植物修復重金屬污染土壤的研究現狀及其水肥調控技術展望

喻淵明

（湖南艾布魯環保科技股份有限公司，湖南 長沙 410007）

當前，由于在農業生產中化肥農藥的應用量不斷增加，以及礦產資源不合理開發利用的現象日漸加劇；還有污水灌溉問題的持續出現，以及城鎮化建設及工業化建設進程的深入推廣，導致重金屬污染土壤的問題越來越嚴重。因此，修復重金屬污染土壤具有重要意義。而在重金屬污染土壤的修復技術中，植物修復技術屬于常用的技術之一，該技術能有效減少污染物質在土壤系統中的富集和遷移，非常有利于土壤系統恢復正常的應用性能。

1 重金屬污染土壤現狀

土壤是農業生產發展及人類生活生存的重要資源之一，且土壤質量直接關系到環境保護、資源利用、糧食安全等多項問題。而自20世紀20年代以來，采礦行業及冶金行業快速發展，大幅度提高了全球的金屬產量，但重金屬污染土壤問題也隨之出現。具體來講，人類的各項生產活動會將重金屬污染物質帶入到土壤系統中，從而使土壤的物理特征、化學特征以及微生物環境發生變化，最終導致土壤中的重金屬含量超標，從而引發土壤質量下降等問題。

據統計，我國每年的重金屬污染土壤已達到2 000萬hm2，占據耕地面積的1/5；且每年由于重金屬污染土壤問題而導致的糧食減產達到了1 000萬t，而受到重金屬污染土壤影響的糧食總量達到了1 200萬t，造成的經濟損失達到了200億元。由此可見，重金屬污染土壤問題十分嚴重，不但降低了土壤的質量，還影響了農作物的產量和品質[1]。此外，重金屬污染土壤還會隨著淋洗作業、徑流活動滲入到地下水系統、地表水系統，從而污染地下水、地表水，最終通過食物鏈對人類健康造成威脅。

2 植物修復重金屬污染土壤的研究現狀

2.1 重金屬污染土壤植物修復技術

2.1.1 基本植物修復技術

植物修復是指通過植物吸收、轉化、揮發、降解等作用，實現對環境污染的治理[2]。通常，基本重金屬污染土壤植物修復技術主要包括：植物穩定修復、植物揮發修復、植物提取修復、植物過濾修復。其中，植物穩定修復，是通過種植植物將土壤中的重金屬污染物質轉換為污染水平較低的物質，從而有效減小污染物質的毒害作用以及生物有效性，因此，該技術適合應用在尾礦區、廢氣礦山等重金屬污染物質含量較高的土壤修復中；而植物揮發修復，是通過種植植物將土壤中的重金屬污染物質轉化為氣態，并從土壤中揮發出來，例如，該技術可將土壤中的Se轉換為Se（NH3）2；植物提取修復，是通過種植植物將土壤中的重金屬污染物質吸收出來，并富集在植物上部（莖葉部分），隨后集中處理種植的植物，這樣能有效降低土壤中重金屬污染物質的含量；植物過濾修復，是通過種植植物將土壤中的重金屬污染物質吸收和吸附，因此，該技術適合應用在石油天然氣生產作業的土壤修復中。

植物修復技術在重金屬污染土壤修復中的應用優勢在于：應用成本較低，適合大面范圍應用；操作技術較為簡單，對操作人員的技術能力要求較低；不會對修復場地造成破壞，整體修復過程較為安全、合理、可靠、科學；且經過修復后的土壤可用于農作物種植，從而達到了重金屬污染土壤修復的最終目標。

2.1.2 超積累植物修復技術

超積累植物修復是指通過種植超積累植物的方式來解決重金屬污染土壤的問題[3]。超積累植物主要是指能同時積累一種或一種以上的重金屬污染物質的植物，基本特征如下：植物上部能積累的重金屬污染物質含量為普通植物的100倍；且植物上部能積累的重金屬污染物質含量明顯超過根部；植物對于重金屬污染物質的耐性較強，即植物生長不會受到重金屬污染物質的過多影響。目前，各國學者發現的超積累植物多達500種，但將近70%為Ni超積累植物，可見其他重金屬污染物質的超積累植物相對較少；超積累植物涵蓋了20多個科，以十字花科為主。由于我國對超積累植物修復技術的研究起步較晚，截至目前發現的超積累植物不到10種，主要有長柔毛委陵菜（針對Zn）、寶山堇菜（針對Cd）、東南景天（針對Zn、Cd）等。

