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我國土壤-蔬菜作物系統(tǒng)重金屬污染及其安全生產(chǎn)綜合農(nóng)藝調(diào)控技術

2018-12-07 08:41馬璐瑤吳英杰黃路寬周其耀楊肖娥
關鍵詞:作物重金屬蔬菜

馮 英,馬璐瑤,王 瓊,吳英杰,黃路寬,周其耀,楊肖娥

(浙江大學環(huán)境與資源學院,污染環(huán)境修復與生態(tài)健康教育部重點實驗室,杭州 310058)

從1978改革開放以來,我國蔬菜產(chǎn)業(yè)經(jīng)過30多年的迅猛發(fā)展,種植面積從1978年的3.3×106hm2發(fā)展到2015年的2.2×107hm2[1-2],占全國耕地面積的13.2%。我國蔬菜年產(chǎn)量超7億t,人均占有量超500 kg[2],是世界第一大生產(chǎn)和消費國。蔬菜單產(chǎn)逐年提高,從1980年的2.6萬kg·hm-2提高到2015年的3.6萬kg·hm-2,高于世界平均水平約 17%[2-3]。2014 年蔬菜每公頃凈利潤為3.23萬元,成本利潤率為51.3%,分別比糧食、大豆、甘蔗高39.7%、55.2%和58.4%[3],已成為農(nóng)民增收的主要來源之一。

隨著生活水平的提高,人們對食品安全性和農(nóng)產(chǎn)品綠色生產(chǎn)的要求越來越高。然而目前農(nóng)田土壤重金屬污染問題日益凸顯[4],土壤重金屬通過食物鏈的遷移是人體重金屬暴露的重要途徑。一旦重金屬進入蔬菜地,就有可能在蔬菜作物中積累,從而給人體健康帶來風險。Huang等[5]調(diào)研了南方典型郊區(qū)土壤重金屬污染的健康風險,發(fā)現(xiàn)因土壤暴露和食物攝取導致的人體潛在健康危險指數(shù)為15.3,其中87.5%的健康風險來自食物消耗,且水稻(10.44)>蔬菜(2.86)>茶葉(0.05)。Liu等[6]發(fā)現(xiàn),菜地土壤鉻(Cr)和鉛(Pb)污染導致非致癌風險,而鎘(Cd)污染易導致致癌風險。相對于稻田,菜地土壤重金屬污染的健康風險雖然較低,但由于蔬菜作物在我國居民膳食結構中占有重要地位,因此重金屬污染菜地的安全利用對保障蔬菜作物的安全生產(chǎn)和人體健康均有十分重要的意義。

本文在梳理我國菜地土壤和蔬菜作物重金屬污染現(xiàn)狀的基礎上,對蔬菜作物對重金屬吸收積累特征及其安全生產(chǎn)綜合農(nóng)藝調(diào)控技術研究進展進行了總結,以期為重金屬污染蔬菜地的安全利用和農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 我國菜地土壤重金屬污染現(xiàn)狀

1.1 污染面積較大且以中輕度污染為主

隨著我國經(jīng)濟社會的不斷進步,因工業(yè)“三廢”排放、城市生活垃圾堆放、農(nóng)用化學品的投入及大氣沉降等引起的土壤重金屬污染問題引起了全社會的廣泛關注。宋偉等[7]通過分析近千篇文獻中涉及31個省份的346個地級市數(shù)據(jù),推斷我國大約有1/6的耕地受到不同程度的重金屬污染,約為2×107hm2,且污染面積不斷擴大。2014年,環(huán)保部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布了全國土壤污染狀況調(diào)查公報,顯示耕地土壤點位超標率為19.4%,其中重度污染點位僅占1.1%。雖然我國蔬菜地土壤污染狀況尚未有權威的統(tǒng)計詳查數(shù)據(jù),但從20世紀90年代起,全國各地就有大量蔬菜地土壤污染情況的調(diào)查報道(表1)。這些調(diào)研結果表明,我國蔬菜地土壤重金屬污染類型多樣,污染面積雖在擴大,但主要以中輕度污染為主。最近啟動了全國土壤污染狀況詳查工作,將在2018年底前查明農(nóng)用地土壤污染的面積分布及其對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

