植物修复重金属污染土壤的研究现状及其水肥调控技术展望

喻渊明

（湖南艾布鲁环保科技股份有限公司，湖南 长沙 410007）

当前，由于在农业生产中化肥农药的应用量不断增加，以及矿产资源不合理开发利用的现象日渐加剧；还有污水灌溉问题的持续出现，以及城镇化建设及工业化建设进程的深入推广，导致重金属污染土壤的问题越来越严重。因此，修复重金属污染土壤具有重要意义。而在重金属污染土壤的修复技术中，植物修复技术属于常用的技术之一，该技术能有效减少污染物质在土壤系统中的富集和迁移，非常有利于土壤系统恢复正常的应用性能。

1 重金属污染土壤现状

土壤是农业生产发展及人类生活生存的重要资源之一，且土壤质量直接关系到环境保护、资源利用、粮食安全等多项问题。而自20世纪20年代以来，采矿行业及冶金行业快速发展，大幅度提高了全球的金属产量，但重金属污染土壤问题也随之出现。具体来讲，人类的各项生产活动会将重金属污染物质带入到土壤系统中，从而使土壤的物理特征、化学特征以及微生物环境发生变化，最终导致土壤中的重金属含量超标，从而引发土壤质量下降等问题。

据统计，我国每年的重金属污染土壤已达到2 000万hm2，占据耕地面积的1/5；且每年由于重金属污染土壤问题而导致的粮食减产达到了1 000万t，而受到重金属污染土壤影响的粮食总量达到了1 200万t，造成的经济损失达到了200亿元。由此可见，重金属污染土壤问题十分严重，不但降低了土壤的质量，还影响了农作物的产量和品质[1]。此外，重金属污染土壤还会随着淋洗作业、径流活动渗入到地下水系统、地表水系统，从而污染地下水、地表水，最终通过食物链对人类健康造成威胁。

2 植物修复重金属污染土壤的研究现状

2.1 重金属污染土壤植物修复技术

2.1.1 基本植物修复技术

植物修复是指通过植物吸收、转化、挥发、降解等作用，实现对环境污染的治理[2]。通常，基本重金属污染土壤植物修复技术主要包括：植物稳定修复、植物挥发修复、植物提取修复、植物过滤修复。其中，植物稳定修复，是通过种植植物将土壤中的重金属污染物质转换为污染水平较低的物质，从而有效减小污染物质的毒害作用以及生物有效性，因此，该技术适合应用在尾矿区、废气矿山等重金属污染物质含量较高的土壤修复中；而植物挥发修复，是通过种植植物将土壤中的重金属污染物质转化为气态，并从土壤中挥发出来，例如，该技术可将土壤中的Se转换为Se（NH3）2；植物提取修复，是通过种植植物将土壤中的重金属污染物质吸收出来，并富集在植物上部（茎叶部分），随后集中处理种植的植物，这样能有效降低土壤中重金属污染物质的含量；植物过滤修复，是通过种植植物将土壤中的重金属污染物质吸收和吸附，因此，该技术适合应用在石油天然气生产作业的土壤修复中。

植物修复技术在重金属污染土壤修复中的应用优势在于：应用成本较低，适合大面范围应用；操作技术较为简单，对操作人员的技术能力要求较低；不会对修复场地造成破坏，整体修复过程较为安全、合理、可靠、科学；且经过修复后的土壤可用于农作物种植，从而达到了重金属污染土壤修复的最终目标。

2.1.2 超积累植物修复技术

超积累植物修复是指通过种植超积累植物的方式来解决重金属污染土壤的问题[3]。超积累植物主要是指能同时积累一种或一种以上的重金属污染物质的植物，基本特征如下：植物上部能积累的重金属污染物质含量为普通植物的100倍；且植物上部能积累的重金属污染物质含量明显超过根部；植物对于重金属污染物质的耐性较强，即植物生长不会受到重金属污染物质的过多影响。目前，各国学者发现的超积累植物多达500种，但将近70%为Ni超积累植物，可见其他重金属污染物质的超积累植物相对较少；超积累植物涵盖了20多个科，以十字花科为主。由于我国对超积累植物修复技术的研究起步较晚，截至目前发现的超积累植物不到10种，主要有长柔毛委陵菜（针对Zn）、宝山堇菜（针对Cd）、东南景天（针对Zn、Cd）等。

