農藝措施修復重金屬污染土壤的研究進展

張俊麗 ，高明博，雷建新，趙曉進，索 龍，楊圓圓，王建民，汪曉霞

（1渭南市農業技術推廣中心，陜西渭南 714000；2陜西省煙草專賣局，西安 710000；3潼關縣農業技術推廣中心，陜西潼關 714300）

0 引言

重金屬污染是中國亟待解決的土壤環境問題。據《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國土壤總超標率為16.1%，耕地土壤點位超標率達19.4%，重金屬是主要的無機污染物[1-2]。重金屬不能被微生物分解，會在土壤中持續積累，甚至轉化為毒性更高的烷基類化合物，影響耕地利用和糧食安全[3-4]。有報道顯示，中國每年受鎘(Cd)、砷(As)、汞(Hg)、鉛(Pb)和鋅(Zn)等重金屬污染的耕地約1×107hm2，重金屬污染的糧食每年達1×107t，經濟損失200多億元[5-6]。土壤中重金屬能被植物和其他生物吸收，通過“土壤-作物-食物”的食物鏈不斷富集，直接影響動植物及人類健康，威脅經濟發展和社會穩定[5,7]。因此，對重金屬污染土壤的修復治理研究已成為近年來國家和廣大學者關注的焦點。當前常見的土壤重金屬污染修復措施有客土、清洗、蒸發等[5,8-9]物理技術，鈍化、淋洗等[5,10]化學技術，以及生物修復和農藝措施修復[11-14]等。農藝措施修復符合生態農業建設要求，具有環保經濟、原位修復、不易造成二次污染、不影響農業生產等優點，成為近年來農業學者研究的熱點。據此，本文對水肥管理、耕作栽培技術、作物品種、添加外源物質等農藝措施在重金屬污染土壤上的應用進行綜述，總結其影響機理，以期為后續重金屬污染土壤治理修復提供理論依據。

1 農藝措施修復技術概述

農藝措施修復技術是指通過土壤水肥管理、更換作物品種、添加外源物質、調整耕作栽培方式等措施降低重金屬污染的措施[7,11,15-16]。合理的農藝措施通過調節改善土壤理化性質、pH值、Eh等改變重金屬的存在形態和遷移性，進而降低重金屬污染。農藝措施對重金屬的影響主要包括兩個方面：一是活化土壤重金屬，使植物吸收積累的重金屬增多，提高修復效果；二是提高土壤pH 值或調節土壤Eh 等改變土壤的離子平衡，降低重金屬的有效性和遷移性，使作物中重金屬含量下降[7,16]。

2 農藝措施對重金屬污染土壤的影響

2.1 水分管理技術

水分管理是重要的農藝措施，含重金屬污水灌溉是農田重金屬污染產生的主要來源之一[8]。水分管理措施能顯著影響土壤Cd、Pb、Zn、Ni等的含量[17]。土壤水分主要通過改變土壤中重金屬的遷移性和化學形態影響其有效性[15,17-18]。土壤水分增高時，土壤中Fe3+還原為Fe2+，Fe2+與Cd2+競爭土壤表面吸附位點，促進重金屬離子釋放進入土壤溶液[19]；同時土壤中的S 還原成S2-，與Cd2+結合形成CdS沉淀[20]，降低Cd的遷移性；淹水能促進Cd 向殘渣態轉化[21]，同時還能促進Fe、Mn、Al 及其氧化物對Cd 的吸附[21]。長期淹水促進干濕交替式水分管理技術，通過土壤還原-氧化過程的轉化，直接改變土壤的有機質和礦物結構，且氧化還原過程循環也能促進Pb、Ni 等的礦化，降低其在土壤中的移動性[17,22]。