1.2 污染物種類和污染程度區(qū)域分異明顯

我國蔬菜地土壤主要污染元素有Cd、汞(Hg)、Pb、砷(As)、Cr、銅(Cu)等(表1)。南方菜地Cd污染最為嚴重,其次是Pb、Hg和As[31]。Zeng等[32]通過比較不同地區(qū)菜地土壤的重金屬含量,發(fā)現(xiàn)中國東部菜地重金屬污染較嚴重,主要污染元素為Cd、Hg、鋅(Zn);中部地區(qū)以As和Cd污染為主,少數(shù)受Hg、Zn和Cu污染;西部地區(qū)有一定程度的Cd和As污染,少數(shù)土壤樣品Cu、Cr和Hg超標。郭愛珍等[33]通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),華中地區(qū)菜地污染較為嚴重,華東地區(qū)存在不同程度的Hg、Pb、Cr、Cd、As污染,華南地區(qū)主要是Pb、Cd污染,西南地區(qū)和東北地區(qū)污染較輕,華北地區(qū)部分Cr、Pb污染,而西北地區(qū)污染報道較少,土壤清潔。

2 蔬菜作物的重金屬污染狀況

近30年來,有大量蔬菜產(chǎn)品重金屬污染情況的報道(表1),其重金屬超標率最低為12%[22],有些高達90%以上[26]。Pan等[34]分析了從浙江省11個城市農(nóng)貿(mào)市場采集的28個品種5785個蔬菜樣本中重金屬含

量,發(fā)現(xiàn)As、Cr、鎳(Ni)未超標,而Cd和Pb超標率分別為0.25%和1.56%,表明該地區(qū)人群有一定的通過消費蔬菜攝取重金屬的風險。最近興起的文獻薈萃分析方法為評價土壤污染物通過食物鏈遷移影響人體健康的風險提供了有力的手段。Zhong等[35]分析了2007—2016年已發(fā)表的220篇論文中的1335個數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)蔬菜作物中重金屬污染風險較低,Pb、Cd、Hg的平均含量分別為0.11、0.04、0.01 mg·kg-1,均低于最大允許濃度,南方部分地區(qū)如貴州、云南、湖南、廣東、湖北等省份和北方遼寧省因食用蔬菜有一定的公眾健康風險。在各種蔬菜作物中,葉菜類是Cd和Pb暴露的主要來源,根類是Cu和Zn暴露的重要途徑,而塊莖是Cr暴露的主要來源[1]。

表1 我國土壤-蔬菜系統(tǒng)重金屬污染狀況(部分案例)Table1 Heavy metal pollution in soil-vegetable systems in China(case studies)

蔬菜中的重金屬主要來自土壤、灌溉水、農(nóng)用化學品以及大氣沉降等[36]。當蔬菜體內(nèi)重金屬含量積累到一定閾值,就會表現(xiàn)出毒害作用,嚴重情況可致其死亡。

3 蔬菜作物對重金屬的吸收積累特征及其影響因素

已有研究表明,土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)重金屬累積并非簡單的線性關系[4]。蔬菜作物對重金屬的吸收積累作用,不僅與作物的基因型、生育期和組織部位有關,還與土壤因素及環(huán)境要素緊密相關。

