【关键词】土壤污染；现状；种类；影响；治理措施
一、引言
土壤是指陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表层，其厚度一般在2m左右[1]。土壤一旦受到污染，将严重影响农业生产，粮食产量将出现下滑趋势。因废气物的任意排放、放射性物质、有机化肥和农药的污染等使得土壤营养急剧下降，土壤的净化功能、储水功能等面临丧失的危险。近几年，人口数量猛增，生产业和工业迅猛发展，其产生的气体、液体和固体的废气物也随之增加，这些有害物质不断进入到土壤中，使土壤成分发生变化，影响土壤内部结构的正常运行。土壤是万物的根，我们不能再让它进一步的被恶化，因为最终受害的是人类，保护土壤就是保护我们自己。因此，对土壤的保护行动已是当务之急。
二、土壤污染现状
土壤污染日益严重，致使大量农作物质量降低，甚至含有对人体有害的物质，对人类健康造成了极大威胁。造成土壤污染的原因有很多，主要表现为以下几方面：
1、化肥和农药不合理的使用
据统计，我国每年化肥的使用量已经超过4100万吨，成为世界第一大化肥消费大国[2]。为了提高农产品的增收量，含磷、氮等化学肥料被大量运用，长期使用这些化学肥料，会破坏土壤结构，扰乱土壤内部营养成分的平衡，造成土壤结块，土质变差，储水功能降低等一系列问题。农产品的数量是大大提高了，但其质量却令人担忧。因为过量使用化肥会使一些农作物在生长过程中吸收过多硝酸盐，动物或人体食进这些含硝酸盐的农作物后，将影响体内氧气的运输，使其患病，严重时甚至死亡。
同样，大量农药的使用对土壤也造成了很大危害。大部分的农药是有机农药，其含有很多有害化学物质，如苯氧基链烷酸酯类农药、多环芳烃、二恶英、邻苯二甲酸酯等等。这些有害化学物质将近1/2会残留在土壤中，随着时间的推移，在生物、非生物以及阳光等共同作用下，有害化学物就成了土壤中的组成成分，种植在土壤上的农作物又从土壤中吸收有害物质，在植物根、茎、叶、果实和种子中积累，通过食物，人体和动物食用后就会引发各种疾病。
2、重金属元素导致的土壤污染
农用化学物质的过度使用，工业污染的加剧，使得重金属污染日益严重。土壤中的重金属元素来源主要有三方面：随固体废弃物进入土壤的重金属，随着污水灌溉进入土壤的重金属和随着大气沉降进入土壤的重金属。固体废弃物种类繁多，结构复杂，其中由工业和矿业产生的固体废弃物污染最为严重。而固体废弃物中含有大量的重金属，通过日晒雨淋等作用，重金属就会被土壤吸收并扩散。生活污水，石油化工污水，工矿企业污水和城市混合污水是污水的四大来源，污水中含有大量的铅、铬、汞、铜等重金属，污水的任意排放或处理不合理，都将导致污水中的重金属元素转移到土壤中，从而影响土质恶化。所有的这些重金属污染物进入到土壤中后，因其移动性差，停滞的时间长，大部分的微生物难以对其分解，且其可以经过水、植物等介质最终危害到人类。
3、牲畜排泄物和生物残体对土壤的污染
牲畜和人的粪便，以及屠宰产的废物常常没经过有效处理就直接排放到土壤中，其中的寄生虫和病毒就会引起土壤和水的污染，有时还会使土壤中毒，变化土壤原本的正常状态，有害土壤通过水和农作物最终又会危害到人类。
4、污水灌溉对土壤的污染
我国是一个农业大国，需要大量的水来对农作物进行灌溉。然而，水脉都是相连的，生活污水和工业废水一旦没经过科学的处理就排放，使得大量的污水流到农田，被污水灌溉过的农作物就会带有多种有害的物质，致使食用后的人类和动物生病。
5、大气污染对土壤的污染
