我国土壤改良修复工程技术研究进展

2021-11-19 06:43王凯孙星星秦光蔚李红阳高波蔡彦虹
江苏农业科学 2021年20期
关键词:植物修复改良微生物

王凯 孙星星 秦光蔚 李红阳 高波 蔡彦虹

摘要:耕地是我国粮食安全的根本保障,由于农业生产等因素影响,我国部分耕地出现了不同程度的退化,主要表现形式为土壤盐碱化、酸化和重金属污染。针对土壤退化问题,需要采取物理措施、化学措施、生物措施等多种方法进行改良、修复。笔者对近年来我国土壤改良修复技术的相关文献资料进行分析,针对盐碱土壤、酸化红壤以及重金属污染土壤等不同退化类型,综述了土壤改良调理剂修复、耐逆适生作物栽培、微生物改良等技术,分析当前使用的土壤改良修复技术存在的问题,提出对未来土壤改良修复技术发展趋势的展望。

关键词:土壤退化;改良;修复;调理剂;植物修复;微生物

中图分类号: S156  文献标志码: A

文章编号:1002-1302(2021)20-0040-09

收稿日期:2021-03-08

作者简介:王 凯(1969—),男,江苏盐城,副研究员,主要从事生态农业以及耕地保护相关研究。E-mail:13851051048@163.com。

通信作者:蔡彦虹,女,北京人,农艺师,主要从事农业科技管理。E-mail:cyh0610@sina.com。

近年来,由于农业生产等人为因素影响,部分耕地质量发生严重退化,土壤酸化、盐渍化问题突出,作物土传病害发生日益严重。据统计,我国有1.3亿hm2耕地中有0.25亿hm2发生了不同程度退化,保障粮食安全的根本在耕地,为确保粮食安全,需要对耕地进行改良与修复。笔者查阅了近年来关于土壤改良修复相关文献资料,分析我国土壤退化基本情况、主要土壤改良工程技术、存在主要问题,并提出对未来土壤改良修复技术的展望。

1 我国土壤退化情况

我国目前耕地总体质量不容乐观,土壤退化现象较为严重。现有中低产田面积约0.927亿hm2,包括酸化红壤0.173亿hm2,盐碱地0.073亿hm2,低产沙化潮土0.080亿hm2,低产水稻土 0.040亿hm2,主要分布在黄河三角洲盐碱地、南方酸性红壤、北方干旱半干旱地区等区域。

我国盐碱地分布在东部沿海平原地区、淮海平原地区、东北地区、西北干旱带半干旱地区[1],主要表现为土壤可溶盐类含量较高,板结、通透性差,对植物生长产生直接抑制作用。长江口以北的江苏省、山东省、河北省、天津市、辽宁省等地滨海盐土面积达100万hm2,黄淮海平原的盐渍土约有13333万hm2,东北平原的盐渍土以松嫩平原最多,据统计东北3省共有盐碱土面积约320万hm2;西北地区的盐碱土壤约有200万hm2左右,分布在内蒙古河套灌区、宁夏银川灌区、甘肃河西走廊、新疆准葛尔盆地、塔里木盆地、吐鲁番盆地、青海柴达木盆地等地区。

土壤酸化指土壤胶体吸附了一定量交换性Al3+或交换性H+,促使土壤碱性盐基离子淋失,从而使土壤酸度增高的现象[2]。我国土壤酸化区域主要集中在华中、西南和华东沿海3个区域。由于煤、石油等燃料大量燃烧,过量施用氯化钾、硫酸钾、氯化铵等酸性肥料以及火山爆发、森林火灾等因素,导致酸性物质大量排放产生酸雨,酸雨中硫酸根离子和硝酸根离子等多种侵蚀离子沉降,致使土壤酸化[3]。南方广大红壤区生态环境遭到破坏,土壤肥力衰退,退化程度仅次于我国黄土高原地区[4]。土壤有机质减少很可能是红壤理化性质快速退化的原因,在湖南省祁阳市进行长期定位监测,发现土壤长期单施化肥 20 年后pH值由5.7下降至4.5[5]。目前,粤桂甘蔗产区、云南烟草产区等土壤酸化情況较为严重。

