我國耕地土壤污染面積廣，污染情況復雜，農產品重金屬超標問題已經關系到國計民生。常用的物理化學修復方法成本高，不適用于大面積的中低污染農田。植物提取修復方法成本低，環境友好，但修復時間長，推廣困難?？偟膩碇v，基于重金屬移除的諸技術在解決農田重金屬污染方面還沒有太大優勢。相較而言，農田安全利用在不移除或緩慢移除土壤重金屬的條件下，以生產安全農產品為目標，具有更加堅實的現實意義和推廣價值。種植低吸收農作物是安全利用的重要措施，基因工程手段在低吸收農作物品種篩選中具有巨大的潛力，但其可能帶來的生態環境風險使得這些通過基因工程得到的低吸收作物的田間種植面臨著巨大挑戰。土壤添加劑可以改變土壤重金屬形態，降低重金屬的生物有效性，但會對土壤質量產生影響。微生物尤其是土著微生物的利用越發受到關注，改變微生物的生存環境與基因工程手段能夠強化微生物的鈍化效果。施肥、水分管理、間作等農藝措施也能改變土壤重金屬的形態，抑制作物對重金屬的吸收。未來以加強推廣為目的，多種技術手段的聯合應用是重金屬污染農田安全利用的重要發展方向，其中以生物技術為核心的利用模式具有十分重要的意義。
我國耕地資源十分緊缺, 2016年底耕地面積為1.35億hm2(20.24億畝), 人均占有量不及世界平均水平的1/2, 且總體質量不高, 中低產田達到了2/3。此外, 由于建設占用、災毀、生態退耕、農業結構調整等原因, 我國耕地面積保有量近年總體有所下降。與此同時, 土壤污染加劇了耕地資源的緊張。據2014年發布的《全國土壤污染調查公報》, 我國農田土壤受到了廣泛的重金屬污染, 其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。重金屬污染不僅減少了可利用耕地面積, 而且降低了耕地質量。另有研究發現, 我國部分地區已經出現農產品重金屬含量超標現象, 威脅到了人體健康。由此可見, 我國重金屬污染耕地土壤修復刻不容緩。
土壤重金屬污染修復分為兩種技術路線, 一是將重金屬從土壤中提取出來, 減少其在土壤中的含量, 稱為提取修復; 二是降低土壤重金屬的生物有效性, 抑制其進入生物鏈, 稱為固化修復。提取修復方法主要包括物理修復、化學修復與生物修復(主要為植物提取修復)。
物理、化學修復方法(表1)能夠有效地去除土壤中的重金屬, 且修復時間短, 但由于其對修復設備與技術的要求高, 修復成本高, 且會對土壤質量產生影響, 故其主要適用于污染嚴重、面積小的場地污染。
植物提取利用超積累植物或累積能力較強的植物吸收富集污染土壤中的重金屬并在地上部積累, 收割植物地上部分從而達到去除重金屬的目的, 具有環境友好、修復成本低的特點。但其修復周期長(表2)。用于修復的植物往往沒有經濟產出, 在沒有政府補貼的情況下, 農民的參與度不高, 不利于推廣應用。
植物提取利用超積累植物或累積能力較強的植物吸收富集污染土壤中的重金屬并在地上部積累, 收割植物地上部分從而達到去除重金屬的目的, 具有環境友好、修復成本低的特點。但其修復周期長(表2)。用于修復的植物往往沒有經濟產出, 在沒有政府補貼的情況下, 農民的參與度不高, 不利于推廣應用。
1 低吸收作物種植
1.1 現有低吸收品種
