根區(qū)調控在設施土壤重金屬污染阻控中的應用

摘要 在長期高強度利用下，我國設施土壤重金屬污染問題突出，迫切需要研發(fā)并應用綠色、高效、經(jīng)濟的修復技術。作為土壤改良的重要手段，水肥調控、氣肥調控、改良劑調控和根域微環(huán)境調控四類根區(qū)調控技術可以有效降低土壤中重金屬濃度和有效性，減輕作物對重金屬等有害物質的吸收，并促進其在土壤中的轉化和固定，從而降低重金屬對生態(tài)環(huán)境和人類健康的危害。其中，改良劑調控技術因其高效、經(jīng)濟、易操作、種類多、設備條件要求低等特點得到了廣泛關注與應用。為更好發(fā)展和應用根區(qū)調控技術，展望了該類技術的發(fā)展方向，建議要以根區(qū)調控技術與受污染設施土壤-作物之間的互作效應關系為核心，圍繞不同根區(qū)調控技術的應用效果建立長效性研究模型、重視設施土壤功能性微生物研究以及推廣水肥一體化技術等，最終建立設施土壤重金屬污染阻控的最佳方案。

關鍵詞 設施土壤；根區(qū)調控；重金屬；水肥調控

中圖分類號 X53 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）15-0013-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.15.003

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Application of Root Zone Regulation in the Deterrence and Control of Heavy Metal Pollution in Facility Soil

WANG Zi-hao， ZHANG Dong-han， LIANG Hong-yi et al

（China Agriculture University Beijing Key Laboratory of Agricultural Soil Pollution Prevention， Control and Remediation/School of Resources and Environment， Beijing 100193）

Abstract Under prolonged high-intensity utilization， the issue of heavy metal pollution in China’s facility soil has become pronounced， necessitating the urgent development and deployment of eco-friendly， efficient， and cost-effective remediation technologies. As pivotal strategies for soil improvement， four categories of root zone regulation techniques—encompassing water and fertilizer management， gas and nutrient enrichment， amendment application， and microenvironment modulation—can significantly diminish heavy metal concentrations and bioavailability in facility soil， mitigate crop uptake of these contaminants， and foster their transformation and stabilization within the soil matrix， thereby mitigating the risks posed to ecological systems and human health. Notably， amendment-based technologies have garnered considerable attention and adoption due to their efficiency， cost-effectiveness， ease of application， diversity， and minimal equipment requirements. To further advance and optimize the application of root zone regulation technologies in facility soil， this paper outlines a research trajectory centered on the intricate interactions between these technologies and polluted facility soil-crop systems. It advocates for the establishment of long-term research frameworks to evaluate the efficacy of various root zone regulation approaches， with a particular emphasis on investigating the functional microbial communities within facility soil. Additionally， it underscores the importance of enhancing the integration of water and fertilizer management practices to systematically explore and devise the most effective strategies for mitigating heavy metal contamination in facility soil， thereby ensuring sustainable agriculture and safeguarding public health.

Key words Facility soil;Root zone regulation;Heavy metals;Water and fertilizer regulation

設施農(nóng)業(yè)是實現(xiàn)農(nóng)作物高效優(yōu)質生產(chǎn)的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，具有高投入、高產(chǎn)出、高效益、受氣候影響小等特點［1］，已成為部分地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟發(fā)展中具有重要意義。20世紀80年代起，我國設施農(nóng)業(yè)進入快速發(fā)展時期，逐步探索、推廣至華北、華東、華南、西南、西北、東北6大農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢［2］。經(jīng)過40多年的發(fā)展，我國已成為設施農(nóng)業(yè)第一大國，國內設施農(nóng)業(yè)的規(guī)模、技術、管理水平和研發(fā)創(chuàng)新能力均得到顯著提升［3］。然而，在長期的高強度利用下，隨著耕種年限延長，國內設施土壤普遍表現(xiàn)出一系列質量退化問題，如養(yǎng)分失衡、鹽漬化、板結酸化、重金屬超標、土傳病害、菌群破壞以及連作障礙等，成為制約設施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素［4］。其中，因土壤重金屬累積引發(fā)的食品安全及環(huán)境污染問題尤為突出，迫切需要研發(fā)并應用綠色、高效、經(jīng)濟的修復技術。

