環(huán)境材料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境治理中的應(yīng)用

環(huán)境材料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境治理中的應(yīng)用

1環(huán)境材料的特性環(huán)境材料，也稱(chēng)為生態(tài)材料和環(huán)境功能材料，于20世紀(jì)90年代由日本東部大學(xué)尹良義教授首次提出，并在全球科學(xué)家的討論中得到了改進(jìn)。目前基本認(rèn)為環(huán)境材料是指在加工、制造、使用和再生過(guò)程中具有最低環(huán)境負(fù)荷、最大使用功能的人類(lèi)所需材料,包括改造的現(xiàn)有傳統(tǒng)材料和新開(kāi)發(fā)的環(huán)境材料。環(huán)境材料具有3個(gè)主要特點(diǎn):一是先進(jìn)性,也就是主要的功能性;二是環(huán)境協(xié)調(diào)性(優(yōu)先爭(zhēng)取目標(biāo)),包括減小材料生產(chǎn)中資源和能源的消耗、溫室氣體排放,增加廢棄物再生循環(huán),是21世紀(jì)新材料的一個(gè)基本性能要求;三是舒適性,亦稱(chēng)經(jīng)濟(jì)性,材料在使用中既要舒適美觀(guān),又要良好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。環(huán)境材料可分為天然材料、循環(huán)再生材料、高分子材料、低環(huán)境負(fù)荷材料等,環(huán)境材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、環(huán)保和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。環(huán)境材料在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)環(huán)境治理等方面。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要為改善土壤微生態(tài)和促進(jìn)作物生長(zhǎng)的環(huán)境材料,以及環(huán)境友好型的化肥、農(nóng)藥和地膜等新型農(nóng)資材料;農(nóng)業(yè)環(huán)境治理中主要是在農(nóng)業(yè)生態(tài)破壞和農(nóng)業(yè)環(huán)境污染治理的材料。目前,農(nóng)業(yè)生態(tài)破壞問(wèn)題幾乎與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)相伴,如土地鹽漬化、土壤沙化、土壤荒漠化、水土流失、土壤肥力下降等;農(nóng)業(yè)環(huán)境污染問(wèn)題主要是近年隨經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展出現(xiàn)的工業(yè)污染源、生活污染源以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)本身所造成的污染。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó),環(huán)境問(wèn)題類(lèi)型較多,區(qū)域分布和嚴(yán)重程度也不一。環(huán)境材料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境治理中應(yīng)用的類(lèi)型多樣,主要是農(nóng)業(yè)抗旱缺水、土壤污染治理和鹽堿地土壤改良等。本文藉此對(duì)環(huán)境材料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)環(huán)境治理等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行分析,期望能促進(jìn)環(huán)境材料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其環(huán)境治理中的應(yīng)用。