植物修复重金属污染土壤的研究现状及其水肥调控技术展望

全球正面临着粮食安全、水资源短缺和环境污染等诸多问题,这些问题的出现均与水土资源密切相关。随着矿产资源的不合理开发与利用、污水灌溉、化肥、农药的大量施用、工业化和城镇化的迅速发展,土壤污染日益严重(Marques 等,2011)。 

近年来,世界各国都非常重视污染环境的治理,特别是,中国政府为了人与自然的和谐相处,在党的十八大报告中将生态文明建设提到前所未有的战略高度,而水土环境的治理是生态文明建设的核心,为了落实政策,2014 年由环保部牵头制定了《土壤污染防治行动计划》,从而为土壤污染的防治和治理指明了方向。

根据环境保护部公布的 2014 年中国土壤污染数据表明,在约 6.30×106 km2 调查面积中,全国土壤总的点位超标率为 16.1%。中国已有 19.4%耕地土壤被污染,按照 1.2×108 hm2 耕地计算,污染面积约达 0.23×108 hm2,而上世纪 90 年代仅有 10%耕地土壤被污染,污染面积约达 0.12×108hm2,可见,耕地土壤污染以惊人的速度跃升;

通过调查数据发现,耕地的轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别达 13.7%、2.8%、1.8%和 1.1%;

从污染类型看,无机型最多,有机型和复合型污染比重较小,其中无机污染物超标点位数高达 82.8%,8 种无机污染物如镉、镍、砷、铜、汞、铅、铬和 锌的点位超标率分别达 7.0%、4.8%、2.7%、2.1%、1.6%、1.5%、1.1%和 0.9%;调查也发现,矿区中超标点位高达33.4%,55个污水灌区中71%的土壤被污染。

可见,工矿业和农业生产是导致土壤被污染的主要原因。由于污染物进入土壤使农田遭受不同程度的污染,污染物通过在作物体内的富集进人 食物链,对人畜健康和生态环境构成很大威胁。

中国的土壤污染是在社会和经济发展过程中经过长期的累积形成的,因此,为了实现人与自然和谐发展,构建资源节约型和环境友好型社会目标,被污染水土的治理已刻不容缓。

目前,世界各国都面临着土壤重金属污染严重阻碍农业生产和生态环境修复及改善的重大现实问题。国内外众多学者围绕重金属污染物在作物-土壤系统内的迁移、富集及对重金属污染土壤的治理和植物修复技术等问题进行了大量的研究和探索(顾继光等,2005)。

重金属污染土壤的过程具有隐蔽性、长期性、表聚性和不可逆性 (Puschenreiter 等,2001)及土壤-植物系统的复杂性等特点,严重影响着植物的正常生长、产量和品质及人类健康(Finzgar 和 Lestan,2008),因此, 重金属污染土壤研究一直是全球环境的热点和难点问题之一。

植物修复技术属于原位修复技术,这种技术被认为是重金属污染土壤修复的最有效方法(陈英旭,2008;Rascio 和 Navari-izzo,2011), 不仅可用于重度污染区(如矿山)的复垦、还可用于轻度污染土壤的改良,是一种清洁的、绿色环保型重金属污染土壤处理技术;相比其他方法而言, 植物修复引起次生环境问题的可能性小,并且可以回收污染物,带来经济效益(顾继光等,2003)。 可见,重金属污染土壤的植物修复技术具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

较小的生物量成为制约植物修复重金属污染土壤的瓶颈问题

目前,国内外学者围绕超富集植物修复重金属污染土壤进行了大量的研究,但较小的生物量成为制约植物修复重金属污染土壤的瓶颈问题,特别是矿区污染土壤的水肥极其低下、保水保肥能力较差,从而使得植物在这种土壤环境下生长极其困难。土壤水分养分是影响植物生长和土壤有机质的关键因素,如何通过水肥调控技术提高植物修复重金属污染土壤的效果成为当前需要迫切解决的关键科学问题。

土壤重金属可与土壤矿物质、有机物及微生物发生多种物理、化学和生物作用,从而使重金属在土壤中表现出不同的赋存状态,土壤重金属形态常被认为是决定土壤重金属生物有效性及其环境行为的关键。

土壤水肥调控技术对调节土壤中的有机质具有重要的作用

土壤中有机质含量的多少不仅决定着土壤的养分状况,而且还可以通过与重金属离子发生强烈的表面吸附、离子交换及络合与螯合作用,影响着重金属的溶解、迁移和转化能力(罗小三等,2008),加之这些作用和变化过程与土壤水分含量密切相关,进而影响土壤重金属的迁移和积累。

近年来,针对土壤有机质对土壤重金属有效性的研究结果仍存在较大的分歧。张亚丽 等(2001)通过盆栽试验研究了有机肥料对污染土壤中 Cd 的有效性及其形态的影响,结果表明:不同类型有机肥的施用明显降低了土壤中有效性 Cd的含量,但大多数学者的研究结果发现,土壤有机质对重金属有明显的“活化作用”,与土壤有效态重金属含量大多呈显著正相关(李晓宁等,2007; 王昌全等,2010)。水肥耦合对提高土壤有机质具有重要作用,研究发现灌水和施用磷肥促进了土壤中的有机质转化和作物吸收与利用,从而降低了土壤有机质含量。虽然施用氮肥能够提高土壤中的有机质含量,但施氮量较多则会降低土壤中的有机质含量,其影响程度的大小顺序为:灌水>磷肥>氮肥 (郑昭佩等,2002)。

因此,在污染土壤区,通过水肥调控技术可以改变作物根区土壤的物理、化学和生物特性,为作物生长和水肥利用效率的提高创造更为有利的根区微环境条件。