间套作体系在污染土壤修复中的应用研究进展)
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间套作体系在污染土壤修复中的应用研究
进展
何小伟710302102
摘要：我国土壤环境污染态势严峻，污染土壤的修复和修复方式已备受关注。植物修复技术是当今的研究热点之一，但是利用植物修复技术清洁污染土壤需时较长，且中断了农业生产，不符合我国的国情。间套作是中国传统农业的精髓之一，选择适当的作物形成间套作复合体系，可以实现对污染土壤的边修复边生产，不失为土壤修复的新途径。间套作体系基于植物的搭配，可以在减少农作物对重金属的吸收，提高富集植物对重金属的提取，以及促进有机物降解等方面起作用。
关键词：间套作土壤污染土壤修复
随着工农业生产的发展，土壤一植物一水系统中重金属污染问题日趋严重。据不完全调查，目前中国受污染的耕地约有0．1亿hm ；全国每年被重金属污染的粮食达1 200万t，造成的直接经济损失超过200亿元。此外，我国是一个土地资源短缺的国家，国土资源部公布的《2006年度全国土地利用变更调查》结果显示，截至2006年10月31日，全国耕地面积为1．218亿hm ，接近耕地红线1．2亿hm ，土壤污染更加剧了粮食短缺的程度。因此，污染土壤的修复及其方式已经影响到我国农业的可持续发展。污染土壤的植物修复技术是当今的研究热点，科学家们认为植物修复技术是一项利用太阳能动力的处理系统，能够大大减少土壤清洁所需的费用，是一种绿色的土壤修复技术。但是植物修复技术清洁污染土壤花费时间较长，还需中断农业生产，不符合我国的国情。选择适当的土壤修复方式，是当前面临的一个难题。间作套种是我国传统农业的精髓之一，选择适当的植物形成问套作复合体系，实现对污染土壤的边修复边生产，不失为一条土壤修复的新途径。
1、间套作体系减少普通作物对重金属的吸收
普通作物间作套种交互作用对植物吸收重金属方面有少量研究。吴华杰等间作小麦／水稻发现，间作交互作用降低了两作物地上部cd的吸收积累，也降低了小麦籽粒的Cd浓度，但水稻籽粒的Cd浓度有所升高。薛建辉等将杉木和茶树间作，发现间作杉木可降低茶园土壤Pb、Ni、Mn、Zn元素含量，问作茶树叶片中Pb、Mn、Cu、Zn含量均显著低于单作茶园，说明间作杉木可以减少茶叶中重金属含量，改善茶叶品质。重金属富集植物与非富集植物种植在一起，能为与之间套作的植物提供一定保护作用。锌超富集植物Thlaspi caerulescens和同属的非超富集植物Thla spirv ense互作在添加ZnO或ZnS的土壤上，与之互的Thlaspiarvense吸锌量则明显降低，由于锌的吸收减少，Thlaspi arvense的生物量显著增加，其原因是由于Thlaspi caerulescens有很强的吸锌能力，能优先吸收土壤中锌，从而减少了锌对Thlaspi arvense的毒害。据Gove(2002) 报道，zn超富集植物遏蓝菜(caerulescens)与大麦(Hordeum vulg—are L．)种植在一起，减少了大麦对Zn的吸收。镉富集植物油菜与中国白菜间作在一起，降低了中国白菜对Cd的提取量，但白菜镉浓度不低。在10 mg·kg 和20mg·kg 的cd 处理土壤上，与油菜中油杂1号套种的小白菜有较高的地上部生物量和较低的cd累积量，油菜可以减轻Cd对小白菜的毒性，但小白菜的Cd浓度也是比较高的。叶菜类蔬菜，如菜心、白菜等，与富集植物油菜间作是不可行的，因为种植在污染土壤上的叶菜会带来健康风险。间
作能降低一种作物对重金属的吸收，在农产品安全方面可以发挥积极的作用。也可以通过研究问作系统减少植物吸收重金属的机理，进而寻找到新的限制植物吸收重金属的微生物或改良物质。
2、间套作提高植物对土壤重金属的提取