2存在的主要問(wèn)題水是農(nóng)業(yè)的命脈。我國(guó)農(nóng)業(yè)年用水約4.0×1011m3,占總用水71%左右。農(nóng)業(yè)用水量中約90%為農(nóng)田灌溉,即約3.6×1011m3為我國(guó)農(nóng)田灌溉用水量上限。農(nóng)業(yè)灌溉用水存在三大突出問(wèn)題:一是水資源嚴(yán)重不足,制約著農(nóng)業(yè)灌溉進(jìn)一步擴(kuò)大,干旱問(wèn)題嚴(yán)重。近年我國(guó)年受旱面積2000萬(wàn)~2700萬(wàn)hm2全國(guó)中等干旱年農(nóng)業(yè)灌溉缺水3.0×1010m3。二是已開(kāi)發(fā)利用的水資源浪費(fèi)嚴(yán)重,寧夏回族自治區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)大田漫灌的次灌水量達(dá)1200m3·hm-2以上,灌溉水利用率40%左右(發(fā)達(dá)國(guó)家80%~90%)。三是水資源遭受?chē)?yán)重污染。環(huán)境材料在農(nóng)業(yè)抗旱節(jié)水中的應(yīng)用主要是土壤保水劑和作物葉面抗蒸騰劑?？缮锝到獾啬ひ彩且活?lèi)近年研發(fā)較多的環(huán)境材料,屬于物理性材料這里不做深入探討。2.1節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用土壤保水劑(superabsorbentpolymer,SAP)是通過(guò)改善植物根土界面環(huán)境、又供給植物水分的化學(xué)節(jié)水技術(shù)。土壤保水劑本身是一種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?cái)?shù)百倍甚至上千倍的純水,且有反復(fù)吸水功能,所吸的水可緩慢釋放供作物利用。由于其具有操作簡(jiǎn)便、投入少、見(jiàn)效快和易于推廣等特點(diǎn),因而應(yīng)用與發(fā)展前景廣闊。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)有所提高,土壤保水劑的高效、低毒和價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)成為其應(yīng)用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其環(huán)境治理的重要選擇。2.1.1農(nóng)業(yè)保水劑20世紀(jì)中期,美國(guó)首先研制出淀粉型保水劑并在玉米、大豆涂層和造林應(yīng)用取得效果后,世界各國(guó)競(jìng)相研制。日本發(fā)展最快,成為世界上最大的超強(qiáng)吸水性樹(shù)脂生產(chǎn)國(guó),20余家主要廠(chǎng)家年產(chǎn)10萬(wàn)t。英國(guó)研制出防止土壤侵蝕和保證作物需水的防蝕聚合物和保水聚合物。法國(guó)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區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)。俄羅斯合成的保水劑用于節(jié)水農(nóng)業(yè),在伏爾加格勒每公頃使用100kg,節(jié)水50%,農(nóng)作物增產(chǎn)20%~70%。全球年產(chǎn)土壤保水劑已超過(guò)200萬(wàn)t。我國(guó)土壤保水劑研制和應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代中期,發(fā)展較快。土壤保水劑按照化學(xué)組成和功能特點(diǎn)可分為高分子聚丙烯酸鹽類(lèi)保水劑、有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合類(lèi)保水劑、多功能類(lèi)保水劑3類(lèi)。