對于重金屬吸收富集能力的差異, 既存在于植物物種之間, 也存在于同一物種的不同品種之間, 即同時具有種間差異和種內差異。自低吸收品種的概念提出以來, 國內外已經開展了眾多相關的試驗篩選研究, 且大多數來自于亞洲尤其是中國(表3)。已篩選的作物涵蓋小麥(Triticum astivumL.)、水稻(Oryza sativaL.)、玉米(Zea maysL.)、大麥(Hordeum vulgareL.)等糧食作物, 白菜(Brassica pekinensisL.)、芹菜(Apium graveliensL.)、辣椒(Capsicum annuumL.)等蔬菜作物, 大豆(Glycine maxL.)等油料作物以及煙草(Nicotiana tabacumL.), 針對的重金屬包括Cd、Pb、Zn、Cu、As、Cr、Hg等。部分研究發現在污染農田種植低吸收品種使農產品重金屬含量達到了國家安全標準。
1.2 低吸收作物篩選
尋找新的低吸收作物品種一直是污染農田安全利用的主要發展方向。低吸收品種除了保障對重金屬的低吸收外, 還應該具有如下特征:
1) 當地適應性。由于農田土壤的類型、理化性質、污染程度、氣候等存在差異, 同一作物品種在不同地區之間可能存在重金屬吸收能力的差異。因此, 當在某地區種植低吸收作物時, 需要對已知的低吸收品種進行重新驗證或重新篩選適合當地的低吸收品種。
2) 多金屬抗性。我國土壤多為重金屬復合污染。若某Pb-Cd復合污染地區的小麥品種僅對Pb低吸收, 而Cd含量超標, 那此地出產的小麥仍不能進入食物鏈流通。此外, 我國部分地區土壤還存在著有機污染、干旱、鹽堿、低溫等脅迫, 尋找新的作物品種時還應考慮其對多種脅迫因素的耐受性。
3) 產量不受太大影響。我國人口數量巨大, 耕地資源稀缺, 必須要保障農產品高產; 高產帶來的高經濟收益也有利于新的低吸收品種在農民中的推廣應用。此外, 由于人們對生活質量的要求不斷提高, 生產營養物質更加豐富的農產品也是尋找低吸收作物品種的目標之一。
當前, 我國低吸收作物品種的篩選主要集中在水稻、小麥等糧食作物上。除了糧食, 重點經濟作物如煙草、油料、中草藥等也是重金屬進入人體的重要途徑, 且我國擁有大面積種植這些農作物的產區, 因此對油料、中草藥、棉麻等作物進行低吸收品種的篩選也十分必要。
1.3 基因工程應用
基因工程改造是另一個獲得具有優良性狀的低吸收品種的途徑。目前, 生物體內的部分與重金屬抗性相關的基因已經被確認和驗證(表4)。這些基因表達產生植物鰲合肽合成酶(phytochelatins, PCs)、轉運蛋白、還原酶等, 通過鰲合、轉運、區隔化等作用降低重金屬的毒性和調節對重金屬的積累。通過基因工程技術改變這些基因在植物體內的表達量可以顯著影響植物對重金屬的抗性和吸收。例如, 轉入AKR4C9基因或MsALR提高了大麥對Cd和As的抗性; 過表達TaGolS3基因提高了水稻對Zn的抗性; 轉入AtACR2基因提高了煙草對As的抗性并降低了地上部As的濃度; 過表達OsHMA3基因或者敲除OsNramp5、OsHMA2或OsLCT1降低了水稻地上部或籽粒對Cd的積累量。
通過基因工程技術可以使農作物對重金屬的積累量顯著降低, 但復雜的田間因素與轉基因作物可能帶來的生態環境風險以及公眾對轉基因作物安全性的爭議, 使得這些通過基因工程得到的低吸收作物的田間種植面臨著巨大挑戰。
值得注意的是, 有些作物品種地上部能夠積累大量的重金屬, 而可食用部分如籽粒中的含量不超過安全標準, 這樣的農作物被稱作cropaccumulator。種植cropaccumulator既可以減少土壤重金屬的含量, 也能夠保證農產品的產量與安全, 是一種很有前途的污染土壤的安全利用方式。通過基因工程技術將外源基因轉入到作物中, 增強作物對重金屬的抗性和積累能力被認為是一種獲得cropaccumulator的方法。Luo等鑒定出了影響水稻Cd積累量的數量性狀基因位點(quantitative trait locus, QTL)CAL1。CAL1能夠調節葉片中Cd的積累, 而對Fe、Zn、Cu等其他營養元素和籽粒中的Cd無顯著影響。這為cropaccumulator的尋找提供了有力的基礎。
