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农田污染土壤的生态修复原理与实践  

2018-01-13 17:31:55|  分类: 农业种养殖 |  标签: |举报 |字号 订阅

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所谓生态修复(ecological remediation),就是根据生态学原理, 利用特异生物对污染物的代谢过程, 并借助物理修复与化学修复的某些措施加以强化或条件优化, 使污染环境得以修复的综合性环境污染治理技术。其遵循的生态学原理包括循环再生:利用环境-植物-微生物复合系统,对污染物进行净化,加大物质的循环和再生速度;和谐共存:植物-微生物-其它生物相互协调互为促进;整体优化:对基本过程进行整体优化,既治理污染,又使得资源得到有效利用;区域分异:针对不同条件选择使用不同修复方法。

农田污染土壤的生态修复,首先要了解农田土壤污染的特点:面积巨大,成分复杂,污染物多分布在表层(耕层),污染程度较轻等。根据2014年4月17日的统计数据显示,全国土壤总的超标率为 16.1%,其中镉占7%(轻微5.2%,轻度0.8%,中度0.5%,重度0.5%)。而对其修复的需求是不能带来二次污染,不能减轻土壤肥力,不能加重病虫草害,较短时间内得以完成。关于时间这点的选择,有这样的矛盾心理,如有的人提出:宁可短时间内修复后作物亩产由1000斤降到200斤,而难以忍受因为保证产量而花费更长时间去修复。因此,对于修复时间来说,生态修复面临着巨大的挑战。

纵观目前世界范围内各个国家所产生的修复方法,显然物理、化学的方法,如淋洗、换土对污染这些巨大的农田污染土壤修复来是很难应用的。虽然说利用超富集植物的提取修复这个方法比较理想,但是,就象上面提到的人们的矛盾心理一样,将污染土壤单独拿出来长时间用以植物修复也是难以接受的。采用钝化修复目前是非常火的一种方法,包括场地和农田,但毕竟并没彻底地解决土壤污染问题。从应用的角度来看,利用超富集植物和低积累作物构建的边修复边生产的方法应该说是比较切合实际的。毫无疑问,超富集植物是这种方法的核心。关于超富集植物,有的人说目前发现的超富集植物有400多种,还有人说有700多种。但是我们仔细看中外文献研究比较多的也就那么几种,比如天蓝遏蓝菜、东南景天、蜈蚣草等。

接下来给大家分享下我们团队的一些研究:

研究从超富集植物筛选开始,通常超富集植物的筛选都是在污染区采集污染土壤以及植物的方法进行的。通过广泛调查研究,以农田杂草作为筛选对象是很大的突破口,因为农田杂草的抗逆境能力非常强,有广泛的适应性和顽强的生命力,且有比作物更好的吸收能力,这种特性可能有利于对重金属的耐性和富集性。从生物学的性状来讲,是介于野生植物和作物之间的类型,兼具野生植物和作物的特性,有利于栽培和应用,很切合植物修复的特点,因此把它作为一个筛选的目标。

首先通过盆栽筛选实验,确定几个具有超富集特征的植物;然后通过浓度梯度实验、小区实验以及污染区采样等各方面的方法来筛选植物。经过反反复复的验证,最后发现龙葵是镉的超富集植物,另外两种是球果蔊菜和三叶鬼针草。总的来看,这三种植物与报道的遏蓝菜、东南景天相比,含量没有它们高,但是生物量非常巨大,如果长得好的话,生物量是它们的几倍甚至几十倍。关于低积累作物方面的研究,我们团队是完成了低积累大白菜和低积累大葱的筛选,我本人是进行了低积累水稻的筛选。这些不起眼的研究实际上意义也是非常大的。