中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研制的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合保水劑,已在勝利油田長(zhǎng)安實(shí)業(yè)(集團(tuán))公司建成3000t·a-1生產(chǎn)線(xiàn);中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)利用風(fēng)化煤研制出腐殖酸復(fù)合保水劑。目前土壤保水劑產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)基本成熟,可查的土壤保水劑相關(guān)專(zhuān)利120多項(xiàng)。應(yīng)用范圍從林業(yè)生產(chǎn)推廣至大田作物60多種作物,年推廣面積超過(guò)20萬(wàn)hm2。國(guó)家對(duì)保水劑研發(fā)和應(yīng)用非常重視,從“十五”到“十二五”的國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目都列入多功能節(jié)水制劑課題。2.1.2保水劑的作用黃占斌總結(jié)提出土壤保水劑作用原理包括4個(gè)方面:(1)土壤保水劑自身吸水、保水和釋水原理。保水劑吸水速度快,溶脹比大。保水劑分子含有大量羧基、羥基、酰胺基以及磺酸基等強(qiáng)親水性官能團(tuán),對(duì)水分有強(qiáng)烈的締合能力,純水中的吸水溶脹比為400~1000倍或更高;保水劑保水能力強(qiáng)。保水方式主要包括吸水和溶脹,以后者為主;保水劑釋水性能好,供水時(shí)期長(zhǎng)。王硯田等研究表明,保水劑所吸持水分最大吸水力13~14kg·m-2,根系吸水力大多為17~18kg·m-2,故一般情況下不會(huì)出現(xiàn)根系水分倒流,其中90%以上為植物最易吸收利用的水分。此外,保水劑有吸水-釋水-干燥-再吸水反復(fù)吸水功能,但反復(fù)的保水劑吸水倍率下降10%~70%或失去吸水功能。(2)土壤保水劑促進(jìn)土壤改良和保持原理。保水劑在土壤中吸水膨脹,把分散的土壤顆粒粘結(jié)成團(tuán)塊狀,增加土壤團(tuán)聚體。黃占斌等研究表明,保水劑特別對(duì)0.5~5mm粒徑土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成作用最明顯,且土壤中保水劑在0.005%~0.01%范圍時(shí),團(tuán)聚體增加量明顯;同時(shí),保水劑應(yīng)用會(huì)使土壤容重下降,孔隙度增加,調(diào)節(jié)土壤中的水、氣、熱狀況而有利作物生長(zhǎng),改善土壤結(jié)構(gòu)。加之保水劑分子內(nèi)部大量可電解羧酸鹽基團(tuán)吸水后網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)撐開(kāi),可提高土壤吸水能力,增加土壤含水量。此外,保水劑能增加土壤持水能力,降低土壤水分蒸發(fā)量和水分滲透。(3)土壤保水劑提高肥料和農(nóng)藥等農(nóng)化產(chǎn)品利用效率原理。保水劑表面分子有吸附和離子交換作用,肥料和農(nóng)藥中的銨離子等官能團(tuán)能被保水劑上的離子交換或絡(luò)合,以“包裹”方式把土壤中的離子包起來(lái),減少肥料和農(nóng)藥淋失。但同時(shí)會(huì)使土壤保水劑失去部分保水能力,故土壤保水劑盡量不與鋅、錳和鎂等二價(jià)金屬元素肥料混用。黃震等試驗(yàn)表明,尿素等非電解質(zhì)肥料與土壤保水劑結(jié)合應(yīng)用,保水劑的保水和保肥作用都能得到充分發(fā)揮。田間試驗(yàn)證明,土壤保水劑與氮肥配合使用,吸氮量和氮肥利用率分別提高18.7%和27.1%。