重金属污染农田安全利用：进展与展望

环境修复网讯:摘要

我国耕地土壤污染面积广，污染情况复杂，农产品重金属超标问题已经关系到国计民生。常用的物理化学修复方法成本高，不适用于大面积的中低污染农田。植物提取修复方法成本低，环境友好，但修复时间长，推广困难。总的来讲，基于重金属移除的诸技术在解决农田重金属污染方面还没有太大优势。相较而言，农田安全利用在不移除或缓慢移除土壤重金属的条件下，以生产安全农产品为目标，具有更加坚实的现实意义和推广价值。种植低吸收农作物是安全利用的重要措施，基因工程手段在低吸收农作物品种筛选中具有巨大的潜力，但其可能带来的生态环境风险使得这些通过基因工程得到的低吸收作物的田间种植面临着巨大挑战。土壤添加剂可以改变土壤重金属形态，降低重金属的生物有效性，但会对土壤质量产生影响。微生物尤其是土著微生物的利用越发受到关注，改变微生物的生存环境与基因工程手段能够强化微生物的钝化效果。施肥、水分管理、间作等农艺措施也能改变土壤重金属的形态，抑制作物对重金属的吸收。未来以加强推广为目的，多种技术手段的联合应用是重金属污染农田安全利用的重要发展方向，其中以生物技术为核心的利用模式具有十分重要的意义。

我国耕地资源十分紧缺, 2016年底耕地面积为1.35亿hm2(20.24亿亩), 人均占有量不及世界平均水平的1/2, 且总体质量不高, 中低产田达到了2/3。此外, 由于建设占用、灾毁、生态退耕、农业结构调整等原因, 我国耕地面积保有量近年总体有所下降。与此同时, 土壤污染加剧了耕地资源的紧张。据2014年发布的《全国土壤污染调查公报》, 我国农田土壤受到了广泛的重金属污染, 其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。重金属污染不仅减少了可利用耕地面积, 而且降低了耕地质量。另有研究发现, 我国部分地区已经出现农产品重金属含量超标现象, 威胁到了人体健康。由此可见, 我国重金属污染耕地土壤修复刻不容缓。

土壤重金属污染修复分为两种技术路线, 一是将重金属从土壤中提取出来, 减少其在土壤中的含量, 称为提取修复; 二是降低土壤重金属的生物有效性, 抑制其进入生物链, 称为固化修复。提取修复方法主要包括物理修复、化学修复与生物修复(主要为植物提取修复)。

物理、化学修复方法(表1)能够有效地去除土壤中的重金属, 且修复时间短, 但由于其对修复设备与技术的要求高, 修复成本高, 且会对土壤质量产生影响, 故其主要适用于污染严重、面积小的场地污染。

植物提取利用超积累植物或累积能力较强的植物吸收富集污染土壤中的重金属并在地上部积累, 收割植物地上部分从而达到去除重金属的目的, 具有环境友好、修复成本低的特点。但其修复周期长(表2)。用于修复的植物往往没有经济产出, 在没有政府补贴的情况下, 农民的参与度不高, 不利于推广应用。

综上, 农田土壤重金属污染修复是一个长期工程, 农田土壤将长期处于污染状态。考虑到我国耕地资源紧张与全面建设小康社会的要求, 在污染农田土壤上生产重金属含量不超标的安全农产品成为了适合我国当前实际情况的治理方法。相较于提取修复, 重金属污染农田安全利用通过降低土壤中重金属的生物有效性来减少重金属进入食物链的可能性, 从而保障农田的安全生产与人体的身体健康, 在我国现阶段具有十分重要的意义。进行重金属污染农田安全利用的措施主要包括低吸收作物种植、土壤添加剂与微生物调控以及农艺管理等。

1 低吸收作物种植

1.1 现有低吸收品种

对于重金属吸收富集能力的差异, 既存在于植物物种之间, 也存在于同一物种的不同品种之间, 即同时具有种间差异和种内差异。自低吸收品种的概念提出以来, 国内外已经开展了众多相关的试验筛选研究, 且大多数来自于亚洲尤其是中国(表3)。已筛选的作物涵盖小麦(Triticum astivumL.)、水稻(Oryza sativaL.)、玉米(Zea maysL.)、大麦(Hordeum vulgareL.)等粮食作物, 白菜(Brassica pekinensisL.)、芹菜(Apium graveliensL.)、辣椒(Capsicum annuumL.)等蔬菜作物, 大豆(Glycine maxL.)等油料作物以及烟草(Nicotiana tabacumL.), 针对的重金属包括Cd、Pb、Zn、Cu、As、Cr、Hg等。部分研究发现在污染农田种植低吸收品种使农产品重金属含量达到了国家安全标准。