污灌區土壤的可持續利用研究
——以沈陽張士污灌區植物修復研究為例

袁文靜，單子豪

（沈陽師范大學生命科學學院，沈陽 110034）

一直以來，土壤環境質量的改善與修復是國內外普遍關注的熱點問題。美國、日本、澳大利亞和歐盟等近年來都逐步制定了土壤修復計劃，并重點研發土壤修復技術。我國也采取了一系列土壤修復與整頓措施，預計到2020年，受污染耕地的有效利用率可以達到90%左右。對于傳統的物理、化學和工程措施等修復方法，國內外已有大量研究，但當前采用玉米等植物修復土壤的重金屬低積累強化措施研究國內鮮少報道。本文主要研究了品種差異對玉米重金屬積累的差異，分析了硅肥和硒肥施用對玉米重金屬積累的調控效果。其間選用低積累品種并噴施葉面肥，以降低玉米對重金屬的積累效果，修復污染區土壤，使之達到標準水平，實現污灌區土壤的安全利用。

1 案例分析

1.1 現狀分析

張士污灌區位于沈陽西部，是我國主要的重金屬污灌區之一，曾引沈陽西部工業區廢水和生活污水并以少量渾河水稀釋后進行灌溉。1983年，污水灌溉區水田改為旱田，停止污灌并以地下水進行灌溉，當地至今仍存在嚴重的土壤重金屬污染問題[1]。污水灌溉區改水田為旱田后，玉米成為暴露在重金屬污灌區的主要農作物之一。目前，我國玉米播種面積超過4 000 萬hm2，年產量約2.6 億t，是我國播種面積最大、產量最高的作物。

一些研究表明，施肥可以降低農作物中的重金屬含量。研究發現，無機磷肥的施用可使玉米根系中Cd、Pb、Cu 和Zn 分別降低85.0%、74.3%、66.3%和91.9%[2]；施用糞肥后，土壤pH、陽離子交換量和腐殖質含量升高，使重金屬生物可利用性降低[3]。除傳統的有機、無機肥料外，一些功能性肥料具有額外的降低農作物重金屬含量的作用。例如，施加硅肥后，土壤中會生成不溶的金屬硅酸鹽而沉淀下來，降低土壤的可交換態重金屬含量[4]。本文以土著植物玉米為研究對象，探究其對污染土壤的植物修復機制。

1.2 材料與方法

本試驗供試植物分為兩大類，即普通玉米和糯玉米。普通玉米有7 種，包括先玉508、碩達海禾48、佳和301、錦玉118、沈禾201、先玉335 和沈海509。糯玉米有三種，包括丹糯6 號、京科糯2000 和富粘1 號。試驗玉米種子基本信息如表1所示。

表1 試驗玉米種子基本信息

將10 種玉米品種播種于遼寧省沈陽市于洪區大青中朝友誼鄉余糧村（N41°44′24.30″，E123°17′30.15″）的農田中。經測定，該地區土壤基本性質如表2所示。該場地距離工業區廢水與渾河混合閘約300 m，是整個張士灌區污水的最上游。重金屬分析結果顯示，此地段重金屬尤其是Cd、Cu 污染十分嚴重，高于整個污灌區平均水平，土壤呈弱酸性。

表2 供試土壤的部分理化性質

1.3 肥料和施用方法

首先對土壤施用基肥（氮、磷、鉀比例為27:15:13），拔節孕穗期追肥一次，每個玉米品種設置4 組重復，培育至玉米成熟。

在玉米種植2 個月后開始第一次葉面噴施肥料，再10 天后開始第二次葉面噴施，噴施方法與其他學者所作研究相似[5-6]。本研究選擇在玉米授粉前施肥兩次。玉米分別種植于相近的4個地塊，分別標識為A、B、C、D。其中，A 為對照不施用葉面肥，B 為硅肥（有效濃度為33.5 mg/株，噴施濃度為0.67 g/L），C為硅肥和硒肥混合肥料（硅肥有效濃度為16.8 mg/株，硒肥有效濃度為1.7 mg/株），D 為硒肥（有效濃度為3.3 mg/株，噴施濃度為0.03 g/L）。

