綠肥作物對耕地鎘污染修復(fù)機(jī)理綜述

吳浩杰，周 興，魯艷紅，聶 軍，廖育林，楊曾平，謝 堅(jiān)

（1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125：2.中南大學(xué)研究生院隆平分院，湖南 長沙410125；3.農(nóng)業(yè)部湖南耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，湖南 長沙 410125；4.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410125）

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綠肥作物對耕地鎘污染修復(fù)機(jī)理綜述

吳浩杰1，2，周 興1，4，魯艷紅1，3，聶 軍1，3，廖育林1，3，楊曾平1，3，謝 堅(jiān)1，3

（1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125：2.中南大學(xué)研究生院隆平分院，湖南 長沙410125；3.農(nóng)業(yè)部湖南耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，湖南 長沙 410125；4.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410125）

摘 要：翻壓綠肥在改善土壤理化性質(zhì)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)，也對土壤中Cd活性有直接或間接的影響。綜述了綠肥作物對Cd污染耕地的治理效果，并從有機(jī)質(zhì)、土壤pH值、土壤鹽基陽離子、Fe活性等方面分析了綠肥對Cd活性影響的機(jī)理，據(jù)此提出通過種植、翻壓綠肥治理Cd污染耕地的建議。

關(guān)鍵詞：綠肥作物；耕地；Cd污染；修復(fù)機(jī)理；綜述

土壤是人類賴以生存和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。然而，隨著工業(yè)化的進(jìn)程，土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重，對糧食安全和居民身體健康構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[1]，尤其以重金屬鎘（Cd）污染危害最為嚴(yán)重。Cd是一種生物毒性極強(qiáng)的重金屬，在土壤中難以分解且容易遷移，能夠被植物吸收、并通過食物鏈的傳遞和富集危害人體健康[2]。因此，專家們深入研究了Cd污染土壤的修復(fù)途徑，并取得了一定的成果。但在Cd污染耕地的治理上，仍沒有一種完善的解決方法。

綠肥作物是一類可將植物體就地翻壓或漚堆制肥的植物，多數(shù)屬豆科。綠肥植物體內(nèi)含有作物所需的多種營養(yǎng)物質(zhì)，并且易被土壤微生物腐解，是一種養(yǎng)分完全的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，具有投資少、成本低、肥效好等特點(diǎn)。與化肥相比，綠肥在提供養(yǎng)分、增加作物產(chǎn)量的同時(shí)，還能防止水土流失，改善土壤的物理結(jié)構(gòu)、培肥土壤、促進(jìn)農(nóng)田微生物的繁殖和活動(dòng)[3]。此外，長期耕種翻壓綠肥還能夠降低田間雜草的密度與種類[4]。

筆者對綠肥修復(fù)Cd污染耕地的可行性進(jìn)行了分析，以期為我國Cd污染耕地的治理提供新途徑。

1　農(nóng)田Cd污染現(xiàn)狀

土壤Cd污染是指土壤Cd含量明顯高于自然背景值。其中，耕地Cd污染可直接危害糧食安全進(jìn)而損害人體健康。2000年以來，隨著我國土壤環(huán)境中的Cd含量不斷增加，引發(fā)了諸多Cd污染事件，對國家和人民造成了巨大的損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國受Cd污染的農(nóng)田約28萬hm2，且污染面積仍在擴(kuò)大，因Cd污染農(nóng)田導(dǎo)致的農(nóng)產(chǎn)品Cd超標(biāo)約150萬t，每年經(jīng)濟(jì)損失超過200億元[5]。

總體而言，我國南方耕地Cd污染程度重于北方。西南、中南地區(qū)土壤Cd超標(biāo)范圍較大，并且其含量分布呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢[6]。土壤Cd污染對糧食尤其是水稻的安全產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅。我國有60%以上人口以稻米為食[7]，水稻種植面積占全國糧食耕地面積的近1/3，稻谷年產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的42%，為我國居民提供了近40%的熱量來源[8]。因此，耕地Cd污染的防護(hù)與治理對于保障國家糧食安全具有重要意義。