3.1 基因型對重金屬吸收積累的影響

不同種類蔬菜對土壤重金屬的吸收積累作用有明顯差異,普遍表現(xiàn)為葉菜類>根菜類>果菜類[36]。李其林等[37]發(fā)現(xiàn)相比于果菜,葉菜類對Pb、Cd、Cr、Zn等重金屬的富集能力強,而對Ni和Cu的吸收富集能力低。Alexander等[38]發(fā)現(xiàn)豆類蔬菜積累的Cd、Cu、Zn和Pb的量比根菜類和葉菜類的低。歐陽喜輝等[39]調(diào)查以褐土為主的北京市集中連片蔬菜生產(chǎn)基地,發(fā)現(xiàn)扁豆、黃瓜、甜菜、西瓜等對Cd的吸收能力較弱;油菜的吸收能力較強;白菜、菠菜、芹菜、生菜的吸收能力處于中等水平。趙小蓉等[40]通過田間試驗(供試土壤為岷江沖積土)發(fā)現(xiàn),重金屬富集能力總體表現(xiàn)為葉菜類強于根莖類,在花菜、白菜、萵苣、蓮白、蘿卜、土豆等6種蔬菜中,以土豆對Cd和Pb的富集能力最弱。朱蘭保等[41]對蚌埠市蔬菜的調(diào)研發(fā)現(xiàn),重金屬含量大小順序為葉菜類>茄果類、豆類>瓜類。Chang等[42]在珠江三角洲的研究發(fā)現(xiàn),在菜心、生菜、小白菜、大白菜、綠葉萵苣和中國芥菜中,小白菜對重金屬的富集能力最低;5種重金屬Hg、Cd、Pb、Cr、As中以Cd從土壤中轉移到蔬菜中的能力最強。賈麗等[43]發(fā)現(xiàn),在石灰性的潮土(13.4%)和褐土(74.1%)區(qū)域,蔬菜重金屬總量大小順序為菠菜>土豆>大蒜>大蔥>萵苣>黃瓜,對各重金屬元素吸收大小順序為Zn>Cd>Pb>Cu>Cr。陳玉梅等[44]盆栽試驗(供試土壤為潮土)結果表明,番茄和茄子可以在輕度重金屬復合污染土壤中種植;在中度Cd污染土壤上可種植番茄;而辣椒對Cd、Zn的吸收量大,不建議在Cd、Zn污染土壤上種植。與果類蔬菜相比,葉菜和根莖類蔬菜具有相對較高的重金屬濃度和轉運系數(shù)[30]。由于各類蔬菜對重金屬的吸收累積特性受土壤環(huán)境條件和研究方法的制約,導致部分研究結果不總是符合葉菜類>根菜類>果菜類的重金屬積累規(guī)律。

與水稻、小麥等大宗作物類似,同一種蔬菜的不同基因型對重金屬吸收積累的特性也有很大差異。井彩巧[45]發(fā)現(xiàn)38個大白菜品種對Cd和Pb的富集能力有明顯差異,并篩選出Cd和Pb共低積累品種黃芯48等。在盆栽和大田試驗條件下,15種大白菜品種中,北京小雜56對Cd的富集能力很強,而豐源3號的Cd富集系數(shù)和轉運系數(shù)均較低[46]。Chen等[47]通過盆栽和田間試驗對長三角地區(qū)主栽的50個小白菜品種進行了篩選,發(fā)現(xiàn)杭州油冬兒和早生華京等對Cd的積累能力較低,適用于種植在低Cd污染土壤上(≤1.2 mg·kg-1)。Hussain等[48]分析了100個西紅柿品種Cd積累能力的差異,發(fā)現(xiàn)有8個品種在土壤中Cd濃度為3 mg·kg-1和6 mg·kg-1時,產(chǎn)量最高,且果實中Cd含量最低。Dai等[49]通過盆栽試驗從40個蘿卜品種中篩選出了3個Cd低積累品種和5個Cd高積累品種。陳劍等[50]采用大棚盆栽試驗研究了4個西蘭花品種對Pb、Cd、Hg的吸收富集規(guī)律,發(fā)現(xiàn)浙青95與臺綠1號對Pb的富集能力相對較弱,臺綠1號對Hg的富集能力較弱。蔬菜作物對重金屬吸收積累的基因型差異為篩選重金屬低積累種質(zhì)資源,用于重金屬污染蔬菜地安全利用和克隆相關重金屬拒吸收基因提供了遺傳基礎。

