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施肥也可以促进土壤中的重金属污染离子与其形成有机络合物,而重金属污染物随土壤水分的运动而迁移,从而改变了重金属污染物在土壤中的分布,虽然过去针对重金属在土壤-植物系统中的迁移转化及其影响因素进行研究(刘昭兵等,2012),大多数是在单一的影响因素下进行的,如刘昭兵等(2012)人的研究结果表明,含磷物质能较好地修复被重金属污染的旱地土壤,并且明显降低了蔬菜体内的重金属含量。而且含磷物质主要是通过磷酸根与土壤中多种重金属生成较稳定的磷酸盐化合物将重金属稳定和固化(Dermatas等,2008;雷鸣等,2014),含磷物质也降低了重金属污染土壤-水μμμμ稻系统中的Pb、Cd、Zn向水稻中的迁移量(刘晓冰等,2005),但并没有在水肥条件下进行深入研究。
对于植物修复污染土壤而言,为了让超富集植物较快生长,施肥特别是有机肥的添加能够增加植物对水分、养分和污染物的吸收,促进生物量增加,为植物对污染物富集量的增加创造更为有利的条件。
当前,在重金属污染土壤区正面临着生态环境脆弱、土壤肥力低下、水资源短缺等问题,从而使得水肥利用效率极其低下。如上世纪70年代以来,中国大量施用氮肥,2002年中国的氮肥使用量已居世界首位,约占全球氮肥总施用量的30%(Li等,2007)。同时,氮肥利用效率低下和氮肥长期过量施用也给环境带来了巨大压力。过量的氮素导致农业面源污染是引起地表水环境富营养化的直接原因。
因此,在提高植物生物量和产量前提下,如何实现植物水肥高效利用是农业面源污染治理和污染土壤植物修复中面临的关键问题。
如何根据土壤水分条件,在合理施肥的前提下,通过“以水调肥”、“以肥控水”的水肥互作效应机制来提高超富集植物生物量和水肥利用效率,是超富集植物修复重金属污染土壤的迫切需要。因此,通过合理的灌水和施肥措施,充分发挥水肥的协同作用,不仅可以提高超富集植物的生物量和水肥利用效率,而且可以减少肥料对环境的污染,节约水肥资源,增加超富集植物对重金属污染物的吸收或固定,改善土壤环境,是超富集植物修复重金属污染土壤的迫切需要。
生产实践和理论研究已证明,土壤水肥调控技术是实现植物高效用水用肥的关键性举措,合理的灌溉和施肥能有效提高植物的生物量、产量和水分利用效率(Li等,2007;祁有玲等,2009;Hu等,2009;Yang等,2013)。
面对超富集植物修复重金属污染土壤过程中生物量较小、生长缓慢的实际问题,我们以土壤水肥调控为突破口,在传统的工程、物理、化学和农艺措施基础上,通过合理的水肥管理措施,为超富集植物较快生长创造更为有利的根区微环境(水、肥、气、热等),同时也为超富集植物水肥利用效率的提高奠定坚实的基础。
衡量超富集植物修复效果好坏的主要指标为地上部生物量的大小,通过合理的水肥管理措施,可促进超富集植物最大限度提高地上部生物量。但过量灌水和施肥既浪费资源也不利于植物生长,还可能引起土壤中重金属污染物向下层迁移和扩散,并造成新的污染。
因此,根据超富集植物的生长特点,掌握超富集植物各生育期对水分和养分的需求规律,这对超富集植物生物量的增加和水肥利用效率的提高具有重要作用。水肥措施可以提高根系向冠层输送水分和养分的能力,提高水肥传输效率,促进光合作用进行,有利于光合产物向干物质转化,达到增加超富集植物生物量的目的。同时,我们应根据超富集植物各生育期对重金属污染离子吸收的特点,选择适宜的收获阶段,这对植物修复重金属污染土壤具有重要的科学价值。
3.5
应加强重金属污染土壤联合修复过程中
的水肥调控效应机制的研究
重金属污染土壤联合修复技术包括生物联合技术、物理化学联合技术和物理化学-生物联合技术(万云兵等,2002)。虽然针对重金属污染土壤联合修复技术已开展了相关研究,但因大多数研究是在实验室进行,并没有考虑大田复杂的环境状况及矿区水土流失等的实际情况,很难大规模推广应用,且各种技术之间的互作效应机制还需深入研究。
水肥调控技术是解决重金属污染土壤植物修复过程中生物量较小的一条有效途径。对于重金属污染土壤而言,水肥资源的高效利用将需要我们综合考虑土壤修复和植物营养的动态变化及其它们之间的互作效应机制。
水肥措施与物理、化学、生物措施相结合是重金属污染土壤植物修复的有效途径。过去围绕单一的修复技术进行了大量研究,但综合考虑多种技术驱动的联合修复技术研究较少,特别是以水肥为主要调控手段的超富集植物多过程(如植物的生长发育阶段、土壤-植物-大气连续体系统等)和多技术(如工程、物理、化学、生物技术等)联合修复技术还尚未见报道。植物从土壤中吸收污染物,不仅取决于污染物在土壤中的含量,而且也受土壤的性质、水分条件、肥料的种类和数量、栽培的植物种类、栽培方式以及耕作制度等农艺措施的影响。
因此,可以通过水肥措施来调节土壤pH、CEC、有机质、CaCO3、质地等因素,解决以下问题:
其一,通过调节植物根区微环境,为超富集植物的生长创造更为有利的土壤水、肥、气(汽)、热、pH、氧化还原电位等,促进根系对水肥资源的有效利用,提高根系对重金属污染物的吸收和向地上部分的转移及累积;
其二,改变土壤中重金属污染物的活性,通过土壤吸附更多的重金属污染物,降低其生物有效性,减少土壤中的重金属污染物向植物体内的转移。
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