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应用与环境生物学报 Chin J Appl Environ Biol 2015，21 ( 5 ) : 837-841
2015-10-25 DOI: 10.3724/SP.J.1145.2015.01046
柳属植物特性及其在污染底泥修复中的应用
研究进展*
杨天雪 何春光 罗文泊 王天驰 盛连喜**
东北师范大学环境学院国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室 长春 130117
摘 要 污染底泥具有处置困难、污染严重并可引起上覆水体二 次污染从而造成恶性循环等特点，植物修复是一种
绿色环保、高效、对环境扰动少、易于被公众所接受的污染修复方式，柳属植物因具有生态幅宽以及易繁殖、生长
快，尤其是较禾本科植物更加适合污染底泥修复的生物学特性，被选作植物修复材料而倍受关注. 本文在介绍和分
析柳属植物特性及其环境适应力的生态学意义的基础上，重点梳理其对污染物的修复方式与机理，包括植物萃取
（Phytoextraction）、植物转化（Phytotransformation）、植物固定（Phytostabilization）、植物降解（Phytodegradation）和
植物挥发（Phytovolatilization）等. 进一步详述柳属植物在底泥修复中应用的国内外进展，在累积重金属、降解有机物
和改变底泥性质等方面的作用研究说明其对污染底泥的修复具有很好的效果. 最 后 结合目前柳属植物研究中的一些
问题和应用实践，建议未来应更注重野外试验、延长试验周期、开展修复植物群落优化配置的研究等. 表2 参48
关键词 柳属植物；植物修复 ；污染底泥；生物学特征；修复潜力
CLC X173
Progress in study of Salix characteristics and its application in sediment
phytoremediation*
YANG Tianxue, HE Chunguang, LUO Wenbo, WANG Tianchi & SHENG Lianxi**
State Environment Protection Key Laboratory of Wetland Ecology and Vegetation Restoration, Northeastern Normal University, Changchun 130117,
China
Abstract For its diffi culty in remediation and possibility of vicious spiral for mation, contaminated sediment becomes a hot
spot of recent pollution control study. Among all methods, phytoremediation is widely used in treatment of polluted sediment
because of its high efficiency and sustainability. The fast-growing willow, a perennial woody plant with long vegetative
season and great adaptation in harsh environments, has been suggested to be a low-cost and ecol ogically sound solution
for the phytoremediation of contaminated sediment. This article introduces the characteristics of Salix an d the ecological
signifi cance of Salix adaption to ha rsh environment, and reviews research progress and mechanisms including phytoextraction,
phytotransformation, phytostabilization, phytodegradation and phytovolatilization of Salix. It also analyzes the effect of Salix
in accumulating heavy metal, degrading organic matter and changing the characteristic of sediment, to point out the potential
application of Salix in phytoremediation of polluted sediment. The article also puts forward the existing problems and possible
solutions in phytoremediation by Salix of sedi ment, including paying more attention to fi eld experiment, extending of the test
cy cle, emphasizing on optimal allocation of rem ediation plant communities .
Keywords Salix; phytoremediation; contaminated sediment; biological characteristics; remediation potential
柳属（Salix）植物是多年生植物，除具有生长期长、生物
量大、生长速率较快等特点[1]外，还具有分布区域较广泛、春
季发芽较早而秋季落叶较迟的特点. 全世界大约有520个柳
属植物品种，大多数分布在温带和寒带，少数分布在热带和
亚热带[2]. 亚洲是柳属植物多样性最丰 富的地区 [3]，我国柳属
植物有275种，122变种，33变型，各省区均有分布.
鉴于柳属植物具有生态幅较宽、抗逆力较强的生物学
特性，近些年来被用做环境修复材料而受到更多关注. 正常
的 河湖底泥是黏土 、泥沙、有 机质及各种矿物 的混合物，在
水体传输的作用下经过长期的物理、化学及生物的共同作用
后而沉积 于水体底部的土壤，它是水体重要的组成部分，在
水环境中具有极其重要的作用. 在水体受到人为污染的干扰
时，它又是各种污染物质的源和汇，并且记录着水体环境变
化的丰富信息，因而成为水环境质量分析与评价的重要研究
内容. 许多研究结果显示，水体底泥污染物质的含量明显高
于当地的土壤环境背景值 [4-7]. 底泥的污染限制了其在农业、
污水处理、能源回收、道路修建等方面的应用 [8-9]，降低了其
收稿日期 Received: 2015-01-22 接受日期 Accepted: 2015-04-01
*国家水体污染控制与治理重大科技专项子课题（2012ZX07201-
001）资助 Supported by the China National Special Funds of Science
and Technology for Control and Remediation of Water Pollution
(2012ZX07201-001)
**通讯作者 Corresponding author (E-mail: shenglx@nenu.edu.cn)
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应用与环境生物学报 Chin J Appl Environ Biol http://www.cibj.com/
5期 柳属植物特性及其在污染底泥修复中的应用 研究进展
生态服务价值. 由于目前我国水体污染较重，疏浚工程多以
及由污水处理厂产生的污泥量较大，因而形成了底泥量大、
污染重、易形成二次污染的格局. 因此对于污染底泥的处理
是十分必要和困难的.