俞滿(mǎn)源等在陜西延安的試驗(yàn)表明,開(kāi)溝10~15cm,單施保水劑和單施氮肥的馬鈴薯產(chǎn)量分別增加42.7%和33.3%,土壤保水劑加氮肥使馬鈴薯產(chǎn)量增加75%以上。近年來(lái),我國(guó)每年農(nóng)田氮肥利用率僅30%~35%,磷肥利用率10%~20%,鉀肥利用率35%~50%;我國(guó)每年農(nóng)藥施用量達(dá)30多萬(wàn)t,其中高毒農(nóng)藥占農(nóng)藥總量的70%。農(nóng)藥平均施用量13.4kg·hm-2,農(nóng)藥過(guò)量或不合理使用導(dǎo)致約70%~80%的農(nóng)藥作用于非靶標(biāo)生物或直接進(jìn)入環(huán)境。土壤保水劑對(duì)化肥和農(nóng)藥利用效率提高的研究,是治理農(nóng)田化肥和農(nóng)藥面源污染等重要的技術(shù)應(yīng)用依據(jù)。(4)土壤保水劑調(diào)節(jié)植物生理節(jié)水效應(yīng)原理。土壤保水劑植物效應(yīng)與保水劑的應(yīng)用方法有關(guān)。土壤保水劑處理種子是為種子提供相對(duì)濕潤(rùn)的小環(huán)境,促進(jìn)植物種子發(fā)芽;土壤穴施或溝施應(yīng)用保水劑,主要是改變根土水環(huán)境,造成部分根系干旱產(chǎn)生ABA信號(hào)而調(diào)控植物生理節(jié)水。李志軍等試驗(yàn)證明,作物在其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中具有適應(yīng)土壤干濕交替環(huán)境的能力,即作物在受到一定程度水分脅迫時(shí),能夠通過(guò)補(bǔ)償效應(yīng)來(lái)彌補(bǔ)產(chǎn)量減少或減少損傷。當(dāng)土壤保水劑應(yīng)用于土壤時(shí),隨著土壤水分蒸散,作物根系出現(xiàn)部分低水勢(shì),產(chǎn)生根源ABA,經(jīng)木質(zhì)部導(dǎo)管傳輸?shù)阶魑锏牡厣喜糠?在作物葉片調(diào)節(jié)氣孔開(kāi)度,減少蒸騰。同時(shí),根系經(jīng)過(guò)一定程度水分脅迫鍛煉復(fù)水后,水分傳導(dǎo)高于未經(jīng)脅迫鍛煉的對(duì)照。這兩方面作用使作物根系表現(xiàn)出補(bǔ)償效應(yīng)。2.1.3復(fù)合4.4年生全濕劑對(duì)出苗率的影響主要有拌種或種子涂層、種子丸衣造粒、根部涂層(亦稱(chēng)蘸根)、土壤直接施用和用作育苗培養(yǎng)基質(zhì)等方法,常用土壤直接施用法。種子包衣方法處理種子可顯著提高低土壤濕度條件下的出苗率。黃占斌等試驗(yàn)表明,施0.05%~1%土壤保水劑的土壤移栽烤煙,緩苗期縮短2d,缺水存活天數(shù)較對(duì)照多5~20d。大量試驗(yàn)表明,小麥、大麥、小黑麥、玉米、棉花、大豆、花生和馬鈴薯上應(yīng)用復(fù)合包衣劑后,其增產(chǎn)幅度均在13.8%以上。此外,土壤保水劑也被用作土壤結(jié)構(gòu)改良劑,改善土壤結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)肥力,提高作物抗旱力。2.1.4土壤保水劑應(yīng)用技術(shù)土壤保水劑的發(fā)展趨勢(shì)主要有3個(gè)方面:一是加強(qiáng)低成本、長(zhǎng)效、多功能、復(fù)合和專(zhuān)用保水劑研制。針對(duì)土壤保水劑原料漲價(jià)和成本增高問(wèn)題,開(kāi)發(fā)以生物和原生礦物質(zhì)材料為基質(zhì),抗水解且可生物降解的低成本、長(zhǎng)效保水劑;加強(qiáng)土壤保水劑應(yīng)用技術(shù)范圍,形成拌種、土壤施用和灌水施用等不同劑型的多功能保水劑產(chǎn)品系列。二是加強(qiáng)土壤保水劑的應(yīng)用基礎(chǔ)研究,包括土壤保水劑對(duì)土壤和植物作用的時(shí)效問(wèn)題,保水劑對(duì)農(nóng)業(yè)的環(huán)境影響問(wèn)題,土壤保水劑在植物根土界面水分變化與植物效應(yīng)的關(guān)系問(wèn)題等;三是建立土壤保水劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范,包括適合不同氣候、地區(qū)和土壤的保水劑最佳施用量、施用方式和施肥方式等;研究保水劑與其他旱作農(nóng)業(yè)措施相結(jié)合的綜合應(yīng)用技術(shù)。