污灌区土壤的可持续利用研究——以沈阳张士污灌区植物修复研究为例

袁文静，单子豪

（沈阳师范大学生命科学学院，沈阳 110034）

一直以来，土壤环境质量的改善与修复是国内外普遍关注的热点问题。美国、日本、澳大利亚和欧盟等近年来都逐步制定了土壤修复计划，并重点研发土壤修复技术。我国也采取了一系列土壤修复与整顿措施，预计到2020年，受污染耕地的有效利用率可以达到90%左右。对于传统的物理、化学和工程措施等修复方法，国内外已有大量研究，但当前采用玉米等植物修复土壤的重金属低积累强化措施研究国内鲜少报道。本文主要研究了品种差异对玉米重金属积累的差异，分析了硅肥和硒肥施用对玉米重金属积累的调控效果。其间选用低积累品种并喷施叶面肥，以降低玉米对重金属的积累效果，修复污染区土壤，使之达到标准水平，实现污灌区土壤的安全利用。

1 案例分析

1.1 现状分析

张士污灌区位于沈阳西部，是我国主要的重金属污灌区之一，曾引沈阳西部工业区废水和生活污水并以少量浑河水稀释后进行灌溉。1983年，污水灌溉区水田改为旱田，停止污灌并以地下水进行灌溉，当地至今仍存在严重的土壤重金属污染问题[1]。污水灌溉区改水田为旱田后，玉米成为暴露在重金属污灌区的主要农作物之一。目前，我国玉米播种面积超过4 000 万hm2，年产量约2.6 亿t，是我国播种面积最大、产量最高的作物。

一些研究表明，施肥可以降低农作物中的重金属含量。研究发现，无机磷肥的施用可使玉米根系中Cd、Pb、Cu 和Zn 分别降低85.0%、74.3%、66.3%和91.9%[2]；施用粪肥后，土壤pH、阳离子交换量和腐殖质含量升高，使重金属生物可利用性降低[3]。除传统的有机、无机肥料外，一些功能性肥料具有额外的降低农作物重金属含量的作用。例如，施加硅肥后，土壤中会生成不溶的金属硅酸盐而沉淀下来，降低土壤的可交换态重金属含量[4]。本文以土著植物玉米为研究对象，探究其对污染土壤的植物修复机制。

1.2 材料与方法

本试验供试植物分为两大类，即普通玉米和糯玉米。普通玉米有7 种，包括先玉508、硕达海禾48、佳和301、锦玉118、沈禾201、先玉335 和沈海509。糯玉米有三种，包括丹糯6 号、京科糯2000 和富粘1 号。试验玉米种子基本信息如表1所示。

表1 试验玉米种子基本信息

将10 种玉米品种播种于辽宁省沈阳市于洪区大青中朝友谊乡余粮村（N41°44′24.30″，E123°17′30.15″）的农田中。经测定，该地区土壤基本性质如表2所示。该场地距离工业区废水与浑河混合闸约300 m，是整个张士灌区污水的最上游。重金属分析结果显示，此地段重金属尤其是Cd、Cu 污染十分严重，高于整个污灌区平均水平，土壤呈弱酸性。

表2 供试土壤的部分理化性质

1.3 肥料和施用方法

首先对土壤施用基肥（氮、磷、钾比例为27:15:13），拔节孕穗期追肥一次，每个玉米品种设置4 组重复，培育至玉米成熟。

在玉米种植2 个月后开始第一次叶面喷施肥料，再10 天后开始第二次叶面喷施，喷施方法与其他学者所作研究相似[5-6]。本研究选择在玉米授粉前施肥两次。玉米分别种植于相近的4个地块，分别标识为A、B、C、D。其中，A 为对照不施用叶面肥，B 为硅肥（有效浓度为33.5 mg/株，喷施浓度为0.67 g/L），C为硅肥和硒肥混合肥料（硅肥有效浓度为16.8 mg/株，硒肥有效浓度为1.7 mg/株），D 为硒肥（有效浓度为3.3 mg/株，喷施浓度为0.03 g/L）。

