植物修復(fù)重金屬污染土壤的研究現(xiàn)狀及其水肥調(diào)控技術(shù)展望

喻淵明

（湖南艾布魯環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

當(dāng)前，由于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥農(nóng)藥的應(yīng)用量不斷增加，以及礦產(chǎn)資源不合理開(kāi)發(fā)利用的現(xiàn)象日漸加??；還有污水灌溉問(wèn)題的持續(xù)出現(xiàn)，以及城鎮(zhèn)化建設(shè)及工業(yè)化建設(shè)進(jìn)程的深入推廣，導(dǎo)致重金屬污染土壤的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。因此，修復(fù)重金屬污染土壤具有重要意義。而在重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)中，植物修復(fù)技術(shù)屬于常用的技術(shù)之一，該技術(shù)能有效減少污染物質(zhì)在土壤系統(tǒng)中的富集和遷移，非常有利于土壤系統(tǒng)恢復(fù)正常的應(yīng)用性能。

1 重金屬污染土壤現(xiàn)狀

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展及人類(lèi)生活生存的重要資源之一，且土壤質(zhì)量直接關(guān)系到環(huán)境保護(hù)、資源利用、糧食安全等多項(xiàng)問(wèn)題。而自20世紀(jì)20年代以來(lái)，采礦行業(yè)及冶金行業(yè)快速發(fā)展，大幅度提高了全球的金屬產(chǎn)量，但重金屬污染土壤問(wèn)題也隨之出現(xiàn)。具體來(lái)講，人類(lèi)的各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)會(huì)將重金屬污染物質(zhì)帶入到土壤系統(tǒng)中，從而使土壤的物理特征、化學(xué)特征以及微生物環(huán)境發(fā)生變化，最終導(dǎo)致土壤中的重金屬含量超標(biāo)，從而引發(fā)土壤質(zhì)量下降等問(wèn)題。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年的重金屬污染土壤已達(dá)到2 000萬(wàn)hm2，占據(jù)耕地面積的1/5；且每年由于重金屬污染土壤問(wèn)題而導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)達(dá)到了1 000萬(wàn)t，而受到重金屬污染土壤影響的糧食總量達(dá)到了1 200萬(wàn)t，造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到了200億元。由此可見(jiàn)，重金屬污染土壤問(wèn)題十分嚴(yán)重，不但降低了土壤的質(zhì)量，還影響了農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。此外，重金屬污染土壤還會(huì)隨著淋洗作業(yè)、徑流活動(dòng)滲入到地下水系統(tǒng)、地表水系統(tǒng)，從而污染地下水、地表水，最終通過(guò)食物鏈對(duì)人類(lèi)健康造成威脅。

2 植物修復(fù)重金屬污染土壤的研究現(xiàn)狀

2.1 重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)

2.1.1 基本植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)是指通過(guò)植物吸收、轉(zhuǎn)化、揮發(fā)、降解等作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境污染的治理[2]。通常，基本重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)主要包括：植物穩(wěn)定修復(fù)、植物揮發(fā)修復(fù)、植物提取修復(fù)、植物過(guò)濾修復(fù)。其中，植物穩(wěn)定修復(fù)，是通過(guò)種植植物將土壤中的重金屬污染物質(zhì)轉(zhuǎn)換為污染水平較低的物質(zhì)，從而有效減小污染物質(zhì)的毒害作用以及生物有效性，因此，該技術(shù)適合應(yīng)用在尾礦區(qū)、廢氣礦山等重金屬污染物質(zhì)含量較高的土壤修復(fù)中；而植物揮發(fā)修復(fù)，是通過(guò)種植植物將土壤中的重金屬污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，并從土壤中揮發(fā)出來(lái)，例如，該技術(shù)可將土壤中的Se轉(zhuǎn)換為Se（NH3）2；植物提取修復(fù)，是通過(guò)種植植物將土壤中的重金屬污染物質(zhì)吸收出來(lái)，并富集在植物上部（莖葉部分），隨后集中處理種植的植物，這樣能有效降低土壤中重金屬污染物質(zhì)的含量；植物過(guò)濾修復(fù)，是通過(guò)種植植物將土壤中的重金屬污染物質(zhì)吸收和吸附，因此，該技術(shù)適合應(yīng)用在石油天然氣生產(chǎn)作業(yè)的土壤修復(fù)中。