2.1.3 耐性植物修复技术

耐性植物修复是指通过种植耐性植物的方式来缓解土壤重金属的污染情况。耐性植物主要是指其对重金属污染物质的耐性较强，且在重金属污染土壤的环境下依然能正常生长，基本特征如下：植物自身积累重金属污染物质的含量并不高，但能吸收土壤中大量的重金属污染物质；植物根部能积累的重金属污染物质含量明显超过上部；而植物上部能积累的重金属污染物质含量与普通植物相近。目前，发现的重金属污染土壤修复效果较为显著的耐性植物包括香薷、龙葵等。其中，香薰为唇形科香薰属，能够吸收Ni、Co、Pb、Cu、As等多种重金属污染物质；而龙葵为茄科茄属，吸收Cd的效果十分显著，且植物上部Cd的富集系数超过了1，已经达到了Cd超积累植物的临界含量标准[4]。

2.2 重金属污染土壤植物修复水肥调控技术

在实际应用过程中，尽管重金属污染土壤植物修复技术具有十分显著的修复效果，但依然存在不足之处：如种植植物的生长周期及效果会受到土壤环境、气候条件等多种因素的限制，容易导致植物修复效率低下；种植植物中的大部分只针对某种或几种重金属污染物质具有显著的积累效果，但污染土壤中的重金属物质类型较为丰富。因此，为了科学有效应对上述问题，提高重金属污染土壤植物修复技术的应用效果，需采取有针对性的重金属污染土壤植物修复水肥调控技术，具体分析如下。

2.2.1 栽培管理

与普通植物相同，重金属污染土壤修复植物需经过一定的生长周期。因此，为了确保种植植物的生长效果以及重金属污染土壤的修复效果，在种植期间需采取一定的栽培管理措施，例如育苗、除草、间套作、轮作、耕翻和整平、应用种子包衣技术、调节土壤pH值等。因考虑到大部分金属污染土壤修复植物为野生植物，所以种植人员对这些植物的生长习性了解相对较少，再加上野生植物不利于栽培的基本特征，导致目前尚未形成成熟的栽培管理技术以及规模化栽培管理模式，只能通过不断的栽培管理实验，才能选择在重金属污染土壤修复中应用的植物。同时，可通过已知的栽培管理技术来改善植物生长的土壤、光照、水分、温度等条件，以尽量提高植物吸收和处理重金属污染物质的能力。此外，在无法确保金属污染土壤修复植物栽培管理效果的情况下，应用病虫害防治技术十分必要，具体方式为合理施加农药[5]。

2.2.2 水肥管理

水肥管理是指满足种植植物对于水分和肥料的需求量，从而推动植物健康生长，以达到有效修复重金属污染土壤的目的。但在实际种植过程中，不同的植物、不同的生长阶段对水分和肥料的需求量不同，例如，处于苗期、花期的植物对水分和肥料的需求量普遍较大，这主要是因为此阶段的植物蒸腾强度达到了峰值水平。但大部分重金属污染土壤修复植物处于土壤肥力较差、质量较低、持水能力较差的土壤条件下，尽管此类型植物自身具备良好的抗干旱能力、重金属污染物质耐性，但对于水肥管理依然有一定要求，因此，只有科学有效的水肥管理方式才能提高种植植物的重金属污染土壤的修复效果[6]。例如，适当对种植植物施加磷肥，不仅可以提高植物的干物质产量，还可以提高植物对重金属污染物质的积累和向上的运输能力。

3 植物修复重金属污染土壤水肥调控技术的应用展望

3.1 研究水肥调控技术对土壤物理特征的影响

通常，水分和肥料决定了重金属污染土壤修复植物的生长质量，控制了土壤中养分物质的迁移和反应，因此，会对重金属污染物质的吸收和处理的数量与程度、土壤水气传输速率、土壤水汽分布等因素产生影响，进而导致土壤物理特征变化及转换，所以要持续研究水肥调控技术对重金属污染土壤物理特征的影响，并通过土壤的物理特征来提高植物修复重金属污染土壤的效果。具体来讲，在重金属污染土壤中，金属污染物质的离子含量及浓度相对较高，且这些离子在空气氧化作用、雨水冲刷的影响下，会与土壤中的营养物质产生物理反应，然后转换为络合物，从而改变了土壤颗粒团聚体结构、空间几何构型、孔隙结构，也降低了土壤对于水分和肥料的传输能力。此外，金属污染物质离子还会在水分下渗、雨水冲刷的影响下，与土壤颗粒、本底化学元素产生物理反应，从而改变土壤的物理特征[7]。