2.1.3 耐性植物修復技術

耐性植物修復是指通過種植耐性植物的方式來緩解土壤重金屬的污染情況。耐性植物主要是指其對重金屬污染物質的耐性較強，且在重金屬污染土壤的環境下依然能正常生長，基本特征如下：植物自身積累重金屬污染物質的含量并不高，但能吸收土壤中大量的重金屬污染物質；植物根部能積累的重金屬污染物質含量明顯超過上部；而植物上部能積累的重金屬污染物質含量與普通植物相近。目前，發現的重金屬污染土壤修復效果較為顯著的耐性植物包括香薷、龍葵等。其中，香薰為唇形科香薰屬，能夠吸收Ni、Co、Pb、Cu、As等多種重金屬污染物質；而龍葵為茄科茄屬，吸收Cd的效果十分顯著，且植物上部Cd的富集系數超過了1，已經達到了Cd超積累植物的臨界含量標準[4]。

2.2 重金屬污染土壤植物修復水肥調控技術

在實際應用過程中，盡管重金屬污染土壤植物修復技術具有十分顯著的修復效果，但依然存在不足之處：如種植植物的生長周期及效果會受到土壤環境、氣候條件等多種因素的限制，容易導致植物修復效率低下；種植植物中的大部分只針對某種或幾種重金屬污染物質具有顯著的積累效果，但污染土壤中的重金屬物質類型較為豐富。因此，為了科學有效應對上述問題，提高重金屬污染土壤植物修復技術的應用效果，需采取有針對性的重金屬污染土壤植物修復水肥調控技術，具體分析如下。

2.2.1 栽培管理

與普通植物相同，重金屬污染土壤修復植物需經過一定的生長周期。因此，為了確保種植植物的生長效果以及重金屬污染土壤的修復效果，在種植期間需采取一定的栽培管理措施，例如育苗、除草、間套作、輪作、耕翻和整平、應用種子包衣技術、調節土壤pH值等。因考慮到大部分金屬污染土壤修復植物為野生植物，所以種植人員對這些植物的生長習性了解相對較少，再加上野生植物不利于栽培的基本特征，導致目前尚未形成成熟的栽培管理技術以及規模化栽培管理模式，只能通過不斷的栽培管理實驗，才能選擇在重金屬污染土壤修復中應用的植物。同時，可通過已知的栽培管理技術來改善植物生長的土壤、光照、水分、溫度等條件，以盡量提高植物吸收和處理重金屬污染物質的能力。此外，在無法確保金屬污染土壤修復植物栽培管理效果的情況下，應用病蟲害防治技術十分必要，具體方式為合理施加農藥[5]。

2.2.2 水肥管理

水肥管理是指滿足種植植物對于水分和肥料的需求量，從而推動植物健康生長，以達到有效修復重金屬污染土壤的目的。但在實際種植過程中，不同的植物、不同的生長階段對水分和肥料的需求量不同，例如，處于苗期、花期的植物對水分和肥料的需求量普遍較大，這主要是因為此階段的植物蒸騰強度達到了峰值水平。但大部分重金屬污染土壤修復植物處于土壤肥力較差、質量較低、持水能力較差的土壤條件下，盡管此類型植物自身具備良好的抗干旱能力、重金屬污染物質耐性，但對于水肥管理依然有一定要求，因此，只有科學有效的水肥管理方式才能提高種植植物的重金屬污染土壤的修復效果[6]。例如，適當對種植植物施加磷肥，不僅可以提高植物的干物質產量，還可以提高植物對重金屬污染物質的積累和向上的運輸能力。

3 植物修復重金屬污染土壤水肥調控技術的應用展望

3.1 研究水肥調控技術對土壤物理特征的影響

通常，水分和肥料決定了重金屬污染土壤修復植物的生長質量，控制了土壤中養分物質的遷移和反應，因此，會對重金屬污染物質的吸收和處理的數量與程度、土壤水氣傳輸速率、土壤水汽分布等因素產生影響，進而導致土壤物理特征變化及轉換，所以要持續研究水肥調控技術對重金屬污染土壤物理特征的影響，并通過土壤的物理特征來提高植物修復重金屬污染土壤的效果。具體來講，在重金屬污染土壤中，金屬污染物質的離子含量及濃度相對較高，且這些離子在空氣氧化作用、雨水沖刷的影響下，會與土壤中的營養物質產生物理反應，然后轉換為絡合物，從而改變了土壤顆粒團聚體結構、空間幾何構型、孔隙結構，也降低了土壤對于水分和肥料的傳輸能力。此外，金屬污染物質離子還會在水分下滲、雨水沖刷的影響下，與土壤顆粒、本底化學元素產生物理反應，從而改變土壤的物理特征[7]。