耕地受重金属污染造成退化已成为全球面临的重要问题,重金属污染的土壤不仅直接影响粮食等农作物产量与品质,还能通过食物链直接或间接影响其他生物。土壤重金属污染具有累积性、潜伏性、滞后性等显著特点,难以被治理[6]。我国耕地中重金属Cd的污染最为严重,其次为铬(Cr)、铜(Cu)、铅(Pb)、汞(Hg)、锌(Zn)、砷(As)、镍(Ni)、锰(Mn)等污染。我国西南部、中南部地区土壤重金属超标现象较为严重;其中,镉(Cd)、Hg、As、Pb  4 种重金属污染物含量从西北到东南、从东北到西南方向呈现逐渐升高的趋势[7]。耕地发生重金属污染的主要原因,包括长期依赖农药、化肥、农膜等以外,还有因化工产业、采矿挖掘等引发的流域灌溉水源输入性因素。据报道,Cd、Pb污染的土壤中对玉米籽粒中的蛋白质含量造成潜在影响[8],Pb污染土壤会对辣椒幼苗生长发育造成抑制[9]。

2 主要土壤改良工程技术

关于退化土壤的改良措施主要有物理措施、化学措施、生物措施和工程措施等方式,本研究主要针对盐碱地、酸性红壤和重金属污染土壤,综述了土壤调理剂、耐逆适生作物、微生物改良技术以及其他技术的研究进展。

2.1 土壤调理剂改良技术

我国土壤调理剂研究开始于20世纪80年代,具有改良土壤理化性质、改善微生物环境等优点,但目前针对其分类并没有明确规定。白博文等根据原料将其划分为天然无机物原料类、有机质原料类、废弃物原料类、天然高分子化合物类、人工合成改良剂、天然-合成共聚物类和生物改良剂。天然无机物类主要有石灰石、石膏、蛭石、珍珠岩、粉煤灰、沸石、麦饭石等,具有调节土壤pH值、吸附重金属、改良土壤结构等作用。天然有机物类主要有腐殖酸类、多聚糖类、纤维素和木质素类,具有提高土壤保墒保水性能和稳定土壤孔隙结构等作用。合成高分子材料类可分为阴离子型、阳离子型和非离子型[10],主要有聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚氨酯、聚醋酸乙烯、聚谷氨酸以及脲醛树脂等,合成过程中可以模拟天然胶结剂的分子结构和性质,黏结性较好,絮凝性强,能显著改善土壤的物理结构和性能。

盐碱土壤添加改良剂的目的是为了降低土壤的pH值和EC值,提高土壤有机质、水解氮、速效磷、速效钾的含量。石灰石、海泡石、沸石、脱硫石膏等无机物类改良剂在调节土壤pH值和EC值等方面具有积极作用;定期施用腐殖酸类、多聚糖类和木质素类等有机类改良剂可提高土壤有机质含量、调节土壤理化性质,显著增加作物产量;生物炭具有表面积大和多孔性的优点,能够改善盐碱土壤物理结构,增强水肥利用效率。当前诸多研究均将不同种类的土壤改良剂混合形成配方使用,对于土壤改良产生增效作用。姚强等研究发现,腐殖酸、脱硫石膏、菌渣等原料间的协同效应对滨海盐碱地具有良好的改良效果[11]。使用工业腐殖酸对新疆克拉玛依市红山湖周边盐碱地土壤进行了改良,能够降低土壤pH值,提高有机质含量,增加Mn、P和有效磷的含量[12]。

酸性土壤通常使用土壤改良剂进行改善。石灰是一种传统的酸性土壤改良剂,能够有效降低土壤交换性Al3+含量,从而改善土壤酸化。除石灰外,磷石膏、硼泥、白云石等工业副产物也被运用到酸性土壤改良中。徐智等提出,磷石膏和有机固体废弃物联合堆肥能够有效改善土壤酸化现象[13]。另外,农作物秸秆、粪肥等有机物料也可以提高酸性土壤pH值,提高土壤肥力[14,15]。近年来,研究发现生物炭能够显著提高土壤pH值,改良理化性质,提升作物产量和品质[16-17]。