对污染的底泥处理技术很多，归纳起来可分为原位处理
和异位处理两类. 原位处理是指在原地或就近利用物理、化
学或生物方法减少受污染底泥的容积，减少污染物含量或降
低污染物的溶解度、毒性或迁移性，并阻止污染物释放到上
覆水体中[10]. 异位处理则是将底泥挖出后转运到其它地方进
行处理，以防止其污染上覆水体. 与其他处理方法相比，植
物修复是一种既可用于原位也可用于异位而对底泥进行修复
的生物技术，因其成本低、环保、管理方便等特点，已被广泛
接受和应用 [11-13]. 这种技术是通过栽植植物的生物代谢来转
移、容纳或转化污染物，从而达到去除或降低其毒性，实现
对环境无害的目的.
植物修复（Phytoremediation）的效率取决于所筛选植物
的强耐性和积累能力[14]. 由于底泥具有含水量大、盐度高、密
度大、粘性强、氧化还原电位低等区别于自然土壤的特点，这
就要求对底泥进行植物修复时，应选择生态幅较宽，适应能
力较强的植物. 大量的研究表明，柳属植物对于污染底泥的
修复具有良好的效果并已在生态修复方面得到了广泛的应
用[15].
本文结合自身研究及应用实践，对柳属植物在环境中
所起到的修复作用，尤其在污染底泥修复中的应用成果进行
了梳理和总结，以期促进对该领域更多的关注和更深入的研
究.
1 柳属植物的特性及对底泥的修复潜力
1.1 柳属植物的生物学特性
在 植 物 分 类 学 中，柳 属 植 物 属于 种 子 植 物 门
（Spermatophyta）被子植物亚门（Angiospermae）双子叶植物
纲（Dicotyledoneae）杨柳目（Salicales）杨柳科（Salicaceae），
通常被分为5个亚属，分别为柳亚属（Salix）、Prot itea、
L o ng i fo l i a e、皱纹柳亚属（C h a m a e t i a）和黄花柳亚属
（Vetrix）[16]. 除Longifoliae以外，每一个亚属都包含很多种
（表1）. 柳属植物繁殖能力尤其是无性繁殖能力强，而且其
树干上分布很多能够生长根的萌生点，每个萌生点的小嫩枝
都可以发育为比较完整的植株. 将其扦插到土壤基质中时，
浸入到新基质中的树干就可以萌生出许多新根，支持植物生
长，这一特点是此物种在生物修复过程中被广泛应用的生物
学基础，因其利于对污染物质的有效吸收 [17]. 同时，柳属植物
的根系密，单根较长，根系弹力较大 [18]，这对巩固河岸土壤
和用于底泥修复都是非常有效的.
1.2 柳属植物环境适应力的生态学意义
对环境包括较恶劣环境的适应力较强是柳属植物的显
著特点 [19]. 柳属植物的这种适应能力主要表现在5个方面：
（1）对高密度的种植环境的适应，且其根系可以紧密 地相互
缠绕 [20]，其生态学意义是对污染物的去除、防止水流的侵蚀
作用及减弱河岸风的 作用十分有效；（2）耐低氧即对含氧较
少的基质适应能力强，即使在水淹的环境中，该类植物可以
将氧气传递到根部，这既利于根部的好氧微生物的生长，同
时也利于对底泥中污染物质的降解和转化 [21]，这对于污染底
泥的原位修复很有价值；（3）较强的耐旱性，柳属植物除种
子萌发时需要较湿润的环境外，其他生命阶段都可以较长时
间生活在较干旱的环境中，这对于某些干旱环境的植物修复
是极其宝贵的特性；（4）柳属植物对基质中的营养条件要求
不高，在低营养的环境中也能很好的生长，这也是许多底泥
修复所选择的植物特征之一；（5）柳属植物对基质pH的适应
范围较宽，并且能够适应盐度较高的基质[2]. 由此可见，从对
环境的适应性角度看， 柳属植物是植物修复包括对污染底泥
修复的理想材料.