3.2 不同組織部位對重金屬積累能力的差異

已有研究表明,蔬菜的不同組織部位對重金屬的富集量也存在顯著差異。Dunbar等[51]發(fā)現(xiàn)土豆不同組織中Cd含量存在顯著差異,與禾本科植物類似,即根>莖>葉>子實。李非里等[52]發(fā)現(xiàn)辣椒中不同部位的Cd含量為根>莖葉>果實,其中果實中的Cd含量僅為莖葉的0.42~0.51倍。楊菲等[53]在潮土和水稻土的盆栽試驗中發(fā)現(xiàn),空心菜根和莖中Pb的平均含量分別是葉中的3.86倍和2.02倍,Cd的平均含量分別是葉中的3.58倍和4.73倍。不同組織部位對重金屬轉運和區(qū)隔能力的差異是導致其富集能力不同的主要原因。植物對Pb、Cd、As等的富集能力一般為地下部位>地上部位,這是由于這些重金屬在植物體內(nèi)的轉運能力相對較弱[54]。重金屬離子被根吸收后,一般通過必需元素的運輸途徑或者離子通道轉運至其他部位,因而轉運能力差的離子地上部積累就少。但是有研究顯示,芥菜的地上部可以從土壤或水溶液中積累高水平的Cd[55-56],Nouairia等[57]比較了芥菜和油菜葉片吸收積累Cd的區(qū)別,發(fā)現(xiàn)與油菜相比,芥菜的地上部積累了更多的Cd;Cd處理下芥菜葉片的脂質(zhì)含量增加,但脂肪酸組成基本不變,而油菜葉片不僅脂質(zhì)成分發(fā)生了變化,而且脂質(zhì)含量也有所下降。

3.3 土壤環(huán)境條件制約蔬菜作物對重金屬的吸收積累

重金屬在蔬菜作物體內(nèi)的積累,除了與作物本身特性有關,還與土壤狀況和外界環(huán)境條件直接相關。土壤中重金屬的含量和形態(tài)、土壤的理化性質(zhì)、養(yǎng)分狀況及微生物活性等均顯著影響作物對重金屬的吸收積累。

Ye等[24]發(fā)現(xiàn)蔬菜作物(尤其是莖葉類蔬菜)重金屬含量與土壤中重金屬含量呈顯著正相關。Zhang等[58]調(diào)研發(fā)現(xiàn),蔬菜作物體內(nèi)重金屬濃度與土壤重金屬總濃度的相關性較差,而與土壤重金屬生物有效濃度直接相關,土壤pH是決定土壤重金屬生物有效性的重要因素;基于土壤-植物系統(tǒng)生物有效重金屬轉運系數(shù)分析,所研究的珠江三角洲區(qū)域Cu、As和Hg容易在蔬菜作物中富集。Yu等[59]對27篇蔬菜作物Hg污染研究論文薈萃分析發(fā)現(xiàn),土壤的pH值和有機質(zhì)含量(SOM)是影響蔬菜作物Hg吸收的主要因素。

土壤中的微生物活動對重金屬的遷移轉化有重要作用。微生物對重金屬離子的影響不僅包括生物吸附、富集、溶解、氧化還原以及絡合等物理化學作用[60-61],而且還包括調(diào)控植物對重金屬離子的吸收、轉運等生物作用。陳寶等[62]從Pb污染礦區(qū)篩選到1株銅綠假單胞菌M2(Pseudomonas aeruginosa),發(fā)現(xiàn)接種M2能夠促進小白菜生長,維持土壤細菌多樣性,明顯促進Pb污染土壤的植物修復作用。He等[63]在伏毛蓼根部分離出一種金屬耐受和促植物生長內(nèi)生菌(Rahnella sp.JN6),將其接入甘藍型油菜后,顯著提高了油菜地上部和根組織中Cd、Pb、Zn的濃度,促進了植物對重金屬的吸收。通過調(diào)控土壤尤其是作物根際土壤中微生物的組成和活性降低蔬菜作物對重金屬的吸收累積將是未來一段時間研究的熱點。

此外,水肥管理方式、溫度光照等外界環(huán)境要素都會影響作物對土壤重金屬的吸收與積累,為通過調(diào)控這些要素降低蔬菜可食用部位重金屬含量提供了可能。