2 土壤添加劑應用
土壤添加劑可以改變重金屬在土壤中的賦存形態與生物有效性, 進而影響植物對重金屬的吸收。因此, 利用土壤添加劑鈍化土壤重金屬是污染農田安全利用的一種重要措施。常被用于土壤重金屬鈍化修復的添加劑如下。
2.1 石灰性材料
大量研究表明重金屬在土壤中的生物有效性與土壤pH呈負相關關系, 提高土壤pH可以鈍化土壤重金屬。石灰的主要成分為CaCO3, 能夠顯著提高土壤pH, 常被用來改善酸化土壤。多種含有石灰的材料, 如煅燒的貝殼、鋼爐渣、磷灰石、海泡石等已被用來進行土壤重金屬鈍化修復。但土壤pH升高也會導致營養元素的有效性和土壤酶活性的降低, 降低農作物生物量。
2.2 磷酸鹽材料
磷酸鹽能夠與重金屬形成穩定的磷酸鹽沉淀, 降低重金屬在土壤中的遷移性。Chen等發現磷酸鹽能夠將土壤中的Pb、Zn、Cd由可交換態、有機結合態轉化為磷氯鉛礦等殘渣態, 進而降低油菜(Brassica campestrisL.)中這些重金屬的含量。
2.3 有機廢棄物
農業有機廢物如畜禽糞便、農作物秸稈等常常作為有機肥為植物提供營養元素。研究表明向土壤中施加糞肥、作物秸稈等能夠降低重金屬的生物有效性, 減少植物對重金屬的吸收。這主要有如下幾個原因:首先, 施加糞肥、秸稈等能使土壤有機質含量增加, 這些有機物通過絡合作用吸附重金屬, 降低重金屬的生物有效性; 其次, 施加有機廢棄物能夠提高土壤pH, 進而降低重金屬的生物有效性; 此外, 施加有機廢棄物能夠提高土壤有效磷的含量, 而磷能夠有效鈍化土壤重金屬。
2.4 生物炭
生物炭具有非常高的比表面積, 可高達65.85 m2·g-1, 且帶有負電荷, 有利于其吸附重金屬離子。此外, 生物炭表面含有大量的—OH、—COOH等官能團, 可與重金屬形成穩定的絡合物。生物炭多呈堿性, 施用生物炭能夠提高土壤pH, 強化對重金屬離子的鈍化。
2.5 黏土礦物
膨潤土、蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土礦物具有較高的陽離子交換量, 能夠通過離子交換作用將土壤重金屬離子吸附于其表面上, 進而降低重金屬的遷移性。重金屬還能與礦物晶體通過共價鍵形成專性吸附, 很難再從黏土礦物上解吸下來。Sun等、徐奕等在Pb、Cd污染土壤中施入膨潤土后, 土壤中Pb、Cd主要由可交換態轉化為了殘渣態, 且水稻體內的Pb、Cd濃度顯著降低。
土壤添加劑在土壤重金屬污染修復中也存在著一些問題。(1)過量施用添加劑會改變土壤性質。長期施用石灰等堿性物質會破壞土壤團粒結構, 造成土壤板結和養分流失, 也會對土壤微生物的群落結構產生影響。(2)添加劑可能會引入新的污染物質。有機廢棄物可能會攜帶大量重金屬、有機污染物、病原菌等有害物質, 如果不經處理直接施用會對土壤造成二次污染, 并降低土壤質量。(3)添加劑對重金屬的鈍化效果會隨土壤環境的改變而改變。有機添加劑容易被降解, 被其固定的重金屬會重新釋放出來, 因此, 需要對其進行長期的環境風險評估。(4)添加劑可能會降低農作物的產量。Sun等研究發現在堿性土壤中施加0.5%~5%的海泡石會降低菠菜(Spinacia oleraceaL.)地上部的生物量。
3 微生物調控