1.4 結果收集與分析

玉米籽粒洗凈烘干后，用研缽研磨后過100 目篩，用電熱消解法消解，用DRE 電感耦合等離子體原子發射光譜儀（ICP）測定Cr、Cu、Ni、Cd、As、Se 的含量。試驗所用試劑均為優級純，試驗用水為超純水，試驗器皿均保證清洗干凈并在20%硝酸溶解中浸泡后使用，試驗結果保證樣品回收率均在85%～110%，質量控制結果符合國家標準。

數據采用SPSS 21 軟件進行分析，采用Duncan 檢驗方法檢測差異顯著性，采用OriginPro8.6 軟件作圖。

1.5 修復植物的安全性評價

玉米籽粒中Cr、Cd、As 的標準采用食品安全國家標準食品中污染物限量《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017）標準值為1.0 mg/kg、0.1 mg/kg、0.5 mg/kg；Cu、Se 的標準采用《糧食（含谷物、豆類、薯類）及制品中鉛、鎘、鉻、汞、硒、砷、銅、鋅等八種元素限量》（NY 861—2004），Cu 的標準值為10 mg/kg，Se 的標準值為0.3 mg/kg；Ni 的標準值采用1994年經全國食品衛生標準分委會評審通過的內控標準，Ni 的標準值為0.4 mg/kg[7]。以《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）中農用地土壤污染風險管控標準中的篩選值為標準，供試土壤的Cu、Cd 含量均超標，Cd 含量甚至超過了管控值。由于該地土壤呈弱酸性，不施用硒肥時除部分品種中的As 含量外，各重金屬含量均超標。硒肥雖然能降低玉米籽粒中的Cd 含量，但并不能將其降低至安全水平，所有品種中Cd 含量均超標。

為了比較不同污染物的污染程度，本研究采用污染指數法評價土壤和玉米中的重金屬污染程度，污染指數的計算公式為：

式中，Pi為土壤和玉米中污染物的污染指數；Ci和Si分別為污染物i的實測含量和標準含量，單位均為mg/kg。若污染指數大于1 即為污染，小于1 即為未造成污染。

在單因子污染指數的基礎上，采用內梅羅綜合因子指數法對土壤和玉米進行重金屬污染評價，計算公式為：

式中，P綜為綜合污染指數；Pmax和Pave分別為各重金屬污染指數中的最大值和平均值。

計算得到該地區土壤綜合污染指數達到25.2。試驗得出各試驗組中各品種玉米中重金屬的綜合污染指數如表3所示，試驗得出葉面施用硒肥可將綜合污染指數降低29%～47%。施用硒肥后，對于品種丹糯6 號，Cr、Cu、Ni、As 四種重金屬含量均不超標。

表3 各試驗組中各品種玉米中重金屬的綜合污染指數

1.6 結果處理

利用SPSS 軟件，對不同施肥情況、不同玉米品種的綜合污染指數做多因素方差分析，主體間效應的檢驗結果顯示，各種施肥情況間差異均顯著（Sig.=0.000），而不同肥料間差異不顯著（Sig.=0.731），說明各品種玉米積累重金屬對肥料的響應值不盡相同，而肥料對各品種玉米積累重金屬的影響趨勢是一致的。

2 結果討論

張士灌區及其他來自冶煉采礦三廢排放的土壤所受嚴重污染，重金屬含量超標，土壤pH 又較低，容易引發農作物食品安全問題，而肥料及其他改良劑的施用可有效緩解該問題。通過大田試驗，筆者發現，葉面噴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，而噴施硒肥可以有效地降低玉米中這些重金屬的含量；肥料對各品種玉米積累重金屬的影響趨勢是一致的，即硒肥可以穩定地降低各品種玉米對重金屬的富集，葉面施用硒肥可將綜合污染指數降低29%～47%。

