土壤鎘修復(fù)的效應(yīng)及其調(diào)控技術(shù)

吳數(shù)誠

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)熱帶亞熱帶生態(tài)研究所，廣東 廣州 510642；2.農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，廣東 廣州 510642；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)廣東省高等學(xué)校農(nóng)業(yè)生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境重點實驗室，廣東 廣州 510642）

1.土壤Cd污染現(xiàn)狀及危害

1.1 土壤Cd污染現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，在20世紀(jì)80年代我國Cd污染土壤約為9.33×103公頃，于90年代初增至約為1.3×104公頃，全國共11個省25個地區(qū)的農(nóng)田受到不同程度的Cd污染。21世紀(jì)初以來土壤Cd污染日益加劇，在2005年我國Cd污染土壤已增至約為2.8×104公頃。2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》研究顯示，全國將近有2000萬公頃面積的土壤重金屬超標(biāo)，其中Cd的點位超標(biāo)率達(dá)到7%。而土壤重金屬污染也會直接影響蔬菜中的重金屬含量，據(jù)2000年農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計，蔬菜中Cd等污染超標(biāo)率達(dá)到了23.5%。

1.2 土壤Cd污染來源

環(huán)境中的Cd主要源于兩個部分，一部分是自然界土壤存在的背景值，我國土類Cd背景值的含量變化范圍在0.013~0.332mg/kg，占土壤Cd含量的較小部分。另一部分是人為因素引入，且工業(yè)革命后人為來源急劇上升，Cd的釋放占環(huán)境中90%以上。據(jù)統(tǒng)計，我國未經(jīng)處理的污水年排放量在300~400億噸，灌溉總面積的45%是用工業(yè)污水所灌溉的。1979年我國污水灌溉面積約為3×105hm2，而到了20世紀(jì)80年代污水灌溉面積則超過了1.3×106hm2，20世紀(jì)90年代污水灌溉面積則達(dá)到了3.6×106hm2。不合理使用化肥也會使土壤中Cd含量增加。

1.3 土壤Cd污染對人體的危害

土壤中Cd主要通過植物提取，含Cd的植物經(jīng)加工變成煙絲或者食物，再通過吸煙或者食物鏈進入人體內(nèi)，低劑量的Cd暴露大概會在人40至50歲后才表現(xiàn)出明顯的損害癥狀。主要表現(xiàn)為以骨骼和腎臟為主的器官損害，或者表現(xiàn)為慢性疾病和死亡的潛在影響。

1.4 土壤Cd污染對植物的危害

當(dāng)植株體內(nèi)的Cd含量超過其適應(yīng)范圍時，植物會出現(xiàn)明顯的損傷癥狀，如葉片萎黃和卷曲、葉子偏上性生長、生長萎縮、壞死、根尖褐變，最后導(dǎo)致植株死亡；Cd的累積會抑制植物體內(nèi)酶的合成、游離自由基的形成和超微結(jié)構(gòu)的改變，如葉綠體超微結(jié)構(gòu)等，降低了植物光合作用的效率； Cd會影響植物對土壤中的重金屬吸收的效率及分配的平衡，導(dǎo)致植物中礦物質(zhì)養(yǎng)分含量減少。

2.土壤Cd污染修復(fù)技術(shù)

根據(jù)Cd富集土壤的現(xiàn)狀，修復(fù)思路一般有2種，一是直接將土壤中的鎘分離出來，減少土壤中鎘的含量；二是改變土壤中Cd的形態(tài)，降低Cd的可遷移性及生物有效性。目前，國內(nèi)外常見的Cd污染土壤修復(fù)技術(shù)主要有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)等方法來降低土壤Cd含量。

2.1 物理修復(fù)技術(shù)

物理修復(fù)方法主要有土壤置換法、電動修復(fù)、玻璃化法和熱化法。

土壤置換法包括換土、客土、深耕等，用未受污染的土壤置換已污染土壤，從而降低作物可接觸土壤中的污染物濃度，達(dá)到保護作物的目的。電動修復(fù)是在鎘污染土壤中插入石墨電極，施加以穩(wěn)定電場，使土壤中的鎘離子定向遷移至電極，是后富集處理的過程。玻璃化法是通過高溫處理將土壤中的重金屬融化，使其冷卻后形成堅硬的玻璃狀物質(zhì)，再將其從土壤中分離。熱化法是對土壤中的重金屬進行加熱，使其受熱揮發(fā)后再對其進行收集處理。