2.2 施肥技術

2.2.1 有機肥料 含重金屬有機肥料施入土壤能導致土壤重金屬積累[23]，但合理施用有機肥料能明顯降低土壤中有效態重金屬含量[23-25]。有機物質可以通過與重金屬陽離子結合形成難溶的有機復合物、提高土壤CEC（陽離子交換量）等來降低土壤重金屬生物有效性。秸稈、畜禽糞便等有機肥還田能提高土壤有機質含量，降低土壤中酸可提取態Zn和可還原態Zn、可還原態Cu的含量[23]。有機肥料可促進土壤可交換態Cd轉化為有機結合態和鐵錳氧化物結合態，從而使生物有效性下降[23]。隨著腐殖酸施用量的增加，棕壤中可溶態Cd含量明顯下降，而有機結合態和鐵錳氧化物結合態含量則升高[26]，腐殖酸能使土壤可溶態重金屬含量降幅達到60%～80%[27]。

2.2.2 化學肥料 化學肥料通過改變土壤pH值、離子強度、電導率等影響土壤對重金屬的吸附和解吸過程。施用氮肥能降低土壤pH值，增大土壤溶液電導值，使土壤中重金屬的溶解度增加，減少土壤對重金屬的吸附量[28-29]。氮肥種類不同其影響機理也不一致，H4HCO3和(NH4)2HPO4能促進土壤中Zn和Cu的溶出，NH4Cl和(NH4)2HPO4能促進Cd的溶出，但均抑制Pb的溶出[28]；不同形態氮肥對重金屬的影響程度表現為：(NH4)2SO4＞CO(NH2)2＞NH4HCO3＞Ca(NO3)2[30]。磷 肥對土壤重金屬的影響較復雜，既可促進也能抑制[31]。一方面，通過專性吸附增加土壤對重金屬的吸附量，同時還能誘導吸附固定Pb，促進PO43-的吸附，Pb 和PO43-通過協同吸附作用形成共同沉淀，增加吸附量[32]；另一方面，土壤中的H2PO4-、HPO42-或PO43-會解離產生H+，H+對重金屬產生競爭吸附，抑制重金屬的吸附[33-34]。吸附磷酸根后土壤表面負電荷增加，重金屬離子通過靜電吸附于土壤表面，且K+對重金屬的競爭吸附作用強于NH4+，因此(NH4)2HPO4吸附重金屬能力優于KH2PO4[29]。PO43-能增加土壤對Cd 的吸附，而NO3-和SO42-對其無明顯影響[35]。鈣鎂磷肥能提高土壤pH值，降低交換態鎘的分配系數，增加碳酸鹽結合態和鐵錳氧化物結合態，進而降低土壤有效態Cd 含量[36]，但其作用強度弱于Ca(H2PO4)2[30]。鉀肥對土壤重金屬的影響伴隨著陰離子的作用[37]，KCl 的促進吸收作用強于K2SO4[30]。

2.3 耕作栽培技術

耕作栽培技術通過影響作物光合效率、根系吸收能力及根際土壤pH 值等影響植物對重金屬元素的吸收和轉運[38]。對土壤進行深翻，能降低土壤容重，增加孔隙度，促進土壤團粒結構形成，并能將深層重金屬污染物翻至植物根系密布區，增加根系與重金屬結合度，促進根系生長的同時增大重金屬吸收量[39]。適宜種植密度有利于植物充分吸收光照、土壤、水分和營養物質，促進植物對重金屬的吸收效率，諸多研究顯示，密植能降低紫蘇[38]、苧麻[40]、桑樹葉[41]、桉樹地上部[42]、向日葵葉[43]、紫蘇莖葉[44]的重金屬含量。栽培方式直接影響植株幼苗長勢及根系重金屬吸收量，進而改變重金屬由地下向地上部的轉運能力，直播栽培下紫蘇根、籽粒Cd 含量分別較移栽高0.72、0.60 mg/kg。刈割能提高多年生、再生能力強的超積累植物的生物量，延遲其生育期，提高重金屬吸收效率[39]。