2　土壤Cd的賦存形態(tài)

土壤中的Cd總量代表了土壤Cd污染的水平和環(huán)境容量，但是總量并不能很好的反應(yīng)Cd的生物有效性與生態(tài)危害。Cd在土壤中以不同形態(tài)賦存，各形態(tài)之間的生物有效性也存在著顯著的差異。因此，Cd的形態(tài)和分布很大程度上決定了Cd對植物的危害程度。目前，最為經(jīng)典的Cd形態(tài)分級體系是1979 年Tessier[9]提出的五級法，將土壤中Cd的形態(tài)分為交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)。其中，交換態(tài)Cd能被植物直接吸收，生物有效性和毒性最高；Cd與碳酸鹽結(jié)合形成碳酸鹽結(jié)合態(tài)；與Fe、Mn、Al或其氧化物等發(fā)生吸附沉淀作用形成氧化物結(jié)合態(tài)；與有機(jī)物絡(luò)合形成有機(jī)物結(jié)合態(tài)；被束縛在礦物晶格中的Cd形成殘?jiān)鼞B(tài)。碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)物結(jié)合態(tài)在一定條件下可被植物吸收，其生物有效性較低，而殘?jiān)鼞B(tài)的Cd與礦物質(zhì)結(jié)合程度最強(qiáng)，難以被植物吸收，其生物有效性和毒性最低[10]。

翻壓綠肥來治理Cd污染農(nóng)田主要是通過改變Cd的賦存形態(tài)，降低Cd的生物有效性，從而達(dá)到受污染農(nóng)田安全生產(chǎn)的目的，理論上并不能降低土壤的總Cd含量。

3　綠肥治理Cd污染的研究進(jìn)展

目前，國內(nèi)外針對鎘污染土壤的治理技術(shù)較多，主要通過兩條途徑：一是減少土壤中的總Cd含量，使土壤的Cd濃度接近或達(dá)到其背景值；二是改變Cd在土壤中的形態(tài)，降低Cd活性從而減少作物對Cd的吸收。具體的技術(shù)可分為物理法（客土、排土、深耕翻土）、化學(xué)法（土壤淋洗、固化穩(wěn)定化）和生物法（植物修復(fù)、微生物修復(fù)）等。但上述方法在治理大面積耕地Cd污染時(shí)都存在一定的制約性，如物理法工程浩大，治理費(fèi)用高昂，污土的去向容易造成二次污染；化學(xué)法土壤結(jié)構(gòu)和肥力破壞嚴(yán)重，恢復(fù)起來耗時(shí)較長；生物法凈化土壤中Cd的周期過長，據(jù)報(bào)道，吸Cd能力較強(qiáng)的紅麻將土壤中的Cd從100 mg/kg較低到1 mg/kg需要近千年的時(shí)間[8]。同時(shí)，我國人多地少，Cd污染農(nóng)田范圍較廣，程度較輕，不可能進(jìn)行大面積的土地休耕和污染修復(fù)。

3.1綠肥影響Cd生物有效性的效果

翻壓綠肥直接增加了農(nóng)田中的有機(jī)質(zhì)含量，并改變土壤的pH值、氧化還原電位、陽離子交換量等，這些因素都對Cd在土壤中的賦存形態(tài)和生物活性有顯著影響[11]。

大量研究表明，綠肥的施用可降低土壤Cd的生物有效性。王陽等[12]的研究表明，施用紫云英可顯著抑制水稻植株地上和地下部分對Cd的積累，尤其是糙米中的Cd含量，降幅可達(dá)80%。張亞麗等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在Cd污染水平相同的條件下，施用有機(jī)物料與對照相比，不僅提高了水稻各生育期的生物量，還明顯降低了水稻地下與地上部的Cd含量。杜爽爽[14]研究表明，添加稻草和紫云英顯著增加了水稻的分蘗與產(chǎn)量，降低了Cd對水稻的毒害，且淹水條件下單施紫云英時(shí)稻米中的Cd含量與對照相比下降了70%左右。