微生物能夠改變土壤中重金屬的賦存形態, 影響其生物有效性, 也能調節植物的養分供應, 促進植物的生長發育。由于經濟性與環境友好性, 微生物越來越多地被應用于土壤重金屬污染的鈍化修復中。當前, 多種具有重金屬抗性或積累能力的微生物已經被篩選出來(表5), 這些微生物能顯著降低小麥、水稻、白菜、蘿卜(Raphanus sativusL.)等農作物中Cd、Pb、Cu、As、Cr等重金屬的含量。
3.1 微生物調控機理
微生物抑制植物吸收重金屬的機制已經有大量研究, 主要包括降低土壤重金屬的有效性與影響植物吸收兩個方面。
1) 降低土壤重金屬生物有效性。微生物可以通過分泌胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)來鈍化重金屬。EPS富含羥基、羧基、氨基等官能團, 可通過靜電吸附、絡合等作用與重金屬鍵合并鈍化重金屬。Li等發現白腐真菌(Phanerochaete ysosporiumB.)分泌的EPS對低濃度Pb的鈍化起著十分重要的作用。Joshi等發現固氮菌(Azotobacterspp.)可以通過分泌EPS來鈍化土壤中的Cd、Cr離子, 進而降低小麥體內Cd、Cr的含量。
微生物可以將重金屬礦化進而鈍化重金屬。Li等發現Sporosarcina pasteuriiM.、Terrabacter tumescensiL.等細菌能夠產生脲酶將尿素水解, 提高土壤pH, 使土壤溶液中的Cd、Cu、Pb、Ni等重金屬在其表面沉淀形成碳酸鹽結晶。Qian等發現,Penicillium ysogenumT. CS1可以將土壤中的Pb、Cr主要轉化為方解石、釩鈣、碳酸鈣、氧化鉻等碳酸鹽礦物。除了碳酸鹽礦物, 微生物還能將重金屬轉化為磷氯鉛礦、水白鉛礦等。
微生物可以通過影響土壤中有機質的轉化來鈍化重金屬。微生物在有機質降解及腐殖質形成過程中起著重要的作用。腐殖質富含羥基、羧基、氨基等官能團, 這些官能團能夠與重金屬形成穩定的絡合物, 進而鈍化重金屬。Zhang等發現, 在堆肥過程中加入白腐真菌(Phanerochaete ysosporiumB.)能夠顯著提高腐殖質的含量, 降低Zn、Pb、Cu和Ni的生物有效性, 且重金屬的殘渣態或氧化物結合態的含量與腐殖質或其某些成分(如胡敏酸)的含量具有良好的相關性。
部分微生物對重金屬具有很強的積累能力, 可以將土壤中的重金屬大量吸收到體內, 進而減少可被植物吸收的重金屬含量。Wu等通過盆栽試驗發現, 種植蘑菇(Coprinus comatusM.)顯著降低了生菜(Lactuca sativaL.)體內Cu的積累量與土壤中HOAc提取態的含量, 且土壤中可交換態Cu的含量變化與蘑菇體內Cu的積累量的變化趨勢一致, 這說明土壤中有效態的Cu主要被C. comatus吸收從而減少了生菜對Cu的吸收。
2) 影響植物對重金屬的耐性和吸收。重金屬會引起植物體內活性氧(ROS)的過量產生, 進而對植物產生毒害作用。通過提高體內的抗氧化酶如SOD、POD和CAT含量來清除ROS是植物應對重金屬毒害的一種重要機制。微生物可以影響植物體內抗氧化酶含量進而減輕重金屬對作物的毒害作用。Devi等發現, 向土壤中施加真菌Trichodermasp. (WT2)顯著提高了向日葵(Helianthus annusL.)體內SOD、POD和CAT的含量, 增強了向日葵對Pb的耐受性。