大量研究表明，施加硒肥能夠降低作物可食部中重金屬的含量[8-10]。這一結論在此案例中也得以印證，葉面噴施硒肥，可以穩定地降低玉米籽粒中重金屬的含量。同時，施用硒肥可以生產經濟價值較高的富硒玉米，因為硒肥對Cr、As 等重金屬有解毒作用[11-12]。盡管也有些研究表明，硅肥的施用可以降低許多作物中Cd、Pb、As、Cd 等重金屬的含量，但在本研究中除As 外并未普遍發現該結論[13]。由于文獻中有效的硅肥多為土施肥料，而硅肥可以改變土壤中重金屬的生物可利用性，同時可以阻止作物根系對其他重金屬的吸收，判斷Si 對重金屬積累的影響效果可能與施肥方式有關[14]。但是，劉永賢等研究發現，噴施葉面硅肥可有效降低所有品種稻米中的重金屬Cd 含量，而噴施葉面硒肥只能降低部分品種稻米中的重金屬Cd 含量[15]。故噴施葉面硅肥的影響也與農作物品種有關。

不同品種玉米積累重金屬的能力不同，施肥對不同品種玉米重金屬積累能力的影響也不同；在Cr、Cu、Ni、As 濃度較高的土壤中，可種植丹糯6 號玉米，并通過葉面噴施硒肥（有效濃度為3.3 g/株，噴施濃度為0.03 g/L），既可以控制重金屬Cr、Cu、Ni、As 的含量，又可生產經濟價值較高的富硒玉米；張士灌區Cd 為主要的污染物，葉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 濃度達標，人們需對該地塊進行土壤修復或結合其他強化低積累的方式。

3 研究方向展望

從國內外對植物修復技術研究現狀來看，其應用和發展具有很大的前景。本文認為以下幾個方面的研究應予以加強和深入。

一是深入植物修復土壤的機制研究，加強復合型修復植物的篩選工作。植物物種抵御性強，對土壤污染源具有較強的選擇性，很難在多種污染地上應用，但土壤環境多為多種污染源復合污染，因此具有復合功能的植物篩選研究有待進一步開發。二是加強現有土壤修復植物的育種和馴化，提高其生物量和生長速率，加快其修復效率。三是結合分子生物學的轉基因技術，將修復植物的耐受基因和超富集性狀的調控基因轉入普通植物體內，改善植物生長特性，最終雜交得到修復型基因工程植物[16]。四是開展多種植物聯合修復，喬木灌木草本優化搭配，修復植物和農作物通過農業措施合理配置，構建高效的生態修復群落。

五是開展對修復植物的回收利用、安全填埋和資源化利用方面的研究，使其最大程度地發揮功效，避免二次污染。六是研究微生物聯合植物修復，探索植物根圈、根際微生物對植物修復的作用。關鍵環節是篩選降解能力強的菌根真菌和共生植物，有效運用能促進植物生長的根際細菌或真菌與植物的結合，實現根際強化技術和微生物-植物協同修復技術的創新。七是植物型土壤修復劑的開發與應用。植物根系分泌物的有機酸、螯合劑等能夠合成添加劑以修復土壤。城市污泥、橄欖油廢渣等也是很好的植物修復材料。充分利用植物特性，開發可生物降解的螯合劑具有相當大的發展潛力。

4 結語

由玉米栽種試驗案例可見，植物修復技術可以達到污染土壤可再生利用的目的。本試驗所選樣品中，丹糯6 號栽培并加以噴施硒肥能產出符合國家標準的富硒玉米，試驗所選產物玉米是當地土著作物，具有較高的適應性，存活率不易受土壤之外的其他因素干擾，利于試驗的分析。此外，玉米目前在我國播種面積超過4 000 萬hm2，年產量約2.6 億t，是我國播種面積最大、產量最高的作物[17]。玉米種植有很多優點，耕作簡單，地域分布廣，極大地促進了我國農業的發展。與物理、化學、微生物等修復技術相比，該技術可以在修復土壤的同時凈化空氣與水體，改善生態環境，其成本比物理、化學修復方法要低很多。當然，植物修復也存在不少問題，如修復周期長、修復植物對污染源的強選擇性、可選植物有限等。