農(nóng)藝措施修復(fù)重金屬污染土壤的研究進(jìn)展

張俊麗 ，高明博，雷建新，趙曉進(jìn)，索 龍，楊圓圓，王建民，汪曉霞

（1渭南市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西渭南 714000；2陜西省煙草專賣局，西安 710000；3潼關(guān)縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西潼關(guān) 714300）

0 引言

重金屬污染是中國(guó)亟待解決的土壤環(huán)境問(wèn)題。據(jù)《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，全國(guó)土壤總超標(biāo)率為16.1%，耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)19.4%，重金屬是主要的無(wú)機(jī)污染物[1-2]。重金屬不能被微生物分解，會(huì)在土壤中持續(xù)積累，甚至轉(zhuǎn)化為毒性更高的烷基類化合物，影響耕地利用和糧食安全[3-4]。有報(bào)道顯示，中國(guó)每年受鎘(Cd)、砷(As)、汞(Hg)、鉛(Pb)和鋅(Zn)等重金屬污染的耕地約1×107hm2，重金屬污染的糧食每年達(dá)1×107t，經(jīng)濟(jì)損失200多億元[5-6]。土壤中重金屬能被植物和其他生物吸收，通過(guò)“土壤-作物-食物”的食物鏈不斷富集，直接影響動(dòng)植物及人類健康，威脅經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定[5,7]。因此，對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)治理研究已成為近年來(lái)國(guó)家和廣大學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。當(dāng)前常見(jiàn)的土壤重金屬污染修復(fù)措施有客土、清洗、蒸發(fā)等[5,8-9]物理技術(shù)，鈍化、淋洗等[5,10]化學(xué)技術(shù)，以及生物修復(fù)和農(nóng)藝措施修復(fù)[11-14]等。農(nóng)藝措施修復(fù)符合生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)要求，具有環(huán)保經(jīng)濟(jì)、原位修復(fù)、不易造成二次污染、不影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)農(nóng)業(yè)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。據(jù)此，本文對(duì)水肥管理、耕作栽培技術(shù)、作物品種、添加外源物質(zhì)等農(nóng)藝措施在重金屬污染土壤上的應(yīng)用進(jìn)行綜述，總結(jié)其影響機(jī)理，以期為后續(xù)重金屬污染土壤治理修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 農(nóng)藝措施修復(fù)技術(shù)概述

農(nóng)藝措施修復(fù)技術(shù)是指通過(guò)土壤水肥管理、更換作物品種、添加外源物質(zhì)、調(diào)整耕作栽培方式等措施降低重金屬污染的措施[7,11,15-16]。合理的農(nóng)藝措施通過(guò)調(diào)節(jié)改善土壤理化性質(zhì)、pH值、Eh等改變重金屬的存在形態(tài)和遷移性，進(jìn)而降低重金屬污染。農(nóng)藝措施對(duì)重金屬的影響主要包括兩個(gè)方面：一是活化土壤重金屬，使植物吸收積累的重金屬增多，提高修復(fù)效果；二是提高土壤pH 值或調(diào)節(jié)土壤Eh 等改變土壤的離子平衡，降低重金屬的有效性和遷移性，使作物中重金屬含量下降[7,16]。

2 農(nóng)藝措施對(duì)重金屬污染土壤的影響

2.1 水分管理技術(shù)

水分管理是重要的農(nóng)藝措施，含重金屬污水灌溉是農(nóng)田重金屬污染產(chǎn)生的主要來(lái)源之一[8]。水分管理措施能顯著影響土壤Cd、Pb、Zn、Ni等的含量[17]。土壤水分主要通過(guò)改變土壤中重金屬的遷移性和化學(xué)形態(tài)影響其有效性[15,17-18]。土壤水分增高時(shí)，土壤中Fe3+還原為Fe2+，F(xiàn)e2+與Cd2+競(jìng)爭(zhēng)土壤表面吸附位點(diǎn)，促進(jìn)重金屬離子釋放進(jìn)入土壤溶液[19]；同時(shí)土壤中的S 還原成S2-，與Cd2+結(jié)合形成CdS沉淀[20]，降低Cd的遷移性；淹水能促進(jìn)Cd 向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化[21]，同時(shí)還能促進(jìn)Fe、Mn、Al 及其氧化物對(duì)Cd 的吸附[21]。長(zhǎng)期淹水促進(jìn)干濕交替式水分管理技術(shù)，通過(guò)土壤還原-氧化過(guò)程的轉(zhuǎn)化，直接改變土壤的有機(jī)質(zhì)和礦物結(jié)構(gòu)，且氧化還原過(guò)程循環(huán)也能促進(jìn)Pb、Ni 等的礦化，降低其在土壤中的移動(dòng)性[17,22]。

2.2 施肥技術(shù)