大气中的硫氧化物、氮氧化物和颗粒物等有害物质，经过各种化学物理反应，形成酸雨，酸雨进入到土壤中，使土壤酸化。冶金工业排放的金属氧化物粉尘，则在重力作用下以降尘形式进入土壤，形成以排污工厂为中心、半径为2～3km范围的点状污染[3]。这将使土壤成分发生变化，影响土质性质，不利于植物的生长。
6、土壤侵蚀
土壤侵蚀主要包括荒漠化、沙尘暴与沙漠化。地球溃疡症是对土地荒漠化的形象描述，自然环境中的水蚀、盐渍化、石漠化等，使得地球的溃疡症越发严重。例如我国的黄土高坡，其土壤成分主要是粉沙，粉沙的粘着力差，又易被水溶解，一旦遇到恶劣暴雨天气，就会被水冲走，既不适合植被的生长，生物的生存，还会造成河床淤积，降低河流湖泊的蓄洪排涝能力。近几年里，我国多个城市沙尘暴出现率猛增，这与滥垦草原，过度砍伐树木而引起的土壤风蚀密切相关。被风蚀侵害的土壤水土流失严重，植被生长困难，使得大部分土地不能被利用。因此导致了大量土地沙漠化，
三、土壤污染治理措施
1、运用科学技术，使用生物或化学方式来改良受污染的土壤，增加土壤环境容量，提高土壤净化的能力和有机物含量。
2、制定相关的污染土壤环境管理与综合防治方法，加强清洁生产。
3、调节土壤氧化还原电位，使某些重金属污染物转化为难溶态沉淀物，控制其迁移和转化，降低污染物的危害程度[4]。
4、严格控制废气污染物的处理排放，合理使用农药和化学肥料，科学的进行污水灌溉，减少有害物质进入到土壤中，影响土质变化。
5、采用农业生态工程措施，改革耕作制度，实行翻土换土。控制生产和生活污染源，建立污染土壤修复与综合治理示范点。
6、加强有关土地管理部门的工作力度，完善工作体系，加大土壤科学研究的资金投入。增加保护环境活动，宣传拯救土壤教育活动。
四、总结
因土壤污染而带来的经济损失以及对人体健康造成的危害是不容小视的。土壤污染不同于大气污染、水污染那样明显，它的污染因其隐蔽性而被人们忽视。它需要通过复杂的化验检测才能确定其污染程度，而且土壤一旦被污染，要想其恢复正常就非常困难，因为土壤的更新周期相当漫长。所以要加大对土壤保护的力度，提高人们对土壤重要性的认识，保障土壤的环境安全与人体健康。
参考文献
[1]方常艳.土壤污染现状及其防治对策[J].黑龙江科技信息，2011（10）54
[2]吴云.浅谈土壤污染与防治[J].现代农业，2010（06）33
关键词：农业;土壤;污染
中图分类号：X53文献标识码：ADOI编号：10.14025/ki.jlny.2016.24.062
随着时代的进步与发展，我国的行业发展经历了以农业发展为主、朝工业化发展前进以及多产业链为核心的发展过程，其中农业的发展始终占据着最为基础性的地位，直接影响着人们的日常生活。农业生产效益的高低，关键的因素之一就是土壤质量的好坏，由于工业化、城市化的快速发展，生产生活中的化学物质、有毒有害物质都已经侵入到土壤中，使得土壤面临着严重的污染，给农业生产带来的问题层出不穷。土壤污染的严峻化，制约了农业的发展，威胁了人们的身体健康，甚至也影响了农业的可持续发展。为此，改善土壤污染现象，提高土壤自净能力，有效解决土壤污染问题刻不容缓。
1造成土壤污染的原因
我国土壤污染总体形势非常严峻，而造成这一严峻现象的因素也有很多，为此，在提出有效对策之前首先要明确土壤污染形成的原因，才能在此基础之上提出有效的解决策略。造成土壤污染的成因，具体体现在以下几个方面：
1.1农药的过度使用
农药的生产与使用是造成土壤污染的一个重要因素。在农作物生产过程中，为了预防和控制农作物病虫害的发生，提高农作物产量和效益，农民把化学防治作为农作物病虫害防治的首选，农作物的施用农药的方式主要有土壤直接撒施，灌根、叶面喷施、熏蒸等。由于农药的大量使用和不合理使用，大部分农药会直接渗透到土壤中。另外，大气中残留的农药以及喷洒在植物上的农药会在雨水的作用下直接落入土壤中，这就导致土壤在农药的作用下发生污染。
