土壤污染的现状及原因及微生物技术对土壤污染的治理作用探究

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  摘要:土壤污染导致土壤肥力下降, 农作物品质及产量降低, 严重阻碍农业的可持续发展, 面对如今此严重的土壤重金属污染, 成都华宏生物科技有限公司提出运应用微生物技术对土壤盐碱改良、土壤重金属污染、食葵、番茄列当防治。通过“神锄”微生物菌肥和“施地佳”土壤调理剂配合施用试验研究表明:2015年湖南省农业科学院土壤肥料研究所在湘乡市东郊乡, 施用后稻米中重金属镉的含量比对照降低了0.199 mg/kg, 降幅为37.3%, 降镉效果明显;在新疆福海县的葵花种植将“施地佳”滴深滴透, 将盐碱排到深处, 再将“神锄”滴到种子附近, 对抑制食葵列当效果十分明显, 能提高食葵产量和品质, 增产率达到61.7%。新疆焉耆县加工番茄列当的防治有很好的作用, 防治率在90%左右。微生物菌剂在对降低土壤的重金属含量, 以及提高土壤肥力, 增加作物产量方面效果较好。发展微生物技术, 对土壤改良作用较好。

  关键词:微生物菌剂; 土壤改良; 重金属; 微生物技术;

土壤污染

  土壤污染是我国大气、水体、土壤三大环境的污染问题之一, 土壤污染导致土壤的组成、结构和功能改变, 影响植物的正常生长。同时, 有害的物质在植物体内积聚, 可通过食物链被人类食用, 进而危害身体健康。据统计, 目前我国约20%的耕地 (近2 000万hm2) 已经不同程度的被铅、镉、铬、砷等重金属污染[1]。新疆地区灌区现有盐碱地面积127.93万hm2, 占灌溉面积的32%以上, 大量的土地因此而荒废[2]。因此, 解决土壤污染问题紧迫而且相当重要。

  1 土壤污染的现状及原因

  1.1 土壤污染的现状

  近年来, 我国多数城市近郊的土壤受到了不同程度的污染, 很多地方的粮食、水果等食物中的污染物含量超标[1]。据国家环保总局2008年对全国26个省市进行了土地污染调查, 重点区域在长三角、珠三角、环渤海湾地区、东北老工业基地、成渝平原、渭河平原以及主要矿产资源型城市, 调查中发现, 部分地区的土壤污染严重, 污染类型多样, 污染原因复杂, 控制难度大。如东北老工业基地, 铅在旱田, 蔬菜地的平均含量高于土壤背景值, 其中最高达40.901 mg/kg, 铬、锌的超标率为24%和22%[14]。

  生产过磷酸钙的工厂周围的土壤中往往会含有较高的氟和砷;铅、锌冶炼厂周围的土壤不仅仅会受到铅、锌、镉等重金属污染, 还受到硫酸的严重污染[1]。全国还有一些地区土壤存在不同程度的重金属污染, 主要污染物是汞、铅、砷, 其次为铬、镉、铜、锌、锰、铊等。

  目前有四种常见的农业土壤重金属污染物:一是汞 (Hg) , 汞在进入农业土壤后, 会生成汞化合物, 汞以及汞的化合物便破坏土壤中的微生物活力, 阻碍农作物根系生长, 降低土壤肥力。人们生活中会产生的塑料、电子、电池、以及工业排放的污水中会含有大量的汞;二是镉 (Cd) , 镉是一种毒性很强的重金属, 土壤受到镉金属污染影响土壤微生物的繁殖和酶的活性, 达到一定量时便会使土壤生化过程减速。镉具有很强的毒性, 并且会营销土壤微生物的繁殖和酶的活性, 在达到一定的量时土壤的生化速度回严重的降低, 从而使植物矮化以及褪绿, 会大量造成作物的减产, 严重的会大量的死亡。土壤的污染不仅来自工业废水还有在农业生产过程中施用含镉量较高的药物或者化肥;三是铬 (Cr) , 电镀板、制革以及纺织厂的生产将会产生大量的含铬的废水, 如果未经处理会使土壤受到严重的铬污染, 极易被植物吸收蓄积, 不易降解, 不论是三价铬还是六价铬都对人体有很大的伤害;四是铅 (Pb) , 然而部分铜矿厂或者油漆厂以及公路两旁的农业土壤会含有较高的铅, 铅会严重影响人体骨髓的造血系统和神经系统, 并且在累积到一定量后会对人的肾脏以及智力造成很大的伤害。