2.2降水劑的化合物作物葉面抗蒸騰劑(anti-transpirant)是能夠降低植物蒸騰減少水分損失的一類(lèi)化學(xué)物質(zhì)。由于作物光合作用和生長(zhǎng)保存在干物質(zhì)中的水分僅占其耗水量的1%左右,90%以上水分為蒸騰消耗,因而降低作物蒸騰耗水是節(jié)水和抗旱的重要環(huán)節(jié)。2.2.1dnp降蒸騰劑抗蒸騰劑按其性質(zhì)和作用方式分為代謝型氣孔抑制劑(metabolicanti-transpirant)、薄膜型抗蒸騰劑(filmforminganti-transpirant)和反射型抗蒸騰劑(reflectinganti-transpirant)3類(lèi)。(1)代謝型氣孔抑制劑,能控制氣孔開(kāi)張度而減少水分蒸騰損失。比較有效的有2,4-二硝基酚(2,4-dinitrophenol,DNP)、整形素和甲草胺等。噴施1次DNP降低蒸騰的藥效可維持12d;低濃度甲草胺可維持20~22d;CaCl2和粉銹寧等也具有較好的效果,在降低蒸騰作用的同時(shí),對(duì)光合作用的影響不太顯著,藥效可維持2周左右。另一類(lèi)是K+螯合劑,葉面噴施能影響保衛(wèi)細(xì)胞的膨壓而調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動(dòng),降低葉片蒸騰的效果明顯,如地衣酸、藻酸和環(huán)己基18-冠-6等在極低濃度(10-15mol·L-1)下使大麥葉片蒸騰下降50%,環(huán)己基18-冠-6在低濃度下的效果比脫落酸(abscisicacid,ABA)還高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。(2)薄膜型抗蒸騰劑,是應(yīng)用單分子膜覆蓋葉面,阻止水分子向大氣中擴(kuò)散。Davenport等試驗(yàn)證明,用薄膜型抗蒸騰劑CS6432(一種蠟質(zhì)乳液)以1.5%濃度在夾竹桃上噴1次可使蒸騰下降25%~30%,土壤水分的消耗減少40%,葉片水勢(shì)升高,其效果相當(dāng)于一次灌水。薄膜型抗蒸騰劑還可用于樹(shù)苗移栽。用丁二烯酸對(duì)歐洲白樺、小葉椴、挪威槭和鉆天楊等樹(shù)苗進(jìn)行處理,葉片上形成的薄臘使蒸騰在8~12d內(nèi)下降30%~70%。該技術(shù)可使春季造林的季節(jié)延長(zhǎng)2周。(3)反射型抗蒸騰劑,是利用反光物質(zhì)反射部分光能,達(dá)到降低葉面溫度減少蒸騰損失的目的。目前研究使用較多的是成本低廉的高嶺土(kaolin)。Abou-Khaled等研究表明,旱地小麥播種后45d葉面施用6%的高嶺土溶液,葉溫較對(duì)照低1~2.5℃,蒸騰降低,產(chǎn)量較對(duì)照有明顯提高,在不同降水年份中,產(chǎn)量提高幅度為16.5%~27.7%。2.2.2旱劑和抗蒸騰劑研究經(jīng)過(guò)多年篩選與應(yīng)用,作物抗蒸騰劑的研發(fā)已有上百種,其中對(duì)苯汞乙酸(phenylmercuricacetate,PMA)、ABA、高嶺土(kaolin)、聚氨基葡萄糖(chitosan)和黃腐酸等研究較多。國(guó)外抗蒸騰劑研究以薄膜型為主,代謝型抗蒸騰劑的研究主要是對(duì)ABA的研究較多,而對(duì)反射型抗蒸騰劑研究很少。我國(guó)20世紀(jì)60年代研究抗蒸騰劑,70年代末期以黃腐酸抗旱劑(fulvicacid,FA)研究為中心。河南省科學(xué)院化學(xué)研究所對(duì)各種FA提取分離,并命名和建立“抗旱劑1號(hào)”50t中試車(chē)間,后擴(kuò)展為年產(chǎn)150~200t的生產(chǎn)廠(chǎng)。