1.2工业废水与生活污水的不合理排放
社会经济的发展与进步，工业化进程的加快，在加上人们对于环保意识观念淡薄，在工业化过程中将工业的“三废”以及生活污水以不合理的方式进行排放，导致土壤中重金金属、无机盐、有机物、病原体不断在积累，使得土壤毒性在不断增加，进一步加剧了土壤的污染，影响农业的发展与人们的生活。
1.3白色污染与废电池污染的影响
白色污染与废电池污染也是造成土壤污染的重要因素之一。所谓的白色污染，指的就是人们所使用的以泡沫为材料制作的物品以及塑料袋、农业生产过程中的塑料薄膜，将这些污染物随意的扔弃，使得这些物质长期废滞在土壤中，影响农作物的吸收和发展，削弱土壤的自我净化能力。其次是废电池污染，废电池中含有大量的重金属元素，由于人们对此观念浅薄，导致随意的丢弃，使得这些重金属元素进入到土壤中加剧了土壤的污染。
1.4农家肥使用的影响
农业生产过程中，施用畜禽肥等农家肥是提高土壤肥力的重要措施，能提高土壤抗风化和水侵蚀的能力，改善土壤的团粒结构，提高通气性，增加土壤有机质和促进有益微生物的生长。但是不合理使用农家肥，可以引起土壤盐分增高。养殖户在饲养过程中饲料添加剂，药物的滥用，可引起重金属对土壤的次生污染。
2改善土壤污染的有效措施
在明确土壤污染形成的原因之后，在此基础之上提出相关的解决策略，希望可以改善土壤污染所面临的严峻形势，促进农业的健康发展。
2.1控制农药和化肥的使用，减少白色及废电池污染
改善土壤污染的第一步就是对农药、化肥污染以及白色污染的治理，严格电池的生产与治理。这一方法的实施首先需要提高农民科学施肥意识，使得土壤不过多接受化肥与农药，处于一个合理的范围之内，与此同时，采用有机肥与无机肥的混合和交替，以此来降低对土壤的破坏和污染。其次，针对白色污染问题，引导农民在使用塑料膜时用可降解材料来代替，而对于电池的污染则是要求在生产的过程中实现产品无害化，以及推广废旧电池回收利用策略，以达到保护土壤的目的。
2.2利用污水灌田，提高土壤自身净化能力
整治土壤污染问题刻不容缓，土壤质量的好坏直接影响着农产品质量的高低，影响着日常人们的生活健康。为此，改善土壤污染的第二个步骤就是科学利用污水灌田，提高土壤自身净化能力，由于工厂所排出的污水并不都是有害的，只是排出无害污水的过程中与其他相融合就变成有害的，因此就需要按照相关的规定和标准对污水进行净化的处理，这样做不仅净化了污水，又实现了污水的利用，避免了对土壤的污染。与此同时，要大力发展生态农业、有机农业，采用与之对应的措施，如轮作制度、有机肥与绿肥的应用等方面，以此来提升和激发土壤自身的净化能力。
2.3增强土壤保护意识，加强土壤污染安全防护评估
增强土壤保护意识，加强土壤污染安全防护评估。一方面，农民是农业活动开展的主体，加强广大农民对土壤的保护意识，意识到有害土壤的弊端，从多方面来保护土壤，从根本上改善我国土壤污染现状。另一方面，土壤污染安全防护评估的建立与完善，对土壤污染进行有效的控制，以促进农业的发展。
3结语
土壤无论是对农业的发展还是对人们日常的生活，都发挥着重要的作用，因此，要采取合理有效的措施改善土壤存在的污染问题，提高土壤自净化能力。
参考文献
[1]贺艳.我国农村土壤污染防治立法研究[D].东北林业大学，2015.
[2]孙起.试论我国土壤污染防治的制度构建[D].复旦大学，2014.