3.2 研究水肥调控技术对土壤化学特征的影响

科学应用水肥调控技术、水肥管理措施，能有效改变重金属污染土壤的有机质含量、氧化还原电位、pH值等化学特征，因此，相关技术人员要持续研究水肥调控技术对重金属污染土壤化学特征的影响，从而为重金属污染土壤修复植物的健康生长提供良好环境[8]。具体来讲，化肥中的C1-、SO42-、K+等物质会增加重金属污染土壤中的有机质含量，而合理控制化肥施加量也会提高土壤中重金属污染物质的交换状态。因此，科学合理施肥不但能增加种植植物吸收和积累重金属污染物质的能力，还能提高种植植物对重金属污染物质的耐性，这非常有利于帮助种植植物抵御重金属污染物质带来的负面影响。而水分能调节重金属污染土壤的氧化还原电位、pH值，如当土壤pH值升高之后，土壤表面负电荷对正电荷的吸附能力会随之升高，同时会产生CdCO3等沉淀物，最终降低了重金属污染物质的活性。

3.3 研究水肥调控技术对土壤微生态环境的影响

科学的水肥调控技术及水肥管理措施，能有效对重金属污染土壤中微生态群落的多样性产生影响，因此，需持续研究水肥调控技术对重金属污染土壤微生态环境的影响，从而通过推动土壤微生物生长的方式来影响植物根系分泌物的产生，最终提高种植植物的生长质量以及土壤修复的效果。具体来讲，水分和肥料能改变重金属污染土壤的结构，从而能为微生物繁殖及其生长提供更加有利的条件，使其不但能为种植植物的生长提供天然生态环境，还能够参与到重金属污染物质的处理及土壤修复中，从而将重金属污染物质转换为低毒产物。通常情况下，微生物能可与多种土壤污染物质产生氧化反应，例如，可将自养细菌硫-铁杆菌类转换为As3+、Cu+、Fe2+等物质，将假单孢杆菌转换为As3+、Fe2+、Mn4+等物质，但当细菌数量减少之后，包括重金属在内的土壤污染物质含量自然也会降低。

3.4 研究水肥调控技术对土壤污染物迁移的影响

科学的水肥调控技术及水肥管理措施，也能改变重金属污染土壤污染物的迁移，因此，需持续研究水肥调控技术对重金属污染土壤污染物迁移的影响，从而提高重金属污染土壤修复植物的修复效率和质量。具体来讲，重金属污染土壤污染物会随着水分和肥料的运动而迁移，从而改变重金属污染物质在土壤中的分布。但过去关于重金属污染土壤污染物迁移的研究主要集中在单一影响因素下，例如，有研究证实含磷肥料中的磷酸根能与土壤中的重金属污染物质生成磷酸盐化合物，从而会形成固化和稳定的污染物质，但并没有深入分析水肥条件对上述过程的影响。经相关实践证明，过量的水分和肥料可能会导致金属污染物质在土壤中向下层迁移和扩散，从而造成新的污染；而过量的化肥也会导致地表水环境富营养化以及农业面源污染[9]。

3.5 研究植物修复金属污染土壤水肥调控效应机制

现阶段，关于植物修复金属污染土壤水肥调控效应机制的研究基本都是在实验室进行的，导致制定的水肥调控机制并不符合具体的实际情况，主要是未考虑到复杂多变的土壤环境及矿区土壤现状，这使得水肥调控措施难以大规模应用，因此，相关技术人员要持续研究植物修复重金属污染土壤的水肥调控效应机制，从而为重金属污染土壤植物修复技术的推广应用提供技术支持。具体来讲，可根据实验室和实地的共同研究，总结植物修复重金属污染土壤的效果与水肥调控效技术应用之间的关系，同时，只有了解各项技术之间的效应机制，才能实现对水分和肥料资源的充分应用，才能做到结合土壤的修复效果以及种植植物的生长状态变化，来采取有效的水肥调控效措施。

除了水肥调控效技术，重金属污染土壤植物修复技术还包括化学技术、物理技术、生物技术等，但水肥调控效技术与其他技术的联合应用将是植物修复金属污染土壤工程的必然发展趋势。但实际情况是相关的实验室和实地的研究大多围绕水肥调控效技术展开，且关于水肥调控效技术与其他技术联合应用的研究相对较少。因此，只有强化对重金属污染土壤植物修复联合技术的应用，才能实现对种植植物生长过程及修复效果的有效控制，且逐渐形成科学的联合修复技术体系、适合金属污染土壤修复的最佳水肥调控模式，进而才能发挥出多种技术的联合修复能力。

4 结语

综上所述，相关部门需做好对重金属污染土壤的植物修复工作，并采取科学有效的水肥调控技术，才能获得理想的修复效果。常见的重金属污染土壤植物修复技术包括基本植物修复技术、超积累植物修复技术、耐性植物修复技术；常见的重金属污染土壤植物修复水肥调控技术包括栽培管理、水肥管理。其中，植物修复重金属污染土壤水肥调控技术会随着土壤修复技术的研究创新发展，转向研究水肥调控技术对土壤的物理特征、化学特征、微生态环境、污染物迁移的影响方向发展。