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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

2017-03-17 11:45来源:《生态环境学报》2015年第6期作者:杨启良等关键词:重金属污染植物修复汞污染收藏点赞

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近年来,有学者提出通过各种强化措施来加强植物修复效率,但强化措施只能是一种辅助措施并不能大幅度提高植物修复效率,并且一些强化措(如施螯合剂的使用)会带来潜在的环境问题(Pociecha和Lestan,2012),因此这种技术并不能大面积推广使用;随科技水平的提高,研究者们提出用基因工程技术,寻找能高效去除环境污染物的基因并将其通过基因技术导入生物量大、生长速度快的植物中,从而提高植物修复效率,但由于这一技术只是设想还未取得实质性进展。

另外,目前发现的大多数超富集植物对气候条件,地理位置等有特殊的要求。因此一些学者将目光转移到对重金属污染物具有耐性、生物量高、分布广和适应性强的农作物(Kos等,2003),与超富集植物相比,虽然这些作物体内污染物含量很低,但其生物量及生长速度远远比超富集植物高,即使植物体内污染物含量未达到临界值,但在相同条件下所累积的重金属污染物绝对量反而比超富集植物累积的多,对重金属污染土壤的修复作用更大(杨勇等,2009)。

因此,当务之急,还需要我们从影响植物生长的一些关键方面(如水肥调控技术等)出发来解决超富集植物生物量较小和抗环境胁迫能力较差的关键科学问题。

3

植物修复重金属污染土壤的水肥调控技术研究展望

重金属污染土壤区水肥资源状况及植物水肥利用过程是决定该区域植物修复效果和植被恢复状况的主导因素。

重金属污染土壤区正面临着水资源的季节性短缺、土壤肥力状况不佳、植被恢复困难、重金属污染土壤修复效果差、降水量较少特别是降雨期与植物生长关键需水期严重错位、降雨期比较集中极易产生地表径流引起水土资源的二次污染等突出的环境问题。

由于土壤被污染后,改变了土壤原有的土壤物理、化学和生物特性及结构,进而影响着植物的生长和水肥资源的利用效率,因此,植物修复重金属污染土壤时必须考虑这种变化对植物生长的不利影响以及水肥调控技术实施后对这种状况的改变作用。

3.1

应加强水肥调控技术对植物根区土壤物理特征的研究

水分是植物生长必需的物质、养分迁移的载体、生化反应的介质,控制着土壤中物质的传输与转化。土壤水分分布、传输及其有效性取决于土壤水力性能参数(王卫华和王全九,2014)。

热量的传递会引起土壤温度的变化,因此会影响植物对根区水肥和重金属污染物的吸收、迁移转化的数量与程度、土壤水气传输速率及其在土壤中的分布,进而影响土壤中物理、化学、生物过程的发生及转化。重金属污染区土壤水气热的含量、存在状态、传输特征相互影响,这就决定了土壤与环境之间的物质交换能力、土地生产力等。

重金属污染土壤区,重金属污染物的离子含量较高,受降水冲刷和空气的氧化及其与土壤营养物质的相互作用,重金属污染离子演变为络合物,改

变土壤颗粒团聚体结构,进而影响土壤孔隙的结构与空间几何构型,因此会改变土壤水、气、热的传导能力及其传输特征。同时,重金属污染区土壤受降水冲刷,重金属污染离子随水分下渗与土壤本底的化学元素和土壤颗粒发生相互作用,改变土壤物理特征,导致土壤水、肥、气、热传输特征的变化,影响土壤水、肥、气的有效性和植物的生长,也会影响土壤热传导效应。因此,以水肥条件技术为手段,对超富集植物根区土壤物理特征的研究对其生长和修复效果具有重要意义。

3.2

应加强水肥调控技术对植物根区土壤化学特征的研究

水肥措施可以调节根际环境,改变土壤中重金属污染物的生物有效性,合理的水肥调控措施有利于植物吸收并累积更多的重金属污染物,也有利于提高植物抗重金属污染土壤环境胁迫的能力。

一些人为措施如水肥措施和螯合剂配合施用,通过调节土壤pH值和土壤氧化还原电位(Eh)及有机质等,为超富集植物的生长创造更为有利的根际微环境。由于化肥中的K+、SO42-、Cl-具有活化土壤中的重金属污染物的作用,因此合理控制化肥的施用量会提高土壤中重金属污染物的交换态,一方面可以提高超富集植物根系对重金属污染离子的吸收和富集能力;另一方面可以提高非超富集植物对重金属污染土壤环境的忍耐能力,最大限度减轻重金属污染物对植物生长造成的不利影响。

土壤水分具有调节根区土壤氧化还原电位(Eh)和土壤酸碱度(pH)的作用,会对土壤中重金属的活性产生较大的影响。而土壤酸碱性也是影

响重金属污染物活性的重要方面。如随着pH升高,可增加土壤表面负电荷对正电荷的吸附,也可以生成一些沉淀物(如CdCO3等),逐渐降低污染物的活性。

一些学者的研究发现,在Cd污染的土壤上施用碱性物质如石灰,能使土壤中重金属有效态含量约降低15%,从而使酸性土壤可被植物利用的Cd的活性降低,对减少Cd被作物吸收具有一定的作用(Naidu等,1997)。已有研究发现,水稻果实含镉量与土壤氧化还原电位呈正相关,水稻抽穗后土壤逐渐落干,与正常灌水相比,当盆表面土壤保持湿润状态时,水稻果实的含镉量提高12倍。

当水田灌水后,水层厚度加大,水稻根区土壤形成还原性的环境,土壤水溶液中的Fe3+、Mn4+还原成Fe2+和Mn2+,土壤中的SO42-还原为S2-,与镉、铁和锰生成溶解度很小的CdS、FeS和MnS沉淀,由于镉在土壤中具有很强的亲硫特性,与其结合并沉淀,降低镉的活性,而难于被作物吸收(陈涛等,1980)。相反,一些双子叶植物和非禾本科植物虽然自身不能合成植物铁载体,但在适宜的土壤水分条件下,可以通过增强Fe3+还原酶的活性、释放出还原性物质和增强根区土壤环境的酸性等机制来增加铁的吸收(何春娥等,2004)。

可见,通过调节土壤水分,改善根区土壤的氧化还原电位和酸碱度等,均有利于沉淀物的形成,这样可以有效控制重金属在土壤-植物系统中的迁移,降低重金属Cd的活性,减小对植物的伤害(王意锟等,2010)。

有机肥不但具有改良土壤、培肥地力、增加作物产量和提高农产品品质的作用,而且可以改变污染物在土壤中的存在形态,提高植物对重金属污染土壤的修复效果和抗重金属污染土壤环境胁迫的能力。

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原标题: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
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