农艺措施修复重金属污染土壤的研究进展

张俊丽 ，高明博，雷建新，赵晓进，索 龙，杨圆圆，王建民，汪晓霞

（1渭南市农业技术推广中心，陕西渭南 714000；2陕西省烟草专卖局，西安 710000；3潼关县农业技术推广中心，陕西潼关 714300）

0 引言

重金属污染是中国亟待解决的土壤环境问题。据《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤总超标率为16.1%，耕地土壤点位超标率达19.4%，重金属是主要的无机污染物[1-2]。重金属不能被微生物分解，会在土壤中持续积累，甚至转化为毒性更高的烷基类化合物，影响耕地利用和粮食安全[3-4]。有报道显示，中国每年受镉(Cd)、砷(As)、汞(Hg)、铅(Pb)和锌(Zn)等重金属污染的耕地约1×107hm2，重金属污染的粮食每年达1×107t，经济损失200多亿元[5-6]。土壤中重金属能被植物和其他生物吸收，通过“土壤-作物-食物”的食物链不断富集，直接影响动植物及人类健康，威胁经济发展和社会稳定[5,7]。因此，对重金属污染土壤的修复治理研究已成为近年来国家和广大学者关注的焦点。当前常见的土壤重金属污染修复措施有客土、清洗、蒸发等[5,8-9]物理技术，钝化、淋洗等[5,10]化学技术，以及生物修复和农艺措施修复[11-14]等。农艺措施修复符合生态农业建设要求，具有环保经济、原位修复、不易造成二次污染、不影响农业生产等优点，成为近年来农业学者研究的热点。据此，本文对水肥管理、耕作栽培技术、作物品种、添加外源物质等农艺措施在重金属污染土壤上的应用进行综述，总结其影响机理，以期为后续重金属污染土壤治理修复提供理论依据。

1 农艺措施修复技术概述

农艺措施修复技术是指通过土壤水肥管理、更换作物品种、添加外源物质、调整耕作栽培方式等措施降低重金属污染的措施[7,11,15-16]。合理的农艺措施通过调节改善土壤理化性质、pH值、Eh等改变重金属的存在形态和迁移性，进而降低重金属污染。农艺措施对重金属的影响主要包括两个方面：一是活化土壤重金属，使植物吸收积累的重金属增多，提高修复效果；二是提高土壤pH 值或调节土壤Eh 等改变土壤的离子平衡，降低重金属的有效性和迁移性，使作物中重金属含量下降[7,16]。

2 农艺措施对重金属污染土壤的影响

2.1 水分管理技术

水分管理是重要的农艺措施，含重金属污水灌溉是农田重金属污染产生的主要来源之一[8]。水分管理措施能显著影响土壤Cd、Pb、Zn、Ni等的含量[17]。土壤水分主要通过改变土壤中重金属的迁移性和化学形态影响其有效性[15,17-18]。土壤水分增高时，土壤中Fe3+还原为Fe2+，Fe2+与Cd2+竞争土壤表面吸附位点，促进重金属离子释放进入土壤溶液[19]；同时土壤中的S 还原成S2-，与Cd2+结合形成CdS沉淀[20]，降低Cd的迁移性；淹水能促进Cd 向残渣态转化[21]，同时还能促进Fe、Mn、Al 及其氧化物对Cd 的吸附[21]。长期淹水促进干湿交替式水分管理技术，通过土壤还原-氧化过程的转化，直接改变土壤的有机质和矿物结构，且氧化还原过程循环也能促进Pb、Ni 等的矿化，降低其在土壤中的移动性[17,22]。

2.2 施肥技术

2.2.1 有机肥料 含重金属有机肥料施入土壤能导致土壤重金属积累[23]，但合理施用有机肥料能明显降低土壤中有效态重金属含量[23-25]。有机物质可以通过与重金属阳离子结合形成难溶的有机复合物、提高土壤CEC（阳离子交换量）等来降低土壤重金属生物有效性。秸秆、畜禽粪便等有机肥还田能提高土壤有机质含量，降低土壤中酸可提取态Zn和可还原态Zn、可还原态Cu的含量[23]。有机肥料可促进土壤可交换态Cd转化为有机结合态和铁锰氧化物结合态，从而使生物有效性下降[23]。随着腐殖酸施用量的增加，棕壤中可溶态Cd含量明显下降，而有机结合态和铁锰氧化物结合态含量则升高[26]，腐殖酸能使土壤可溶态重金属含量降幅达到60%～80%[27]。

2.2.2 化学肥料 化学肥料通过改变土壤pH值、离子强度、电导率等影响土壤对重金属的吸附和解吸过程。施用氮肥能降低土壤pH值，增大土壤溶液电导值，使土壤中重金属的溶解度增加，减少土壤对重金属的吸附量[28-29]。氮肥种类不同其影响机理也不一致，H4HCO3和(NH4)2HPO4能促进土壤中Zn和Cu的溶出，NH4Cl和(NH4)2HPO4能促进Cd的溶出，但均抑制Pb的溶出[28]；不同形态氮肥对重金属的影响程度表现为：(NH4)2SO4＞CO(NH2)2＞NH4HCO3＞Ca(NO3)2[30]。磷 肥对土壤重金属的影响较复杂，既可促进也能抑制[31]。一方面，通过专性吸附增加土壤对重金属的吸附量，同时还能诱导吸附固定Pb，促进PO43-的吸附，Pb 和PO43-通过协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-会解离产生H+，H+对重金属产生竞争吸附，抑制重金属的吸附[33-34]。吸附磷酸根后土壤表面负电荷增加，重金属离子通过静电吸附于土壤表面，且K+对重金属的竞争吸附作用强于NH4+，因此(NH4)2HPO4吸附重金属能力优于KH2PO4[29]。PO43-能增加土壤对Cd 的吸附，而NO3-和SO42-对其无明显影响[35]。钙镁磷肥能提高土壤pH值，降低交换态镉的分配系数，增加碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态，进而降低土壤有效态Cd 含量[36]，但其作用强度弱于Ca(H2PO4)2[30]。钾肥对土壤重金属的影响伴随着阴离子的作用[37]，KCl 的促进吸收作用强于K2SO4[30]。