該研究1992年獲國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng),實(shí)現(xiàn)我國(guó)第一個(gè)代謝型抗蒸騰劑的產(chǎn)業(yè)化。作物抗蒸騰劑研究雖然取得一定進(jìn)展,但由于價(jià)格、毒性及效果等問(wèn)題,至今仍處于試驗(yàn)示范階段。目前生產(chǎn)中主要推廣的是黃腐酸。黃腐酸被認(rèn)為是一種兼具抗蒸騰作用和促進(jìn)生長(zhǎng)的物質(zhì)。在實(shí)際生產(chǎn)中,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研發(fā)的“FA旱地龍”抗旱劑是我國(guó)目前農(nóng)業(yè)抗旱節(jié)水應(yīng)用最廣泛的節(jié)水制劑,為國(guó)家水利部推廣應(yīng)用的農(nóng)作物抗旱新技術(shù)?！癋A旱地龍”主要成分為天然資源黃腐酸,其黃腐酸含量≥8%,有效磷≥2%,并含有16種氨基酸和20多種植物所必需的微量元素,是集抗旱、抗寒、抗病和營(yíng)養(yǎng)為一體的多功能制劑。主要應(yīng)用方法有噴施、拌種或浸種、隨水澆灌和與酸性農(nóng)藥復(fù)配?！癋A旱地龍”全國(guó)年使用面積約1300多萬(wàn)hm2。馮建燦等試驗(yàn)證明,冬小麥宜用“FA旱地龍”500倍稀釋液于拔節(jié)后抽穗前,視天氣噴施1~2次,玉米在拔節(jié)前后視天氣情況噴施1~2次。“FA旱地龍”可使糧食作物增產(chǎn)10%~15%,經(jīng)濟(jì)作物增產(chǎn)15%~40%,節(jié)水20%~30%,提早成熟3~7d,投入產(chǎn)出比在1︰15以上。3環(huán)境材料在土壤中重金屬污染處理中的應(yīng)用3.1重金屬污染嚴(yán)重,糧食增產(chǎn)增產(chǎn)土壤重金屬污染是土壤污染研究和解決的重點(diǎn)。隨著工業(yè)、城市污染的加劇和農(nóng)業(yè)施肥、污水灌溉、污泥應(yīng)用的增加,土壤重金屬污染日益嚴(yán)重,作物生長(zhǎng)和質(zhì)量越來(lái)越受到人們關(guān)注。我國(guó)受重金屬污染的農(nóng)業(yè)土地面積大、分布范圍廣。全國(guó)約2500萬(wàn)hm2土地受到不同程度的重金屬污染,占農(nóng)田總面積的1/5,污染嚴(yán)重的土地超過(guò)70萬(wàn)hm2。其中1.3萬(wàn)hm2土地因鎘含量超標(biāo)而被迫棄耕,涉及11個(gè)省市的25個(gè)地區(qū),我國(guó)24個(gè)省(市)工礦、城郊污水灌溉區(qū)等320個(gè)重點(diǎn)污染區(qū)中,重金屬含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量占所有污染超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的80%以上,尤其是鎘、汞、鉛、銅及其復(fù)合污染尤為明顯。土壤重金屬污染物通過(guò)直接或間接的方式危害動(dòng)、植物生長(zhǎng)和人的健康。土壤中過(guò)量重金屬大部分滯留土壤耕作層,影響植物生長(zhǎng)。據(jù)報(bào)道,我國(guó)每年因重金屬污染而導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)量超過(guò)1000萬(wàn)t,被重金屬污染的糧食多達(dá)1200萬(wàn)t,經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200億元。因?yàn)橥寥乐亟饘傥廴揪哂形廴疚镌谕寥乐幸苿?dòng)性差、滯留時(shí)間長(zhǎng)、不能被微生物降解的特點(diǎn),經(jīng)水和植物等介質(zhì)最終影響人類(lèi)健康,治理和恢復(fù)難度大。3.2重金屬污染土壤材料的研究重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)發(fā)展迅速,主要包括工程措施、物理化學(xué)措施、化學(xué)改良措施和生物措施,包括植物和微生物菌劑等,其中研究與應(yīng)用較多的主要是生物修復(fù)技術(shù)和化學(xué)固化修復(fù)技術(shù)。