微生物可以增強植物對營養元素的吸收, 提高植物的生物量, 對體內的重金屬起到稀釋作用(growth dilution effects), 進而降低植物體內的重金屬含量。Wu等發現接種叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)(Rhizophagus irregularisS.)能夠加強蒲公英(Taraxacum platypecidumD.)對P的吸收, 顯著提高其生物量, 降低其體內Cr的濃度。AMF外生菌絲具有很高的表面積與陽離子交換量, 能夠將重金屬離子結合在其表面, 在植物根系周圍鈍化大量重金屬, 減少植物對重金屬的吸收。Nayuki等通過X-ray fluorescence (XRF)成像技術發現, AMF能夠將Cd大量地固定在其外生菌絲的細胞壁和液泡中, 且不會轉運到宿主植物的根中。即使外生菌絲能夠將Cr、Zn等轉運到植物根系中, 也會顯著地抑制這些重金屬由植物地下部向地上部的轉移。
3.2 鈍化效果強化
強化微生物對重金屬的鈍化效果是今后的主要研究方向。添加劑可以影響微生物的活動, 進而強化其對重金屬的鈍化效果。Wang等發現使用由畜糞制成的有機添加劑能夠顯著增加AMF對煙草根部的侵染率。添加硫酸鹽和葡萄糖能夠強化硫酸鹽還原細菌(sulfate reducing bacteria)的活動, 促進其將重金屬轉化為硫化物沉淀。與單獨添加微生物相比, 微生物與生物炭、煤泥等鈍化劑聯合使用能顯著降低Cd、Pb等重金屬在土壤中的生物有效性以及在玉米、綠豆(Vigna radiataL.)、蘿卜、生菜等農作物中的含量。微生物的活動與群落結構容易受到諸多土壤性質的影響, 故也可以通過調節土壤的pH、C/N比、有機質含量與含水率等來控制微生物對重金屬的鈍化活動。此外, 通過基因工程手段將與重金屬抗性相關的外源基因轉入微生物, 可以強化微生物對重金屬的鈍化修復效果。Elahian等將Mucor racemosusB.的Cyb5R基因轉入畢赤酵母(Pichia pastorisG.)后發現, 畢赤酵母能夠將Ag轉化成毒性更低的納米銀并將其大量吸附在細胞表面。Li等發現, 轉入來自豆梨(Pyrus calleryanaD.)的PcPCS1基因能夠增強大腸桿菌(Escherichia coliE.)對Cd、Cu、Hg離子的抗性和積累量。
3.3 土著微生物利用
在需要進行安全利用的地區土壤中尋找具有重金屬鈍化功能的土著微生物具有重要意義。嚴重污染地區(如礦區)土壤的重金屬含量非常高, 能夠在這些土壤中存活下來的微生物往往對重金屬具有很強的抗性, 這種天然篩選使人們更容易尋找到能夠應用于重金屬污染土壤修復的目標微生物。但由于土壤性質存在較大的差異以及與土著微生物的競爭作用, 由污染嚴重的礦區分離篩選出來的微生物的活動或功能在污染程度較低的農田土壤中可能會發生改變, 進而影響這些微生物的修復效果。土著微生物能夠更好地適應待修復農田的土壤環境, 進而產生更好的修復效果。Oller等從當地農田土壤中篩選出的桿菌Enterobactersp.、假單胞菌Pseudomonassp.和紅球菌Rhodococcussp.均對As具有很強的抗性和積累能力, 且能夠促進大豆的生長, 具有很大的潛力應用于當地污染土壤的糧食安全生產。Abu-Elsaoud等在當地農田土壤中篩選出的AMF(Funneliformis geosporumN. et G.)能夠增強小麥對Zn的抗性并抑制Zn向地上部的轉運。此外, 隨著宏基因組等技術的發展, 土壤中微生物的種質資源能夠被更加充分地發掘, 這將助力人們篩選出更多的能夠應用于污染土壤修復的土著微生物。
4 農藝管理