植物修復(fù)技術(shù)在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于：應(yīng)用成本較低，適合大面范圍應(yīng)用；操作技術(shù)較為簡(jiǎn)單，對(duì)操作人員的技術(shù)能力要求較低；不會(huì)對(duì)修復(fù)場(chǎng)地造成破壞，整體修復(fù)過(guò)程較為安全、合理、可靠、科學(xué)；且經(jīng)過(guò)修復(fù)后的土壤可用于農(nóng)作物種植，從而達(dá)到了重金屬污染土壤修復(fù)的最終目標(biāo)。

2.1.2 超積累植物修復(fù)技術(shù)

超積累植物修復(fù)是指通過(guò)種植超積累植物的方式來(lái)解決重金屬污染土壤的問(wèn)題[3]。超積累植物主要是指能同時(shí)積累一種或一種以上的重金屬污染物質(zhì)的植物，基本特征如下：植物上部能積累的重金屬污染物質(zhì)含量為普通植物的100倍；且植物上部能積累的重金屬污染物質(zhì)含量明顯超過(guò)根部；植物對(duì)于重金屬污染物質(zhì)的耐性較強(qiáng)，即植物生長(zhǎng)不會(huì)受到重金屬污染物質(zhì)的過(guò)多影響。目前，各國(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)的超積累植物多達(dá)500種，但將近70%為Ni超積累植物，可見(jiàn)其他重金屬污染物質(zhì)的超積累植物相對(duì)較少；超積累植物涵蓋了20多個(gè)科，以十字花科為主。由于我國(guó)對(duì)超積累植物修復(fù)技術(shù)的研究起步較晚，截至目前發(fā)現(xiàn)的超積累植物不到10種，主要有長(zhǎng)柔毛委陵菜（針對(duì)Zn）、寶山堇菜（針對(duì)Cd）、東南景天（針對(duì)Zn、Cd）等。

2.1.3 耐性植物修復(fù)技術(shù)

耐性植物修復(fù)是指通過(guò)種植耐性植物的方式來(lái)緩解土壤重金屬的污染情況。耐性植物主要是指其對(duì)重金屬污染物質(zhì)的耐性較強(qiáng)，且在重金屬污染土壤的環(huán)境下依然能正常生長(zhǎng)，基本特征如下：植物自身積累重金屬污染物質(zhì)的含量并不高，但能吸收土壤中大量的重金屬污染物質(zhì)；植物根部能積累的重金屬污染物質(zhì)含量明顯超過(guò)上部；而植物上部能積累的重金屬污染物質(zhì)含量與普通植物相近。目前，發(fā)現(xiàn)的重金屬污染土壤修復(fù)效果較為顯著的耐性植物包括香薷、龍葵等。其中，香薰為唇形科香薰屬，能夠吸收Ni、Co、Pb、Cu、As等多種重金屬污染物質(zhì)；而龍葵為茄科茄屬，吸收Cd的效果十分顯著，且植物上部Cd的富集系數(shù)超過(guò)了1，已經(jīng)達(dá)到了Cd超積累植物的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)[4]。

2.2 重金屬污染土壤植物修復(fù)水肥調(diào)控技術(shù)

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，盡管重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)具有十分顯著的修復(fù)效果，但依然存在不足之處：如種植植物的生長(zhǎng)周期及效果會(huì)受到土壤環(huán)境、氣候條件等多種因素的限制，容易導(dǎo)致植物修復(fù)效率低下；種植植物中的大部分只針對(duì)某種或幾種重金屬污染物質(zhì)具有顯著的積累效果，但污染土壤中的重金屬物質(zhì)類(lèi)型較為豐富。因此，為了科學(xué)有效應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題，提高重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用效果，需采取有針對(duì)性的重金屬污染土壤植物修復(fù)水肥調(diào)控技術(shù)，具體分析如下。