环境材料在农业抗旱节水中的应用
水是农业的命脉。我国农业年用水约4.0×1011m3,占总用水71%左右。农业用水量中约90%为农田灌溉,即约3.6×1011m3为我国农田灌溉用水量上限[5]。农业灌溉用水存在三大突出问题:一是水资源严重不足,制约着农业灌溉进一步扩大,干旱问题严重。近年我国年受旱面积2000万~2700万hm2,全国中等干旱年农业灌溉缺水3.0×1010m3。二是已开发利用的水资源浪费严重,宁夏回族自治区和内蒙古自治区大田漫灌的次灌水量达1200m3•hm2以上,灌溉水利用率40%左右(发达国家80%~90%)。三是水资源遭受严重污染。环境材料在农业抗旱节水中的应用主要是土壤保水剂和作物叶面抗蒸腾剂。可生物降解地膜也是一类近年研发较多的环境材料,属于物理性材料,这里不做深入探讨。土壤保水剂(superabsorbentpolymer,SAP)是通过改善植物根土界面环境、又供给植物水分的化学节水技术。土壤保水剂本身是一种超高吸水保水能力的高分子聚合物,它能迅速吸收比自身重数百倍甚至上千倍的纯水,且有反复吸水功能,所吸的水可缓慢释放供作物利用。由于其具有操作简便、投入少、见效快和易于推广等特点,因而应用与发展前景广阔。随着经济的发展人们对环境保护意识有所提高,土壤保水剂的高效、低毒和价廉等优点成为其应用农业生产及其环境治理的重要选择。
20世纪中期,美国首先研制出淀粉型保水剂并在玉米、大豆涂层和造林应用取得效果后,世界各国竞相研制。日本发展最快,成为世界上最大的超强吸水性树脂生产国,20余家主要厂家年产10万t。英国研制出防止土壤侵蚀和保证作物需水的防蚀聚合物和保水聚合物。法国研制出能吸收自身水500~700倍的“水合土,用于改良沙特阿拉伯干旱地区的土壤结构。俄罗斯合成的保水剂用于节水农业,在伏尔加格勒每公顷使用100kg,节水50%,农作物增产20%~70%。全球年产土壤保水剂已超过200万t[6]。我国土壤保水剂研制和应用始于20世纪80年代中期,发展较快。土壤保水剂按照化学组成和功能特点可分为高分子聚丙烯酸盐类保水剂、有机无机复合类保水剂、多功能类保水剂3类。中国科学院兰州化学物理研究所研制的有机无机复合保水剂,已在胜利油田长安实业(集团)公司建成3000t•a1生产线;中国矿业大学(北京)利用风化煤研制出腐殖酸复合保水剂。目前土壤保水剂产品的生产技术基本成熟,可查的土壤保水剂相关专利120多项。应用范围从林业生产推广至大田作物60多种作物,年推广面积超过20万hm2。国家对保水剂研发和应用非常重视,从“十五到“十二五的国家高技术研究发展计划(863计划)项目都列入多功能节水制剂课题。
黄占斌[6]总结提出土壤保水剂作用原理包括4个方面:①土壤保水剂自身吸水、保水和释水原理。保水剂吸水速度快,溶胀比大。保水剂分子含有大量羧基、羟基、酰胺基以及磺酸基等强亲水性官能团,对水分有强烈的缔合能力,纯水中的吸水溶胀比为400~1000倍或更高;保水剂保水能力强。保水方式主要包括吸水和溶胀,以后者为主;保水剂释水性能好,供水时期长。王砚田等[7]研究表明,保水剂所吸持水分最大吸水力13~14kg•m2,根系吸水力大多为17~18kg•m2,故一般情况下不会出现根系水分倒流,其中90%以上为植物最易吸收利用的水分。此外,保水剂有吸水释水干燥再吸水反复吸水功能,但反复的保水剂吸水倍率下降10%~70%或失去吸水功能。②土壤保水剂促进土壤改良和保持原理。保水剂在土壤中吸水膨胀,把分散的土壤颗粒粘结成团块状,增加土壤团聚体。黄占斌等[8]研究表明,保水剂特别对0.5~5mm粒径土壤团粒结构形成作用最明显,且土壤中保水剂在0.005%~0.01%范围时,团聚体增加量明显;同时,保水剂应用会使土壤容重下降,孔隙度增加,调节土壤中的水、气、热状况而有利作物生长,改善土壤结构。加之保水剂分子内部大量可电解羧酸盐基团吸水后网状结构撑开,可提高土壤吸水能力,增加土壤含水量。此外,保水剂能增加土壤持水能力,降低土壤水分蒸发量和水分渗透。③土壤保水剂提高肥料和农药等农化产品利用效率原理。保水剂表面分子有吸附和离子交换作用,肥料和农药中的铵离子等官能团能被保水剂上的离子交换或络合,以“包裹方式把土壤中的离子包起来,减少肥料和农药淋失。但同时会使土壤保水剂失去部分保水能力,故土壤保水剂尽量不与锌、锰和镁等二价金属元素肥料混用。