農藝措施能改變土壤的通氣、水分、養分等條件, 除了能夠提高農作物產量, 增加收益, 防治病蟲害, 改善土壤外, 還能影響土壤中重金屬的生物有效性和植物對重金屬的抗性。因此, 農藝措施也是污染農田土壤安全利用的一種重要調控措施。當前, 人們主要通過施肥、水分管理、間套作等農藝措施來控制農作物對重金屬的吸收。
4.1 施肥
肥料能夠為農作物提供必需的營養, 增強作物對重金屬的抗性, 提高生物量, 對體內的重金屬起到稀釋作用。此外, 肥料中的P能夠與As、Cr等重金屬競爭植物根系表面吸附位點, 故施加磷肥能夠抑制作物對重金屬的吸收。肥料還能通過改變土壤pH及絡合、沉淀等作用降低重金屬的遷移性與生物有效性, 進而減弱植物對重金屬的吸收。
一些學者研究了葉面施肥對農作物吸收轉運重金屬的影響。葉面噴施鋅肥能夠降低白菜、油菜、黃瓜(Cucumis sativusL.)、小麥體內的Cd含量, 葉面噴施Si肥能夠減少水稻地上部和籽粒中Pb的含量, 抑制Pb由地下部向地上部的轉運。這可能是因為通過葉面進入植物體內的Zn與Cd競爭植物細胞表面的吸附位點, 抑制植物對Cd的吸收; 而Si可能將Pb等重金屬固定在植物細胞壁上, 進而抑制了Pb在植物體內的運輸。此外, 葉面肥比土施肥具有更低的修復成本。在達到減少農作物重金屬含量的相同效果時, 葉面肥的用量比土施肥的用量至少減少5倍。
此外, 改變肥料的用量也能影響作物對重金屬的吸收。Tang等發現白菜體內Cd含量與土壤K、Zn的含量呈負相關關系, 故認為增施鉀肥或鋅肥能夠抑制白菜對Cd的吸收。
4.2 水分管理
氧化還原條件會影響重金屬在土壤中的價態和賦存形態, 而這決定了重金屬的毒性與遷移性, 故通過水分條件管理控制土壤的氧化還原條件對土壤重金屬污染修復具有重要意義。Hu等研究了不同淹水條件對水稻吸收Cd和As的影響。結果發現, 從不淹水到定期淹水再到始終淹水, 水稻籽粒中Cd含量從0.21 mg·kg-1減少到0.02 mg·kg-1, 然而As的濃度卻從0.14 mg·kg-1增長到0.21 mg·kg-1。土壤中有效態Cd與As的含量也呈現出了相反的變化趨勢。還需注意的是, 減少兩種重金屬含量的水分管理模式下的水稻產量均較傳統模式減少。因此, 需要進一步采取特定的措施來同時控制水稻Cd和As的含量, 同時保證水稻的產量。
4.3 間作
植物間作是利用不同種植物之間的互補作用達到提高產量, 控制病蟲害等目的的種植模式。將農作物與超富集植物間作, 可以在保證農產品安全的前提下, 利用超富集植物持續地減少土壤中的重金屬含量, 這是污染農田安全利用的主要發展方向。Wang等將Cd超富集植物龍葵(Solanum nigrumL.)與Cd低吸收品種大蔥(Allium fistulosumL.)進行間作, 發現間作模式下, 大蔥的Cd含量沒有變化, 符合國家食品安全標準, 且大蔥的產量沒有降低; 另一個有利的結果是, 經過90 d的種植, 龍葵去除了表層土壤(0~20 cm)中7%的Cd。其他研究也獲得了較好的結果。譚建波等發現與Cd超級累植物斷續菊(Sonchus asperL.)間作能夠顯著減少玉米Cd的含量, 顯著提高斷續菊Cd的濃度, 此外, 間作均提高了兩種植物的生物量。Zhan等將斷續菊與茄子(Solanum melongenaL.)進行間作, 也得到了相似的結果。但間作模式也存在著不理想的情況。Yang等發現, 將瞿麥(Dianthus superbusL.)與白車軸草(Trifolium repensL.)進行間作能夠顯著降低瞿麥體內Pb含量, 但也降低瞿麥的藥用成分大黃素的含量, 這主要是由于白車軸草與瞿麥的競爭作用減少了瞿麥對營養元素的吸收。Yang等發現香根草(Vetiveria zizanioidesL.)與豆科植物間作對兩種植物的Cd含量與生物量均無顯著影響。湯福義等發現與龍葵間作甚至會提高白菜幼苗Cd的積累量?？梢? 利用間作模式進行污染土壤的安全利用需要對農作物、間作植物、目標污染物進行綜合考慮。