2.2.1 栽培管理

與普通植物相同，重金屬污染土壤修復(fù)植物需經(jīng)過(guò)一定的生長(zhǎng)周期。因此，為了確保種植植物的生長(zhǎng)效果以及重金屬污染土壤的修復(fù)效果，在種植期間需采取一定的栽培管理措施，例如育苗、除草、間套作、輪作、耕翻和整平、應(yīng)用種子包衣技術(shù)、調(diào)節(jié)土壤pH值等。因考慮到大部分金屬污染土壤修復(fù)植物為野生植物，所以種植人員對(duì)這些植物的生長(zhǎng)習(xí)性了解相對(duì)較少，再加上野生植物不利于栽培的基本特征，導(dǎo)致目前尚未形成成熟的栽培管理技術(shù)以及規(guī)?；耘喙芾砟Ｊ?，只能通過(guò)不斷的栽培管理實(shí)驗(yàn)，才能選擇在重金屬污染土壤修復(fù)中應(yīng)用的植物。同時(shí)，可通過(guò)已知的栽培管理技術(shù)來(lái)改善植物生長(zhǎng)的土壤、光照、水分、溫度等條件，以盡量提高植物吸收和處理重金屬污染物質(zhì)的能力。此外，在無(wú)法確保金屬污染土壤修復(fù)植物栽培管理效果的情況下，應(yīng)用病蟲(chóng)害防治技術(shù)十分必要，具體方式為合理施加農(nóng)藥[5]。

2.2.2 水肥管理

水肥管理是指滿足種植植物對(duì)于水分和肥料的需求量，從而推動(dòng)植物健康生長(zhǎng)，以達(dá)到有效修復(fù)重金屬污染土壤的目的。但在實(shí)際種植過(guò)程中，不同的植物、不同的生長(zhǎng)階段對(duì)水分和肥料的需求量不同，例如，處于苗期、花期的植物對(duì)水分和肥料的需求量普遍較大，這主要是因?yàn)榇穗A段的植物蒸騰強(qiáng)度達(dá)到了峰值水平。但大部分重金屬污染土壤修復(fù)植物處于土壤肥力較差、質(zhì)量較低、持水能力較差的土壤條件下，盡管此類(lèi)型植物自身具備良好的抗干旱能力、重金屬污染物質(zhì)耐性，但對(duì)于水肥管理依然有一定要求，因此，只有科學(xué)有效的水肥管理方式才能提高種植植物的重金屬污染土壤的修復(fù)效果[6]。例如，適當(dāng)對(duì)種植植物施加磷肥，不僅可以提高植物的干物質(zhì)產(chǎn)量，還可以提高植物對(duì)重金屬污染物質(zhì)的積累和向上的運(yùn)輸能力。

3 植物修復(fù)重金屬污染土壤水肥調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用展望

3.1 研究水肥調(diào)控技術(shù)對(duì)土壤物理特征的影響

通常，水分和肥料決定了重金屬污染土壤修復(fù)植物的生長(zhǎng)質(zhì)量，控制了土壤中養(yǎng)分物質(zhì)的遷移和反應(yīng)，因此，會(huì)對(duì)重金屬污染物質(zhì)的吸收和處理的數(shù)量與程度、土壤水氣傳輸速率、土壤水汽分布等因素產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致土壤物理特征變化及轉(zhuǎn)換，所以要持續(xù)研究水肥調(diào)控技術(shù)對(duì)重金屬污染土壤物理特征的影響，并通過(guò)土壤的物理特征來(lái)提高植物修復(fù)重金屬污染土壤的效果。具體來(lái)講，在重金屬污染土壤中，金屬污染物質(zhì)的離子含量及濃度相對(duì)較高，且這些離子在空氣氧化作用、雨水沖刷的影響下，會(huì)與土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生物理反應(yīng)，然后轉(zhuǎn)換為絡(luò)合物，從而改變了土壤顆粒團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、空間幾何構(gòu)型、孔隙結(jié)構(gòu)，也降低了土壤對(duì)于水分和肥料的傳輸能力。此外，金屬污染物質(zhì)離子還會(huì)在水分下滲、雨水沖刷的影響下，與土壤顆粒、本底化學(xué)元素產(chǎn)生物理反應(yīng)，從而改變土壤的物理特征[7]。

