一种烟草-油菜轮作模式，用于经济可持续地通过植物修复方法治理镉污染的农田

《Journal of Environmental Management》：A tobacco–rapeseed rotation model for economically sustainable phytoremediation of cadmium-contaminated farmland

本研究提出烟草-油菜轮作模型，通过跨季节连续修复框架结合高生物量经济作物，显著提升镉去除效率（年均349.91g/ha），单位成本最低（105.31元/g），投资回收期26年，环境负担集中于生物质处置，但经资源化利用可降低。该模型为规模化可持续修复提供了经济可行方案。

　　

郝朝阳|严云仙|王亮|杨军

中国科学院地理科学与自然资源研究院，北京，100101，中国

摘要

土壤镉（Cd）污染对农业用地的可持续管理构成了持续的挑战，因为传统的修复技术往往成本高昂、破坏性强且难以大规模实施。尽管植物修复具有环境友好性，但其大规模应用受到超积累植物适应性差和经济可行性低的限制。为了解决这一限制，本研究开发并评估了一种烟草-油菜轮作（TRR）模型，该模型将高生物量的经济作物整合到一个连续的、跨季节的修复框架中。

基于为期一年的田间实验以及经济评估和生命周期分析，系统地比较了TRR与其他代表性植物修复方法的表现。TRR平均每年可去除349.91克/公顷的镉，同时在评估的模型中表现出最低的单位镉去除成本（105.31元人民币/克）和最短的投资回收期（26年）。生命周期评估显示，TRR的环境负担主要与收获后的生物质处理有关，这表明通过生物质增值可以显著降低环境影响。情景分析进一步表明，在低水平镉污染的情况下，TRR能够同时确保食品安全并产生稳定的经济回报，同时健康风险可控。

总体而言，TRR代表了一种可扩展且经济上自给自足的“通过农业修复”策略，为受镉污染农田的可持续管理和安全利用提供了一条实际途径。

引言

土壤是陆地生态系统的基石，提供了不可替代的生态系统服务，包括物质生产、水分保持、气候调节和生物多样性维护（KEESSTRA等，2016；ROBINSON等，2012）。这些功能与联合国的多个2030年可持续发展目标（SDGs）密切相关，例如通过提高作物产量支持SDG 2（零饥饿），通过确保食品安全促进SDG 3（良好健康与福祉），通过可持续农业推进SDG 12（负责任的消费和生产），以及通过保护土壤健康维护SDG 15（陆地生命）（KOCH等，2012；ZHU等，2015）。然而，日益严重的重金属污染严重破坏了这些重要的土壤功能。农业用地的污染尤其令人担忧，因为它不仅降低了农业生产力，还对全球粮食安全构成了直接威胁（HOU等，2020；KULSUM等，2023；ZOU等，2021）。日本、孟加拉国、泰国、巴基斯坦、伊朗、马来西亚和中国等国家正面临严重的土壤镉污染问题，导致数百万公顷的耕地被废弃（HOU等，2025；WANG等，2015；ARAO等，2010）。在中国，数十年的工业化导致约16.1%的土壤受到污染，镉超标率达到了7%（MEP，2014）。据估计，约有1000万公顷的中国农田受到不同程度的重金属污染（XU等，2018）。因此，迫切需要科学、经济高效且环境友好的修复策略来确保土壤资源的安全和农业的可持续性（LI等，2024）。然而，传统的修复技术——如土壤置换、固化/稳定化和化学清洗——通常成本高昂、能耗大、对土壤干扰严重，并且存在二次污染的风险，使其不适合大规模农田的绿色和可持续管理（WANG和CHEN，2009；TANG等，2016；GADD，2010）。

在这种背景下，植物修复作为一种具有绿色和环境友好特性的策略，已成为重金属污染农田可持续管理的有希望的方法（SHEORAN等，2011；SALT等，1998；AWA和HADIBARATA，2020）。1977年，Brooks首次提出了“超积累植物”的概念——一种能够在干生物质中积累超过1000微克/克镍的植物（LEE等，1977）。随后，Chaney在1983年提出了“植物提取”的概念，利用植物将重金属从土壤转移到可收获的地上部分（CHANEY，1983）。Baker和Brooks后来系统总结了超积累植物的积累特性和生理机制，为植物修复提供了理论基础（BAKER和BROOKS，1989）。2001年发现砷超积累植物Pteris vittata是一个转折点，使研究重点转向了物种筛选和修复效果验证（CHEN等，2002；MA等，2001）。此后，其他重金属如镉的超积累植物，如Sedum plumbizincicola，也被鉴定并通过实验进行了测试（LI等，2010；LI等，2009；LONGHUA等，2006）。然而，尽管在实验室和小规模田间试验中显示出巨大潜力（YANG等，2023），但由于其在实际农业条件下的适应性差，植物修复的广泛应用受到了阻碍（JI等，2011；MAHAR等，2016；VANGRONSVELD等，2009）。这反映了基于超积累植物修复策略在实际应用中的一个关键未解决问题（见支持信息，讨论A）。