黄震等[9]试验表明,尿素等非电解质肥料与土壤保水剂结合应用,保水剂的保水和保肥作用都能得到充分发挥。田间试验证明[10],土壤保水剂与氮肥配合使用,吸氮量和氮肥利用率分别提高18.7%和27.1%。俞满源等[11]在陕西延安的试验表明,开沟10~15cm,单施保水剂和单施氮肥的马铃薯产量分别增加42.7%和33.3%,土壤保水剂加氮肥使马铃薯产量增加75%以上。近年来,我国每年农田氮肥利用率仅30%~35%,磷肥利用率10%~20%,钾肥利用率35%~50%;我国每年农药施用量达30多万t,其中高毒农药占农药总量的70%。农药平均施用量13.4kg•hm2,农药过量或不合理使用导致约70%~80%的农药作用于非靶标生物或直接进入环境。土壤保水剂对化肥和农药利用效率提高的研究,是治理农田化肥和农药面源污染等重要的技术应用依据。④土壤保水剂调节植物生理节水效应原理。土壤保水剂植物效应与保水剂的应用方法有关。土壤保水剂处理种子是为种子提供相对湿润的小环境,促进植物种子发芽;土壤穴施或沟施应用保水剂,主要是改变根土水环境,造成部分根系干旱产生ABA信号而调控植物生理节水。李志军等[12]试验证明,作物在其生长发育过程中具有适应土壤干湿交替环境的能力,即作物在受到一定程度水分胁迫时,能够通过补偿效应来弥补产量减少或减少损伤。当土壤保水剂应用于土壤时,随着土壤水分蒸散,作物根系出现部分低水势,产生根源ABA,经木质部导管传输到作物的地上部分,在作物叶片调节气孔开度,减少蒸腾。同时,根系经过一定程度水分胁迫锻炼复水后,水分传导高于未经胁迫锻炼的对照。这两方面作用使作物根系表现出补偿效应。
主要有拌种或种子涂层、种子丸衣造粒、根部涂层(亦称蘸根)、土壤直接施用和用作育苗培养基质等方法,常用土壤直接施用法。种子包衣方法处理种子可显著提高低土壤湿度条件下的出苗率。黄占斌等[13]试验表明,施0.05%~1%土壤保水剂的土壤移栽烤烟,缓苗期缩短2d,缺水存活天数较对照多5~20d。大量试验表明,小麦、大麦、小黑麦、玉米、棉花、大豆、花生和马铃薯上应用复合包衣剂后,其增产幅度均在13.8%以上。此外,土壤保水剂也被用作土壤结构改良剂,改善土壤结构和调节肥力,提高作物抗旱力。2.1.4土壤保水剂的发展趋势土壤保水剂的发展趋势主要有3个方面:一是加强低成本、长效、多功能、复合和专用保水剂研制。针对土壤保水剂原料涨价和成本增高问题,开发以生物和原生矿物质材料为基质,抗水解且可生物降解的低成本、长效保水剂;加强土壤保水剂应用技术范围,形成拌种、土壤施用和灌水施用等不同剂型的多功能保水剂产品系列。二是加强土壤保水剂的应用基础研究,包括土壤保水剂对土壤和植物作用的时效问题,保水剂对农业的环境影响问题,土壤保水剂在植物根土界面水分变化与植物效应的关系问题等;三是建立土壤保水剂应用技术规范,包括适合不同气候、地区和土壤的保水剂最佳施用量、施用方式和施肥方式等;研究保水剂与其他旱作农业措施相结合的综合应用技术。#p#分页标题#e#
