根区调控在设施土壤重金属污染阻控中的应用

摘要 在长期高强度利用下，我国设施土壤重金属污染问题突出，迫切需要研发并应用绿色、高效、经济的修复技术。作为土壤改良的重要手段，水肥调控、气肥调控、改良剂调控和根域微环境调控四类根区调控技术可以有效降低土壤中重金属浓度和有效性，减轻作物对重金属等有害物质的吸收，并促进其在土壤中的转化和固定，从而降低重金属对生态环境和人类健康的危害。其中，改良剂调控技术因其高效、经济、易操作、种类多、设备条件要求低等特点得到了广泛关注与应用。为更好发展和应用根区调控技术，展望了该类技术的发展方向，建议要以根区调控技术与受污染设施土壤-作物之间的互作效应关系为核心，围绕不同根区调控技术的应用效果建立长效性研究模型、重视设施土壤功能性微生物研究以及推广水肥一体化技术等，最终建立设施土壤重金属污染阻控的最佳方案。

关键词 设施土壤；根区调控；重金属；水肥调控

中图分类号 X53  文献标识码 A   文章编号 0517-6611（2024）15-0013-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.15.003

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Application of Root Zone Regulation in the Deterrence and Control of Heavy Metal Pollution in Facility Soil

WANG Zi-hao， ZHANG Dong-han， LIANG Hong-yi et al

（China Agriculture University Beijing Key Laboratory of Agricultural Soil Pollution Prevention， Control and Remediation/School of Resources and Environment， Beijing 100193）

Abstract Under prolonged high-intensity utilization， the issue of heavy metal pollution in China’s facility soil has become pronounced， necessitating the urgent development and deployment of eco-friendly， efficient， and cost-effective remediation technologies. As pivotal strategies for soil improvement， four categories of root zone regulation techniques—encompassing water and fertilizer management， gas and nutrient enrichment， amendment application， and microenvironment modulation—can significantly diminish heavy metal concentrations and bioavailability in facility soil， mitigate crop uptake of these contaminants， and foster their transformation and stabilization within the soil matrix， thereby mitigating the risks posed to ecological systems and human health. Notably， amendment-based technologies have garnered considerable attention and adoption due to their efficiency， cost-effectiveness， ease of application， diversity， and minimal equipment requirements. To further advance and optimize the application of root zone regulation technologies in facility soil， this paper outlines a research trajectory centered on the intricate interactions between these technologies and polluted facility soil-crop systems. It advocates for the establishment of long-term research frameworks to evaluate the efficacy of various root zone regulation approaches， with a particular emphasis on investigating the functional microbial communities within facility soil. Additionally， it underscores the importance of enhancing the integration of water and fertilizer management practices to systematically explore and devise the most effective strategies for mitigating heavy metal contamination in facility soil， thereby ensuring sustainable agriculture and safeguarding public health.

Key words Facility soil;Root zone regulation;Heavy metals;Water and fertilizer regulation

设施农业是实现农作物高效优质生产的一种现代农业生产方式，具有高投入、高产出、高效益、受气候影响小等特点［1］，已成为部分地区的支柱产业，在国民经济发展中具有重要意义。20世纪80年代起，我国设施农业进入快速发展时期，逐步探索、推广至华北、华东、华南、西南、西北、东北6大农业产区，呈现出蓬勃发展的态势［2］。经过40多年的发展，我国已成为设施农业第一大国，国内设施农业的规模、技术、管理水平和研发创新能力均得到显著提升［3］。然而，在长期的高强度利用下，随着耕种年限延长，国内设施土壤普遍表现出一系列质量退化问题，如养分失衡、盐渍化、板结酸化、重金属超标、土传病害、菌群破坏以及连作障碍等，成为制约设施农业可持续发展的关键因素［4］。其中，因土壤重金属累积引发的食品安全及环境污染问题尤为突出，迫切需要研发并应用绿色、高效、经济的修复技术。

常用的土壤重金属污染修复方法主要包括物理修复（如客土法、热脱附、玻璃化及电动修复等）、化学修复（如土壤淋洗、固化或稳定化技术等）和生物修复（植物提取、植物挥发、微生物修复及动物修复技术）等［5］。作为土壤改良的重要手段之一，根区调控技术能综合运用以上各类修复技术来管理作物根系周围的土壤环境，改善土壤理化性质、增强养分吸收能力、阻控根系吸收重金属并减轻土壤中重金属污染负荷。近年来，虽然关于根区调控技术的研究报道日渐增多，但这些研究主要集中在作物生长、产量和品质变化等方面，很少关注该类技术在设施土壤重金属污染阻控中的应用，且多数研究区域小、分布散、场景局限，未能充分反映该技术的优越性和特异性。因此，该研究针对根区调控技术的分类及应用效果进行综述，总结该类技术现存问题并探讨未来发展方向，以期为实现设施农业可持续发展提供参考。