4 重金屬污染菜地蔬菜作物安全生產(chǎn)農(nóng)藝調(diào)控技術

我國《土壤污染防治行動計劃》確定了農(nóng)用地分類管理的思路,對于中輕度污染農(nóng)田重在安全利用。因此,可以采用農(nóng)藝調(diào)控技術進行邊生產(chǎn)邊修復,以保障重金屬污染蔬菜地的安全生產(chǎn)。已有大量針對重金屬污染稻田的農(nóng)藝調(diào)控技術集成和示范研究,而對蔬菜地的研究相對較少,特別是大規(guī)模的推廣應用示范還比較缺乏,當前的研究主要集中于以下幾個方面:

4.1 調(diào)整種植布局,選擇低積累品種

由于土壤重金屬不能被微生物降解,具有移動性差、積累性強等特點,其治理和修復難度很大。要在中輕度污染蔬菜地上種出安全的農(nóng)產(chǎn)品,可以根據(jù)不同蔬菜作物對重金屬富集和吸收的差異,合理進行生產(chǎn)布局,比如在重金屬污染嚴重的地區(qū),盡量少種容易富集重金屬的葉菜類蔬菜,改種富集力弱的果菜和低積累的根菜等。韓峰等[64]大田試驗發(fā)現(xiàn),在貴州礦區(qū)Cd含量超標的蔬菜地中,可以種植胡蘿卜、芹菜、茄子等對Cd的積累能力較弱的蔬菜;而在Hg含量超標的蔬菜地里,可以種植豇豆、棒豆、辣椒等對Hg富集能力較低的蔬菜。顧燕青等[65]指出,在中輕度重金屬污染土壤中,可以種植葉菜類和根莖類的低積累品種,避免種植高富集基因型蔬菜。目前大多數(shù)重金屬低積累品種篩選研究采用人為添加重金屬污染的盆栽試驗或者溶液培養(yǎng)試驗,污染水平比較高,土壤環(huán)境單一。而在田間生產(chǎn)實際中,大部分蔬菜地是中輕度污染水平,污染元素多樣,且土壤環(huán)境復雜。因此,必須立足蔬菜生產(chǎn)基地,因地制宜選擇優(yōu)質(zhì)高抗農(nóng)藝性狀優(yōu)良的主栽品種,篩選出市場接受程度高、易于推廣應用的重金屬低積累品種。

4.2 優(yōu)化種植模式,合理輪間套作

我國蔬菜生產(chǎn)多采用高度集約化的輪間套作種植模式,復種指數(shù)較高。近年的研究發(fā)現(xiàn),在重金屬中輕度污染土壤上,通過合理的輪間套作技術可以有效降低作物可食部位重金屬含量,特別是利用超富集植物與普通植物的輪間套作,效果更加明顯。輪間作系統(tǒng)中,作物從土壤中提取的Cd分別占土壤Cd總量的2.30%和1.16%,而在單作體系中只占0.21%[66]。居述云等[67]發(fā)現(xiàn)超積累植物與蔬菜作物輪作可以降低后茬茄子的重金屬污染風險。An等[68]研究了5種作物(番茄、玉米、青菜、白菜和三葉草)在單作和間作條件下重金屬的吸收狀況,結果顯示,當番茄與其他作物間作時,會增加重金屬的積累,當玉米與其他作物間作時,Cr、Cu、Fe的濃度會降低,而三葉草對Cd和Pb的積累能力強,與三葉草間作,5種重金屬的濃度都降低了。田間試驗條件下,間作增強了Cd富集植物續(xù)斷菊對Cd的吸收,降低了蠶豆對Cd的吸收[69]。盆栽試驗發(fā)現(xiàn),Cd超富集植物土荊芥和蠶豆、玉米間作促進了土荊芥對Pb、Cd、Zn的吸收和積累,同時抑制了蠶豆、玉米對重金屬的吸收[70]。與Cd超富集植物龍葵間作,提高了茄子的生物量、光合作用和抗氧化酶活性[71]。而龍葵與低積累大蔥套種不僅顯著提高了龍葵對土壤Cd的去除率,而且降低了大蔥可食部位Cd的含量[72]。油菜是一種Cd高積累作物[73-74],溪口花籽和川油Ⅱ-10具有明顯的Cd超積累特征和修復Cd污染土壤的能力[73,75]。Su等[76]通過自然Cd污染土壤的盆栽試驗發(fā)現(xiàn),與竹倉花籽或川油Ⅱ-93輪作會降低白菜中Cd的含量。這些結果表明,輪間套作是實現(xiàn)重金屬中輕度污染土壤安全利用的重要途徑,比較適用于我國蔬菜作物的生產(chǎn),但由于間套作模式用工甚大,相關機械化操作設備還較少,因此限制了其大規(guī)模的推廣應用。

