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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。
1
植物修复重金属污染土壤的研究现状
1.1
植物修复技术及超富集植物概念的提出
当环境中的污染物含量达到临界值后就成为有害的环境污染元素,这些污染元素进入植物体并累积到一定量,就会对植物产生毒害,通常表现为生长受限导致叶片失绿、植株矮小、产量和品质下降等症状。
植物修复(phytoremediation)是美国科学家Chaney等(1983)在1983年提出的,即通过植物的一些特殊生理功能(如吸收、降解、稳定、挥发等)来降低土壤中的重金属污染物,甚至将土壤重金属污染物移出环境的污染治理技术,植物修复也称绿色修复或生物修复(顾继光等,2003)。
这一技术提出后,受到国内外众多学者的普遍好评,科技工作者开始探索植物修复技术在污染土壤治理的作用(Salt等,1995)。为了将植物修复技术在生产实践中推广应用,首先需要我们寻找能在重金属污染土壤中生长的具有较强耐性的植物。于是,在1976年,Jaffré(1976)首先提出了“超富集植物”这一术语。具体的概念是1977年由Brooks(1977)首先提出,当时超富集植物的定义是根据镍元素(Ni)来命名,即每千克地上部干物质量累积Ni的量超过1000mg的植物。在1989年,Baker等(1989)对“超积累植物”重新作了定义,即累积重金属含量是一般植物100倍以上的植物。
经过多年的研究发现,超富集植物具有以下特征:
(1)在低浓度污染土壤中对污染物的累积速率较高;
(2)重金属在植物体内富集量较高,与普通植物相比,超富集植物地上部累积某种重金属的量高出几十倍甚至几百倍(Brunner等,2008)。
近年来,国内外学者对超富集植物提出了如下3个基本判定标准:
(1)植物地上部分污染物含量必须大于一定的临界值;
(2)污染物含量在植物地上部大于地下部;
(3)植物对污染物的富集系数大于1.0(周启星等,2007;魏树和等,2005;Brooks,1998;Chaney,1997)。
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