2.2.1 有機(jī)肥料 含重金屬有機(jī)肥料施入土壤能導(dǎo)致土壤重金屬積累[23]，但合理施用有機(jī)肥料能明顯降低土壤中有效態(tài)重金屬含量[23-25]。有機(jī)物質(zhì)可以通過(guò)與重金屬陽(yáng)離子結(jié)合形成難溶的有機(jī)復(fù)合物、提高土壤CEC（陽(yáng)離子交換量）等來(lái)降低土壤重金屬生物有效性。秸稈、畜禽糞便等有機(jī)肥還田能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，降低土壤中酸可提取態(tài)Zn和可還原態(tài)Zn、可還原態(tài)Cu的含量[23]。有機(jī)肥料可促進(jìn)土壤可交換態(tài)Cd轉(zhuǎn)化為有機(jī)結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)，從而使生物有效性下降[23]。隨著腐殖酸施用量的增加，棕壤中可溶態(tài)Cd含量明顯下降，而有機(jī)結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)含量則升高[26]，腐殖酸能使土壤可溶態(tài)重金屬含量降幅達(dá)到60%～80%[27]。

2.2.2 化學(xué)肥料 化學(xué)肥料通過(guò)改變土壤pH值、離子強(qiáng)度、電導(dǎo)率等影響土壤對(duì)重金屬的吸附和解吸過(guò)程。施用氮肥能降低土壤pH值，增大土壤溶液電導(dǎo)值，使土壤中重金屬的溶解度增加，減少土壤對(duì)重金屬的吸附量[28-29]。氮肥種類不同其影響機(jī)理也不一致，H4HCO3和(NH4)2HPO4能促進(jìn)土壤中Zn和Cu的溶出，NH4Cl和(NH4)2HPO4能促進(jìn)Cd的溶出，但均抑制Pb的溶出[28]；不同形態(tài)氮肥對(duì)重金屬的影響程度表現(xiàn)為：(NH4)2SO4＞CO(NH2)2＞NH4HCO3＞Ca(NO3)2[30]。磷 肥對(duì)土壤重金屬的影響較復(fù)雜，既可促進(jìn)也能抑制[31]。一方面，通過(guò)專性吸附增加土壤對(duì)重金屬的吸附量，同時(shí)還能誘導(dǎo)吸附固定Pb，促進(jìn)PO43-的吸附，Pb 和PO43-通過(guò)協(xié)同吸附作用形成共同沉淀，增加吸附量[32]；另一方面，土壤中的H2PO4-、HPO42-或PO43-會(huì)解離產(chǎn)生H+，H+對(duì)重金屬產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，抑制重金屬的吸附[33-34]。吸附磷酸根后土壤表面負(fù)電荷增加，重金屬離子通過(guò)靜電吸附于土壤表面，且K+對(duì)重金屬的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用強(qiáng)于NH4+，因此(NH4)2HPO4吸附重金屬能力優(yōu)于KH2PO4[29]。PO43-能增加土壤對(duì)Cd 的吸附，而NO3-和SO42-對(duì)其無(wú)明顯影響[35]。鈣鎂磷肥能提高土壤pH值，降低交換態(tài)鎘的分配系數(shù)，增加碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)，進(jìn)而降低土壤有效態(tài)Cd 含量[36]，但其作用強(qiáng)度弱于Ca(H2PO4)2[30]。鉀肥對(duì)土壤重金屬的影響伴隨著陰離子的作用[37]，KCl 的促進(jìn)吸收作用強(qiáng)于K2SO4[30]。

2.3 耕作栽培技術(shù)

耕作栽培技術(shù)通過(guò)影響作物光合效率、根系吸收能力及根際土壤pH 值等影響植物對(duì)重金屬元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[38]。對(duì)土壤進(jìn)行深翻，能降低土壤容重，增加孔隙度，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，并能將深層重金屬污染物翻至植物根系密布區(qū)，增加根系與重金屬結(jié)合度，促進(jìn)根系生長(zhǎng)的同時(shí)增大重金屬吸收量[39]。適宜種植密度有利于植物充分吸收光照、土壤、水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收效率，諸多研究顯示，密植能降低紫蘇[38]、苧麻[40]、桑樹(shù)葉[41]、桉樹(shù)地上部[42]、向日葵葉[43]、紫蘇莖葉[44]的重金屬含量。栽培方式直接影響植株幼苗長(zhǎng)勢(shì)及根系重金屬吸收量，進(jìn)而改變重金屬由地下向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，直播栽培下紫蘇根、籽粒Cd 含量分別較移栽高0.72、0.60 mg/kg。刈割能提高多年生、再生能力強(qiáng)的超積累植物的生物量，延遲其生育期，提高重金屬吸收效率[39]。

