农艺强化措施用于植物修复重金属污染土壤的研究进展

2.3 栽培措施

2.3.1育种(苗)在人类历史长河中，经过长期的实践，人类已经总结出十分成熟的作物育种技术。但是用于植物修复的超积累或高积累植物往往存在育苗难或者育苗时间长等问题。有的超积累或高积累植物还存在种子难收获，甚至没有种子、发芽和授粉困难、容易染病这样的问题。这些问题都会影响到植物修复的效果。野生植物许多不利于栽培的性状经过人类不断地选择重组使之可以成为人类可利用的资源，首先要根据植物修复的作用方式和存在的缺陷确定育种目标，对于植物修复重金属污染来说，根系表面积、根分泌特性、抗病虫性、休眠期、生育期、弱落粒性等性状是重要的育种目标，通过杂交育种或者辐射育种培育出符合植株高大、生育期短要求的修复植物。不同的育苗方式对超积累植物的育苗速度、发芽率和成活率等都有很大影响。蜈蚣草作为一种砷的超积累植物，萌发到生长2 ~ 4叶就需要3 ~ 6个月，这种育苗速度极其不利于土壤砷污染的修复，之后，陈同斌等通过组织培养的方式成功解决了这个难题，完成了快速繁育。

2.3.2翻耕已有研究表明，土壤翻耕可以改善土壤物理性质，使土壤容重下降1.38% ~ 15.17%，孔隙度增加1.68% ~ 18.68%，但同时也降低了土壤的有机质、有效氮、磷、铁、锰、铜等含量，且随土地整理深度增加，降低幅度增大。翻耕有利于土壤团粒结构的形成，起到保墒的作用，同时，翻耕还可以将深层重金属污染物翻到土壤表层植物根系分布较密集的区域，这样既有利于根系的生长发育又能改变重金属的空间分布，促进植物与重金属的接触，提高植物修复效果。Vamerali等研究发现，在被镉、砷、钴等多种重金属严重污染的土壤中种植饲料萝卜，通过翻耕和0.3 m深度的耕松心土，可以有效提高饲料萝卜地上部的生产力和对铜、锌的吸收。农业上的耕作在一定程度上可以提高植物修复效果，根据植物根系深度、污染程度和污染物分布状况而将土壤适当翻耕、松土，这样可以提高植物修复效率。

2.3.3 刈割刈割作为一种农艺措施，能提高很多作物地上部分的再生能力，不同的刈割频率和强度，对牧草的群体结构、品质、生理生态、生物量和产量等都会产生不同程度的影响。对于多年生、再生能力强的超积累植物，可以借鉴在牧草种植中广泛应用的刈割来提高其生物量，延迟其生育期，提高重金属吸收效率。廖晓勇等研究发现，在一定条件下，蜈蚣草每年刈割3次，每次留茬高度7.5 cm左右，其修复效率是1年收获1次处理的1.9倍。裴昕等研究发现刈割确实可以在一定程度上提高龙葵的修复效率，刈割是提高龙葵对镉污染土壤修复效率的一种策略。

2.3.4间套作我国人口众多，耕地资源有限，人口和土地之间的矛盾较为突出，间套作是精耕细作、集约多熟种植的一种传统农业种植方式，也是实现我国农业可持续发展的重要途径。间(套)作指在同一田地上于同一生长期(不同生长期)内，分行或分带相间种植2种或2种以上作物的种植方式。在现代集约农业中，间套作可以提高土地资源利用率，充分利用光能、水、热量等的自然资源，充分利用植物生长的空间和时间，可以在不提高成本甚至降低成本的同时增加收入、提高产量、减少病虫害、保持水土和防止环境退化。在植物修复重金属污染土壤时，间套作可以改变植物根系分泌物、土壤酶活性和土壤微生物等，间接改变重金属的有效性，影响植物对重金属的吸收。