1 设施土壤重金属污染现状

近年来，我国设施土壤重金属含量累积趋势明显，污染物类型多样，具有明显的空间分布特征。孟敏等［6］通过收集1997—2018年的相关文献资料，统计分析了我国设施农田土壤重金属污染现状及空间分布状况。结果表明，镉（Cd）是我国设施农田土壤中首要污染物，超标率达37.5%，其次是汞（Hg，超标率20.0%）和铅（Pb，超标率18.8%）。从地区分布来看，北部地区土壤砷（As）、铜（Cu）、锌（Zn）和铬（Cr）含量最高，南部地区土壤Cd、Pb和Hg含量最高，西北部地区土壤镍（Ni）含量最高。贾丽等［7］结合土壤样品采集分析和文献查阅2种方式，利用数理统计法定量描述了我国设施菜田土壤重金属累积和污染特征，其研究发现设施土壤易受Cd、As、Cu、Zn元素污染，基本不受Hg和Ni元素污染。随着种植年限延长，设施菜田土壤中重金属含量累积趋势明显，采集的土壤样品所含Cd在种植16～20年后达到最高值（0.19 mg/kg），As、Zn和Cu在26～30年后达到最高值（分别为16.0、131和53.6 mg/kg），而文献样本数据Cd在种植21～25年后达到最高值（3.60 mg/kg）、Zn和Cu在26～30年后达到最高值（分别为180和80.3 mg/kg）。此外，大量针对点位或局部地区的设施土壤重金属污染现状研究均揭示出我国现阶段普遍面临的设施土壤重金属污染问题，如山东省寿光市设施土壤存在重度Cd污染（0.44 mg/kg）和中度Cu（32.9 mg/kg）、Pb（20.7 mg/kg）、Zn（106 mg/kg）污染问题［8］；河北省藁城、定州、青县和永年的设施大棚土壤中Cd和Cr含量比土壤背景值高出100.0%和40.7%［9］；辽宁省沈阳市新民地区设施菜地中Cd、Hg和Cu含量的超标率分别为268%、22.0%和2.40%［10］。

2 根区调控与阻控重金属吸收

2.1 根区调控技术的分类

在设施土壤改良与污染修复过程中，应根据土壤类型、作物种类、调控措施和环境条件等因素选择合适的根区调控技术。常用根区调控技术主要包括水肥调控、气肥调控、改良剂调控和根域微环境调控技术等（表1）。其中，改良剂调控技术是一类综合性根区调控技术，它不仅能调控土壤环境，改善土壤质量，还能降低重金属活性，有效阻控作物吸收、转运和积累重金属。

2.2 根区调控技术防治设施土壤重金属污染

根区调控技术可以有效降低土壤中重金属浓度和有效性，减轻作物对重金属等有害物质的吸收，并促进其在土壤中的转化和固定，从而降低污染物对生态环境和人类健康的潜在风险［26］。表2总结了根区调控技术在设施土壤重金属污染阻控中的部分应用案例。其中，改良剂调控技术因其高效、经济、易操作、种类多、设备条件要求低等特点得到了广泛关注与应用。例如，肖细元等［22］通过温室内小白菜、西红柿等作物盆栽试验证实了改良剂调控技术的优异性能，试验结果表明施用石灰或钙镁磷肥均能提高土壤pH和脲酶活性，钝化效果显著。其中，施用石灰使小白菜和番茄茎叶生物量较CK分别提高99.0%和80.7%，菜叶中As、Cd和Pb含量分别较CK降低54.6%、20.2%和15.4%；番茄中As和Pb含量则分别降低37.5%和37.6%。此外，施用钙镁磷肥使番茄茎叶生物量提高82.3%，As、Cd和Pb含量分别降低41.7%、30.7%和353%。

除传统根区调控技术外，根区与叶面联合调控技术在阻控作物吸收重金属、增强土壤改良和污染修复效果等方面具有独特优势。例如，王小蒙［34］研究发现，在盆栽试验中，根区与叶面联合调控使稻苗叶绿素含量增加，抗氧化酶活性增强，酸性土中生长的水稻根、茎、叶和籽粒Cd含量降低216%～28.9%、30.6%～45.4%、38.9%～55.2%和60.4%～75.7%，碱性土中生长的水稻根、茎、叶和籽粒Cd含量降低11.8%～21.2%、26.4%～24.0%、32.9%～44.6%和46.3%～60.9%。此外，酸性土壤中有效态Cd含量较对照显著降低30.8%～425%，碱性土中显著降低22.7%～34.3%。王永久［20］证实了根区与叶面联合调控技术对阻控油菜吸收Cd、As具有协同效应，能在显著增强油菜抗性的同时降低重金属毒害。类似地，谭骏等［35］研究表明，叶面喷施氨基酸螯合硒营养液肥的同时基施硅钙肥能更有效地阻控水稻对Cd的吸收和转运，显著降低土壤中有效态Cd和籽粒中Cd含量。