土壤重金属污染主要通过钝化剂实现修复,使土壤中重金属的有效性和迁移性降低,从而降低重金属污染程度[18]。钝化剂按种类可分为无机类、有机类和有机-无机复合型3类。无机类钝化剂包括含钙类、磷酸类、硅酸类和金属类4种;有机类钝化剂包括污泥、有机堆肥等有机质和生物炭;有机-无机复合型钝化剂对重金属污染土壤的修复效果通常要优于单一类型的钝化剂。将生物炭和蒙脱石[19]、磷酸类[20]钝化剂配合使用,能够起到增效作用,大幅降低重金属迁移性和有效性,对土壤改良效果优异。常见土壤改良剂主要成分及功能见表1。

2.2 耐逆适生作物

植物与土壤存在着相互依存、互惠互利的关系,植物依靠土壤中的养分生存,土壤又能够通过植物保持健康状态。我国植物修复研究于1996年开始[33],主要分布在重金属污染治理、盐碱土壤改良等方面,近年来该领域论文发表数量呈现波动式增长态势,主要研究机构为西南科技大学、中国科学院大学和中国科学院南京土壤研究所等单位[34]。

耐盐植物的应用是盐碱地区植物改良的关键,可以有效汲取土壤中的盐分,但不会在体内形成盐分积累,能通过茎叶上的耐盐腺体将盐分排到植株外。传统的盐碱地改良作物,如白蜡[35]、柽柳[36]、沙枣[37]、碱茅[38]、胡杨[39]、紫穗槐[40]和枸杞[41],具有耐盐性强、抗逆性好等优势,可以有效改良土壤,经济价值较高,刘盛林等研究发现,在黄河三角洲盐渍化荒地上种植柽柳、白蜡,能够显著提高土壤磷酸酶活性和降低pH值[42]。当前,藜科、禾本科、菊科和豆科是耐盐作物中研究最多的科,其他种类如漆树科的盐肤木等乔木类在盐碱地改良中应用较好。

我国关于耐盐牧草的研究从20世纪80年代开始,吉林省农业科学院对碱茅属进行研究,发现碱茅属对盐碱土壤有较好的适应以及改良能力,目前在我国北方地区已广泛种植,取得较好的经济和生态效益[43]。辽宁省通过在盐碱地上种植细叶藜,不仅改良了土壤的理化性质,也为养猪业提供了优质饲料[44]。当前,耐盐牧草主要有禾本科和豆科2类,禾本科牧草代表性的有苏丹草、冰草、草地早熟禾、偃麦草等,豆科牧草研究较为广泛的有苜蓿类、苕子、田菁等。牧草资源是改良贫瘠盐碱化土壤的有效植物,具有耐盐抗旱、耐湿抗寒等诸多优点,具有较大的开发潜力。在盐碱地种植甜菜、高粱、棉花、水稻等抗盐农作物具有较高的经济价值。程知言等研究发现,耐盐水稻种植对滨海盐碱地改良具有良好的作用,可有效控制耕作层(0~20 cm)土壤盐度维持在较低的水平且保持稳定[45],同时水稻种植的特殊水田环境具有淋盐、洗盐和压盐作用。

另外,碱蓬是目前能在含盐量为3%的土壤中生存的极少数植物之一,在土壤改良、修复等方面具有极为重要的应用潜力。在新疆盐碱地上种植碱蓬和盐角草后,能够提高土壤脱盐率和含水量,降低土壤含盐量和有毒离子含量,改善土壤理化性质[46]。马蔺作为多年生鸢尾属植物,抗盐碱能力优良,适合大部分地区种植,观赏价值、生态价值和经济价值较高,当前在改良盐碱土方面的应用也成为研究的热点。主要盐碱地改良的植物类型和种类见表2。