  1.2 土壤污染来源

  1.2.1 农药的过度施用。

  农业的增产需要施用化肥。据调查20世纪八十年代中期, 全国有1 300~1 600万hm2耕地施用化肥[2]。据调查, 长期大量的施用磷、氮等化学肥, 破坏土壤结构, 造成土壤污染。同时, 农药的施用, 会直接进入土壤, 逐渐形成无机物, 引起土壤污染[3]。研究发现, 施用农药有20%~70%长期残留在土壤中[4]。2013年1月7日, 一项为期近两年的研究发布结果显示, 在山东和广东两个典型农业区的土壤、水体和空气中, 均可检测出120余种农药, 其中不乏已禁用多年的有机磷和有机氯农药[8]。

  1.2.2 农膜技术的使用不当。

  农膜技术的发展一定程度上提高了作物的生产, 但农膜技术的不合理运用会产生大量的残留农膜, 残留的农用薄膜生产中应用到热稳定剂中含有Cd、Pb, 大量的使用可能造成土壤重金属污染。而这些农膜不溶解、不腐烂, 会严重破坏恒做的土壤结构, 减少土壤之间的空隙, 导致土壤的透气性和透水性严重的降低。市容农膜导致残膜污染的原因主要有3个方面:一是农膜本身性质所致, 由于目前生产上采用的多为普通农用地膜, 一般具有极高的物理、化学和生物稳定性, 在自然条件下不易降解, 有人估计其在土壤中可存在200~400年;二是使用地膜厚度不达标准:调查资料表明, 河北邯郸地区使用的地膜厚度为0.004 mm, 远低于国家的0.008 mm标准, 导致回收困难;三是农民对残膜回收不够重视:因此, 残膜大量残留在土壤中, 造成持久性白色污染。新疆低温干旱地区农业种植95%采用薄膜技术, 几十年的地膜使用, 有些土壤达到30~50 g/kg的农膜残留。目前我国生产条件下地膜回收率不足1/3。但是目前的研究报道中还极少看到这方面严格的试验资料[9]。据农业部环保监测系统2000年对全国24个省 (直辖市) 、320个严重污染区555万hm2土壤调查发现, 大田类农产品污染超标面积占污染区农田面积的20%, 其中重金属占超标污染土壤和农作物的80%。

  在工业地区, 由生产排放的废气、粉尘, 经过大气降雨、沉降后进入土壤, 不断累积造成污染。同时, 工业露天堆放的废渣以及直接弃置的固体废弃物, 造成土地的严重污染[3]。据统计, 土壤污染中被工业“三废”污染的耕地面积达1 000万hm2[1]。工业、科研和医疗机构排放的液体或固体放射性废弃物[2]。1980年全国受“三废”污染的农田面积约267万hm2, 而1988年为670万hm2, 1998年污染农田数量为2 000万hm2, 造成经济损失200亿元。2000年受工业“三废”污染耕地1 000万hm2。据报道, 目前我国单受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积就占总耕地面积的1/5, 污水灌溉的农田面积已达330多万hm2。我国每年生产的镉米0.5亿多kg, 受汞污染的面积达3.2万hm2, 每年的汞米约有159.5亿kg。

  2 微生物菌肥应用现状

  2.1 土壤修复方法研究进展

  2.1.1 土壤污染造成的经济损失土壤污染导致严重的经济损失, 全国每年因重金属污染而减产粮食1 000多万t, 另外被重金属污染的粮食每年也多达1 200万t, 合计经济损失至少200亿元。土壤污染直接导致食品质量的不断下降有害人类健康, 严重阻碍农业发展[2]。

  2.1.2 土壤修复的主要方法目前, 土壤修复的主要方法为物理技术、化学技术、生物技术。

  1) 物理分离技术。从土壤、沉积物、废渣中分离重金属、清洁土壤恢复土壤正常功能, 主要应用在污染土壤中无机物污染物的修复技术, 它最适合来处理小范围射击场污染的土壤。在实际应用过程中物理分离技术有许多局限性, 比如用粒径分离时易塞住或损坏筛子;用水动力学分离和重力分离时, 当土壤中有较大比例的粘粒、粉粒和腐殖质存在时很难操作;用磁分离时处理费用比较高等。这些局限性决定了物理分离修复技术只能在小范围内应用, 不能被广泛的推广。