1.4 结果收集与分析

玉米籽粒洗净烘干后，用研钵研磨后过100 目筛，用电热消解法消解，用DRE 电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP）测定Cr、Cu、Ni、Cd、As、Se 的含量。试验所用试剂均为优级纯，试验用水为超纯水，试验器皿均保证清洗干净并在20%硝酸溶解中浸泡后使用，试验结果保证样品回收率均在85%～110%，质量控制结果符合国家标准。

数据采用SPSS 21 软件进行分析，采用Duncan 检验方法检测差异显著性，采用OriginPro8.6 软件作图。

1.5 修复植物的安全性评价

玉米籽粒中Cr、Cd、As 的标准采用食品安全国家标准食品中污染物限量《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）标准值为1.0 mg/kg、0.1 mg/kg、0.5 mg/kg；Cu、Se 的标准采用《粮食（含谷物、豆类、薯类）及制品中铅、镉、铬、汞、硒、砷、铜、锌等八种元素限量》（NY 861—2004），Cu 的标准值为10 mg/kg，Se 的标准值为0.3 mg/kg；Ni 的标准值采用1994年经全国食品卫生标准分委会评审通过的内控标准，Ni 的标准值为0.4 mg/kg[7]。以《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中农用地土壤污染风险管控标准中的筛选值为标准，供试土壤的Cu、Cd 含量均超标，Cd 含量甚至超过了管控值。由于该地土壤呈弱酸性，不施用硒肥时除部分品种中的As 含量外，各重金属含量均超标。硒肥虽然能降低玉米籽粒中的Cd 含量，但并不能将其降低至安全水平，所有品种中Cd 含量均超标。

为了比较不同污染物的污染程度，本研究采用污染指数法评价土壤和玉米中的重金属污染程度，污染指数的计算公式为：

式中，Pi为土壤和玉米中污染物的污染指数；Ci和Si分别为污染物i的实测含量和标准含量，单位均为mg/kg。若污染指数大于1 即为污染，小于1 即为未造成污染。

在单因子污染指数的基础上，采用内梅罗综合因子指数法对土壤和玉米进行重金属污染评价，计算公式为：

式中，P综为综合污染指数；Pmax和Pave分别为各重金属污染指数中的最大值和平均值。

计算得到该地区土壤综合污染指数达到25.2。试验得出各试验组中各品种玉米中重金属的综合污染指数如表3所示，试验得出叶面施用硒肥可将综合污染指数降低29%～47%。施用硒肥后，对于品种丹糯6 号，Cr、Cu、Ni、As 四种重金属含量均不超标。

表3 各试验组中各品种玉米中重金属的综合污染指数

1.6 结果处理

利用SPSS 软件，对不同施肥情况、不同玉米品种的综合污染指数做多因素方差分析，主体间效应的检验结果显示，各种施肥情况间差异均显著（Sig.=0.000），而不同肥料间差异不显著（Sig.=0.731），说明各品种玉米积累重金属对肥料的响应值不尽相同，而肥料对各品种玉米积累重金属的影响趋势是一致的。

2 结果讨论

张士灌区及其他来自冶炼采矿三废排放的土壤所受严重污染，重金属含量超标，土壤pH 又较低，容易引发农作物食品安全问题，而肥料及其他改良剂的施用可有效缓解该问题。通过大田试验，笔者发现，叶面喷施硅肥不能普遍有效地降低玉米籽粒中Cr、Cu、Ni、Cd、As 的含量，而喷施硒肥可以有效地降低玉米中这些重金属的含量；肥料对各品种玉米积累重金属的影响趋势是一致的，即硒肥可以稳定地降低各品种玉米对重金属的富集，叶面施用硒肥可将综合污染指数降低29%～47%。