常用的土壤重金屬污染修復方法主要包括物理修復（如客土法、熱脫附、玻璃化及電動修復等）、化學修復（如土壤淋洗、固化或穩(wěn)定化技術等）和生物修復（植物提取、植物揮發(fā)、微生物修復及動物修復技術）等［5］。作為土壤改良的重要手段之一，根區(qū)調控技術能綜合運用以上各類修復技術來管理作物根系周圍的土壤環(huán)境，改善土壤理化性質、增強養(yǎng)分吸收能力、阻控根系吸收重金屬并減輕土壤中重金屬污染負荷。近年來，雖然關于根區(qū)調控技術的研究報道日漸增多，但這些研究主要集中在作物生長、產(chǎn)量和品質變化等方面，很少關注該類技術在設施土壤重金屬污染阻控中的應用，且多數(shù)研究區(qū)域小、分布散、場景局限，未能充分反映該技術的優(yōu)越性和特異性。因此，該研究針對根區(qū)調控技術的分類及應用效果進行綜述，總結該類技術現(xiàn)存問題并探討未來發(fā)展方向，以期為實現(xiàn)設施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 設施土壤重金屬污染現(xiàn)狀

近年來，我國設施土壤重金屬含量累積趨勢明顯，污染物類型多樣，具有明顯的空間分布特征。孟敏等［6］通過收集1997—2018年的相關文獻資料，統(tǒng)計分析了我國設施農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀及空間分布狀況。結果表明，鎘（Cd）是我國設施農(nóng)田土壤中首要污染物，超標率達37.5%，其次是汞（Hg，超標率20.0%）和鉛（Pb，超標率18.8%）。從地區(qū)分布來看，北部地區(qū)土壤砷（As）、銅（Cu）、鋅（Zn）和鉻（Cr）含量最高，南部地區(qū)土壤Cd、Pb和Hg含量最高，西北部地區(qū)土壤鎳（Ni）含量最高。賈麗等［7］結合土壤樣品采集分析和文獻查閱2種方式，利用數(shù)理統(tǒng)計法定量描述了我國設施菜田土壤重金屬累積和污染特征，其研究發(fā)現(xiàn)設施土壤易受Cd、As、Cu、Zn元素污染，基本不受Hg和Ni元素污染。隨著種植年限延長，設施菜田土壤中重金屬含量累積趨勢明顯，采集的土壤樣品所含Cd在種植16～20年后達到最高值（0.19 mg/kg），As、Zn和Cu在26～30年后達到最高值（分別為16.0、131和53.6 mg/kg），而文獻樣本數(shù)據(jù)Cd在種植21～25年后達到最高值（3.60 mg/kg）、Zn和Cu在26～30年后達到最高值（分別為180和80.3 mg/kg）。此外，大量針對點位或局部地區(qū)的設施土壤重金屬污染現(xiàn)狀研究均揭示出我國現(xiàn)階段普遍面臨的設施土壤重金屬污染問題，如山東省壽光市設施土壤存在重度Cd污染（0.44 mg/kg）和中度Cu（32.9 mg/kg）、Pb（20.7 mg/kg）、Zn（106 mg/kg）污染問題［8］；河北省藁城、定州、青縣和永年的設施大棚土壤中Cd和Cr含量比土壤背景值高出100.0%和40.7%［9］；遼寧省沈陽市新民地區(qū)設施菜地中Cd、Hg和Cu含量的超標率分別為268%、22.0%和2.40%［10］。

2 根區(qū)調控與阻控重金屬吸收

2.1 根區(qū)調控技術的分類

在設施土壤改良與污染修復過程中，應根據(jù)土壤類型、作物種類、調控措施和環(huán)境條件等因素選擇合適的根區(qū)調控技術。常用根區(qū)調控技術主要包括水肥調控、氣肥調控、改良劑調控和根域微環(huán)境調控技術等（表1）。其中，改良劑調控技術是一類綜合性根區(qū)調控技術，它不僅能調控土壤環(huán)境，改善土壤質量，還能降低重金屬活性，有效阻控作物吸收、轉運和積累重金屬。

