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农艺强化措施用于植物修复重金属污染土壤的研究进展

关注:日期:2017-11-13

:土壤是人类赖以生存的必需生产资料,是人类最基本也是最重要的自然资源之一。随着世界工业化的深入和人类矿产资源的开发,重金属通过各种途径进入土壤,造成土壤重金属污染。土壤重金属污染有着滞后性、不可逆转性和隐蔽性,而且重金属不能被分解,难以治理。农作物会吸收土壤中的重金属并加以累积,并通过食物链进入人体威胁人体健康。相比于传统重金属修复措施,植物修复具有成本低、效果好、原位修复、不易造成二次污染等优点,被认为在土壤治理方面有极大的潜力和市场前景。农艺措施如施肥、水分管理和栽培等作为一种强化技术手段在很大程度上可以提高植物修复的效率和提升修复的效果。因此,本文主要综述了不同农艺措施对植物修复重金属污染土壤影响的进展,并提出了今后的研究方向,以促进植物修复技术的深入研究和实际应用。

1 土壤重金属污染的植物修复技术

重金属土壤污染的修复技术分为物理修复、化学修复和生物修复,其中生物修复包括动物修复、微生物修复和植物修复。虽然当前物理和化学修复应用较多,但是植物修复治理具有许多优点:成本低、效果好;原位修复,操作简便,不易造成二次污染,对土壤环境扰动小;某些金属元素甚至可以回收利用;应用具有观赏价值的植物可改善污染场地的生态景观,兼具美学价值;改善污染场地周边地区的空气、水体环境,减少水土流失,有利于污染地区生物多样性的恢复和重建。因此,植物修复被认为在土壤治理方面具有极大的发展潜力和良好的应用前景。

1977年,Brooks等首次提出超富集植物的概念;随即在1983年,Chaney提出利用超富集植物清除土壤中的重金属的设想,即植物修复的初步概念;1993年,在公开发表的文献中,Cunningham和Berti首次使用“植物修复”这个词。此后植物修复技术发展成为一种利用植物自身的生理特性,从环境中吸收或富集一种或多种元素及化合物,并在其体内进行正常代谢,从而达到去除环境中污染物目的的成熟技术。根据植物种类、污染类型和数量、污染场地的条件,植物修复的过程可以分为植物稳定、植物挥发、根际过滤和植物提取。

植物修复有着传统修复技术无法比拟的巨大优势,然而,植物修复也有着自身的局限性:依赖植物的生物进程,修复时间长;难以去除土壤中的疏水性污染物和土壤深层污染物,对于复合污染修复效率不高;用于植物修复的超累积植物通常植株矮小、生长缓慢、生物量小、生长周期长,此外超积累植物经济价值很小甚至无经济价值,易受到土壤类型、pH值、湿度、温度、营养、污染程度、病虫害等因素的影响;用于修复的植物与当地植物可能存在竞争,造成生态失衡;植物修复后期资源化处理仍存在隐患,除贵重重金属可以灰化回收以外,其他重金属的处理仍然是一个难题。然而,通过不同农艺措施以提高植物体内重金属含量(不致植物死亡)和增加植物生物量这2种方法可以适当改善上述问题,这为重金属污染土壤植物修复技术提供了进一步的技术支持。

2 农艺强化措施对植物修复重金属污染土壤的影响

中国传统工艺以精耕细作为主要特点并且有着悠久的历史,在其发展的过程中有着光辉的成就,曾居于世界领先的水平。然而直至19世纪,随着化学、物理、生物学以及其他自然学科的发展,传统农艺逐渐成为了一门科学。随之而来的农艺措施也越来越受到人们重视。农艺措施是针对生产人类有用的动植物以及在不同程度上配制供人类使用的产品及其处置的科学技艺而采取的处理办法,就是利用栽培技术进行的农艺生产研究的一种形式。它的内容主要包括:施肥、育种(苗)、土壤管理、水分管理和栽培措施及其他一些现代化技术。

2.1 施肥

施肥是农作物种植最重要的措施之一,也是植物修复过程中十分必要的手段。在传统农艺中,施肥可以增加土壤肥力,提高农作物产量和品质;在现代植物修复中,一方面施肥可以增加土壤肥力,促进重金属积累植物生长,提高生物量;另一方面,施肥可以改变土壤的某些理化性质,提高或降低土壤pH值进而改变土壤溶液中重金属的生物有效性,降低污染物的流动性,从而影响植物根系和地上部分的生理代谢过程或重金属在植物体内的运转等而间接影响重金属元素的吸收。不同肥料由于所含营养成分不同与土壤重金属元素的作用机制也不同,导致其对植物修复污染土壤的效果也不尽相同。在某些情况下,肥料受到土壤类型、植物自身特性的影响也可变成改良剂,强化植物修复。在施肥强化植物修复研究中常用的肥料有氮、磷、钾肥和有机肥以及CO2气肥和生物肥料等。

2.1.1 化肥氮磷钾都是植物生长所必需的大量营养元素,氮肥可以影响植物产量和品质;磷肥可以促进早期根系的形成和生长;钾肥也可以提高作物品质,并且钾肥中的K+可以与土壤中的重金属发生交互作用。施肥的使用量应该在一个适当的范围内才能有利于提高植物修复的效率,施肥过多对土壤pH值影响较大,不利于重金属的转化吸收。合理施肥可以使植物修复效率成倍增加。肖艳平通过盆栽试验发现:施加氮、磷、钾肥处理蜈蚣草的生物量要显著高于对照组。但过多施加氮、磷、钾肥反而抑制了蜈蚣草对砷的吸收。同样的,窦春英通过大田和盆栽试验研究了不同类型肥料对东南景天吸收镉和锌的影响,研究发现:适度的氮(0.1 ~ 5 mmol/L)、磷(0.1 ~ 0.5 mmol/L)、钾(0.5 ~ 1 mmol/L)肥、有机肥可以显著促进东南景天的生长,提高生物量,促进东南景天对锌、镉的吸收及向地上部分的转运;施肥处理浓度提高之后,东南景天虽未出现严重毒害症状,但生物量以及地上部的锌、镉积累量显著降低。焦鹏等在室内盆栽试验的研究中发现;氮肥(NH4Cl)、磷肥(Na2HPO4)和钾肥(KCl)不同浓度处理对玉米生物量变化以及吸收重金属有不同影响,NH4Cl能显著提高玉米地上部生物量、土壤Pb、Cd有效态含量,增加玉米对重金属Pb、Cd、As的提取量,最大分别可提高1.7、2.0、1.2倍;Na2HPO4在中浓度处理时显著降低土壤Pb的有效性,高浓度时则显著增加土壤有效态As含量;低浓度KCl处理使玉米提取Pb量比对照增加2.4倍。王林等采用室外盆栽试验研究了施用氮肥重(NH4)2SO4和钾肥(KCl)对镉超积累植物龙葵的生长和吸收累积Cd的影响,结果表明:(NH4)2SO4可显著提高龙葵地上部干质量和上部Cd的积累量,最大可提高2.8倍;KCl在高浓度处理时无法提高龙葵地上部Cd的积累量。廖晓勇等在研究中发现:施磷量为200 kg/hm2时砷的累积量最高,是不施磷处理砷累积量的2.4倍及600 kg/hm2施磷量砷累积量的1.2倍。在具体的植物修复操作中,应根据当地重金属污染种类和选用植物特性有选择地施加营养物质,以最大限度地提高植物生物量和其对重金属的吸收能力。


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