然而，也有研究發(fā)現(xiàn)，在水稻田施用大量新鮮綠肥時(shí)，土壤交換態(tài)Cd含量上升，并提高了水稻Cd含量[15]。黃丹丹[16]等研究發(fā)現(xiàn)，在紅壤中添加苜蓿能降低土壤中的Cd活性，而在潮黃土中添加苜蓿提高土壤中的Cd活性。

綠肥對Cd生物有效性的不同影響效果可能涉及多方面因素，因此其影響機(jī)理的研究對合理妥善利用綠肥治理Cd污染有重要意義。

3.2綠肥對Cd生物有效性的影響機(jī)理

3.2.1綠肥增加有機(jī)質(zhì) 有機(jī)質(zhì)是土壤的主要成分之一，土壤有機(jī)質(zhì)含量在一定程度上反映了土壤的肥力。綠肥翻壓后被微生物腐解而產(chǎn)生腐殖質(zhì)，顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量[17]。這必然對Cd的生物有效性產(chǎn)生影響，因?yàn)镃d2+易與腐殖質(zhì)分子形成共價(jià)鍵[18]，這種有機(jī)物與重金屬的絡(luò)合直接改變了Cd的賦存形態(tài)，進(jìn)而影響了Cd的活性。

腐殖質(zhì)主要是由富里酸和胡敏酸組成。其中，易溶于水且分子量較低的富里酸與Cd形成的絡(luò)合物穩(wěn)定性較低，使交換態(tài)Cd含量增加，而鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd降低，因此可促進(jìn)Cd的移動(dòng)性和活性。而分子量大且芳構(gòu)化程度高的胡敏酸與Cd形成的絡(luò)合物穩(wěn)定性強(qiáng)，使交換態(tài)Cd含量降低，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd升高，可抑制Cd的移動(dòng)性和活性[19]。與易溶性有機(jī)物（DOM）絡(luò)合的Cd一定程度上被活化，而土壤中難溶態(tài)有機(jī)質(zhì)如顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)（POM）由于其穩(wěn)定性較高，被絡(luò)合的Cd在一定程度上被鈍化。

陜紅等[20]的研究表明，有機(jī)質(zhì)分解物中富里酸與胡敏酸的比值，很大程度上決定了該有機(jī)物對Cd的活性是促進(jìn)或抑制。因此，有機(jī)物因其各組分的理化性質(zhì)不同，與Cd形成的絡(luò)合產(chǎn)物的活性也不同，對Cd的有效性表現(xiàn)出促進(jìn)或抑制作用。在Cd污染治理中，應(yīng)該選擇分解物中胡敏酸含量較高的綠肥作物。然而，不同活性的絡(luò)合物都提高了土壤對Cd的吸附能力。有機(jī)物與Cd2+或是其水合氧化物發(fā)生著許多反應(yīng)，吸附與螯合往往同時(shí)進(jìn)行，而構(gòu)成的有機(jī)絡(luò)合物與土壤有一定的結(jié)合能力。并且，有機(jī)物分解的腐殖酸結(jié)合在土壤粘粒表面的活性位置上，形成了離子交換中心。這些作用都使土壤對Cd的吸附沉淀能力增加，更有利于Cd的原位鈍化。

此外，有機(jī)質(zhì)還是土壤中最主要的電子給予體[21]，并能分解產(chǎn)生還原性物質(zhì)，因此綠肥添加的有機(jī)質(zhì)加強(qiáng)了土壤的還原作用。而還原條件有利于Cd形成沉淀，其還原作用越強(qiáng)，越能促進(jìn)Cd由高活性向低活性方向轉(zhuǎn)化。