作物叶面抗蒸腾剂(anti-transpirant)是能够降低植物蒸腾减少水分损失的一类化学物质。由于作物光合作用和生长保存在干物质中的水分仅占其耗水量的1%左右,90%以上水分为蒸腾消耗,因而降低作物蒸腾耗水是节水和抗旱的重要环节。抗蒸腾剂按其性质和作用方式分为代谢型气孔抑制剂(metabolicanti-transpirant)、薄膜型抗蒸腾剂(filmforminganti-transpirant)和反射型抗蒸腾剂(reflectinganti-transpirant)3类[14]。①代谢型气孔抑制剂,能控制气孔开张度而减少水分蒸腾损失。比较有效的有2,4-二硝基酚(2,4-dinitrophenol,DNP)、整形素和甲草胺等。喷施1次DNP降低蒸腾的药效可维持12d;低浓度甲草胺可维持20~22d;CaCl2和粉锈宁等也具有较好的效果,在降低蒸腾作用的同时,对光合作用的影响不太显著,药效可维持2周左右。另一类是K+螯合剂,叶面喷施能影响保卫细胞的膨压而调节气孔运动,降低叶片蒸腾的效果明显,如地衣酸、藻酸和环己基18-冠-6等在极低浓度(1015mol•L1)下使大麦叶片蒸腾下降50%,环己基18-冠-6在低浓度下的效果比脱落酸(abscisicacid,ABA)还高1~2个数量级。②薄膜型抗蒸腾剂,是应用单分子膜覆盖叶面,阻止水分子向大气中扩散。Davenport等[15]试验证明,用薄膜型抗蒸腾剂CS6432(一种蜡质乳液)以1.5%浓度在夹竹桃上喷1次可使蒸腾下降25%~30%,土壤水分的消耗减少40%,叶片水势升高,其效果相当于一次灌水。薄膜型抗蒸腾剂还可用于树苗移栽。用丁二烯酸对欧洲白桦、小叶椴、挪威槭和钻天杨等树苗进行处理,叶片上形成的薄腊使蒸腾在8~12d内下降30%~70%。该技术可使春季造林的季节延长2周。③反射型抗蒸腾剂,是利用反光物质反射部分光能,达到降低叶面温度减少蒸腾损失的目的。目前研究使用较多的是成本低廉的高岭土(kaolin)。
Abou-Khaled等[16]研究表明,旱地小麦播种后45d叶面施用6%的高岭土溶液,叶温较对照低1~2.5℃,蒸腾降低,产量较对照有明显提高,在不同降水年份中,产量提高幅度为16.5%~27.7%。经过多年筛选与应用,作物抗蒸腾剂的研发已有上百种,其中对苯汞乙酸(phenylmercuricacetate,PMA)、ABA、高岭土(kaolin)、聚氨基葡萄糖(chitosan)和黄腐酸等研究较多。国外抗蒸腾剂研究以薄膜型为主,代谢型抗蒸腾剂的研究主要是对ABA的研究较多,而对反射型抗蒸腾剂研究很少。我国20世纪60年代研究抗蒸腾剂,70年代末期以黄腐酸抗旱剂(fulvicacid,FA)研究为中心。河南省科学院化学研究所对各种FA提取分离,并命名和建立“抗旱剂1号50t中试车间,后扩展为年产150~200t的生产厂。该研究1992年获国家发明奖,实现我国第一个代谢型抗蒸腾剂的产业化。作物抗蒸腾剂研究虽然取得一定进展,但由于价格、毒性及效果等问题,至今仍处于试验示范阶段。目前生产中主要推广的是黄腐酸。黄腐酸被认为是一种兼具抗蒸腾作用和促进生长的物质。在实际生产中,中国农业科学院研发的“FA旱地龙抗旱剂是我国目前农业抗旱节水应用最广泛的节水制剂,为国家水利部推广应用的农作物抗旱新技术[17]。“FA旱地龙主要成分为天然资源黄腐酸,其黄腐酸含量≥8%,有效磷≥2%,并含有16种氨基酸和20多种植物所必需的微量元素,是集抗旱、抗寒、抗病和营养为一体的多功能制剂。主要应用方法有喷施、拌种或浸种、随水浇灌和与酸性农药复配。“FA旱地龙全国年使用面积约1300多万hm2。冯建灿等[18]试验证明,冬小麦宜用“FA旱地龙500倍稀释液于拔节后抽穗前,视天气喷施1~2次,玉米在拔节前后视天气情况喷施1~2次。“FA旱地龙可使粮食作物增产10%~15%,经济作物增产15%~40%,节水20%~30%,提早成熟3~7d,投入产出比在1︰15以上。
环境材料在土壤重金属污染治理中的应用