2.2 根區(qū)調控技術防治設施土壤重金屬污染

根區(qū)調控技術可以有效降低土壤中重金屬濃度和有效性，減輕作物對重金屬等有害物質的吸收，并促進其在土壤中的轉化和固定，從而降低污染物對生態(tài)環(huán)境和人類健康的潛在風險［26］。表2總結了根區(qū)調控技術在設施土壤重金屬污染阻控中的部分應用案例。其中，改良劑調控技術因其高效、經(jīng)濟、易操作、種類多、設備條件要求低等特點得到了廣泛關注與應用。例如，肖細元等［22］通過溫室內小白菜、西紅柿等作物盆栽試驗證實了改良劑調控技術的優(yōu)異性能，試驗結果表明施用石灰或鈣鎂磷肥均能提高土壤pH和脲酶活性，鈍化效果顯著。其中，施用石灰使小白菜和番茄莖葉生物量較CK分別提高99.0%和80.7%，菜葉中As、Cd和Pb含量分別較CK降低54.6%、20.2%和15.4%；番茄中As和Pb含量則分別降低37.5%和37.6%。此外，施用鈣鎂磷肥使番茄莖葉生物量提高82.3%，As、Cd和Pb含量分別降低41.7%、30.7%和353%。

除傳統(tǒng)根區(qū)調控技術外，根區(qū)與葉面聯(lián)合調控技術在阻控作物吸收重金屬、增強土壤改良和污染修復效果等方面具有獨特優(yōu)勢。例如，王小蒙［34］研究發(fā)現(xiàn)，在盆栽試驗中，根區(qū)與葉面聯(lián)合調控使稻苗葉綠素含量增加，抗氧化酶活性增強，酸性土中生長的水稻根、莖、葉和籽粒Cd含量降低216%～28.9%、30.6%～45.4%、38.9%～55.2%和60.4%～75.7%，堿性土中生長的水稻根、莖、葉和籽粒Cd含量降低11.8%～21.2%、26.4%～24.0%、32.9%～44.6%和46.3%～60.9%。此外，酸性土壤中有效態(tài)Cd含量較對照顯著降低30.8%～425%，堿性土中顯著降低22.7%～34.3%。王永久［20］證實了根區(qū)與葉面聯(lián)合調控技術對阻控油菜吸收Cd、As具有協(xié)同效應，能在顯著增強油菜抗性的同時降低重金屬毒害。類似地，譚駿等［35］研究表明，葉面噴施氨基酸螯合硒營養(yǎng)液肥的同時基施硅鈣肥能更有效地阻控水稻對Cd的吸收和轉運，顯著降低土壤中有效態(tài)Cd和籽粒中Cd含量。

2.3 根區(qū)調控技術的多重影響

2.3.1 對作物根系生長與活力的影響。

合適的根區(qū)調控技術能夠促進作物根系發(fā)育和生長活力，改善根區(qū)土壤水分、氣體、養(yǎng)分和溫度等環(huán)境條件，增加根系的生長空間和吸收面積，從而提高作物抗逆性并促進作物生長發(fā)育。例如，惠基運等［36］研究表明，根域通氣結合增施有機肥處理可顯著提高設施桃根系谷草轉氨酶和谷丙轉氨酶的活性，顯著提高根系活力，進而促進根系對水分和養(yǎng)分的吸收。另外，劉術均等［37］證實，向土壤中增施不同比例的秸稈生物炭能明顯提高茄子的主根長、主根直徑、總根系鮮重和總根表面積，使產(chǎn)量提高了37%。

2.3.2 對水分和養(yǎng)分利用效率的影響。

根區(qū)調控技術可以調節(jié)土壤水分和養(yǎng)分的分布和供應方式，有助于減少水分和養(yǎng)分的損失，提高作物對水分和養(yǎng)分的利用效率，最終提高作物的產(chǎn)量和品質。如梁鵬［11］研究發(fā)現(xiàn)，在設施栽培條件下，采用部分根域干燥栽培技術（PRD）處理的葡萄樹水分利用效率比常規(guī)雙側灌溉提高了1倍，節(jié)約用水約50%。張曉宇等［17］研究證實，黃腐酸配施氮肥可使設施辣椒氮、磷、鉀素利用效率較單施化肥處理分別顯著增加37.2%～622%、38.6%～69.5%、24.7%～56.8%。此外，李俊良等［38］以冬春茬設施番茄為研究對象，證實了根層調控技術使灌溉量較傳統(tǒng)施肥顯著降低29%，養(yǎng)分投入量N-P2O5-K2O分別顯著降低59%～79%、23%～78%、42%～48%，根系生長狀況（總根長、表面積、體積等）顯著改善，N、P、K養(yǎng)分偏生產(chǎn)力和利用效率顯著提高1.0～4.0倍，氮素淋失風險明顯降低。