  2) 化学改良技术[6]。一般应用于发生突发性农田或耕地重金属污染而且污染程度较轻的土壤修复。相对于其他土壤修复技术来讲, 化学修复技术发展较早, 也相对成熟, 但是到目前为止, 大规模的实地应用还是十分有限。在通常情况下, 当生物修复技术的速度和广度不能满足污染土壤修复的需要时才会选择化学修复方法[7]。化学修复技术不仅费用昂贵而且难以大面积应用, 而且时常导致二次污染和土壤退化的问题。

  3) 生物修复技术。自20世纪80年代以来, 生物工程技术的研发和发展都主要利用生物特有的分解有毒有害物质的能力, 去除土壤中的污染物, 达到清除环境污染的目的。1989年以来, 肥根瘤菌类微生物肥料的威宁县以应用效果实验的报道为主, 其中增产的占绝大多数约98%, 只有个别报道不增产, 所以微生物肥料的增产作用是应予以肯定的。但是这些增产效果是同时施用化肥或有机肥而获得的, 单施微生物菌剂而增产效果不稳定。在与化肥结合施用条件下, 微生物肥料比传统化肥增产5%~10%和10%~15%的分别占总增产报道总数的30.8%和22.0%, 增产15%~20%的试验占13.8%, 报道增产20%以上的占20.8%[5]。目前, 相较于其它普通的菌肥, 只能相应的改良土壤, 提高作物产量, 但成都华宏生物科技有限公司的菌是具有特殊功能的菌株, 能够防治土壤病害:首先能有效防治棉花枯黄萎病是抑制土壤病害, 大丽轮枝菌是致病株是世界性难题。其次能有效防污葵花和蕃茄列当, 列当是恶性寄生杂草, 同样也是世界性难题。微生物修复技术主要有三种:原位修复技术、异位修复技术和原位—异位修复技术。

  2.2 微生物菌肥的研究筛选及效果

  经多年土壤污染和修复工作的研究和筛选微生物菌剂的施用效果, 最后选定成都华宏生物科技有限公司研制出的复合生物菌肥对土壤污染修复具有很好的效果。成都华宏生物科技有限公司科研人员通过十多年的努力, 筛选培育出的菌株, 采用人工诱变培植深层液体发酵浓缩而成多种功能性菌, 它能在高温50℃低温-40℃环境存活。筛选培育的细菌、真菌、放线菌等, 通过载体复合而成微生物菌功能菌肥。主要组成成分是:枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、胶冻样芽孢杆菌、测孢芽孢杆菌、绿色木霉、米曲霉、酿酒酵母、光合菌、苏云金芽孢杆菌、荧光假单胞杆菌等, 公司生物菌肥推向市场, 适合多种土壤和多种作物能有防治棉花枯黄萎病、防治寄生作物列当、土壤改良、配肥地力、重金属钝化、有机物料腐熟、发酵堆肥、降低农残、防病、防虫等系列产品。功能菌肥应用在土壤中大量繁殖活化土壤中各种元素.提高肥料利用率, 防病、防虫、使其作物增产、稳产。达到了生物改良土壤又对作物土壤无害, 健康种植和健康植保, 实现农业可持续发展目的。

  2.3 应用微生物菌肥改良修复土壤的试验简介

  2.3.1 试验一:

  2015年在湖南省湘乡市进行土壤重金属镉污染修复的实验[10]。实验结论:施“神锄”牌复合微生物肥也能显著降低稻米中重金属镉的含量, 施用后稻米中重金属镉的含量比对照降低了0.199 mg/kg, 总体降低了37.3%, 降镉效果比较明显。

  2.3.2 试验二:

