综述：农艺管理措施增强砷污染土壤植物修复作用的综述

《Results in Engineering》：A review on agronomic management for enhancing phytoremediation of arsenic-contaminated soil

　　

addressing土壤砷（As）污染已成为一项紧迫的全球环境优先事项。植物修复因其生态友好性和成本效益，已成为应对这一普遍环境危害的重要解决方案。为克服植物修复周期长、效率低的缺陷，研究人员已开发多种辅助措施，其中农艺措施在增强植物修复方面显示出显著潜力，但对其协同效应及潜在机制的系统性综合仍显缺乏。基于Web of Science数据库中436项研究的检索与分析，本综述综合了五项关键农艺策略：水分管理、灌溉优化、间作、肥料改良和化学投加。针对各项策略，研究人员阐明了调控砷活化及植物吸收的潜在机制，并权衡了其优势与局限。分析表明，定向农艺措施可显著改变土壤砷生物有效性，促进超富集植物生长及砷积累，甚至可实现作物生产与土壤修复同步进行。此外，研究人员深入探讨了通过农艺管理增强砷污染土壤植物修复的未来挑战与前景。

1. 1.
   Introduction
   土壤砷（As）具有高毒且环境广布特性，构成重大生态与健康威胁。人类砷暴露关联致癌、心血管疾病及神经损害等严重健康结局。在植物中，砷毒性扰乱光合作用与抗氧化防御等生理进程。砷经地质大循环与生物地球化学微循环进入土壤，其形态具强氧化还原依赖性：砷酸根[As(V)]好氧土壤（如旱地）占优，亚砷酸根[As(Ⅲ)]厌氧条件（如淹水稻田）主导且迁移性与毒性更强。近数十年受采矿、农药过量施用、工业排放及含砷水灌溉等人为活动影响，全球土壤砷污染日趋严峻，约1.1%土壤超标。如何修复砷污染土壤并恢复其健康与生态功能，已成环境科学热点难题。主流修复技术含物理、化学及生物修复等，植物修复因环境友好与低成本受关注，但单靠植物修复常难达预期。辅助措施如基因工程、微生物施用及农艺措施可强化效率。农艺措施辅助植物修复指通过优化农业生产管理实践增强修复成效，适宜措施可改善植株生长条件、促生长发育及砷吸收富集，该技术近年机制研究深入且应用成熟，但缺乏系统总结。
2. 2.
   Phytoremediation
   污染土壤修复策略多样，物理化学固定/稳定化及化学淋洗技术较成熟，但常需换土与大量化肥试剂，成本高且损土壤结构，宜用于重度非农田。植物修复具成本效益且可持续原位修复，适于中低污染农田，通过植物转化（phytotransformation）、植物挥发（phytovolatilization）、植物提取（phytoextraction）及植物稳定（phystabilization）脱砷。修复植物成熟后统一收割集中无害处理，基本实现污染物根除与土壤清洁，且不影响土壤理化性质。部分植物尤“超富集植物”具高耐受与摄取力，如首例砷超富集植物蜈蚣草（Pteris vittata L.）耐土壤砷至1500 mg/kg，田间年移除率可达8%。其机制为：磷酸盐转运蛋白吸As(V)；根分泌物增根际生物有效性；木质部原态运As(V)至地上避根毒；叶砷酸还原酶还As(V)为As(Ⅲ)；液泡膜转运体泵As(Ⅲ)入叶肉细胞液泡隔离解毒。田间120天积累116.20±17.64 mg/kg，4月割地上部可高效修复；二年高砷（750 mg/kg）与中砷（58.4 mg/kg）土分别降70.4%与26.4%。
3. 3.
   Methods for enhancing phytoremediation
   植物修复实际应用受限：超富集植物地上生物量低限总积累；根系浅（常<30 cm）难及底土；砷摄取效率受pH与氧化还原电位等土性变异大；修复时长常超50年难达标。故需综合基因工程、微生物辅助、电动及农艺管理以强植株、增生物有效性及加速修复。
   3.1. Genetic engineering
   基因编辑与转基因精准改植物基因或引入外源，如外源砷还原菌（EARB，Bacillus sp. PVR-YHB）联合玉米，高通量测序与代谢组学示内生根际菌群与代谢组调控，促过氧化物酶、根活及鲜重，根砷积增16.67%-29.91%、地上增7.14%-17.65%。莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）As(Ⅲ) S-腺苷甲硫氨酸甲基转移酶基因（CrarsM）插入三叶草根瘤菌（Rhizobium leguminosarum bv. Trifolii R3），重组菌甲基化As(Ⅲ)，共生红三叶草除砷增强。