不同作物种植在一起也会提高植物对重金属的吸收。豌豆和大麦混作，豌豆地上部的Cu、Pb、zn、Cd和Fe浓度是分别是单作的1．5、1．8、1．4、1．4和1．3倍，混作中大麦的根系分泌物能活化土壤中金属并有利于豌豆吸收。Zuo和Zhang 综述了双子叶植物如花生或鹰嘴豆与玉米、小麦等禾本科作物间作能加强双子叶植物对铁和锌的吸收和提高种子中的铁、锌浓度，可能是铁缺乏的本科植物释放的植物络合素增加了双子叶植物根际铁和锌的溶解性。王激清等通过温室土培盆栽试验把印度芥菜与同属的农作物油菜互作，互作时印度芥菜的吸镉量和对土壤的净化率在高浓度cd处理下高于单作，但油菜植株镉含量也增加，产量下降。李凝玉等卜将眉豆、扁豆、鹰嘴豆紫花苜蓿、油菜、籽粒苋和墨西哥玉米草等7种作物分别与玉米间作在人工镉污染土壤上，结果发现：4种豆科作物大幅提高玉米对Cd的积累量，其中眉豆和鹰嘴豆效应最大，它们使玉米积累Cd总量分别达到玉米单作的1．6倍和2．1倍，玉米草和籽粒苋则降低了玉米对cd的积累；7种间作植物对Cd有不同的吸收水平，其中油菜与籽粒苋可大量积累cd。锌超富集植物Thlaspi caerulescens和同属的非超富集ThlaspI arvense互作在添加ZnO或ZnS的土壤上，与单作相比，Thlaspi caerulescens的吸锌量显著增加。cd富集植物甘蓝型油菜Brassica napus与菜心Bra ssica parachinensis或玉米问作在一起，油菜地上部Cd浓度和Cd累积量明显得到提高，表明问作技术用于修复Cd污染土壤的能力。镉富集植物油菜与中国白菜间作在一起，提高了油菜的生物量和cd提取量。因此，间套作方式可以提高植物对重金属的提取效率，这种方式也可以替代螯合诱导植物修复中的化学螯合剂。
选择适当的植物种类，尽可能提高超富集植物对重金属的吸收，降低与之间作的农作物重金属含量，是植物修复途径的新思路。吴启堂等首先提出将重金属超富集植物与低累积作物玉米套种，超富集植物提取重金属的效率比单种超富集植物明显提高，同时玉米能够生产出符合卫生标准的食品或动物饲料或生物能源，是一条不需要问断农业生产、较经济合理的治理方法。利用东南景天和玉米套种模式处理城市污泥，可以同步实现城市污泥的稳定化和重金属的去除，东南景天和高富集K的芋头品种套种在一起处理城市污泥，可以将有害元素和营养元素K实现绿色分离，收获的芋头可以作为有机钾肥。组合套种和混合添加剂化学诱导两项技术进行田间示范试验，进一步验证了套种系统和该组合技术的可行性。
选择植物的种类时要注意植物问的搭配。如深根的Cd／Zn富集植物柳树(Salix)和矮小的超富集植物拟南芥(Arabidopsis halleri)种植在一起，但并没有增加植物对Cd和zn的提取效率，可能是因为水、营养和污染物的竞争吸收以及杂草的原因。同金属的超富集植物间套作也不能提高植物修复效率，超富集Zn／Cd的蕨类植物蹄盖蕨(Athyrium yokoscense)与另外一个Zn／Cd超富集植物Arabis flagellosa问作并不能提高植物提取效率，可能两种富集植物存在对zn／Cd的竞争吸收。我国污染土壤为多种重金属污染，可以将不同金属的富集植物种植在一起，从而提高植物修复效率。
3、间套作体系中选种重金属低累积作物不同作物对重金属的吸收累积不同。
纪玉琨等通过对河北省北运河污灌区小麦、玉米作物样品分析表明，玉米各部位对Cu 和Pb的吸收能力都高于小麦相同部位对这两种重金属的吸收能力，而小麦各部位对zn的吸收能力都高于玉米相同部位的吸收能力，小麦与玉米各部位对Cd的吸收能力基本接近。赖燕平等对广西平乐、荔浦两锰矿恢复区种植的食用农作物进行了调查和重金属含量分析，结果表明，重金属含量最高的是大豆和花生，其次是番薯类，最低的农作物是茄子、莴苣叶、桃和沙梨；从变异系数来看，两矿区各元素的数值都较大，反映了不同农作物对重金属元素的吸收和累积存在较大差异。肖细元等研究表明，叶菜类蔬菜的砷富集系数最高，芹菜、蕹菜、茼蒿、芥菜等蔬菜的抗砷污染能力较弱，粮食作物玉米的抗砷污染能力较强。另外，同一种作物的不同品种对重金属的吸收累积也不同。已有研究表明，玉米、水稻、小麦、大豆、花生、马铃薯、向日葵、生菜、菜心等作物的不同品种吸收重金属存在显著差异。