2.3 耕作栽培技术

耕作栽培技术通过影响作物光合效率、根系吸收能力及根际土壤pH 值等影响植物对重金属元素的吸收和转运[38]。对土壤进行深翻，能降低土壤容重，增加孔隙度，促进土壤团粒结构形成，并能将深层重金属污染物翻至植物根系密布区，增加根系与重金属结合度，促进根系生长的同时增大重金属吸收量[39]。适宜种植密度有利于植物充分吸收光照、土壤、水分和营养物质，促进植物对重金属的吸收效率，诸多研究显示，密植能降低紫苏[38]、苎麻[40]、桑树叶[41]、桉树地上部[42]、向日葵叶[43]、紫苏茎叶[44]的重金属含量。栽培方式直接影响植株幼苗长势及根系重金属吸收量，进而改变重金属由地下向地上部的转运能力，直播栽培下紫苏根、籽粒Cd 含量分别较移栽高0.72、0.60 mg/kg。刈割能提高多年生、再生能力强的超积累植物的生物量，延迟其生育期，提高重金属吸收效率[39]。

2.4 替代种植

在轻中度污染农田，选择重金属低积累型作物品种，结合田间管理措施，能达到农作物安全生产利用的目的[9]。不同种类作物和同种作物不同品种对重金属的积累性存在差异[7,16]。豆科（大豆、蚕豆等）为低积累型作物，禾本科（玉米、小麦、水稻等）为中等积累型作物，十字花科（白菜、花菜等）、藜科、茄科（辣椒、茄子等）以及菊科（油麦菜）等均为高积累型作物[45]。种植低积累作物品种，配套增施有机肥等措施能明显降低土壤重金属含量[7,16]。目前，关于不同水稻品种对重金属吸收影响的研究较多，因为水稻极易吸收和累积Cd形成积累。水稻品种是水稻积累Cd的重要影响因素，常规籼稻籽实对Pb、Cd的吸附量明显高于杂交籼稻和常规粳稻[46]，保持系水稻稻草和精米中Cd含量高于恢复系[47]。从重金属污染区筛选生长有优势的作物品种是获得重金属超富集作物的有效途径[31]。对重污染农田，种植超积累高积累或超积累植物，如能源类植物、纤维类植物以及苗木花卉等，并配套土壤改良剂，可提高土壤的利用率[9,48-49]。

2.5 添加钝化物质

钝化物质能直接或间接改变重金属的存在形态，降低其迁移性、有效性和可利用性[2,6,17]。硅钙物质，如石灰、硅肥、硅酸钠等，多呈碱性，能提高土壤pH值，使土壤表明负电荷增加，进而吸附重金属阳离子能力也提高；同时通过与重金属阳离子形成难溶的氢氧化物或重金属碳酸盐、硅酸盐，使得土壤中重金属的活性和生物有效性降低。施入硅钙物质后，1～4 mm主要根际微域和非根际的pH 值提高，降低有效镉含量[49]；硅进入土壤使土壤外源可交换态、碳酸盐结合态Cd含量降低，而铁锸氧化物结合态、有机质结合态以及残渣态的含量则增加赵颖等[50]。黏土矿物类物质，如海泡石、膨润土、蒙脱石、凹凸棒、沸石等，能通过吸附、配位反应和沉淀等作用降低土壤重金属活性[2,6,17]。施用土重4%的海泡石时，土壤中Cd、Zn的水溶态含量分别可下降57.3%和41.4%，可提取态含量则分别下降42.8%和24.7%[51]。添加膨润土能显著降低黄壤、黄褐土和潮土的交换态Cd 含量，降幅依次可达19.44%、13.85%和5.03%[52]。单一施用黏土矿物钝化重金属效果有限[53-54]，与磷肥复配能有效降低油菜、萝卜、油麦菜可食部位Cd含量；与磷肥、硅肥复配能使糙米Cd含量降幅最大达72.7%[55]。

3 展望

（1）结合分子技术，培育替代品种。植物修复技术因成本低、不破坏生态环境等原因备受关注，但该技术受区域气候条件等影响明显[56]，且大面积种植非粮食作物，不符合中国人多地少、粮食自给压力大的基本国情，因此，探明植物对重金属的吸收、转移、富集、忍耐以及解毒的分子机制，并通过现代分子技术手段，培育高积累或超积累植物提高富集效率，或选育低积累或零积累粮食作物品种，阻断土壤重金属向作物运输。与此同时，加强高积累或超积累植物的资源化利用，避免富集金属形成二次污染的研究也亟待开展。

（2）联合多种措施，形成技术体系。现有研究显示，水肥管理、替代品种、耕作栽培方式、添加外源物质等均对土壤重金属含量有一定影响，但重金属污染土壤的修复是一个系统工程，单一修复技术很难达到预期效果。现有研究多在室内完成，室内环境变量小、因素可控，因而治理效果可观[56]；而农田治理实践中，土壤环境状况复杂，受外界影响明显，同时室内研究多为单一修复技术的应用，在复杂的外界环境中多种修复措施同时运用会导致修复效果的不确定性，因此，在典型重金属污染区，根据污染程度，研究多种修复措施同时施用时的修复效果，提出修复效果最佳时的农艺管理措施，形成重金属污染农田土壤修复技术体系势在必行。