3.2.2綠肥改變土壤pH值 土壤pH值是影響Cd生物有效性的主要因素之一。pH值升高可降低Cd的活性，主要有兩個(gè)方面的原因。一方面，土壤pH值的升高降低了Cd的溶解性，交換態(tài)Cd顯著減少，而殘?jiān)鼞B(tài)Cd沉淀增加；pH值>7.5時(shí)，94%以上的Cd以粘土礦物、氧化物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)形式存在，其生物毒性大大降低。另一方面，pH值升高提高了土壤對Cd的吸附量。廖敏[22]的研究表明，土壤對Cd的吸附量可分為3個(gè)區(qū)域：pH值6.0為強(qiáng)吸附區(qū)和沉淀區(qū)；且土壤對Cd的吸附量與pH值呈正相關(guān)。這就導(dǎo)致了總Cd含量相同的條件下，在中性或堿性農(nóng)田中Cd并沒有導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標(biāo)，而在酸性土壤中會造成巨大的危害。

翻壓綠肥可以改變土壤的pH值。大量研究表明，在酸性土壤中，綠肥可提高土壤pH值；而在堿性土壤中，綠肥可降低土壤pH值，說明綠肥對土壤pH值起到了一定的緩沖中和作用。關(guān)于翻壓綠肥引發(fā)土壤pH值變化的機(jī)理，主要有以下幾種解釋[23]。一是綠肥植株體內(nèi)含有較多的灰化堿，加入酸性土壤后堿性物質(zhì)釋放，有機(jī)陰離子消耗質(zhì)子導(dǎo)致pH值上升。二是綠肥中的有機(jī)氮礦化，消耗質(zhì)子使土壤pH值上升；當(dāng)土壤pH值較高時(shí)，特別是在堿性條件下，硝化作用大大增強(qiáng)，銨態(tài)氮發(fā)生硝化反應(yīng)釋放質(zhì)子降低土壤pH值。三是綠肥植物殘?bào)w中的鹽基陽離子釋放在土壤中，直接補(bǔ)充了因淋溶作用失去的Ca、Mg等陽離子，并與土壤中的交換性鋁發(fā)生離子交換反應(yīng)，降低了土壤中的交換性鋁含量。而陽離子的流失和交換性鋁含量過高都是南方土壤呈酸性的主要原因。肖孔操[24]在黃筋泥中添加3種有機(jī)物料發(fā)現(xiàn)，紫云英處理對交換性鋁降低效果最好，一周內(nèi)交換性鋁較初始值降低52%。此外，高嵩涓[25]的研究表明長期冬種綠肥改變了土壤微生物菌落的組成和結(jié)構(gòu)，減少了硫氧化細(xì)菌而增加了硫還原細(xì)菌的數(shù)量，這使S2-形態(tài)的硫增加，SO42-形態(tài)的硫減少，起到抑制土壤酸化的作用。S2-易與Cd形成難溶性沉淀CdS，從而降低Cd的活性。可見，綠肥對酸性土壤的改良可使Cd的生物有效性大大降低。

3.2.3綠肥增加土壤鹽基陽離子 綠肥在土壤中釋放的鹽基陽離子在提高土壤的鹽基養(yǎng)分、中和土壤酸度的同時(shí)，也通過抑制植物吸收Cd來降低Cd的生物有效性。有研究表明[26]，隨著土壤陽離子交換量（CEC）的增大，Cd的溶解性越差，土壤吸附的Cd越多。另一方面，Zn2+、Ca2+、Na+、Mg2+等陽離子對植物吸收Cd有抑制作用，其影響程度大小為Ca＞Zn＞Mg ＞Na，即化合價(jià)越高，離子半徑越大，抑制Cd吸收作用就越強(qiáng)，Ca與Cd有相似的離子半徑，易與Cd競爭吸收位點(diǎn)，對Cd的抑制作用最明顯。但是，也有研究[27]表明Ca2+的增加，與Cd在土壤吸附中產(chǎn)生競爭，促進(jìn)了Cd的解吸與活化，這可能也是導(dǎo)致CaCO3作為一種Cd活性抑制劑在實(shí)踐中并沒有發(fā)揮很好功效的原因。