2.3.3 對作物生理代謝的影響。

根區(qū)調控技術可調節(jié)作物生理代謝過程，通過影響作物的關鍵生理過程［39］（如營養(yǎng)吸收、光合作用、呼吸和物質代謝等）、多種關鍵酶活性［40］（如轉氨酶、硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶、谷氨酸脫氫酶等）、多種內源激素物質含量［41-42］（如脫落酸、吲哚乙酸、赤霉素等）以及葡萄糖、果糖、可溶性固形物、可溶性蛋白、VC含量、酚類物質等物質合成與轉運最終影響設施作物生長發(fā)育和產(chǎn)量［43］。例如，劉杰［15］發(fā)現(xiàn)，保持根區(qū)1次/2 d的加氣頻率可使日光溫室小型西瓜糖酸比最大，品質最好，產(chǎn)量最多增加40.0%，且其中可溶性總糖、有機酸、VC和蛋白質含量等均與CK形成顯著差異。

2.3.4 對土壤理化性質和養(yǎng)分供應的影響。

根區(qū)調控技術既能改變土壤pH、電導率、有機質含量、離子交換性能等基礎理化性質［44］，也會影響土壤質地、結構和孔隙度，從而調節(jié)土壤的透氣性、保水性和排水性［45］。受根區(qū)調控技術影響，土壤養(yǎng)分的遷移和轉化過程發(fā)生改變，這有助于增強土壤養(yǎng)分供應，滿足作物生長需求。例如，一項為期2年的定位試驗結果表明，減施25%和50%含海藻酸水溶肥能有效增加根域土壤0～20 cm處的速效鉀、有效磷、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，提高土壤有效養(yǎng)分含量［46］。

2.3.5 對土壤微生物和酶活性的影響。

根區(qū)調控技術能改變土壤微生物群落的組成和功能，促進有益微生物的生長和活動，增強土壤生物多樣性，有利于土壤生態(tài)系統(tǒng)的恢復和污染物的降解。例如，在根域通氣增施有機肥條件下，種植設施桃的土壤中細菌、真菌和放線菌數(shù)量均顯著增加，且集中分布在20～40 cm根域土壤［36］。根區(qū)調控技術能夠調節(jié)土壤酶（如過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶等）的合成和活性，增加土壤酶的活力和穩(wěn)定性，加速有機質分解和養(yǎng)分轉化，維持土壤健康并提升肥力［47］。

3 根區(qū)調控技術現(xiàn)存問題及研究展望

3.1 根區(qū)調控技術現(xiàn)存問題

3.1.1 缺乏長期定位試驗及風險評價。

目前有關根區(qū)調控技術在設施土壤重金屬污染阻控中的集成示范與大規(guī)模應用較少，大多數(shù)研究是在實驗室內以盆栽試驗形式進行，與設施土壤真實環(huán)境狀況存在出入，且缺乏長期定位試驗和跟蹤驗證研究，很難快速、大規(guī)模推廣應用。此外，目前對不同根區(qū)調控技術模式的經(jīng)濟效益評估和環(huán)境風險評價不夠細化，整體生態(tài)環(huán)境健康風險評估結果的準確性受到影響。

3.1.2 水肥、氣肥和微環(huán)境調控技術研究不足。

如表3所示，很多學者圍繞改良劑調控技術修復重金屬污染設施土壤做了大量工作，分析出硅鈣類（如石灰、碳酸鈣、石灰石等）、生物炭基類（生物炭和改性生物炭材料等）、黏土礦物類（如海泡石、蒙脫石、膨潤土、水滑石等）以及有機肥類（如植物殘渣、動物糞便、廚余廢棄物等）改良劑鈍化重金屬的性能及機制。然而，有關水肥調控、氣肥調控和微環(huán)境調控技術的研究多集中在作物生長發(fā)育、根系生長活力、果實產(chǎn)量和品質、土壤速效養(yǎng)分含量變化等方面，鮮有研究報道其對設施土壤重金屬含量、形態(tài)以及作物吸收、轉運或積累重金屬等方面的影響，限制了根區(qū)調控技術的長遠發(fā)展。