2.4 替代種植

在輕中度污染農田，選擇重金屬低積累型作物品種，結合田間管理措施，能達到農作物安全生產利用的目的[9]。不同種類作物和同種作物不同品種對重金屬的積累性存在差異[7,16]。豆科（大豆、蠶豆等）為低積累型作物，禾本科（玉米、小麥、水稻等）為中等積累型作物，十字花科（白菜、花菜等）、藜科、茄科（辣椒、茄子等）以及菊科（油麥菜）等均為高積累型作物[45]。種植低積累作物品種，配套增施有機肥等措施能明顯降低土壤重金屬含量[7,16]。目前，關于不同水稻品種對重金屬吸收影響的研究較多，因為水稻極易吸收和累積Cd形成積累。水稻品種是水稻積累Cd的重要影響因素，常規秈稻籽實對Pb、Cd的吸附量明顯高于雜交秈稻和常規粳稻[46]，保持系水稻稻草和精米中Cd含量高于恢復系[47]。從重金屬污染區篩選生長有優勢的作物品種是獲得重金屬超富集作物的有效途徑[31]。對重污染農田，種植超積累高積累或超積累植物，如能源類植物、纖維類植物以及苗木花卉等，并配套土壤改良劑，可提高土壤的利用率[9,48-49]。

2.5 添加鈍化物質

鈍化物質能直接或間接改變重金屬的存在形態，降低其遷移性、有效性和可利用性[2,6,17]。硅鈣物質，如石灰、硅肥、硅酸鈉等，多呈堿性，能提高土壤pH值，使土壤表明負電荷增加，進而吸附重金屬陽離子能力也提高；同時通過與重金屬陽離子形成難溶的氫氧化物或重金屬碳酸鹽、硅酸鹽，使得土壤中重金屬的活性和生物有效性降低。施入硅鈣物質后，1～4 mm主要根際微域和非根際的pH 值提高，降低有效鎘含量[49]；硅進入土壤使土壤外源可交換態、碳酸鹽結合態Cd含量降低，而鐵鍤氧化物結合態、有機質結合態以及殘渣態的含量則增加趙穎等[50]。黏土礦物類物質，如海泡石、膨潤土、蒙脫石、凹凸棒、沸石等，能通過吸附、配位反應和沉淀等作用降低土壤重金屬活性[2,6,17]。施用土重4%的海泡石時，土壤中Cd、Zn的水溶態含量分別可下降57.3%和41.4%，可提取態含量則分別下降42.8%和24.7%[51]。添加膨潤土能顯著降低黃壤、黃褐土和潮土的交換態Cd 含量，降幅依次可達19.44%、13.85%和5.03%[52]。單一施用黏土礦物鈍化重金屬效果有限[53-54]，與磷肥復配能有效降低油菜、蘿卜、油麥菜可食部位Cd含量；與磷肥、硅肥復配能使糙米Cd含量降幅最大達72.7%[55]。

3 展望

（1）結合分子技術，培育替代品種。植物修復技術因成本低、不破壞生態環境等原因備受關注，但該技術受區域氣候條件等影響明顯[56]，且大面積種植非糧食作物，不符合中國人多地少、糧食自給壓力大的基本國情，因此，探明植物對重金屬的吸收、轉移、富集、忍耐以及解毒的分子機制，并通過現代分子技術手段，培育高積累或超積累植物提高富集效率，或選育低積累或零積累糧食作物品種，阻斷土壤重金屬向作物運輸。與此同時，加強高積累或超積累植物的資源化利用，避免富集金屬形成二次污染的研究也亟待開展。

（2）聯合多種措施，形成技術體系。現有研究顯示，水肥管理、替代品種、耕作栽培方式、添加外源物質等均對土壤重金屬含量有一定影響，但重金屬污染土壤的修復是一個系統工程，單一修復技術很難達到預期效果。現有研究多在室內完成，室內環境變量小、因素可控，因而治理效果可觀[56]；而農田治理實踐中，土壤環境狀況復雜，受外界影響明顯，同時室內研究多為單一修復技術的應用，在復雜的外界環境中多種修復措施同時運用會導致修復效果的不確定性，因此，在典型重金屬污染區，根據污染程度，研究多種修復措施同時施用時的修復效果，提出修復效果最佳時的農藝管理措施，形成重金屬污染農田土壤修復技術體系勢在必行。