土壤重金属污染是土壤污染研究和解决的重点。随着工业、城市污染的加剧和农业施肥、污水灌溉、污泥应用的增加,土壤重金属污染日益严重,作物生长和质量越来越受到人们关注。我国受重金属污染的农业土地面积大、分布范围广。全国约2500万hm2土地受到不同程度的重金属污染,占农田总面积的1/5,污染严重的土地超过70万hm2。其中1.3万hm2土地因镉含量超标而被迫弃耕,涉及11个省市的25个地区[19],我国24个省(市)工矿、城郊污水灌溉区等320个重点污染区中,重金属含量超标的农产品产量占所有污染超标的农产品产量的80%以上,尤其是镉、汞、铅、铜及其复合污染尤为明显。土壤重金属污染物通过直接或间接的方式危害动、植物生长和人的健康。土壤中过量重金属大部分滞留土壤耕作层,影响植物生长。据报道[20],我国每年因重金属污染而导致的粮食减产量超过1000万t,被重金属污染的粮食多达1200万t,经济损失达200亿元。因为土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点,经水和植物等介质最终影响人类健康,治理和恢复难度大。
重金属污染土壤修复技术发展迅速,主要包括工程措施、物理化学措施、化学改良措施和生物措施,包括植物和微生物菌剂等,其中研究与应用较多的主要是生物修复技术和化学固化修复技术[2122]。化学固化修复是化学修复技术之一,原理是向土壤中加入重金属固化剂或钝化剂,改变重金属和土壤的理化性质,通过吸附、沉淀等作用降低土壤中重金属的迁移能力和生物有效性[23]。随着可持续发展理论研究和应用的深入,重金属固化材料研究越来越受重视。目前,重金属稳定固化修复的材料主要有黏土矿物、磷酸盐、沸石、无机矿物、有机堆肥及微生物等。矿物材料和有机材料对重金属有较好的稳定效应。余贵芬等[24]研究表明,有机质能使重金属生成硫化物沉淀,也能使Cr6+还原成低毒的Cr3+。余观梅[25]发现,施用粉煤灰钝化污泥能明显降低鸡冠花和高羊茅植株中锌、铜、锰和铅的含量。另外,胡振琪等[26]研究和评价了黏土矿物与菌根稳定化修复重金属污染土壤的效果。沸石、磷灰石、含铁矿物和磷酸盐等材料具有廉价高效和来源广泛等特点,被用作控制和修复重金属污染土壤的矿物材料。张云琦等[27]研究表明,沸石独特的孔道结构及其所含大量可交换态阳离子对重金属铅和镉的吸附效果尤为明显;Kuznetsov等[28]在灰森林土壤中施用沸石8~16t•hm2,发现可移动的重金属铅、镍和铜含量明显减少;曾敏等[29]研究发现,碳酸钙施用会显著提高土壤pH,降低土壤交换态镉含量,减少大豆对镉吸收。同时,Kumpiene等[30]总结了应用固化材料治理土壤重金属砷、铬、铜、铅和锌污染方面的研究进展;张云龙等[31]研究了硅素物质对土壤水稻系统中镉行为的影响;刘昭兵等[32]研究了赤泥对Cd污染稻田水稻生长及吸收累积镉的影响。#p#分页标题#e#
高分子保水材料是一种新发现的对重金属有固化效果的环境材料。黄占斌等[33]研究表明,高分子化合物在直接供给作物根系水分、改良土壤结构和养分转化的同时,具有降低重金属对植物污染效应而减小作物对重金属的吸收效果。黄震等[34]研究了环境材料(煤基营养材料A、高分子保水材料SAP、煤基复合材料FM和吸附性矿物材料FS)及复合材料对作物生长及其对土壤重金属铅、镉吸收影响。结果表明,单个及复合材料处理较对照能明显减少作物对土壤重金属铅、镉的吸收,并促进作物生长。高分子保水材料(SAP)及其复合材料使玉米对土壤重金属铅的吸收降低50%以上,使镉吸收量降低80%以上。高分子保水材料(SAP)及其复合材料使大豆对土壤重金属铅吸收降低69%以上,使镉吸收量降低33%以上。研究还表明,高分子保水材料(SAP)及其复合材料对重金属铅、镉固化的效应与改良土壤pH、EC、土壤有机质、速效氮磷养分及土壤脲酶、磷酸酶活性等关系密切。目前对重金属污染土壤进行改良的环境材料越来越多,但相关研究多集中在单一重金属元素上,针对多种土壤重金属复合污染同时修复的研究较少[35]。同时,对环境材料修复重金属污染土壤时存在的潜在风险及钝化修复的长期田间效应研究也不足[36]。