3.2 根區(qū)調控技術研究展望

3.2.1 建立根區(qū)調控長效性研究模型。

設施土壤重金屬污染治理是一個長期過程，需要耗費較長時間并開展長期試驗以摸索最佳技術方案。若能圍繞不同根區(qū)調控技術的應用效果建立長效性研究模型，一方面能了解不同根區(qū)調控技術對不同類型重金屬污染設施土壤的修復效果，方便制定某一類根區(qū)調控技術的最佳方案（如預測改良劑調控方案中某一類改良劑的最佳添加量、添加時間或添加頻率等）；另一方面能驗證并研究各種技術之間的互作效應及其機制。

3.2.2 重視設施土壤功能性微生物研究。

微生物修復技術是利用土壤中某些功能性微生物（如藻類、細菌和真菌等）對受污染設施土壤中的重金屬進行吸附、溶解或氧化還原，從而降低重金屬毒性或將其從土壤中移除。聯(lián)合利用功能性微生物與根區(qū)調控技術來提高設施土壤重金屬污染阻控效率是新的研究熱點。例如，當硫酸鹽還原菌與生物炭改良劑一起用于Zn污染土壤修復時，土壤pH、速效磷和速效鉀含量均顯著增加，可交換態(tài)Zn含量明顯降低，殘渣態(tài)Zn含量明顯增加［61］，土壤質量得到顯著改善。因此，未來一方面要加強對功能性微生物菌株的試驗測試，篩選出功能多、活性強、性能好的功能性微生物；另一方面則要設計形成有效的根區(qū)聯(lián)合調控技術。

3.2.3 加強水肥一體化技術研究。

水肥一體化技術實質上是一種根區(qū)調控/水肥調控技術，具有省時省工、節(jié)水節(jié)肥、增產(chǎn)提質、降低成本、減輕病蟲害、環(huán)境友好等優(yōu)點［62-63］。雖然已有研究證實水肥措施可以調節(jié)根區(qū)環(huán)境，緩解重金屬污染，但目前仍缺乏水肥一體化技術對植物根區(qū)物理、化學和微生態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)研究。同時，應重點考慮將水肥一體化技術與其他修復措施相結合，通過分析設施土壤重金屬與作物生長和根區(qū)土壤微環(huán)境之間的互作效應關系，制定出最佳聯(lián)合修復模式［64］，以最大限度發(fā)揮其功能。

某些肥料，特別是水溶性肥料在特定環(huán)境下可作為土壤改良劑使用，在推進精準施肥、改進施肥方式和根區(qū)調控等方面發(fā)揮著重要作用［65］，已經(jīng)在糧食作物、蔬菜、水果以及茶樹、棉花、花生等多類作物試驗中取得了良好應用效果［66］。例如，劉利杉［67］研究表明，施用有機水溶肥料可增加水稻產(chǎn)量，降低植株丙二醛（CAT）、過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽還原酶（GR）活性，使稻草Cd含量較對照提高26.8%～99.1%，糙米Cd含量降低2.9%～21.5%。水溶性肥料既具備有機肥鈍化重金屬的特性，又可通過加工環(huán)節(jié)降低其自身重金屬含量，有利于同時發(fā)揮增產(chǎn)提質、提高肥效、降低重金屬活性、阻控重金屬吸收等功能。

4 結語

我國設施土壤重金屬含量累積趨勢明顯，污染土壤修復工作仍是一個極具挑戰(zhàn)性的難題。經(jīng)過長期探索和研究，我國現(xiàn)已發(fā)展出水肥調控、氣肥調控、改良劑調控和根域微環(huán)境調控四類根區(qū)調控技術。其中，改良劑調控技術因其高效、經(jīng)濟、易操作、種類多、設備條件要求低等特點得到了廣泛關注與應用，該技術不僅能調控土壤環(huán)境，改善土壤質量，還能降低重金屬活性，有效阻控作物吸收、轉運和積累重金屬。為更好發(fā)展和應用根區(qū)調控技術，建議要以根區(qū)調控技術與污染設施土壤-作物之間的互作效應關系為核心，圍繞不同根區(qū)調控技術的應用效果建立長效性研究模型、重視設施土壤功能性微生物研究以研發(fā)高效的根區(qū)聯(lián)合調控技術以及加強水肥一體化技術研究等，最終實現(xiàn)設施土壤重金屬污染阻控最佳方案的系統(tǒng)探索。

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