3.2.4綠肥改變Fe活性 有機(jī)質(zhì)的還原性對鐵的形態(tài)也造成一定的影響。朱玉祥等[28]的研究表明，在紅壤和磚紅壤中添加有機(jī)物料之后，無定形氧化鐵含量增加。陳家坊[29]的研究表明，有機(jī)質(zhì)能夠促進(jìn)氧化鐵活化。這些對鐵和氧化鐵的改變能提高水稻根系抗氧化酶的活性，增加水稻的鐵吸收和根表面鐵膜數(shù)量[30]。鐵膜可減少植物受Cd的毒害，作用主要包括兩個(gè)方面：其一，鐵膜可以吸附Cd或與之共沉淀，將Cd滯留在根系表面；其二，鐵膜能促進(jìn)植物吸收Fe元素，與Cd產(chǎn)生吸收代謝競爭，使Cd積累在不敏感部位，從而降低了Cd的生物毒害性。

4　總結(jié)和展望

盡管目前國內(nèi)外Cd污染治理技術(shù)較多，但是針對我國耕地，特別是污染范圍較廣的南方稻田，大部分技術(shù)都不適宜。綠肥作為一種生態(tài)有機(jī)肥，在Cd污染的治理上，具有低碳、環(huán)保、成本低且適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，與其他治理技術(shù)相比較，治理過程不影響正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，并且可促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的提升。此外，通過前人的各類試驗(yàn)和機(jī)理探究，在治理Cd污染農(nóng)田時(shí)，建議選用分解物中胡敏酸比例較高，含氮量高的豆科綠肥作物。而治理目標(biāo)的選擇，以呈酸性，陽離子保有量和有機(jī)質(zhì)含量較低的受污染土壤效果最好。

綠肥對Cd污染農(nóng)田的治理，涉及多個(gè)方面，前人在各方面都做了較深入的研究。不同的有機(jī)物、各類陽離子的增加、以及導(dǎo)致的農(nóng)田pH值、還原強(qiáng)度、Fe活性等的改變，都對Cd的生物有效性產(chǎn)生了不同影響。然而，最終的影響效果不僅僅是各因素的疊加，而是各因素之間既有加強(qiáng)作用，又有抑制作用，涉及了許多綜合效應(yīng)。在實(shí)際治理過程中，涉及土壤狀況、耕作制度、溫度差異和灌溉條件等方面。目前并沒有人對這種復(fù)雜的綜合作用進(jìn)行系統(tǒng)的研究，事實(shí)上也非常難以產(chǎn)生定論。因此，在不同條件的農(nóng)田中進(jìn)行試驗(yàn)，需充分發(fā)揮綠肥作物的降Cd效果。

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（責(zé)任編輯：夏亞男）

Review of Remediation Mechanism of Cadmium Pollution Cultivated Land by Planting Green Manure

WU Hao-jie1, 2，ZHOU Xing1, 4，LU Yan-hong1, 3，NIE Jun1, 3，LIAO Yu-lin1, 3，YANG Zeng-ping1, 3，XIE Jian1,3
（1. Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province， Changsha 410125， PRC； 2. Longping Branch of Graduate School， Central South University，Changsha 410125， PRC； 3.Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation （Hunan）， Ministry of Agriculture，Changsha 410125， PRC； 4.College of Resources and Environment， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC.）

Abstract：The returning green manure can improve soil physical and chemical properties and increase crop yields, also have direct or indirect effects on Cd activity in soil. The improvement effect of returning green manure on Cd pollution was introduced in this paper. The remediation mechanism of green manure on the Cd activity was analyzed from the organic matter, pH value, soil base cations and Fe active etc in soil. Then some remediation suggestions were put forward by returning green manures in Cd pollution cultivated land.

Key words：green manure; cultivated land; Cd pollution; remediation mechanism; review

通訊作者：聶 軍

作者簡介：吳浩杰（1991-），男，山西晉中市人，碩士研究生，主要從事植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)（201103005-08）；農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目（2014GB2D200212）；國際植物營養(yǎng)研究所（IPNI）資助項(xiàng)目（Hunan-19）

收稿日期：2016-01-19

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.04.033

中圖分類號：S156.99

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-060X（2016）04-0115-04