这一实施瓶颈源于三个关键维度的挑战：环境适应性、经济可行性和社会接受度。具体来说：（i）有限的环境适应性：大多数超积累植物的生长和表现受到特定气候和土壤条件的限制，导致实际修复效率远低于理想化的实验室条件（ALI等，2013）。（ii）高成本和长回收期：植物修复通常需要较高的初始投资和较长的成本回收期，使其经济可行性成为大规模应用的主要障碍（HU等，2024）。（iii）缺乏有效的激励机制：超积累植物往往缺乏直接的经济价值，而农民等弱势利益相关者在修复期间几乎没有任何稳定的收入。这降低了他们的参与度，并对社会接受度产生负面影响（PRIYA等，2023）。这些相互关联的问题严重限制了植物修复在广大受污染农田中的工程应用。因此，迫切需要探索结合高效率、广泛适应性和经济可行性的植物修复策略，以推动土壤修复进入新的实施、复制和可持续性阶段（AZHAR等，2022；LI等，2019）。

为了解决阻碍植物修复大规模应用的多方面限制，本研究提出了一种基于烟草-油菜轮作（TRR）模型的新型协同修复策略，利用两种高生物量的全球种植经济作物（LIU等，2016；ZHANG等，2023）。这两种作物都具有有效的镉吸收和积累能力。烟草主要在茎和叶中积累镉；收获后，用盐酸和乙醇简单提取即可几乎完全去除镉和尼古丁，为将解毒后的残渣用作动物饲料提供了可能。这突显了烟草在修复和资源回收方面的双重价值（YANG等，2019）。油菜主要在茎中固定镉，很少转移到种子中，从而降低了食物链暴露风险，提高了修复过程的整体安全性（CAO等，2019）。此外，与依赖单季、短寿命超积累植物的传统方法相比，TRR实现了连续的、全年的协同修复，将修复过程延伸到下一个春季，显著提高了其持久性和稳定性（YANG等，2017；TANG等，2017；WANG等，2021）。

尽管烟草和油菜各自都显示出吸收镉的潜力，但在实际田间条件下两者结合的TRR的综合表现仍很大程度上未被探索。此外，大多数现有的植物修复研究只强调孤立维度——如短期金属去除效率或作物安全性——而没有系统地考虑大规模农田管理所需的经济可行性、环境影响和健康影响。因此，决策者缺乏一个综合框架来客观比较不同的植物修复方法并评估其长期实施潜力（SANCHEZ-CASTRO等，2023；AGOSTINI等，2008；CAPPUYNS等，2011）。

在这种背景下，本研究旨在将植物修复研究从地块规模的效率测试推进到面向管理的可持续农田修复策略评估。具体来说，本研究在三个关键方面取得了进展：（i）提出了一种基于烟草-油菜轮作的连续、跨季节的修复框架，利用冬季休耕期提高年镉去除量；（ii）建立了一个统一的评估框架，定量比较不同植物修复方法的修复效率、经济表现、生命周期环境影响和健康风险；（iii）将分析范围从田间规模实验扩展到区域和国家情景建模，从而为实际条件下的植物修复的可扩展性和政策适用性提供决策相关证据。

研究区域和试验设计

田间试验在中国云南省怒江傈僳族自治州的兰坪县进行。该地点位于典型的低纬度山地季风气候区，海拔约2380米，多年平均年温度为10.4–11.8°C，年平均降水量为1002.4毫米。兰坪铅锌（Pb-Zn）矿是中国最大的已探明铅锌矿床，长期采矿导致周边农田受到严重重金属污染

不同植物修复方法之间的镉去除效率比较

我们首先在田间试验中系统评估了四种植物修复方法的土壤镉去除效率，发现了两种不同的修复策略（图3）。这两种策略分别是基于超积累植物的方法（Sedum plumbizincicola）和基于高生物量经济作物的方法（烟草、Amaranthus hypochondriacus和油菜）。作为公认的镉超积累植物，Sedum plumbizincicola表现出最高的总镉去除量（643.21克/公顷），这一结果主要归因于

结论

本研究系统评估了TRR作为镉污染农田可持续植物修复策略的效果。主要发现如下：

修复效率：TRR平均每年可去除349.91克/公顷的镉，比烟草单作高出37.2%，主要通过利用冬季休耕期种植油菜实现。

经济表现：在所有评估的植物修复方法中，TRR表现出最低的单位镉去除成本（105.31

CRediT作者贡献声明

郝朝阳：撰写——原始草稿、可视化、方法论、概念化。严云仙：验证、方法论。王亮：验证、方法论。杨军：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国科学院战略性优先研究计划（XDA0440404）的支持。