4.3 合理施用土壤改良劑,降低土壤重金屬的生物有效性

土壤改良產(chǎn)品種類繁多,包括松土劑、增肥劑、改良劑、調(diào)節(jié)劑等[77],其類型不同,作用機制也不相同,主要包括改善土壤含水量、容重等物理性質(zhì),改變土壤pH、SOM等化學性質(zhì),調(diào)控土壤微生物的活性等,從而改變土壤對重金屬的吸附、沉淀、絡合、氧化還原作用等以降低土壤中重金屬的生物有效性[78]。劉恩玲等[79]采用大棚小區(qū)試驗,比較有機肥、欄肥、腐植酸和石灰作為土壤改良劑的作用效果,發(fā)現(xiàn)腐植酸和石灰可有效抑制Cd、Pb在土壤-蔬菜(青菜、蘿卜)系統(tǒng)的遷移。劉維濤等[80]通過盆栽試驗,比較了石灰、雞糞、過磷酸鈣及其組合降低大白菜地上部Cd和Pb含量的作用效應,發(fā)現(xiàn)施用改良劑可升高土壤的pH值、降低土壤中的有效態(tài)Cd含量,促進大白菜的生長并降低大白菜中Cd和Pb的含量。劉曉婷等[81]通過盆栽試驗比較了石灰、過磷酸鈣、人造沸石、納米羥基磷灰石及其組合在中輕度Cd污染土壤上降低芹菜Cd吸收的作用效果。李丹等[82]研究了Cd污染程度不同的土壤中改良劑的應用效果,發(fā)現(xiàn)不同土壤中改良劑的作用效果與機制不同。Yao等[83]發(fā)現(xiàn)新型Fe-Si鈍化材料比人工沸石和堿土具有更好的增加土壤pH、降低上海青對As和Cd吸收的作用。李富榮等[84]比較了不同栽培方式和施用改良劑的農(nóng)藝調(diào)控措施組合對蕹菜中Pb、Cd累積規(guī)律的影響差異,結果顯示與旱作模式相比,水作條件下施用改良劑對蕹菜-土壤系統(tǒng)中Pb、Cd累積特性的影響效果更明顯。有機改良劑可以升高土壤pH值,增加與土壤中Cd的結合位點,形成穩(wěn)定的復合物,降低Cd在土壤中的生物有效性,被認為是環(huán)境友好、經(jīng)濟有效的原位修復技術。

近年來,生物炭作為土壤改良劑被廣泛應用。李鷹翔等[85]發(fā)現(xiàn)在酸性和中性土壤中,生物炭和粉煤灰可以發(fā)揮有效的重金屬鈍化作用,粉煤灰可以有效阻礙土壤的重金屬淋溶,但對土壤酸化只能起到短期的改善作用;施用生物炭可以有效提高作物產(chǎn)量、降低重金屬的生物有效性以及改善土壤性質(zhì)等。楊僑等[86]發(fā)現(xiàn)由海泡石、生物炭、腐植酸組成的復合鈍化劑施入污灌區(qū)土壤后,土壤有機質(zhì)含量升高,土壤和菠菜中Cd含量均明顯降低。Cardenas-Aguiar等[87]比較了添加生物炭和生物炭/堆肥混合物對不同土壤-蔬菜(芥菜、水芹、黑麥草)系統(tǒng)中Cu遷移的影響,發(fā)現(xiàn)添加生物炭降低了Cu在土壤中的移動性,增加了植物的根長和生物量。Ren等[88]發(fā)現(xiàn)向土壤中施加生物炭,降低了土壤的pH值和EC值,增加了土壤微生物的數(shù)量,并且促使土壤中的Cd轉化為穩(wěn)定形態(tài),降低Cd的生物有效性,抑制白菜從土壤中吸收Cd。盡管生物炭作為土壤改良劑的作用效果十分明顯,然而由于生產(chǎn)成本較高,導致其在蔬菜生產(chǎn)體系中大規(guī)模應用的報道還較少。