  2014年在阿勒泰地区进行生物防治葵花列当实验[11]。“施地佳”土壤调理与“神锄”微生物功能菌配合施用修复土壤、防治列当试验:2014年4月阿勒泰地区农业技术推广中心设在福海县阿尔达乡西北处梁兵食葵地, 46.67 hm2地食葵地, 前茬作物食葵, 土壤板结, 土壤盐碱重, 地表有盐结皮。结果表明, “神锄”与“施地佳”配合施用, 能有效地降盐除碱, 改良土壤板结, 激发土壤活力、提升地力, 提升土壤有机质;由于施入“神锄”微生物功能菌和含有机酸的“施地佳”, 能够使土壤通透性增强, 促进土壤团粒结构的形成, 有效地改善和修复土壤。

  2.3.3试验三:

  2015年在辽宁省建平县进行生物防治烟草列当实验[12]。烤烟产量调查表可以看出, 烤烟施用“神锄”复合微生物菌肥, 产量比对照区高50.7 kg/667 m2, 增产25.1%。其中上等烟比对照增加12.7 kg/667 m2, 中等烟比对照增加73 kg/667 m2, 下等烟比对照减少33.2 kg。

  2.3.4 试验四:

  2014~2016年在新疆省焉耆县进行“神锄”复合微生物菌肥防治番茄田列当试验[13]。通过新疆焉耆县农技中心使用“神锄”复合微生物菌肥在加工番茄上的试验, 结果表明:具有较好的增产增收作用, 平均增产率约15%左右。“神锄”复合微生物菌肥对加工番茄列当的发生有很好的抑制作用, 尤其是使用时间早的, 防治率在90%左右, 效果明显。使用了“神锄”复合微生物菌肥, 对加工番茄果实固形物质含量平均提高0.5%、红色素含量平均提高5.3 mg/100 g, 色差平均提高0.41, 不仅提高了产量, 更改善了番茄果实的品质。使用了“神锄”复合微生物菌肥, 除了增产效果外, 还省时、省工、减少农药开支, 产生经济效益的同时, 还具有一定的社会效益, 消除恶性寄生性杂草。

  2.3.5 试验五:

  2016年6月~11月在湖南省湘乡市进行了连续第二季 (晚稻) 中, 发现土壤中含镉超标, 成都华宏生物科技有限公司运用本公司生产的“神锄”牌复合微生物肥、“施地佳”土壤调理剂在钝化土壤重金属活性, 降低了稻重金属含量、提高土壤p H值、改良酸化土壤等方面。在试验研究中发现对晚稻生物学性状、晚稻产量、水稻经济效益、稻田土壤化学性状、稻米和稻草镉含量都有影响。

  1) 连续2季施“神锄”牌复合微生物肥40 kg/667 m2的水稻株高、实粒数、总粒数、谷/草分别提高了2.3 cm、2.0粒/穗、2.1粒/穗、0.10;连续2季施“施地佳”土壤调理剂5 kg/667 m2的水稻株高、实粒数、总粒数、结实率、谷/草分别提高了2.0 cm、5.9粒/穗、4.2粒/穗、1.9%、0.22。

  2) 连续2季“神锄”牌复合微生物肥与“施地佳”土壤调理剂配合施用的晚稻株高增高了4.6 cm, 实粒数提高了5.6粒/穗, 总粒数提高了6.7粒/穗。

  3) 连续2季施“神锄”牌复合微生物肥40 kg/667 m2或“施地佳”土壤调理剂5 kg/667 m2, 对水稻产量都没有显著的影响。但连续2季“神锄”牌复合微生物肥与“施地佳”土壤调理剂配合使用的, 晚稻的增产率达到了5.8%, 与对照相比, 增加效果明显。

  4) 连续2季施“神锄”牌复合微生物肥40 kg/667 m2能显著提高土壤的阳离子交换量, 同时有提高土壤的p H值和硅铝率的趋势。连续2季施“施地佳”土壤调理剂5 kg/667 m2能显著提高土壤的阳离子交换量, 有提高土壤的p H值和硅铝率及降低土壤有效镉的趋势。连续2季“神锄”牌复合微生物肥与“施地佳”土壤调理剂配合使用, 有提高土壤的p H值、有机质、阳离子交换量、硅铝率和降低有效Cd含量的趋势。

  连续2季施“神锄”牌复合微生物肥40 kg/667 m2或“施地佳”土壤调理剂5 kg/667 m2, 有降低稻米镉和稻草镉含量的趋势, 但没有达到5%的显著差异水平。