3.2 研究水肥調(diào)控技術(shù)對(duì)土壤化學(xué)特征的影響

科學(xué)應(yīng)用水肥調(diào)控技術(shù)、水肥管理措施，能有效改變重金屬污染土壤的有機(jī)質(zhì)含量、氧化還原電位、pH值等化學(xué)特征，因此，相關(guān)技術(shù)人員要持續(xù)研究水肥調(diào)控技術(shù)對(duì)重金屬污染土壤化學(xué)特征的影響，從而為重金屬污染土壤修復(fù)植物的健康生長(zhǎng)提供良好環(huán)境[8]。具體來(lái)講，化肥中的C1-、SO42-、K+等物質(zhì)會(huì)增加重金屬污染土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，而合理控制化肥施加量也會(huì)提高土壤中重金屬污染物質(zhì)的交換狀態(tài)。因此，科學(xué)合理施肥不但能增加種植植物吸收和積累重金屬污染物質(zhì)的能力，還能提高種植植物對(duì)重金屬污染物質(zhì)的耐性，這非常有利于幫助種植植物抵御重金屬污染物質(zhì)帶來(lái)的負(fù)面影響。而水分能調(diào)節(jié)重金屬污染土壤的氧化還原電位、pH值，如當(dāng)土壤pH值升高之后，土壤表面負(fù)電荷對(duì)正電荷的吸附能力會(huì)隨之升高，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生CdCO3等沉淀物，最終降低了重金屬污染物質(zhì)的活性。

3.3 研究水肥調(diào)控技術(shù)對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境的影響

科學(xué)的水肥調(diào)控技術(shù)及水肥管理措施，能有效對(duì)重金屬污染土壤中微生態(tài)群落的多樣性產(chǎn)生影響，因此，需持續(xù)研究水肥調(diào)控技術(shù)對(duì)重金屬污染土壤微生態(tài)環(huán)境的影響，從而通過(guò)推動(dòng)土壤微生物生長(zhǎng)的方式來(lái)影響植物根系分泌物的產(chǎn)生，最終提高種植植物的生長(zhǎng)質(zhì)量以及土壤修復(fù)的效果。具體來(lái)講，水分和肥料能改變重金屬污染土壤的結(jié)構(gòu)，從而能為微生物繁殖及其生長(zhǎng)提供更加有利的條件，使其不但能為種植植物的生長(zhǎng)提供天然生態(tài)環(huán)境，還能夠參與到重金屬污染物質(zhì)的處理及土壤修復(fù)中，從而將重金屬污染物質(zhì)轉(zhuǎn)換為低毒產(chǎn)物。通常情況下，微生物能可與多種土壤污染物質(zhì)產(chǎn)生氧化反應(yīng)，例如，可將自養(yǎng)細(xì)菌硫-鐵桿菌類(lèi)轉(zhuǎn)換為As3+、Cu+、Fe2+等物質(zhì)，將假單孢桿菌轉(zhuǎn)換為As3+、Fe2+、Mn4+等物質(zhì)，但當(dāng)細(xì)菌數(shù)量減少之后，包括重金屬在內(nèi)的土壤污染物質(zhì)含量自然也會(huì)降低。