2.4 替代種植

在輕中度污染農(nóng)田，選擇重金屬低積累型作物品種，結(jié)合田間管理措施，能達(dá)到農(nóng)作物安全生產(chǎn)利用的目的[9]。不同種類作物和同種作物不同品種對(duì)重金屬的積累性存在差異[7,16]。豆科（大豆、蠶豆等）為低積累型作物，禾本科（玉米、小麥、水稻等）為中等積累型作物，十字花科（白菜、花菜等）、藜科、茄科（辣椒、茄子等）以及菊科（油麥菜）等均為高積累型作物[45]。種植低積累作物品種，配套增施有機(jī)肥等措施能明顯降低土壤重金屬含量[7,16]。目前，關(guān)于不同水稻品種對(duì)重金屬吸收影響的研究較多，因?yàn)樗緲O易吸收和累積Cd形成積累。水稻品種是水稻積累Cd的重要影響因素，常規(guī)秈稻籽實(shí)對(duì)Pb、Cd的吸附量明顯高于雜交秈稻和常規(guī)粳稻[46]，保持系水稻稻草和精米中Cd含量高于恢復(fù)系[47]。從重金屬污染區(qū)篩選生長(zhǎng)有優(yōu)勢(shì)的作物品種是獲得重金屬超富集作物的有效途徑[31]。對(duì)重污染農(nóng)田，種植超積累高積累或超積累植物，如能源類植物、纖維類植物以及苗木花卉等，并配套土壤改良劑，可提高土壤的利用率[9,48-49]。

2.5 添加鈍化物質(zhì)

鈍化物質(zhì)能直接或間接改變重金屬的存在形態(tài)，降低其遷移性、有效性和可利用性[2,6,17]。硅鈣物質(zhì)，如石灰、硅肥、硅酸鈉等，多呈堿性，能提高土壤pH值，使土壤表明負(fù)電荷增加，進(jìn)而吸附重金屬陽(yáng)離子能力也提高；同時(shí)通過(guò)與重金屬陽(yáng)離子形成難溶的氫氧化物或重金屬碳酸鹽、硅酸鹽，使得土壤中重金屬的活性和生物有效性降低。施入硅鈣物質(zhì)后，1～4 mm主要根際微域和非根際的pH 值提高，降低有效鎘含量[49]；硅進(jìn)入土壤使土壤外源可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量降低，而鐵鍤氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)以及殘?jiān)鼞B(tài)的含量則增加趙穎等[50]。黏土礦物類物質(zhì)，如海泡石、膨潤(rùn)土、蒙脫石、凹凸棒、沸石等，能通過(guò)吸附、配位反應(yīng)和沉淀等作用降低土壤重金屬活性[2,6,17]。施用土重4%的海泡石時(shí)，土壤中Cd、Zn的水溶態(tài)含量分別可下降57.3%和41.4%，可提取態(tài)含量則分別下降42.8%和24.7%[51]。添加膨潤(rùn)土能顯著降低黃壤、黃褐土和潮土的交換態(tài)Cd 含量，降幅依次可達(dá)19.44%、13.85%和5.03%[52]。單一施用黏土礦物鈍化重金屬效果有限[53-54]，與磷肥復(fù)配能有效降低油菜、蘿卜、油麥菜可食部位Cd含量；與磷肥、硅肥復(fù)配能使糙米Cd含量降幅最大達(dá)72.7%[55]。

3 展望

（1）結(jié)合分子技術(shù)，培育替代品種。植物修復(fù)技術(shù)因成本低、不破壞生態(tài)環(huán)境等原因備受關(guān)注，但該技術(shù)受區(qū)域氣候條件等影響明顯[56]，且大面積種植非糧食作物，不符合中國(guó)人多地少、糧食自給壓力大的基本國(guó)情，因此，探明植物對(duì)重金屬的吸收、轉(zhuǎn)移、富集、忍耐以及解毒的分子機(jī)制，并通過(guò)現(xiàn)代分子技術(shù)手段，培育高積累或超積累植物提高富集效率，或選育低積累或零積累糧食作物品種，阻斷土壤重金屬向作物運(yùn)輸。與此同時(shí)，加強(qiáng)高積累或超積累植物的資源化利用，避免富集金屬形成二次污染的研究也亟待開(kāi)展。

（2）聯(lián)合多種措施，形成技術(shù)體系。現(xiàn)有研究顯示，水肥管理、替代品種、耕作栽培方式、添加外源物質(zhì)等均對(duì)土壤重金屬含量有一定影響，但重金屬污染土壤的修復(fù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，單一修復(fù)技術(shù)很難達(dá)到預(yù)期效果?，F(xiàn)有研究多在室內(nèi)完成，室內(nèi)環(huán)境變量小、因素可控，因而治理效果可觀[56]；而農(nóng)田治理實(shí)踐中，土壤環(huán)境狀況復(fù)雜，受外界影響明顯，同時(shí)室內(nèi)研究多為單一修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，在復(fù)雜的外界環(huán)境中多種修復(fù)措施同時(shí)運(yùn)用會(huì)導(dǎo)致修復(fù)效果的不確定性，因此，在典型重金屬污染區(qū)，根據(jù)污染程度，研究多種修復(fù)措施同時(shí)施用時(shí)的修復(fù)效果，提出修復(fù)效果最佳時(shí)的農(nóng)藝管理措施，形成重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)技術(shù)體系勢(shì)在必行。