雖然土壤改良劑可以通過各種過程降低土壤重金屬的生物有效性[89],但有些改良劑本身含有一定量的重金屬,還有些改良劑可能會產(chǎn)生一些有毒有害次生代謝物,大量使用會影響土壤的理化性質(zhì),帶來二次污染的風險;同時,施用改良劑并沒有將重金屬帶離土壤,在一定條件下,鈍化的重金屬還可能轉化為活性形態(tài),因此在生產(chǎn)實際中,應該慎重使用土壤改良劑。

4.4 優(yōu)化水肥管理,減少蔬菜可食部位重金屬積累

水肥管理措施不僅會影響土壤理化性質(zhì)和重金屬形態(tài),還會影響作物對重金屬的吸收[90],因此可以通過水肥管理措施的調(diào)控,調(diào)節(jié)土壤pH、氧化還原電位(Eh)、有機質(zhì)含量、陽離子交換量(CEC)、質(zhì)地等因素,從而改變土壤中重金屬的活性,降低重金屬的生物有效性,減少重金屬從土壤向作物,特別是向可食部分的轉移,達到作物安全生產(chǎn)的目的。在淹水條件下,土壤有機質(zhì)結合Cd的能力增強,使其向活性較低的結合態(tài)轉化,同時還原性的環(huán)境易形成硫化鎘沉淀,從而降低Cd的生物有效性。Tack等[91]發(fā)現(xiàn),當土壤中總Cd含量為0.45 mg·kg-1時,菠菜在需水時期限制供水,植株體中的Cd濃度會升高。雖然大部分蔬菜是旱地作物,但部分蔬菜如空心菜等,可以淹水種植,淹水條件不僅可以提高酸性土壤pH,鈍化土壤重金屬,而且有利于減輕設施菜地土壤鹽漬化,具有較好的應用前景。

不同肥料化學組分不同,施用后對土壤-植物系統(tǒng)重金屬遷移轉化的效果也不同,導致有些肥料在某些情況下也可成為土壤改良劑,成為強化重金屬污染植物修復的有力措施[92]。Zhang等[93]通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn),供應緩釋硝酸銨和緩釋尿素的小白菜鮮重比供應速效硝酸銨和尿素時分別增加了103%和203%,且植株體內(nèi)的Cd濃度分別減少了51%~55%和44%~56%。Chen等[94]比較了有機礦物肥料與化學肥料對Cd污染土壤上的小白菜生長和Cd含量的影響,發(fā)現(xiàn)有機礦物肥料不僅可以促進小白菜的生長,并且減少了小白菜從土壤中吸收重金屬的含量。Yu等[95]通過向有機和無機氮肥中添加硝化抑制劑3,4-二甲基吡唑磷(DMPP),發(fā)現(xiàn)與不添加DMPP的復合氮肥相比,添加DMPP使小白菜的生物量增加了9.8%~15.8%,硝酸鹽的濃度降低了15.7%~40.8%,Cu、Zn、Cd的含量分別降低了 7.8%~25.6%、10.4%~20.3%、12.8%~22.2%。

應用葉面生理阻控劑保障作物安全生產(chǎn)是當前農(nóng)田重金屬污染控制的重要方向[96]。利用離子拮抗原理,可以通過噴施含Zn、Fe、硅(Si)、硒(Se)等元素的葉面肥減少重金屬在作物體內(nèi)的積累。呂選中等[97]發(fā)現(xiàn),在Cd污染的條件下,葉面噴施Se后,生菜Se吸收量增加了1213%,而Cd的吸收降低了31.63%;噴施鋅肥,生菜Zn吸收量增加了118%,而Cd的吸收降低了37.01%。許超等[98]通過盆栽實驗研究了3種鐵肥對菜心中重金屬累積的影響,發(fā)現(xiàn)噴施鐵肥使菜心中的Cd、Pb和Cu濃度分別降低4.30%~35.5%、6.17%~50.3%和8.34%~33.4%,Zn濃度變化為27.1%~19.6%,F(xiàn)e濃度提高42.6%~90.2%。