在以往的研究中，选择超累积植物用于治理土壤污染物
的研究也是热点之一，但超累积植物不仅分布区多在热带和
亚热带 [22]，并且已报道的超累积植物中禾本科植物居多，它
们具有根系不发达、生物量小、生长缓慢以及修复后处置困
难等问题，在短时间内也难移除大量的污染物 [23]，这就阻碍
了植物修复在实践中的应用. 也有学者认为柳属植物是污染
物的高累积者[24]，除上述5方面特性外，还具有可以周期性收
获生物量、经济和生态功能价值兼具的优点，如生态护岸、
做生物质能源 [25]如造纸原料、回收金属等，因此拓展柳属植
物在植物修复中的应用是值得重视的研究领域.
表1 柳属植物分类表（根据文献[2]整理）
Table 1 Classifi cation of willow (Adapted from reference [2])
名称
Name
代 表种
Re presentative species
特点
Characteristics
柳 亚属
Salix
白柳；垂柳；亮叶柳
Salix alba; S. babylonica; S. lu cida
高大；松散的柳絮出现在叶子较多的茎上
Large size; rather loose catki ns that appear with the leaves on leafy stalks
Protitea 黑柳；毛柳S. nigra; S. am ygd aloides
包含10余种柳树；分布于温带、热带和亚热带地区
Protitea encompasses a dozen species distributed in temperate as well as tropical and
subtropical regions
Longifoliae 沙洲柳S. in t e rior
所包含的种类少；可通过根孽繁殖； 可形成茂密的灌木丛
The capability to propagate by root shoots, or root suckers, and form dense thickets
皱纹柳亚属
Chamaetia
Snowbed willow
(S. herbacea)
可以很好地适应高海拔、寒冷等恶劣的环境
Well adapted to the extreme conditions in alpine and arctic zones
黄花柳亚属
Vetrix
心叶柳；褪色柳；黄花柳；蒿柳
S. eriocephala; S. discolor; S. capr ea;
S. vimin alis
所含种类超过柳属植物总类的2/3；大多为灌木和小型乔木
Ve trix includes more than two-thirds of the species in the genus and comprises mostly
shrubs and small trees
83921卷 杨天雪等
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2 柳属植物对污染物的修复方式和机理
柳属植物修复作用方式通常被分为植物萃取（Phyto-
extraction）、植物转化（Phytotransformation）、植物固定
（Phytostabilization）、植物降解（Phytodegradation）和植
物挥发（Phytovolatilization）[12]. 植物萃取又称为根际过滤
（Rhizofiltration），是指重金属经植物根系吸收后被转移、
贮存到植物茎叶中，通过收割茎叶从而达到去除重金属的目
的[26]；植物转化是指利用植物的新陈代谢作用等生理过程将
污染物由一种形态转化为另一种形态的过程，一般是针对重
金属而言；植物降解是指积累、移除重金属或降解有机污染
物质，与植物转化的区别是前者存在将待去除的污染物质转
化成危害更大或形态更复杂物质的可能 [27]；植物挥发是植物
利用其根系分泌的一些特殊物质吸收和转化土壤中的污染
物，以挥发状态排出体外，从而去除污染物质，去除的目标污
染物通常是一些类金属例如硒或砷等；植物固定是指植物将
污染物转化为相对无害物质的过程，这些植物通过根系分
解、沉淀、螯合、氧化还原等多种过程使污染物惰性化.
柳属植物降解转化污染物方式的实现途径是多样的.
有些是通过根部促进一些能够降解PCB的细菌生长 [28]；有些
是体内产生水杨酸盐，从而控制联苯和多环芳烃产物的基因
表达 [29]. 有的柳属植物可影响底泥的生物化学和化学过程，
植物根系的分泌物和植物残体通过形成腐殖质刺激微生物
的新陈代谢而促进有机质的分解，减少其对环境的危害，这
是植物与微生物共同作用的结果 [30]. 柳属植物对重金属具有
一定的耐受性. 有学 者的研究证实，柳属植物对镉（Cd）具有
较强的耐受性，并能够在地上部分积累大量的Cd， 而这除了
与其发达的根系形态功能有关外，根系不同组分对Cd 的屏
障与吸附作用也具有重要意义 [31-32]. 除此之外，根部非原生
质体障碍、内皮层、外皮层、表皮等组织比例的增加对保护
根细胞免受Cd 毒害具有重要意义 [33].