大量研究表明，施加硒肥能够降低作物可食部中重金属的含量[8-10]。这一结论在此案例中也得以印证，叶面喷施硒肥，可以稳定地降低玉米籽粒中重金属的含量。同时，施用硒肥可以生产经济价值较高的富硒玉米，因为硒肥对Cr、As 等重金属有解毒作用[11-12]。尽管也有些研究表明，硅肥的施用可以降低许多作物中Cd、Pb、As、Cd 等重金属的含量，但在本研究中除As 外并未普遍发现该结论[13]。由于文献中有效的硅肥多为土施肥料，而硅肥可以改变土壤中重金属的生物可利用性，同时可以阻止作物根系对其他重金属的吸收，判断Si 对重金属积累的影响效果可能与施肥方式有关[14]。但是，刘永贤等研究发现，喷施叶面硅肥可有效降低所有品种稻米中的重金属Cd 含量，而喷施叶面硒肥只能降低部分品种稻米中的重金属Cd 含量[15]。故喷施叶面硅肥的影响也与农作物品种有关。

不同品种玉米积累重金属的能力不同，施肥对不同品种玉米重金属积累能力的影响也不同；在Cr、Cu、Ni、As 浓度较高的土壤中，可种植丹糯6 号玉米，并通过叶面喷施硒肥（有效浓度为3.3 g/株，喷施浓度为0.03 g/L），既可以控制重金属Cr、Cu、Ni、As 的含量，又可生产经济价值较高的富硒玉米；张士灌区Cd 为主要的污染物，叶面硒肥的施用可有效降低玉米籽粒中Cd 的含量，但若要玉米籽粒中Cd 浓度达标，人们需对该地块进行土壤修复或结合其他强化低积累的方式。

3 研究方向展望

从国内外对植物修复技术研究现状来看，其应用和发展具有很大的前景。本文认为以下几个方面的研究应予以加强和深入。

一是深入植物修复土壤的机制研究，加强复合型修复植物的筛选工作。植物物种抵御性强，对土壤污染源具有较强的选择性，很难在多种污染地上应用，但土壤环境多为多种污染源复合污染，因此具有复合功能的植物筛选研究有待进一步开发。二是加强现有土壤修复植物的育种和驯化，提高其生物量和生长速率，加快其修复效率。三是结合分子生物学的转基因技术，将修复植物的耐受基因和超富集性状的调控基因转入普通植物体内，改善植物生长特性，最终杂交得到修复型基因工程植物[16]。四是开展多种植物联合修复，乔木灌木草本优化搭配，修复植物和农作物通过农业措施合理配置，构建高效的生态修复群落。

五是开展对修复植物的回收利用、安全填埋和资源化利用方面的研究，使其最大程度地发挥功效，避免二次污染。六是研究微生物联合植物修复，探索植物根圈、根际微生物对植物修复的作用。关键环节是筛选降解能力强的菌根真菌和共生植物，有效运用能促进植物生长的根际细菌或真菌与植物的结合，实现根际强化技术和微生物-植物协同修复技术的创新。七是植物型土壤修复剂的开发与应用。植物根系分泌物的有机酸、螯合剂等能够合成添加剂以修复土壤。城市污泥、橄榄油废渣等也是很好的植物修复材料。充分利用植物特性，开发可生物降解的螯合剂具有相当大的发展潜力。

4 结语

由玉米栽种试验案例可见，植物修复技术可以达到污染土壤可再生利用的目的。本试验所选样品中，丹糯6 号栽培并加以喷施硒肥能产出符合国家标准的富硒玉米，试验所选产物玉米是当地土著作物，具有较高的适应性，存活率不易受土壤之外的其他因素干扰，利于试验的分析。此外，玉米目前在我国播种面积超过4 000 万hm2，年产量约2.6 亿t，是我国播种面积最大、产量最高的作物[17]。玉米种植有很多优点，耕作简单，地域分布广，极大地促进了我国农业的发展。与物理、化学、微生物等修复技术相比，该技术可以在修复土壤的同时净化空气与水体，改善生态环境，其成本比物理、化学修复方法要低很多。当然，植物修复也存在不少问题，如修复周期长、修复植物对污染源的强选择性、可选植物有限等。