3.2 研究水肥調控技術對土壤化學特征的影響

科學應用水肥調控技術、水肥管理措施，能有效改變重金屬污染土壤的有機質含量、氧化還原電位、pH值等化學特征，因此，相關技術人員要持續研究水肥調控技術對重金屬污染土壤化學特征的影響，從而為重金屬污染土壤修復植物的健康生長提供良好環境[8]。具體來講，化肥中的C1-、SO42-、K+等物質會增加重金屬污染土壤中的有機質含量，而合理控制化肥施加量也會提高土壤中重金屬污染物質的交換狀態。因此，科學合理施肥不但能增加種植植物吸收和積累重金屬污染物質的能力，還能提高種植植物對重金屬污染物質的耐性，這非常有利于幫助種植植物抵御重金屬污染物質帶來的負面影響。而水分能調節重金屬污染土壤的氧化還原電位、pH值，如當土壤pH值升高之后，土壤表面負電荷對正電荷的吸附能力會隨之升高，同時會產生CdCO3等沉淀物，最終降低了重金屬污染物質的活性。

3.3 研究水肥調控技術對土壤微生態環境的影響

科學的水肥調控技術及水肥管理措施，能有效對重金屬污染土壤中微生態群落的多樣性產生影響，因此，需持續研究水肥調控技術對重金屬污染土壤微生態環境的影響，從而通過推動土壤微生物生長的方式來影響植物根系分泌物的產生，最終提高種植植物的生長質量以及土壤修復的效果。具體來講，水分和肥料能改變重金屬污染土壤的結構，從而能為微生物繁殖及其生長提供更加有利的條件，使其不但能為種植植物的生長提供天然生態環境，還能夠參與到重金屬污染物質的處理及土壤修復中，從而將重金屬污染物質轉換為低毒產物。通常情況下，微生物能可與多種土壤污染物質產生氧化反應，例如，可將自養細菌硫-鐵桿菌類轉換為As3+、Cu+、Fe2+等物質，將假單孢桿菌轉換為As3+、Fe2+、Mn4+等物質，但當細菌數量減少之后，包括重金屬在內的土壤污染物質含量自然也會降低。

3.4 研究水肥調控技術對土壤污染物遷移的影響

科學的水肥調控技術及水肥管理措施，也能改變重金屬污染土壤污染物的遷移，因此，需持續研究水肥調控技術對重金屬污染土壤污染物遷移的影響，從而提高重金屬污染土壤修復植物的修復效率和質量。具體來講，重金屬污染土壤污染物會隨著水分和肥料的運動而遷移，從而改變重金屬污染物質在土壤中的分布。但過去關于重金屬污染土壤污染物遷移的研究主要集中在單一影響因素下，例如，有研究證實含磷肥料中的磷酸根能與土壤中的重金屬污染物質生成磷酸鹽化合物，從而會形成固化和穩定的污染物質，但并沒有深入分析水肥條件對上述過程的影響。經相關實踐證明，過量的水分和肥料可能會導致金屬污染物質在土壤中向下層遷移和擴散，從而造成新的污染；而過量的化肥也會導致地表水環境富營養化以及農業面源污染[9]。

3.5 研究植物修復金屬污染土壤水肥調控效應機制

現階段，關于植物修復金屬污染土壤水肥調控效應機制的研究基本都是在實驗室進行的，導致制定的水肥調控機制并不符合具體的實際情況，主要是未考慮到復雜多變的土壤環境及礦區土壤現狀，這使得水肥調控措施難以大規模應用，因此，相關技術人員要持續研究植物修復重金屬污染土壤的水肥調控效應機制，從而為重金屬污染土壤植物修復技術的推廣應用提供技術支持。具體來講，可根據實驗室和實地的共同研究，總結植物修復重金屬污染土壤的效果與水肥調控效技術應用之間的關系，同時，只有了解各項技術之間的效應機制，才能實現對水分和肥料資源的充分應用，才能做到結合土壤的修復效果以及種植植物的生長狀態變化，來采取有效的水肥調控效措施。

除了水肥調控效技術，重金屬污染土壤植物修復技術還包括化學技術、物理技術、生物技術等，但水肥調控效技術與其他技術的聯合應用將是植物修復金屬污染土壤工程的必然發展趨勢。但實際情況是相關的實驗室和實地的研究大多圍繞水肥調控效技術展開，且關于水肥調控效技術與其他技術聯合應用的研究相對較少。因此，只有強化對重金屬污染土壤植物修復聯合技術的應用，才能實現對種植植物生長過程及修復效果的有效控制，且逐漸形成科學的聯合修復技術體系、適合金屬污染土壤修復的最佳水肥調控模式，進而才能發揮出多種技術的聯合修復能力。

4 結語

綜上所述，相關部門需做好對重金屬污染土壤的植物修復工作，并采取科學有效的水肥調控技術，才能獲得理想的修復效果。常見的重金屬污染土壤植物修復技術包括基本植物修復技術、超積累植物修復技術、耐性植物修復技術；常見的重金屬污染土壤植物修復水肥調控技術包括栽培管理、水肥管理。其中，植物修復重金屬污染土壤水肥調控技術會隨著土壤修復技術的研究創新發展，轉向研究水肥調控技術對土壤的物理特征、化學特征、微生態環境、污染物遷移的影響方向發展。