近年来，围绕“边生产，边修复，边收益”的理念，植物间作修复技术的研究越来越多。在植物修复重金属污染中应用间作模式，可实现对污染土壤的边修复边治理，同时收获符合一定食品标准的农产品，具有很好的市场前景和开发潜力，符合我国农业可持续发展的道路。普通作物与超/高积累植物间作可以大大提高超/高积累植物去除土壤中重金属的效率。蒋成爱等研究发现，与玉米和大豆间作的东南景天地上部分吸收Cd、Pb、Zn为单作的1.68 ~ 1.87倍，并且显著降低玉米对Cd、Zn的吸收。周建利等将东南景天与重金属低积累玉米品种Yunshi-5间套种收获后，土壤镉含量从1.27 mg/kg降为0.3 mg/kg。此外，间作模式还可以有效降低作物重金属含量，收获符合卫生标准的饲料或者其他产物。据Gove等研究，遏蓝菜与大麦间作减少了大麦对Zn的吸收。居述云等研究了伴矿景天与小麦和茄子间作对其重金属吸收的影响，结果表明：间作模式显著降低了小麦籽粒和茄子果实中的重金属含量，与单作相比，间作小麦籽粒重金属含量下降52.4%。黑亮等的研究表明：套种显著提高了超富集东南景天提取Zn和Cd的效率，Zn含量达9910 mg/kg，是单种的1.5倍，而且生产出的玉米籽粒重金属含量符合食品和饲料卫生标准。还有一些研究表明，不同植物间套作对作物吸收重金属有一定的促进作用，提高植物对重金属的吸收。Zuo等综述了双子叶植物如花生与玉米、小麦等禾本科作物间作能加强双子叶植物对铁和锌的吸收和提高种子中的铁、锌浓度。秦欢等研究了间作对不同品种玉米和大叶井口边草吸收积累重金属吸收积累的影响，发现间作显著提高了大叶井口边草地上部和根部对As、Cd的吸收，同时显著降低了地上部对Pb的吸收，同时间作也能显著提高玉米各器官重金属含量。

普通作物间套作对植物吸收重金属方面的研究不多。赵颖等利用田间原位修复的方式研究了苜蓿、黑麦草、籽粒苋与玉米间作对重金属的影响，研究发现：苜蓿、黑麦草与玉米间作能显著提高玉米对Cd、As的吸收和累积量;而籽粒苋与玉米间作时，玉米茎叶Cd、As的吸收和累积量显著低于玉米单作。不同间作作物对玉米吸收重金属的效果不同，在实际应用修复是，要考虑当地情况选择合适的植物。蔡丽等研究了樟茶间作模式对土壤重金属元素含量的影响，结果表明：间作模式下，土壤重金属元素含量明显降低，但是茶叶新稍中重金属含量增加。

在植物修复中应用间套作模式确实可以提高植物对土壤重金属污染的修复，有利于土壤重金属污染的治理，但是对于边修复边种植的治理方式，不同的间作模式对作物吸收重金属的影响不同，在确保作物重金属含量不超标的前提下，需要选择合适的超积累植物与之间作，保证修复效果的同时也要保证作物的重金属不超标。

3 展望

土壤重金属污染是全球面临的主要环境问题之一，越来越受到人们重视。植物修复作为一种新兴的土壤重金属污染修复技术，具有成本低、效果好、不易造成二次污染等优点，且易于被公众所接受，有着巨大的市场前景。近年来，诸多国内外专家学者为植物修复技术理论研究和实际应用作出了一定的贡献，但是从长远来看，这些植物修复技术还有巨大的改进空间，有待进一步拓展，如何利用农艺措施强化土壤重金属污染植物修复的效果，仍有许多技术问题尚未解决。为此，今后要进一步加强以下几个方面的研究：

(1)进一步寻找和培育更多种类、生物量更大的能用于农艺措施间套作种植的超积累或高积累植物品种。目前发现的超积累植物大多生物量小，去除效果受到限制。有关超富集植物对重金属的吸收、转运、忍耐、富集和解毒的分子及遗传机制仍需进一步研究。现阶段超积累植物大多仅对1种重金属有富集效果，而土壤污染多为复合污染，如何利用基因手段去构建可以富集多种重金属污染的超积累植物，或者也可以通过转基因手段改良植物根区细菌提高植物修复的效率。但利用基因手段势必会出现转基因植物，会不会对生态有威胁仍需进一步评估。

(2)加深开展农艺强化措施对植物修复重金属污染土壤的影响与机理研究。目前，植物修复重金属污染土壤的研究主要集中在植物本身对重金属的吸收、降解、转移和耐受机制，对农艺措施加强植物修复的研究相对较少，农艺措施对植物修复重金属污染土壤的研究仅仅停留在对现象的描述层面上，缺乏更深入的影响机理的研究，特别是间套作机理的研究，不同的植物间套作模式产生的效果不同，机理也可能有差异。因此，开展农艺强化措施对土壤重金属污染修复机理的研究，有利于进一步提高植物的修复效果，对修复重金属污染土壤具有重要意义。

(3)加速展开农艺强化措施对植物修复重金属污染土壤效果的大田试验示范与应用研究。当前与农艺措施相关的试验很多都局限于室内的盆栽试验，试验结果可能与大田试验相差很多，试验结果不具有很强的代表性和准确性，不利于成套技术的形成。因此，可以加强农艺措施在大田试验的实际应用研究，进而可以形成一套切实可行的与作物相适应的农艺栽培措施。

(4)加强进行超积累或高积累植物富集重金属后的资源化利用研究。植物修复把重金属从土壤转移到植物中，如果后期资源化处理不当，会造成二次污染，虽然目前已有相关的重金属回收手段，但是并不具有普遍适用性。因此，需要研究出一套成熟的植物生物质资源化安全处理与利用的方法。