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重金属污染农田安全利用:进展与展望

2018-10-20 09:18来源:农业环境科学作者:杨树深 等关键词:重金属污染土壤污染农田重金属污染收藏点赞

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4.1 施肥

肥料能够为农作物提供必需的营养, 增强作物对重金属的抗性, 提高生物量, 对体内的重金属起到稀释作用。此外, 肥料中的P能够与As、Cr等重金属竞争植物根系表面吸附位点, 故施加磷肥能够抑制作物对重金属的吸收。肥料还能通过改变土壤pH及络合、沉淀等作用降低重金属的迁移性与生物有效性, 进而减弱植物对重金属的吸收。

一些学者研究了叶面施肥对农作物吸收转运重金属的影响。叶面喷施锌肥能够降低白菜、油菜、黄瓜(Cucumis sativusL.)、小麦体内的Cd含量, 叶面喷施Si肥能够减少水稻地上部和籽粒中Pb的含量, 抑制Pb由地下部向地上部的转运。这可能是因为通过叶面进入植物体内的Zn与Cd竞争植物细胞表面的吸附位点, 抑制植物对Cd的吸收; 而Si可能将Pb等重金属固定在植物细胞壁上, 进而抑制了Pb在植物体内的运输。此外, 叶面肥比土施肥具有更低的修复成本。在达到减少农作物重金属含量的相同效果时, 叶面肥的用量比土施肥的用量至少减少5倍。

此外, 改变肥料的用量也能影响作物对重金属的吸收。Tang等发现白菜体内Cd含量与土壤K、Zn的含量呈负相关关系, 故认为增施钾肥或锌肥能够抑制白菜对Cd的吸收。

4.2 水分管理

氧化还原条件会影响重金属在土壤中的价态和赋存形态, 而这决定了重金属的毒性与迁移性, 故通过水分条件管理控制土壤的氧化还原条件对土壤重金属污染修复具有重要意义。Hu等研究了不同淹水条件对水稻吸收Cd和As的影响。结果发现, 从不淹水到定期淹水再到始终淹水, 水稻籽粒中Cd含量从0.21 mg·kg-1减少到0.02 mg·kg-1, 然而As的浓度却从0.14 mg·kg-1增长到0.21 mg·kg-1。土壤中有效态Cd与As的含量也呈现出了相反的变化趋势。还需注意的是, 减少两种重金属含量的水分管理模式下的水稻产量均较传统模式减少。因此, 需要进一步采取特定的措施来同时控制水稻Cd和As的含量, 同时保证水稻的产量。

4.3 间作

植物间作是利用不同种植物之间的互补作用达到提高产量, 控制病虫害等目的的种植模式。将农作物与超富集植物间作, 可以在保证农产品安全的前提下, 利用超富集植物持续地减少土壤中的重金属含量, 这是污染农田安全利用的主要发展方向。Wang等将Cd超富集植物龙葵(Solanum nigrumL.)与Cd低吸收品种大葱(Allium fistulosumL.)进行间作, 发现间作模式下, 大葱的Cd含量没有变化, 符合国家食品安全标准, 且大葱的产量没有降低; 另一个有利的结果是, 经过90 d的种植, 龙葵去除了表层土壤(0~20 cm)中7%的Cd。其他研究也获得了较好的结果。谭建波等发现与Cd超级累植物断续菊(Sonchus asperL.)间作能够显著减少玉米Cd的含量, 显著提高断续菊Cd的浓度, 此外, 间作均提高了两种植物的生物量。Zhan等将断续菊与茄子(Solanum melongenaL.)进行间作, 也得到了相似的结果。但间作模式也存在着不理想的情况。Yang等发现, 将瞿麦(Dianthus superbusL.)与白车轴草(Trifolium repensL.)进行间作能够显著降低瞿麦体内Pb含量, 但也降低瞿麦的药用成分大黄素的含量, 这主要是由于白车轴草与瞿麦的竞争作用减少了瞿麦对营养元素的吸收。Yang等发现香根草(Vetiveria zizanioidesL.)与豆科植物间作对两种植物的Cd含量与生物量均无显著影响。汤福义等发现与龙葵间作甚至会提高白菜幼苗Cd的积累量。可见, 利用间作模式进行污染土壤的安全利用需要对农作物、间作植物、目标污染物进行综合考虑。

5 农业资源研究中心相关研究与展望

截止到目前, 国内外均进行过污染土壤的修复实践。国外最具代表性的污染土地的管理方法当属美国的“超级基金”, 它是为了实现污染场地的再生产利用由美国国会批准设立的管理法案, 对污染场地和责任者的确定, 修复资金的筹备与使用, 修复工程的设计和实施, 后期运营与监测等环节均进行了规范, 已经被多个国家借鉴。超级基金规定由责任者或污染者对污染场地进行修复, 对找不到责任者或责任者没有修复能力的, 由超级基金支付修复费用。但污染场地修复的经费投入巨大, 责任者往往难以承担, 而“超级基金”也面临着经费缺乏的问题。根据“超级基金”的经验, 我国污染农田面积大, 且污染者难以确定, 无论污染企业还是地方政府, 在没有类似“超级基金”的经费支持下, 均难以进行完整的污染农田土壤的修复进而实现再生产利用。而国内农田土壤的修复实践目前多以示范为主, 鲜有大面积的推广应用。

污染农田管控即禁止在污染农田上种植粮食也是一种保障食品安全的管理方法。但对粮食安全的坚定的要求决定了我国不能进行大面积的污染农田管控。此外, 我国农田的所有与使用制度难以保障管控措施的实施, 在被管控的农田上仍可能继续进行粮食种植, 对我国的食品安全产生潜在的威胁。维持农田生产并保障粮食与食品安全是我国当前的形势所需。因此, 在污染农田上生产出安全的农产品即污染农田的安全利用具有非常重大的意义。目前, 污染农田的安全利用已经被学界和政府普遍接受。

将多种技术手段进行整合, 实现优势互补, 是当前污染农田安全利用的重要发展趋势。就目前来看, 少数的技术集成取得了显著进展, 但可重复性与经济成本还远不能满足推广需求。农民作为实施主体对技术手段的接受程度也是影响安全利用推广的重要因素, 他们更容易接受操作简单、接近农艺措施的技术, 比如种子与肥料。这要求这些技术手段具有更佳的抑制重金属吸收转运的效果。生物技术在改变植物以及土壤微生物等对重金属的吸收转运能力方面具有极大的潜力。故发展以生物技术为核心的污染农田安全利用模式是我国重要的研究方向。

中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心作为中国科学院主要农业类研究所之一, 在农业环境包括农田重金属污染治理方面做了多年的布局和投入。在重金属污染农田安全利用研究方面, 相关研究组按照机理与技术并重的发展理念, 提出了以生物技术为核心的技术模式, 并在中国科学院“百人计划”和河北省杰出青年基金等项目的资助下, 系统开展了华北微生物Cd固定剂和Cd低吸收小麦品种的筛选, 并且在生物快速提取方面取得了进展。过去2年中, 研究组在微生物菌剂和修复方法方面提交并授权了多项核心专利(表6), 正在成为我国污染农田安全利用技术发展的新力量, 并提出了生物技术为核心的技术模式(图1), 可尽可能少地减少化学固定剂如石灰和磷肥的使用, 提高重金属污染农田利用的安全性。以治理理念的进步和技术积累为基础, 农业资源研究中心重金属污染修复团队已经获得了与国内相关科研单位(包括南京土壤研究所、山东师范大学、河北地质职工大学等)和相关环保企业合作, 在雄安和承德等地开展了修复示范工作。


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