关于柳属植物耐受机理的研究虽然还亟待深入，但有的
工作已经深入到了分子水平. 植物螯合肽（PCs）是植物体内
一类重要的非蛋白质形态富半胱氨酸的寡肽，被看成是第三
类植物金属硫蛋白（MTs）[26]. PCs可通过巯基与金属离子整
合形成无毒化合物，减少细胞内游离的重金属离子，从而减
轻重金属对植物的毒害作用. 因此，近年来PCs的研究得到
了国际上的重视. 但也有报道认为，植物重金属耐性与PCs
无关，而是由于酶系统对重金属的避性及区域化不同造成
的[34].
3 柳属植物在底泥修复中的应用
3.1 柳属植物对不同污染物的清除作用
3.1.1 累积重金属　　底泥中的重金属污染来源于采矿、工业
生产和农业生产等人类活动[14]，如含有重金属的污水直接排
入水体或大气后，其中的重金属通过干、湿沉降进入到水体
沉积就可污染底泥. 柳属植物对于基质中重金属的去除具有
很好的潜力[23]. 研究发现，柳属植物对重金属Cd 具 有很高的
吸收量，Cd 在植物茎中的含量可达0.4-3 .9 mg/kg [35]，远远高
于农作物中的含量. 欧美等很多国家采用柳属植物短轮伐矮
林栽培模式修复污染土壤和水体中的Cd 等重金属，通过定
期收获地上部生物量而进行Cd 的植物提取，将植物用作生
物能源，把可再生能源生产和植物修复结合起来，取得显著
的生态效益和经济效益 [36]. 当然，并非所有柳属植物对Cd 都
有很好的积累效果，Mleczek等评价了波兰森林12种柳属植
物对Cd的累积能力，结果表明，S. purpurea “Green Diks”
和S. purpurea var. angustifolia Kerner对Cd的吸收量最大，有
些柳属植物，比如S. purpurea “Utilis-sima”对Cd的吸收量
很小，说明同一属的不同种植物对Cd的吸收能力不同 [37]. 研
究结果还表明，柳属植物并不是超富集植物，但考虑到其生
物量较大，植物修复综合能力较强，因此将柳属植物应用于
去除环境中的重金属研究十分有意义. Masciandaro研究发
现，将红花多枝柽柳（Tamarix gallica ）和海雀稗（Paspalum
vaginatum）种植在海洋底泥中，一年以后，底泥中的有机物
（石油碳氢化合物 TPH）和无机污染物（重金属）的含量都
显著降低 [30]. 施翔等人研究发现，7种柳属植物无性系对铜
（Cu）和锌（Zn）的吸收积累存在一定的差异；试验结果表
明各无性系对Zn有较好的转移，特别是叶片中Zn的浓度达
到841 mg/kg [38]. 在水淹情况下，柳属植物也表现出对重金属
较好的积累能力，如Chen研究发现 ，水淹可以有效增加Cu在
柳属植物根中的含量 [39]. 另外，也可以通过向基质中施加表
面活性剂和螯合剂来促进植物吸收重金属[40].
3.1.2 降解有机物　　由于 河流和河漫滩生态系统处于较低
的位置，很大程度上更易受到人类活动的影响 [41]，导致底泥
中含有大量有机污染物. 研究表明，柳属植物可以从底泥中
吸收有机氯化合物如PCBs等 [[42-43]，而且根系在植物修复的过
程中发挥着最重要的作用. 当底泥中有机物的毒性很大而植
物无法生存时，可通过向底泥中添加石灰等物质[44]来降低毒
性，以利于植物生长而实现修复的目的[45]. Vervaeke等将柳属
植物种植在底泥上，1.5年后，底泥中矿物油减少了57%，并发
现在基质表层即0-20 cm土层，污染物浓度下 降幅度最大，下
降速率随深度的增加而减小[46]. Cunha等人研究发现，三蕊柳
（Salix triandra）在36个月内，去除了土壤中98.56%的碳氢化
合物[43].
3.2 柳属植物改变底泥性质的作用
底泥是一种具有特殊性质的“土壤”，通过植物修复作
用可以加速底泥去湿和熟化过程，使底泥的物理、化学和生
物性质发生改变，可使其快速发育为一种接近自然土壤性质
的特殊基质[47]. 一般将这种通过修复技术处理得到的特殊基
质称为“techno-soil”[48].