化學(xué)固化修復(fù)是化學(xué)修復(fù)技術(shù)之一,原理是向土壤中加入重金屬固化劑或鈍化劑,改變重金屬和土壤的理化性質(zhì),通過(guò)吸附、沉淀等作用降低土壤中重金屬的遷移能力和生物有效性。隨著可持續(xù)發(fā)展理論研究和應(yīng)用的深入,重金屬固化材料研究越來(lái)越受重視。目前,重金屬穩(wěn)定固化修復(fù)的材料主要有黏土礦物、磷酸鹽、沸石、無(wú)機(jī)礦物、有機(jī)堆肥及微生物等。礦物材料和有機(jī)材料對(duì)重金屬有較好的穩(wěn)定效應(yīng)。余貴芬等研究表明,有機(jī)質(zhì)能使重金屬生成硫化物沉淀,也能使Cr6+還原成低毒的Cr3+。余觀(guān)梅發(fā)現(xiàn),施用粉煤灰鈍化污泥能明顯降低雞冠花和高羊茅植株中鋅、銅、錳和鉛的含量。另外,胡振琪等研究和評(píng)價(jià)了黏土礦物與菌根穩(wěn)定化修復(fù)重金屬污染土壤的效果。沸石、磷灰石、含鐵礦物和磷酸鹽等材料具有廉價(jià)高效和來(lái)源廣泛等特點(diǎn),被用作控制和修復(fù)重金屬污染土壤的礦物材料。張?jiān)歧妊芯勘砻?沸石獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)及其所含大量可交換態(tài)陽(yáng)離子對(duì)重金屬鉛和鎘的吸附效果尤為明顯;Kuznetsov等在灰森林土壤中施用沸石8~16t·hm-2,發(fā)現(xiàn)可移動(dòng)的重金屬鉛、鎳和銅含量明顯減少;曾敏等研究發(fā)現(xiàn),碳酸鈣施用會(huì)顯著提高土壤pH,降低土壤交換態(tài)鎘含量,減少大豆對(duì)鎘吸收。同時(shí),Kumpiene等總結(jié)了應(yīng)用固化材料治理土壤重金屬砷、鉻、銅、鉛和鋅污染方面的研究進(jìn)展;張?jiān)讫埖妊芯苛斯杷匚镔|(zhì)對(duì)土壤-水稻系統(tǒng)中鎘行為的影響;劉昭兵等研究了赤泥對(duì)Cd污染稻田水稻生長(zhǎng)及吸收累積鎘的影響。高分子保水材料是一種新發(fā)現(xiàn)的對(duì)重金屬有固化效果的環(huán)境材料。黃占斌等研究表明,高分子化合物在直接供給作物根系水分、改良土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的同時(shí),具有降低重金屬對(duì)植物污染效應(yīng)而減小作物對(duì)重金屬的吸收效果。黃震等研究了環(huán)境材料(煤基營(yíng)養(yǎng)材料A、高分子保水材料SAP、煤基復(fù)合材料FM和吸附性礦物材料FS)及復(fù)合材料對(duì)作物生長(zhǎng)及其對(duì)土壤重金屬鉛、鎘吸收影響。結(jié)果表明,單個(gè)及復(fù)合材料處理較對(duì)照能明顯減少作物對(duì)土壤重金屬鉛、鎘的吸收,并促進(jìn)作物生長(zhǎng)。高分子保水材料(SAP)及其復(fù)合材料使玉米對(duì)土壤重金屬鉛的吸收降低50%以上,使鎘吸收量降低80%以上。高分子保水材料(SAP)及其復(fù)合材料使大豆對(duì)土壤重金屬鉛吸收降低69%以上,使鎘吸收量降低33%以上。研究還表明,高分子保水材料(SAP)及其復(fù)合材料對(duì)重金屬鉛、鎘固化的效應(yīng)與改良土壤pH、EC、土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮磷養(yǎng)分及土壤脲酶、磷酸酶活性等關(guān)系密切。目前對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行改良的環(huán)境材料越來(lái)越多,但相關(guān)研究多集中在單一重金屬元素上,針對(duì)多種土壤重金屬?gòu)?fù)合污染同時(shí)修復(fù)的研究較少。