2.2 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)修復(fù)包括淋洗法和化學(xué)固定法。淋洗法是根據(jù)土壤中的重金屬與化學(xué)淋洗試劑產(chǎn)生的離子交換、沉淀等化學(xué)反應(yīng)，將重金屬離子從土壤中淋洗出來?；瘜W(xué)固定法是向土壤中加入固定劑，將Cd固定在土壤中，達(dá)到修復(fù)目的。

2.3 生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)一般可利用植物、動物和微生物進行修復(fù)。植物修復(fù)是指在污染土壤上種植對重金屬具有較高耐受性，且不會受Cd富集而影響正常生理代謝的作物，對土壤中的Cd進行吸收或固定，從而降低土壤中Cd的有效濃度。動物修復(fù)技術(shù)是指通過低等動物，在其生活的土壤環(huán)境中進行的一系列生理代謝活動，改變土壤中的Cd存在形態(tài)或?qū)⒅亟饘僭馗患隗w內(nèi)，以達(dá)到修復(fù)土壤的目的。微生物修復(fù)是指通過土壤中如細(xì)菌等微生物的代謝產(chǎn)物減少土壤中的Cd的有效性。

3.影響土壤中Cd活性的因素

3.1 土壤pH

土壤pH值是影響植物吸收Cd的主要的環(huán)境因素，可以顯著影響土壤中鎘的有效性及形態(tài)分布。向Cd污染農(nóng)田中施加純化劑如石灰、生物炭等，通過增加土壤pH值從而減少鎘的有效性，降低了作物對鎘的積累。

3.2 土壤有機質(zhì)

土壤有機物中的腐殖質(zhì)中含有大量的官能團，對Cd2+具有較強的吸附能力，同時也可與Cd形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而使Cd的有效性降低。EDTA與Cd配合分解了土壤吸附的Cd而又在根際釋放出自由態(tài)離子，增加了植物對Cd的吸收。

3.3 土壤陪伴離子

植物對Cd的吸收受相伴離子的影響。氮、磷、硫、鉀、鈣、鎂、鈉等營養(yǎng)元素可以影響植物的基因表達(dá)、酶系統(tǒng)、新陳代謝等活動，同時，還可以影響植物對鎘的吸收。鉀、鈣、鈉、鎂等伴隨陽離子可與鎘競爭植物根系的吸收位點，降低根系對鎘的吸收。Cl-能降低土壤對鎘的吸附，與鎘形成可溶性簡單配離子CdCl+，從而促進植物對鎘的吸收。

4.土壤調(diào)理劑對Cd遷移轉(zhuǎn)化的影響

4.1 生物炭對Cd遷移轉(zhuǎn)化的影響

生物炭是指由生物質(zhì)能原料經(jīng)過高溫?zé)峤舛a(chǎn)生的富炭物。生物炭對土壤中的Cd有較強的吸附能力，是因為其具有多孔結(jié)構(gòu)、且富含堿性官能團等特點。有研究發(fā)現(xiàn)糞便生物炭和植物殘渣熱解產(chǎn)生的生物炭對Cd的吸附量不同，另外，生物炭可作為鈍化劑，通過降低土壤中Cd的有效性，從而減少Cd被植物根系所吸收。

4.2 PASP對Cd遷移轉(zhuǎn)化的影響

聚天冬氨酸，其含有羧基和肽鍵等活性基團，可以將N、P、K及微量元素富集在作物的根系附近，使作物更有效地利用肥料，從而提高了肥料利用率，因此聚天冬氨酸是一種可生物降解的環(huán)境友好型高分子材料。其末端的氨和側(cè)鏈上的羧酸官能團均可以與金屬離子進行配位結(jié)合，使在溶液中的金屬離子保持分散和穩(wěn)定。金屬離子的軟硬程度、溶液的pH值和PASP去質(zhì)子化情況等因素都會影響PASP與金屬離子形成配位物的效果。研究表明，PASP 作為萃取劑可有效分離污泥中的Pb2+和Cd2+等離子，交換率達(dá)90%。PASP對金屬離子Cd、Zn和Ca的提取率均超過50%。

5.間作對Cd遷移轉(zhuǎn)化的影響

間作是我國傳統(tǒng)的精耕細(xì)作的種植方式，利用植物種間互作對重金屬吸收積累的影響，從而提高土壤重金屬污染修復(fù)的效率，是一條有效的新途徑。種植模式對植物吸收富集重金屬能力有顯著影響。

如利用水稻和空心菜間作，不僅降低了水稻糙米的Cd含量，還可以增加水稻的產(chǎn)量，同時間作系統(tǒng)還可以提高土地利用率和單位面積Cd提取量。

木薯和花生間作，降低了木薯莖葉、花生籽粒的Cd含量，且兩種植物的生物量均有所提高。