重金属污染土壤采取植物修复法更接近自然生态,从经济投入、修复周期和避免二次污染等多方面考虑都是目前的最佳选择。目前,全世界发现的超富集植物超过400种,黑麦草、蜈蚣草、龙葵、东南景天、遏蓝菜等超富集植物是当前植物修复重金属污染土壤的研究热点,其中,蜈蚣草对砷的超富集作用被研究标志着植物修复技术在国内进入实际应用阶段。遏蓝菜是典型的重金属超富集植物,具有极高的重金属累积和耐受能力,可以在其地上部大量富集锌、镉等重金属。近年来,竹类植物在修复土壤重金属污染方面开始受到重视,据报道,雷竹、菲白竹、金鑲玉竹和白荚竹等对铜、锌、铅等重金属富集能力较强。一些外来入侵植物,如紫茎泽兰[58],因其对重金属富集能力强、适应能力强、生长速度快、生物量大,也可作为某些重金属污染地区的修复植物。与草本植物相比,木本植物特别具有生物量大、根系发达的特点,相关研究表明栓皮栎、梧桐[59]等乔木的适应性强,具有较强的重金属积累能力。主要重金属污染土壤改良植物见表3。

2.3 微生物改良

土壤微生物在土壤形成、能量转移、养分循环和生态系统长期稳定过程中发挥着重要作用[89],即使退化耕地中也存在着多种微生物类型,具有特殊适应性的“本土”微生物是改良盐碱土壤和重金属污染土壤的首选。

土壤微生物通过固氮或溶磷等机制为植物提供营养,对盐碱地等营养缺乏生态系统十分重要,微生物的添加可以显著增加土壤微生物多样性,可以调节土壤中蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶等有益酶的活性[90],降低丙二醛含量,达到改良土壤的目的[91]。微生物的代谢活动可以产生大量有机酸,降低盐碱地的盐碱程度。通过微生物的生命活动,还能增加植物营养供应或提供植物激素等调节因子[92],或拮抗土壤中的植物病原菌等。植物根际促生菌(PGPR)是目前微生物改良措施中应用最为广泛的微生物,有较多的研究结果证明PGPR能够提高植株的耐盐碱能力[93-95],并与植株联合作用改良土壤理化环境,具有成本低、效率高等显著优势。盐碱土壤中变形菌门、拟杆菌门和芽单胞菌门是最丰富的微生物种群[89],芽孢杆菌属和假单胞菌属是当前用于盐碱土壤改良中应用较多的微生物,枯草芽孢杆菌与金合欢、小麦联合作用能够显著改善盐碱土壤环境,提高金合欢与小麦的产量[89]。解磷真菌、丛枝菌根真菌与海滨锦葵联合作用对滨海盐土理化性质有显著改善(表4)。

近年来,植物与微生物联合修复重金属污染土壤的报道逐渐增多,主要通过筛选耐受性强的微生物菌株,在植物修复时接种该菌株,能很大程度强化植物修复效率[104]。朱岗辉等报道,放线菌PSQ、shf2和细菌Ts37、C13能够显著提高蜈蚣草累积砷的能力[105]。文一等发现,链霉菌(Streptomyces sp.)能够促使砷形态转化,增加砷生物可利用性,促进蜈蚣草对砷的吸收[106];巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)能促进青葙对镉的吸收和转化效率[107];荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)能够增强东南景天对锌、镉的富集程度[108];丛枝菌根真菌能改变土壤pH值和酶活性,增强植物对As的耐性和吸收效率[109](表5)。

2.4 其他技术

土壤改良和利用主要通过2个方面,一方面是改良土壤理化特性,另一方面是提高作物对土壤中非正常因素的耐受性。除土壤改良剂、耐逆适生作物和微生物改良外,还有一些化学改良措施、农业耕作措施、水利工程措施。

2.4.1 盐碱地改良技术

目前,国内关于盐碱地治理主要措施有引水种稻洗盐、淤灌压盐、围海造田、深翻窝盐、绿肥治碱、植树造林、养鱼治盐、压沙抗碱等[111]。部分研究采取咸水淡化的方法,利用机器设备对地下抽出含盐量较高的咸水进行淡化,然后用处理过的水灌溉土壤,并在地面保有一定深度水层,以溶解土壤中的盐分,再将溶盐后的水集中排出,从而减少土壤的含盐量[112]。另外,可采取工程措施改良土壤盐碱状况,主要包括暗管排盐技术和客土回填技术。在滨海盐碱地构建排水网络、隔离网络和调整土壤成分,能够有效地降低地下水位,改善土壤性状[113]。