在中、轻度重金属污染的土壤上，不种叶菜、块茎类蔬菜而改种食用部位污染物累积少的作物，如瓜果类蔬菜或果树等，能有效降低农产品的重金属浓度。因此，选育和种植吸收重金属少或运输到食用部位少的低累积品种，是提高重金属污染土壤生产力的具有潜力的方法，在实际应用中，可以将重金属低累积作物与超富集植物、富集植物种植在一起，达到修复土壤的同时收获符合一定卫生标准的农产品的目的。
4、间套作体系促进有机污染物的降解植物对土壤中的有机污染物有修复效果，但间套作体系在土壤有机污染物方面的研究较少。
萘和芴的去除率在两种草Brachiaria serrata和Eleusine corocane混作体系土壤中的去除率>各自单作>不种植物；培养l0星期后，混作体系土壤中检测不到萘，单作体系的土壤中萘的去除率为96％、不种植物的去除率为63％。不同处理土壤的荧蒽的去除效果与萘相似。玉米(Zea mays L．)、三叶草( 一folium repens)、黑麦草(Lolium perenne L．)单作栽培均能有效去除土壤菲和芘污染，其中玉米效果最好，6Od后92．10％菲和88．36％芘被去除；玉米、三叶草、黑麦草混作栽培显著地提高了菲和芘的降解，其中玉米与黑麦草混作效果最好，60 d后98．22％菲和95．8l％芘被去除。西葫芦南瓜属(Cucurbita pepo)的两个种pepo和ovifera，前者吸收P，P 一DDE(2，2一双(对氧苯基)一1，1一二氯乙烯)的能力远远大于后者，两者套种增大了彼此的生物富集系数(BCFs)，增加了组织(根和茎)中P，P 一DDE的含量，由于种植株数不同列出生物量和植物提取量。黎华寿等在广东顺德等地研究发现，不同作物套种对各作物生长和有机氯净化有交互作用，盆栽试验表明，西葫芦和大豆间作明显加强对土壤中二氯联苯的修复效果。东南景天和香芋套种处理城市污泥可以显著降低污泥中苯并(k)荧蒽、苯并(a)芘、茚并(1，2，3一cd)芘等有机污染物。Denys等在炼焦厂污染土壤上种植不同类型的植物，多环芳烃浓度减少了26％，羊茅、线草和白三叶三种草本植物混合种植适用于植物修复。多种植物间混作比单一的植物大大提高了污染土壤中PAHs 等有机污染物的消除效果，但植物之间的交互作用对有机污染物的去除机理还不清楚。
但混作对石油烃类碳氢化合物的消除效果不如单作，单作草处理在4．5个月内消除风化耀斑坑土中的总石油烃类碳氢化合物达到50％，而混作处理只消除不到15％，产生这种现象的机制尚不清楚，可能先前不溶性的碳氢化合物的解吸作用增强。稗草(Echinochloa crusgalli)、向日葵(Helianthus ann．)、苘麻(Abutilon avicennae)与合萌(Aeschynomeneindica)4种植物混作对污染土壤中TNT的去除效果也不如单作。
5、展望
间套作体系能充分挖掘光能、水源、热量等自然资源的潜力，充分利用空间和时间，因此多种植物组合修复污染土壤是一条行之有效的新途径。我国植物资源丰富，根据减少植物吸收重金属，提高植物提取重金属，促进对有机污染的降解等不同目的选择更多的适当的植物组成间套作体系是今后研究的一个方向。间套作体系修复污染土壤时，植物间的交互作用机理(包括地上和地下)还不清楚，这方面的研究需要加强。在实际应用中，对相关的农业措施(如施肥、种植密度等)也需要研究。
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