同時(shí),對(duì)環(huán)境材料修復(fù)重金屬污染土壤時(shí)存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)及鈍化修復(fù)的長(zhǎng)期田間效應(yīng)研究也不足。4環(huán)保材料鹽堿土的應(yīng)用4.1土壤鹽分改變土壤鹽堿化是我國(guó)農(nóng)業(yè)重要環(huán)境問(wèn)題之一,我國(guó)鹽堿地土壤呈現(xiàn)面積大、分布廣的特點(diǎn),現(xiàn)有鹽堿化土約1億hm2,耕地鹽堿化760萬(wàn)hm2,占耕地面積近1/5,分布在濱海地區(qū)和西部?jī)?nèi)陸干旱半干旱地區(qū),還包括北方冬季應(yīng)用融雪劑(主要為氯化鈉、氯化鈣和氯化鎂)除雪造成的綠化地土壤鹽堿化。土壤表層含易溶性鹽分超過(guò)0.6%~2.0%時(shí)為鹽土,土壤鹽堿化會(huì)引起植物生長(zhǎng)傷害,造成高濃度鹽分降低土壤水勢(shì)而使植物吸水困難的“生理干旱”,或植物過(guò)多地吸收土壤中某種過(guò)高濃度的離子而減少其他離子的吸收,形成某種離子在植物體內(nèi)積累過(guò)度使植物受害的“單鹽毒害”。此外,植物受鹽分脅迫會(huì)造成一系列生理代謝失調(diào),如:光合作用受到干擾;低鹽濃度促進(jìn)呼吸,高鹽濃度抑制呼吸;鹽分脅迫下降低蛋白質(zhì)合成,促進(jìn)蛋白質(zhì)分解和植物死亡。4.2化學(xué)鹽堿地利用鹽堿地改良方法包括水利措施、物理措施、化學(xué)措施以及生物措施。施用環(huán)境材料改良土壤是現(xiàn)代化學(xué)措施的一種,隨著循環(huán)經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化工發(fā)展,其應(yīng)用不斷加快。目前用于改良鹽堿地的環(huán)境材料主要有兩類(lèi):一是加鈣(代換作用)環(huán)境材料,主要有石膏、磷石膏、脫硫石膏、氧化鈣、石灰石、磷石膏和煤矸石等。另一類(lèi)是加酸(化學(xué)作用)環(huán)境材料,主要有腐植酸、糠醛渣、硫磺、黑礬(硫酸亞鐵)、粗硫酸、硫酸鋁及酸性肥料等。施用石膏改良鹽堿土。石膏主要成分是硫酸鈣,其鈣離子代換土壤膠體吸附的交換性鈉離子,使鈉質(zhì)土變?yōu)殁}質(zhì)土。同時(shí),土壤中游離的碳酸氫鈉和碳酸鈉經(jīng)過(guò)代換形成硫酸鈉隨灌水洗鹽沖洗掉,土壤中鹽堿對(duì)作物毒害就會(huì)減輕。近年電廠(chǎng)煙氣脫硫廢棄物脫硫石膏改良鹽堿地試驗(yàn)示范加快,如沈陽(yáng)市康平縣應(yīng)用脫硫廢棄物改良蘇打堿化土壤的玉米,效果明顯。寧夏銀北灌區(qū)利用電廠(chǎng)脫硫石膏種植油葵等作物,取得良好效果。內(nèi)蒙土默川地區(qū)的堿化土壤進(jìn)行小麥、玉米盆栽試驗(yàn),提出堿土改良時(shí)不必徹底消除交換性鈉離子為目標(biāo),只要堿化度<10%就適宜作物生長(zhǎng)。腐植酸是另一類(lèi)研究和應(yīng)用廣泛的鹽堿地改良環(huán)境材料。腐植酸是一種形成土壤有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體的有機(jī)膠體物質(zhì),也是一種有機(jī)大分子兩性物質(zhì),其陽(yáng)離子交換量大,緩沖能力強(qiáng),是調(diào)節(jié)土壤pH、緩沖土壤酸堿性的有效緩沖劑。此外,腐植酸還可改善土壤結(jié)構(gòu),增強(qiáng)土壤透水保水性;對(duì)金屬離子有絡(luò)合、螯合作用及很強(qiáng)的物理吸附和物理-化學(xué)吸附作用。張繼舟等使用含腐植酸40%的腐植酸鉀加上復(fù)混肥,與單施復(fù)混肥及對(duì)照比較,結(jié)果表明,施腐植酸鉀處理的0~20cm表土土壤電導(dǎo)率及土壤中水溶性鹽基離子K+、Ca2+、Mg2+、NH4+、NO3-、SO42-和HCO3-均低于對(duì)照處理,而單施復(fù)混肥的含量均高于對(duì)照。腐植酸降低土壤中水溶性鹽分作用明顯,改良鹽堿土及防止土壤鹽漬化的效果顯著。為了比較脫硫