  连续2季“神锄”牌复合微生物肥与“施地佳”土壤调理剂配合使用的, 稻米镉和稻草镉含量分别降低了26.0%和24.5%, 其降低稻米和稻草中Cd含量的效果要明显优于常规施肥处理及各自单独使用的。

  3 展望微生物菌肥发展前景及存在问题

  3.1 微生物菌是发展生态农业的基石

  微生物肥料作为一种比较有前景新型肥料, 通过筛选培育出有特殊功能的菌株施入土壤后, 其特定菌株快速繁殖, 能够减少化肥用量、刺激调节植物生长、降低环境污染、提高农作物品质等。具有低投入, 高产出, 高效益和无污染的特点。微生物肥料对土壤的改良作用比较缓慢, 除有时在苗期显示刺激生长作用外, 往往到作物生长后期才显出肥效。但农民时常要求肥料有较直观的效果, 否则难以接受, 从而导致推广受阻。据此, 当前应当考虑到将如何增加生物肥的速效性也作为研究方向之一。微生物肥料是根据生物固氮作用和有益微生物改善土壤肥力条件的原理并充分利用城乡有机废物制成可再生肥源, 其资源可以无限循环、反复利用, 符合生态农业发展方向。因此今后农业为了能够推动可持续发展, 就必然要发展生态农业和生物肥料。但要使生物肥料在农业生产中得以推广及应用, 还必须具备更有效的商品化和产业化条件。

  3.2 微生物发展与应用方向

  由于科技的发展, 农民更愿意使用工厂化生产的肥料, 包括商品有机肥等。然而, 目前大多数微生物肥料还不具备商品化条件, 微生物肥料要发展必须具备耐贮存的商品化的条件。形成产业化, 肥料产品的商品化的条件是以工业规模生产为基础, 然后使其产业化, 微生物肥料生产也应如此。

  3.3 微生物发展中存在的问题

  微生物肥料既能够较好的应用并且具有良好的发展前景, 同时也包含了许多发展的阻碍。当前突出的问题是由于长期以来基础和应用研究日益萎缩, 几乎没有立项研究, 一些试验也仅局限于简单的增产效果和抗性描述, 生物统计分析不多, 试验的规范性和深入程度不足, 研究范围中的应用基础研究更为欠缺, 也没有充分应用当前科技的新方法和技术。使得许多长期困扰微生物肥料发展的问题一直得不到解决, 以致许多产品的成熟度还不够, 产业化生产还存在不少问题, 这是值得当前各方注意的一大问题。其二是国内微生物肥料的生产水平还有待提高。这里面包括设备、工艺和产品质量等各个方面。第三是进入市场的微生物肥料产品要符合标准, 生产必须进行检验登记, 产品的质量要接受质量监督。只有这样, 微生物肥料的生产才能健康发展, 广大农民、研制者生产者的利益才能得到保障。第四是使用方法得当, 许多地区使用效果很差甚至没有效果, 微生物菌肥产品质量没有问题, 大家忽略了生物菌剂是活体, 要持续的新陈代谢才能达到效果, 土壤环境水肥气热条件要具备, 尤其干旱缺水地区, 首先要解决水的问题, 滴灌技术的应用是随时根据土壤商情补水施肥, 能很好的解决这个问题。突破传统的每一季大水浇灌2~3次, 这样土壤出现中途干旱, 微生物失去生存基本条件, 导致微生物菌肥效果大打折扣, 甚至失去功能, 因此大力提倡水肥一体化的推广应用势在必行, 节约水资源, 肥水耦合提高肥料利用率, 减少化肥使用量, 提高微生物的生存空间, 达到标本兼治的目标。进一步的应重视下列方面:可以增加改良的土壤种类 (黏性土壤、沙性土壤、盐碱土壤、酸性土壤等) 、不同梯度的化肥减量规范试验、接种微生物在土壤中的消长动态、接种微生物在土壤中引起土壤活性和营养元素生物有效性的变化、长期的养分平衡定位试验、加强微生物肥料对作物品质影响的研究[5]。

  随着社会对环境保护的日益重视和生态农业的不断发展, 我国微生物肥料的生产与技术必然能够得到相应发展, 不仅可以补充肥源不足, 有效改善生态环境, 而且有可能列为绿色食品用肥进入商品市场, 成为新兴的“绿色产业”。使农业能够充分的发挥其在社会中的经济效益、社会效益和生态效益。

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