对这几种重金属的吸收系数，并促进这些重金属元素在植物体内的迁移。锌会抑制铜向香薷属植物地上部分的运输，限制植物地上部铜含量的提高，笔者实验室也发现对于复合污染的土壤来说，海州香薷属植物对锌吸收效果更为显著，这似乎暗示了对于修复复合污染地区，可首先解决锌污染，再着重处理铜污染。

1.5根际土中细菌、植物内生菌对海州香薷及其生长环境的影响

笔者所在的实验室曾发现，一些植物根际细菌通过产生1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)脱氨酶、铁载体、吲哚乙酸以及溶解难溶性的磷酸盐能够直接或间接地促进植物生长，增大海州香薷的生物量［5］。此外，还发现经无色菌处理提高了海州香薷的生物量和地上部Cu浓度，进一步挖掘出海州香薷对污染土壤中Cu的去除潜力［6］。土壤微生物透过分泌物提高土壤酶活性，进而改变土壤中重金属的生物有效性且对环境友好。这为生物修复开辟了一条新途径，即通过利用抗性促生细菌的方法来提高植物的修复效率，堪称是一种比用化学试剂、肥料等方法改变土壤理化性质更有效、更具有可持续性的措施。

1.6其他因素

油松针叶重金属含量动态变化研究表明，重金属在植物体内变化是复杂的，油松针叶的Cu、Zn含量在整个生长季节均呈现下降趋势，而Pb的含量在夏季时最高。另有学者认为，因为NO3－促进阳离子吸收且在木质部运输中是阳离子合适的陪伴阴离子，而NH4+在根系中已被同化为氨基酸，不能成为阴离子的陪伴阳离子，所以硝铵态氮能促进海州香薷对铜的吸收以及向地上部分的运输并提高铜的积累量。

2实际应用展望

通过近几年实验，可以肯定耐性植物在植物稳定修复中的作用。在重金属污染土壤上种植金属耐受性植物可降低金属的移动性并减少其进入食物链的含量，有毒金属将会被固定在生态系统中，可减少有毒金属因淋溶而进入地下水所引起的污染。在提高海州香薷修复土壤重金属污染效率的问题上，现代学者多侧重于外加诱导措施增加土壤中重金属的植物有效性，以提高超富集植物的生物量，或者找到一种重金属富集量更高的超富集植物。重金属在植物体内的含量变化很复杂，适当延长植物生长时间并选择合适的收获期有助于提高植物累积金属效果，对紫花香薷和海州香薷而言，其叶片开始脱落前收获为佳，此时植物积累的生物量最大，一般要培养195d。实际应用中植物生长时间设计十分重要，而收获已积累大量重金属元素的海州香薷植物体的去向也不可忽视。经实验验证，以海州香薷为堆肥原料，接种以纤维素分解菌为主的混合菌，在室温、含水率为75%条件下，堆肥的品质最佳，其C/N值为13．7，ηC/N为60．8%，可达到有机肥料一级腐熟标准，能快速高效地降解海州香薷残体，而且作为肥料，植物体中的黄酮类物质对植物病原真菌有抑制效果，使其变废为宝［7］。这一研究对于降低污染土壤修复成本、矿山地区农民增收以及发展循环经济有着重要作用，为开发新型抗菌剂产品提供了一定的技术支持。研究重金属在土壤－植物体系向植物的迁移、传输和分布随时间变化的动态过程，将提供植物在重金属胁迫条件下对重金属吸收代谢的信息，对认识重金属在植物体内的迁移转化规律和植物修复的实际应用有重要意义。

3结束语

利用植物修复土壤的优势地位日益凸显。海州香薷因长期生长在铜矿区附近(含重金属土壤)，已对高金属污染、土壤保水力差的环境胁迫产生了抗性进化，不仅成为矿藏的指示植物，还对尾矿、重金属污染的土壤起到一定的修复作用。