第二个方面就是关于机理,包括超富集的机理和低积累的机理。主要从根系的发展,以及重金属从根到地上的转移、储存、解毒机理、富集等方面进行研究。我们是以对比的方式,以球果蔊菜为主要研究方向,和风花菜作对比。风花菜对镉的富集能力也很强,但是它达不到超富集植物的各项指标。超富集植物相对来讲有比较大的根的总长度和总的表面积这些形态特征,另外还有一些根际环境的特征,比如说较低的PH值、较高的水溶性碳含量(DOC)、较高的重金属活性与耐性及较高的酶活性等。在比较高的污染条件下,植物的细胞膜的通透性也比较高,但是细胞膜比较完整,没有受到伤害,这个可能是非常重要的富集机制。

第三个方面就是应用效果了,即边修复边生产大田试验。首先发现超富集植物的茎和叶是富集重金属最主要的器官。从植物开花到植物结实成熟,这段时间几乎占了植物一生当中一半的时间,开花期茎和叶的生物量基本上达到一生当中最大的生物量。那么,能不能利用开花到结实这段时间再种植下一茬,直到开花收获?这样在同一个生长期收获量就可以成倍地增长。然后,我们在大田上做了超积累龙葵与低积累大白菜复种的实验。从结果来看还是很好的,在没有强化剂的条件下,龙葵生物量一延长米可以达到3.1公斤,镉含量为6.45mg/Kg,根际去除率为10.7%;有强化剂的条件下,镉含量为13.37mg/Kg, 根际去除率为20.5%。实际与理论去除率也是比较相符的。而下季低积累大白菜镉含量达标,产量不减。

我们同样做了大田修复实验,进行超富集龙葵与低积累大葱间种(5月-9月),得到的实验结果是:龙葵生物量为 1延长米2.5Kg, 镉含量为4.38mg/Kg, 根际去除率为7.7%,实际去除率与理论去除率相符;间作低积累大葱镉含量达标,产量略减。

最后讨论几个热点问题。

第一个问题是植物修复生物量的处理问题。简单地说就是三条途径,一是提取重金属。显然,这一途径难度很大,经济上也不合算,但不等于不能做,将来也做不成,但需要很长时间;二是资源化利用。拿龙葵来说,龙葵全草均可入药,主治感冒、牙痛、慢性支气管炎、痢疾、乳腺炎和癌症等疾病。种子可治急性扁桃体炎、疔疮等。历史上曾大规模栽培。龙葵果富含丰富的花青素类红色素、紫红色素,龙葵果作为水果食用酸甜可口,也可以作成果汁或果酒。但毫无疑问,这一途径有一定的风险,因为材料中的重金属含量很高;三是减量后储存。目前,相关的一些燃烧设备已研制成功。但也可以考虑放到条件好的重金属尾矿库中,待将来条件适宜,与尾矿一起开发。这一思路也是可行的。

第二个问题是修复后是否会造成杂草的大量繁殖而影响农业生产?这点不用担心,就本研究而言,龙葵花期会连根收获,没有种子及根繁殖的途径,当然就不会造成杂草的大量繁殖;此外,从整体考虑,如果超富集植物属于恶性杂草之类的话,也不能用于边修复边生产。

第三个问题是超富集植物和低积累作物的间套作是否影响低积累作物积累重金属?实践表明,施用强化剂或低积累作物与超富集植物接触过于紧密,会导致低积累作物含量略有升高。因此,一定要规范低积累作物的适用范围,一般应用于中低污染水平土壤较为合适,且有绝对的安全性。考虑到污染土壤中重金属分布的不均一性,在种植低积累作物的同时,可以考虑施用一定量的钝化剂。

第四个问题是什么样的污染土壤适合用超富集植物修复?矿区超富集植物修复是否可行?对于第一问,反向思考,考虑到土壤中重金属的垂直分布,要是植物根接触不到的土层,很难利用;而对矿区的修复,首先看修复植物是否能生长,生物量是否够大,另外污染程度中低水平的效果较好,污染越重,富集系数越低。

作者:魏树和,男,1970年2月生于辽宁省铁岭县,博士,研究员,博士生导师。1992年毕业于沈阳农业大学并于2001年在该校获得硕士学位。2004年于中国科学院研究生院沈阳应用生态研究所获博士学位并留所工作。主要研究方向为污染土壤修复与安全利用,以及固废无害化与资源化利用。

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