在河岸边种植柳树还具有减缓侵蚀保护堤岸的作用，
当水位较高时可以减缓洪水的发生. 除以上作用外，河岸植
柳还可以成为防风、防雪、防噪音的屏障 [2]和美化景观，同时
可以控制并调节水文状况，减少底泥蒸散量以及防止污染物
下渗，避免地下水污染等.
作者所在研究团队利用杞柳（S. integra）对重污染河流
的底泥开展了就地修复 研究， 将20 cm ± 5 cm长度的杞柳扦
插条按照0.5m×0.5m的行间距栽入已挖出并堆放在岸边的
污染的河流底泥中，初步结果见表2. 从表中可以看出，在植
物修复的4个月后，杞柳增加了底泥中的总氮、总磷和有机质
的含量，显著地改善了底泥性质（P < 0.01）.
840
应用与环境生物学报 Chin J Appl Environ Biol http://www.cibj.com/
5期 柳属植物特性及其在污染底泥修复中的应用 研究进展
表2 扦插杞柳（Salix integra）后污染底泥中总氮、总磷和有机质的含量
变化
Table 2 Preliminary results of phytoremediation of contaminated sediment
by Salix integra
指标
Index
底泥背景值
Baseline sediment
characteristics
修复4个 月后底泥的变化
Sediment characteristics after
phytoremediation for 4 months
TN (w/g (100 g)-1) 0.1045 ± 0.0012 0.1318 ± 0.0012
TP (w/g (100 g)-1) 0.0322 ± 0.0007 0.0396 ± 0.0017
OM (w/g (100 g)-1) 1.5445 ± 0.0059 2.3412 ± 0.0 531
TN：总氮；TP：总磷；OM：有机质.
TN: total nitrogen; TP: total phosphorus; OM: organic matter content.
4 展 望
利用柳属植物修 复污染底泥的技术因其成本低、技术
易操作、对去除目标污染物具有选择性以及可发挥多种生态
功能而受到广泛重视，并已在应用中显示出强大生命力和广
阔前景. 但也必须认识到，该项技术无论在机理研究或实际
使用方面，仍然存在一些需要深入探索的问题. 建议在未来
着力关注以下几个问题的研究：
（1）目前大多研究都是通过室内模拟试验来探究柳属
植物的修复效果，但人为驯化基质的过程与自然形成的污
染土壤或底泥存在诸多差异，而且在自然环境中底泥呈还原
态，含有很多厌氧菌，而将底泥挖出进行室内模拟所开展的
原位植物修复研究并不能保证原来底泥的实际生态环境. 因
此，室内研究结果的外推应该如何操作和验证是亟待回答的
问题之一.
（2）柳属植物生长周期较长，应该延长试验周期，在一
个较长的时间尺度上去衡量该种植物的修复力.
（3）通过改变基质中污染物生物活性来提高柳属修复
效果的方法研究目前还占有很大比重，例如向基质中添加有
机酸可以促进植物对重金属的吸收等. 但更多的研究表明，
柳属植物对于污染物的转移系数并非很高. 因此，采用生物
学或现代生物技术来提高柳属植物对污染物的转移系数，从
而提高修复效果，可能是未来研究中更应该重视的一个方向.
（4）植物萃取是柳属植物处理污染底泥中某些重金属
的重要方式之一，即植物积累重金属并将其转移到地上部
分. 柳属植物的枝干虽为多年生，但每一年枯枝落叶中积累
的重金属都会重新回到底泥或周围水体中. 因此，在应用柳
属植物作为修复植物时，必要的人工清除是避免或预防这种
不良循环所需要的. 此外，采用构建食物链的生态学方法，确
定最终清除的目标生物，也可作为解决这个问题的一种尝试.
（5）不同种类的柳属植物对不同污染物的积累效果存
在差异，应该充分利用好这一生物学特性. 首先要根据土壤
或污染底泥的主要污染物选择树种； 同时要依据生态学的理
论，克服仅局限于某一种植物单独作用的研究，利用生态学
群落结构多样性的原理，开展修复植物群落优化配置的研究
可能也是不容忽视的途径.
（6）评价底泥污染程度时很多研究常采用当地的土壤
背景值或土壤环境质量标准值作为参考依据，这种做法也值
得商榷. 背景值的选取既涉及到对污染程度的判定，也能影
响植物修复效果的准确性. 完全自然状态下的“背景 ”已经
很难获取，要尽量排除所选样方受人类活动的影响. 为此建
议今后要重视底泥污染数据库建设，科学确定底泥基线值和
背景值，推进底泥污染评价和植物修复方面的研究.
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