环境材料在盐碱地改良中的应用
土壤盐碱化是我国农业重要环境问题之一,我国盐碱地土壤呈现面积大、分布广的特点,现有盐碱化土约1亿hm2,耕地盐碱化760万hm2,占耕地面积近1/5,分布在滨海地区和西部内陆干旱半干旱地区[37],还包括北方冬季应用融雪剂(主要为氯化钠、氯化钙和氯化镁)除雪造成的绿化地土壤盐碱化。土壤表层含易溶性盐分超过0.6%~2.0%时为盐土,土壤盐碱化会引起植物生长伤害,造成高浓度盐分降低土壤水势而使植物吸水困难的“生理干旱,或植物过多地吸收土壤中某种过高浓度的离子而减少其他离子的吸收,形成某种离子在植物体内积累过度使植物受害的“单盐毒害。此外,植物受盐分胁迫会造成一系列生理代谢失调,如:光合作用受到干扰;低盐浓度促进呼吸,高盐浓度抑制呼吸;盐分胁迫下降低蛋白质合成,促进蛋白质分解和植物死亡。
盐碱地改良方法包括水利措施、物理措施、化学措施以及生物措施[38]。施用环境材料改良土壤是现代化学措施的一种,随着循环经济和现代化工发展,其应用不断加快。目前用于改良盐碱地的环境材料主要有两类:一是加钙(代换作用)环境材料,主要有石膏、磷石膏、脱硫石膏、氧化钙、石灰石、磷石膏和煤矸石等。另一类是加酸(化学作用)环境材料,主要有腐植酸、糠醛渣、硫磺、黑矾(硫酸亚铁)、粗硫酸、硫酸铝及酸性肥料等[39]。施用石膏改良盐碱土。石膏主要成分是硫酸钙,其钙离子代换土壤胶体吸附的交换性钠离子,使钠质土变为钙质土。同时,土壤中游离的碳酸氢钠和碳酸钠经过代换形成硫酸钠随灌水洗盐冲洗掉,土壤中盐碱对作物毒害就会减轻[40]。近年电厂烟气脱硫废弃物脱硫石膏改良盐碱地试验示范加快,如沈阳市康平县应用脱硫废弃物改良苏打碱化土壤的玉米,效果明显[41]。宁夏银北灌区利用电厂脱硫石膏种植油葵等作物,取得良好效果[42]。内蒙土默川地区的碱化土壤进行小麦、玉米盆栽试验,提出碱良时不必彻底消除交换性钠离子为目标,只要碱化度<10%就适宜作物生长[43]。
腐植酸是另一类研究和应用广泛的盐碱地改良环境材料。腐植酸是一种形成土壤有机无机复合体的有机胶体物质,也是一种有机大分子两性物质,其阳离子交换量大,缓冲能力强,是调节土壤pH、缓冲土壤酸碱性的有效缓冲剂。此外,腐植酸还可改善土壤结构,增强土壤透水保水性;对金属离子有络合、螯合作用及很强的物理吸附和物理化学吸附作用。张继舟等[44]使用含腐植酸40%的腐植酸钾加上复混肥,与单施复混肥及对照比较,结果表明,施腐植酸钾处理的0~20cm表土土壤电导率及土壤中水溶性盐基离子K+、Ca2+、Mg2+、NH4+、NO3、SO42和HCO3均低于对照处理,而单施复混肥的含量均高于对照。腐植酸降低土壤中水溶性盐分作用明显,改良盐碱土及防止土壤盐渍化的效果显著。为了比较脱硫石膏、腐植酸和聚丙烯酰胺(PAM)结合对盐碱地改良效果,我们在山东省滨州市黄河三角洲中等盐碱化土壤(含盐量0.4%,pH7.8)进行正交试验,结果表明,30g•kg1脱硫石膏+2g•kg1腐植酸+0.01g•kg1PAM组合能有效促进盐碱地的棉花生长,棉花株高、叶面积、鲜重及干重比未加环境材料的对照组分别提高33.4%、41.7%、82.2%和237.8%。土壤分析表明,脱硫石膏可增加土壤Ca2+含量,增强与Na+交换吸附,土壤的钠吸附比SAR显著降低。此外,腐植酸类物质降低土壤pH,有利土壤铵态氮和硝态氮的保持,促进速效磷释放,提高土壤中氮、磷肥的利用效率。