3.4 研究水肥調(diào)控技術(shù)對(duì)土壤污染物遷移的影響

科學(xué)的水肥調(diào)控技術(shù)及水肥管理措施，也能改變重金屬污染土壤污染物的遷移，因此，需持續(xù)研究水肥調(diào)控技術(shù)對(duì)重金屬污染土壤污染物遷移的影響，從而提高重金屬污染土壤修復(fù)植物的修復(fù)效率和質(zhì)量。具體來(lái)講，重金屬污染土壤污染物會(huì)隨著水分和肥料的運(yùn)動(dòng)而遷移，從而改變重金屬污染物質(zhì)在土壤中的分布。但過(guò)去關(guān)于重金屬污染土壤污染物遷移的研究主要集中在單一影響因素下，例如，有研究證實(shí)含磷肥料中的磷酸根能與土壤中的重金屬污染物質(zhì)生成磷酸鹽化合物，從而會(huì)形成固化和穩(wěn)定的污染物質(zhì)，但并沒(méi)有深入分析水肥條件對(duì)上述過(guò)程的影響。經(jīng)相關(guān)實(shí)踐證明，過(guò)量的水分和肥料可能會(huì)導(dǎo)致金屬污染物質(zhì)在土壤中向下層遷移和擴(kuò)散，從而造成新的污染；而過(guò)量的化肥也會(huì)導(dǎo)致地表水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化以及農(nóng)業(yè)面源污染[9]。

3.5 研究植物修復(fù)金屬污染土壤水肥調(diào)控效應(yīng)機(jī)制

現(xiàn)階段，關(guān)于植物修復(fù)金屬污染土壤水肥調(diào)控效應(yīng)機(jī)制的研究基本都是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，導(dǎo)致制定的水肥調(diào)控機(jī)制并不符合具體的實(shí)際情況，主要是未考慮到復(fù)雜多變的土壤環(huán)境及礦區(qū)土壤現(xiàn)狀，這使得水肥調(diào)控措施難以大規(guī)模應(yīng)用，因此，相關(guān)技術(shù)人員要持續(xù)研究植物修復(fù)重金屬污染土壤的水肥調(diào)控效應(yīng)機(jī)制，從而為重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。具體來(lái)講，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)地的共同研究，總結(jié)植物修復(fù)重金屬污染土壤的效果與水肥調(diào)控效技術(shù)應(yīng)用之間的關(guān)系，同時(shí)，只有了解各項(xiàng)技術(shù)之間的效應(yīng)機(jī)制，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)水分和肥料資源的充分應(yīng)用，才能做到結(jié)合土壤的修復(fù)效果以及種植植物的生長(zhǎng)狀態(tài)變化，來(lái)采取有效的水肥調(diào)控效措施。

除了水肥調(diào)控效技術(shù)，重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)還包括化學(xué)技術(shù)、物理技術(shù)、生物技術(shù)等，但水肥調(diào)控效技術(shù)與其他技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用將是植物修復(fù)金屬污染土壤工程的必然發(fā)展趨勢(shì)。但實(shí)際情況是相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)地的研究大多圍繞水肥調(diào)控效技術(shù)展開(kāi)，且關(guān)于水肥調(diào)控效技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的研究相對(duì)較少。因此，只有強(qiáng)化對(duì)重金屬污染土壤植物修復(fù)聯(lián)合技術(shù)的應(yīng)用，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)種植植物生長(zhǎng)過(guò)程及修復(fù)效果的有效控制，且逐漸形成科學(xué)的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)體系、適合金屬污染土壤修復(fù)的最佳水肥調(diào)控模式，進(jìn)而才能發(fā)揮出多種技術(shù)的聯(lián)合修復(fù)能力。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，相關(guān)部門(mén)需做好對(duì)重金屬污染土壤的植物修復(fù)工作，并采取科學(xué)有效的水肥調(diào)控技術(shù)，才能獲得理想的修復(fù)效果。常見(jiàn)的重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)包括基本植物修復(fù)技術(shù)、超積累植物修復(fù)技術(shù)、耐性植物修復(fù)技術(shù)；常見(jiàn)的重金屬污染土壤植物修復(fù)水肥調(diào)控技術(shù)包括栽培管理、水肥管理。其中，植物修復(fù)重金屬污染土壤水肥調(diào)控技術(shù)會(huì)隨著土壤修復(fù)技術(shù)的研究創(chuàng)新發(fā)展，轉(zhuǎn)向研究水肥調(diào)控技術(shù)對(duì)土壤的物理特征、化學(xué)特征、微生態(tài)環(huán)境、污染物遷移的影響方向發(fā)展。