5 農業資源研究中心相關研究與展望
截止到目前, 國內外均進行過污染土壤的修復實踐。國外最具代表性的污染土地的管理方法當屬美國的“超級基金”, 它是為了實現污染場地的再生產利用由美國國會批準設立的管理法案, 對污染場地和責任者的確定, 修復資金的籌備與使用, 修復工程的設計和實施, 后期運營與監測等環節均進行了規范, 已經被多個國家借鑒。超級基金規定由責任者或污染者對污染場地進行修復, 對找不到責任者或責任者沒有修復能力的, 由超級基金支付修復費用。但污染場地修復的經費投入巨大, 責任者往往難以承擔, 而“超級基金”也面臨著經費缺乏的問題。根據“超級基金”的經驗, 我國污染農田面積大, 且污染者難以確定, 無論污染企業還是地方政府, 在沒有類似“超級基金”的經費支持下, 均難以進行完整的污染農田土壤的修復進而實現再生產利用。而國內農田土壤的修復實踐目前多以示范為主, 鮮有大面積的推廣應用。
污染農田管控即禁止在污染農田上種植糧食也是一種保障食品安全的管理方法。但對糧食安全的堅定的要求決定了我國不能進行大面積的污染農田管控。此外, 我國農田的所有與使用制度難以保障管控措施的實施, 在被管控的農田上仍可能繼續進行糧食種植, 對我國的食品安全產生潛在的威脅。維持農田生產并保障糧食與食品安全是我國當前的形勢所需。因此, 在污染農田上生產出安全的農產品即污染農田的安全利用具有非常重大的意義。目前, 污染農田的安全利用已經被學界和政府普遍接受。
將多種技術手段進行整合, 實現優勢互補, 是當前污染農田安全利用的重要發展趨勢。就目前來看, 少數的技術集成取得了顯著進展, 但可重復性與經濟成本還遠不能滿足推廣需求。農民作為實施主體對技術手段的接受程度也是影響安全利用推廣的重要因素, 他們更容易接受操作簡單、接近農藝措施的技術, 比如種子與肥料。這要求這些技術手段具有更佳的抑制重金屬吸收轉運的效果。生物技術在改變植物以及土壤微生物等對重金屬的吸收轉運能力方面具有極大的潛力。故發展以生物技術為核心的污染農田安全利用模式是我國重要的研究方向。
中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心作為中國科學院主要農業類研究所之一, 在農業環境包括農田重金屬污染治理方面做了多年的布局和投入。在重金屬污染農田安全利用研究方面, 相關研究組按照機理與技術并重的發展理念, 提出了以生物技術為核心的技術模式, 并在中國科學院“百人計劃”和河北省杰出青年基金等項目的資助下, 系統開展了華北微生物Cd固定劑和Cd低吸收小麥品種的篩選, 并且在生物快速提取方面取得了進展。過去2年中, 研究組在微生物菌劑和修復方法方面提交并授權了多項核心專利(表6), 正在成為我國污染農田安全利用技術發展的新力量, 并提出了生物技術為核心的技術模式(圖1), 可盡可能少地減少化學固定劑如石灰和磷肥的使用, 提高重金屬污染農田利用的安全性。以治理理念的進步和技術積累為基礎, 農業資源研究中心重金屬污染修復團隊已經獲得了與國內相關科研單位(包括南京土壤研究所、山東師范大學、河北地質職工大學等)和相關環保企業合作, 在雄安和承德等地開展了修復示范工作。