2.4.2 重金属污染土壤改良修复技术

重金属污染土壤修复可以采用客土法/换土法、隔离法、热脱附、电修复、淋洗法、固定法等物理和化学技术。

客土法/换土法是指将受重金属污染的土壤采用表面覆盖、深耕翻土,或将受污染的土壤清除后用干凈新土回填[114]。另外,可以采用土壤隔离法对重金属污染严重且难以治理的土壤进行改善,利用防渗材料对土壤重金属污染区域进行分割、隔离,目的是阻断污染物向异地扩散的途径[115]。热脱附修复技术主要针对重金属汞,利用热传导或辐射方式对土壤进行修复,通过直接或间接加热从土壤中分离污染物,包括高温原位加热修复技术、低温原位加热修复技术和原位电磁波加热技术等。电修复技术是将电极插入受污染土壤,通过施加低直流电形成电场,使土壤中的重金属离子在电场作用下向负极迁移,并对富集在负极的重金属进行收集处理[116]。

化学淋洗修复是指用化学淋洗液与重金属污染物发生作用,将污染物与清洗液一起从土壤中分离的技术,可以分为原位淋洗和异位淋洗2种方式[117]。化学固定技术主要是利用固化剂对重金属的吸附、共沉淀或离子交换等作用来降低其可移动性和溶解性[118]。土壤中的重金属被固定后,可减少重金属的迁移和生物利用度,从而降低重金属毒性。主要的固化剂有硅酸盐、沥青、石灰、水泥、钢渣和堆肥等。

3 当前土壤改良技术存在主要问题及展望

当前土壤改良修复技术中,较多技术在理想化状态下表现较好,但在田间实际应用时,由于温度、pH值等外界干扰因素影响,会使诸多技术受到限制而无法实现土壤改良目的。

土壤调理剂在环境保护、研究推广等方面还存在一些问题,如天然材料的改良效果较为有限,工业副产物和高分子聚合物类对生态环境可能存在潜在风险。另外,在农业推广使用时,土壤调理剂的成本较高,难以大面积去推广使用。当前土壤调理剂的分类也比较模糊,缺乏统一标准。

植物修复技术具有广泛的应用和良好的发展前景,但该技术仍存在很多不足,如大部分植物修复还存在于试验阶段、植物单一耐受性、修复周期长、植物种类少、生物量低、植物联合修复技术还不够成熟等。重金属污染植物修复技术存在着修复效率较低、修复周期长的问题。客土法和换土法虽然见效快,但工程量大、投资高,且受污染的土壤迁移过程中容易发生二次污染。超富集植物种类较少,本身又具有生长慢、生物量小等局限性,难以大规模推广使用。

土壤是人类生存与发展的基础,土壤问题直接制约着农业长期可持续发展。我国耕地土壤面积有限,充分利用现有土地资源是确保粮食安全的基本保障,亟需对现有退化的土壤进行改良修复。黄河三角洲地区、西北灌区等地的盐碱地是我国重要的后备耕地资源,由于技术因素制约,土壤改良一直以来是一项极为艰巨的工作。新形势下,盐碱地绿色低碳改良技术、耐盐粮食作物与特色抗逆作物适应性种植技术、多水源联合利用技术、水盐智能监测调控技术等减缓盐渍障碍的土壤改良修复关键技术的研究显得尤为重要。针对我国酸化红壤的土壤酸瘦、耕层浅薄、作物产量较低等突出问题,应该大力推进生物改良与有机阻控技术、增氧降酸技术,筛选耐酸耐铝作物新品种、研发多功能生物技术,构建适合酸性红壤的生态保育综合集成技术。针对中低产田块,应该加大秸秆还田力度,推进生物炭等有机质施用,打破中低产田土壤生物障碍消减机制。重金属污染土壤应该以多措并举的方式,以生物改良为基础,辅以物理措施和一定的化学措施,促使土壤尽快恢复,保障人民粮食安全。土壤改良技术是土地可持续利用的科技支撑力量,是当前较为紧迫的社会需求。在土壤改良方面应该注重优质、高效、低成本和环境友好型等方面,同时具有保水保肥、改善土壤理化性质等功能。

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