圖1 重金屬污染菜地土壤-蔬菜作物系統(tǒng)安全生產(chǎn)綜合農(nóng)藝調(diào)控技術Figure1 Comprehensive agronomic regulation technologies for vegetable safety production in heavy metal pollution soil-crop system

5 總結與展望

近年來,我國蔬菜生產(chǎn)穩(wěn)定發(fā)展,技術水平穩(wěn)步提高,但隨著蔬菜產(chǎn)業(yè)重金屬污染的加重,在當前農(nóng)業(yè)供給側結構性改革背景下,菜地土壤重金屬污染給蔬菜的產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了重大挑戰(zhàn)。為保障重金屬污染農(nóng)田的安全生產(chǎn),目前采用的主要技術模式包括:施用土壤重金屬鈍化劑、選用低積累作物品種、合理輪間套作和水肥管理技術、實行植物修復等(圖1),有些已經(jīng)在湖南等地大規(guī)模應用。然而目前對重金屬污染蔬菜地安全利用關注還較少,大規(guī)模的推廣應用尚不多見。因此,需要加強以下幾個方面的研究:

5.1 土壤-蔬菜系統(tǒng)重金屬遷移轉化規(guī)律與安全生產(chǎn)技術標準研究

由于蔬菜種類繁多、種植土壤復雜多變、主產(chǎn)區(qū)環(huán)境條件差異大,因此不同重金屬在土壤-蔬菜系統(tǒng)的遷移轉化特征雖有不少研究,但尚需全面總結驗證。目前蔬菜地重金屬污染家底不清,區(qū)域差異較大,對判定為污染的蔬菜地是否會造成農(nóng)產(chǎn)品的污染、以及判定為清潔的蔬菜地是否就不會造成農(nóng)產(chǎn)品的污染研究還較缺乏。對菜地土壤污染狀況常采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 15618—1995)中的二級標準、《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準》(HJ/T 333—2006)和《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準》(HJ/T 332—2006)中的土壤中各項污染物的指標要求。而對蔬菜中重金屬污染評價標準常采用《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB 2762—2012;GB 2762—2017)。這兩類標準直接用于蔬菜作物的生產(chǎn),就會產(chǎn)生判定為污染的土壤上農(nóng)產(chǎn)品不超標或者判定為潔凈的土壤上生產(chǎn)出超標農(nóng)產(chǎn)品的現(xiàn)象。因此,要從重金屬在土壤-蔬菜-人體系統(tǒng)出發(fā),明確不同重金屬食物鏈的遷移轉化規(guī)律,制定更加科學的、實用的、針對性強的標準,對不同區(qū)域、不同類型蔬菜地進行分類管理。

5.2 重金屬污染蔬菜地安全利用農(nóng)藝調(diào)控技術與蔬菜傳統(tǒng)種植模式的耦合

近年來,我國對重金屬污染農(nóng)田安全生產(chǎn)綜合農(nóng)藝調(diào)控技術已有很多研究,尤其是土壤重金屬調(diào)理劑、鈍化劑、葉面阻控劑、輪間套作等單項農(nóng)藝調(diào)控措施,相關論文和專利呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢,部分技術推廣應用面積急劇增加。但由于蔬菜種植的周期性與高度集約化特征,一些在稻田成熟應用的技術受到了極大的挑戰(zhàn),將農(nóng)田綜合調(diào)控技術與蔬菜傳統(tǒng)的種植模式進行耦合的研究還很少。

5.3 長期定位試驗及風險評價

目前重金屬污染蔬菜地安全利用技術集成示范與大規(guī)模應用較少,且大部分研究周期為3~5年,長期定位試驗和跟蹤驗證研究較為缺乏。此外,技術模式與組合的經(jīng)濟效益和環(huán)境風險評價也需要加強。

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