   3.2. Electrokinetic remediation
   电动修复系原位技术，直流电压成电场改离子分布，联合植物修复控电场方向强度移重金属离子向根际增接触吸收。电极取向控砷分布显效，但土壤含水率为电流下脱砷关键，调含水率变阴阳离子迁速。
   3.3. Microbial technology
   土壤根际微生物复杂，γ-变形菌与δ-变形菌及部分真菌藻类固砷转化强。根际接种如肠杆菌属（Enterobacter）sp. E1还原As(V)增生物有效性促蜈蚣草积砷与耐性；nbri05菌株耐As(V) 50000 mg/L、As(Ⅲ) 1500 mg/L，施鹰嘴豆（Cicer arietinum）根际增生物质产量与砷耐受。
4. 4.
   Agronomic measures for enhancing phytoremediation
   上述辅助中电动联用能耗高毁结构限用；微生物接种植群稳建难应土候变；基因工程等成本高。农艺管理指合理施肥、耕法调整及田间强化以增修复植物砷吸收转运或降作物污染风险，与植物修复兼容协同，工程能耗低且次生污染风险小，实可持续修复。
   4.1. Water management
   砷入土后形态受含水率影响，淹水降氧化还原电位（Eh）促As(V)转As(Ⅲ)提效毒。适湿促根发育与砷吸收。植硅体为植物固砷主位，增含水率升蜈蚣草（Pteris multifida）植硅体含量促脱砷。水分管增微生物多样与群落稳、变砷形态提效。优化管降作物砷污增产，如干湿交替水稻铜镉砷危害商（HQ）与目标致癌风险（TR）低；硅砷竞争，适管增土硅效降砷生有效8.7-26.1%；冲积土比风化土水稻砷镉富集受水变更显。
   4.2. Irrigation
   灌溉致非饱和带强地球化学与水文波动，砷与铁矿物吸附-解吸共沉淀氧化还原耦合。间歇灌溉促铁氧化物还原溶出与砷活化增植物摄取；亦致水稻根铁膜富砷抑转运籽粒砷降58.9%。滴灌系原位淋洗，三维扩散使砷由滴点近区向远区定向迁成低高区，可利用分选位点植修复增率；漫灌加重全域污。连淹缺氧抑根呼吸降修复效，精灌联用潜力大；土壤系统可自然修复灌引外源砷，衡砷富与再释防污关键。
   4.3. Intercropping
   植物修复经济环保但周期长碍农产，间作低累积作物与超富集植物可同域生（条带或行间），即修复植与经济作物间作同获农产品与修复。蜈蚣草与豆类间作籽粒砷<0.5 mg kg^?1国标。根分泌改微生物多样与砷形态，蜈蚣草玉间作土砷由铁结合转钙铝结合，变形菌增，蜈蚣草砷含量与玉米产均增。错列间作比协调间作20 cm土层无定形铁砷低，蜈蚣草积砷与生质高，移除率2.4倍增。滴灌间作联用重分砷减作物累增修复植累，有机质增效。
   4.4. Fertilizer management
   肥料促植物生长改土肥力并调砷行为。碳磷富碱肥增砷迁移与生有效强提取；污水污泥堆肥有机碳高，矿区蜈蚣草修复砷铅移除率分别增26.9%与186.5%；畜粪增有机碳与阴离子竞砷酸根亚砷酸根阴离子增植吸，堆肥粪肥使弃矿土生有效砷增332%与315%。生物炭（BC）高温缺氧热解具官能团高阳离子交换量碱度，增溶砷促蜈蚣草提砷。硫肥降pH增粒吸砷及根铁锰膜固砷减毒；钙镁磷肥降生有效。
   4.5. Chemicals
   土壤改良剂如表面活性剂、有机酸、磷酸盐、螯合剂调激素与砷归趋。螯合剂间接增生有效：不强络砷氧阴离子，而络铁铝等阳离子破含砷矿物晶格或共沉淀释砷。EDTA-2Na常用变砷形态与淋洗促吸。磷砷同主族PO₄^3-与AsO₄^3-晶型似，磷酸盐试剂竞吸附，NH₄H₂PO₄增Olsen砷促残晶铁铝氧化结合砷转为非特与特吸砷，增蜈蚣草生物质与积砷。小分子酸乙二胺二琥珀酸、柠檬酸、草酸促生长吸砷与微生多样。叶喷脱落酸（ABA）适浓增光合抗氧化与积砷，高浓抑生长降积。
5. 5.
   Conclusion and future perspective
   砷污染全局威胁，水分管理、滴灌、间作、肥化药施等农艺管不仅能增强修复减环境影响，且顾农业经济。近年农艺辅植修复进展显，水分灌法调Eh增生有效，间作肥施加降作物风险增修复植积。存异域污染差异大普适待验、协同机理解不明。未来应强区域适应定案、操简降本组合推用、深研协同机制创新技。

CRediT authorship contribution statement

Feng Tian：方法论、写审编、初稿、形式分析。Kaifei Liu：调研、初稿。Yuhong Su：方法论、概念化。Ning Li：写审编、初稿、方法论、概念化。

Data availability

数据将应要求提供。

作者单位

新疆大学化工学院，乌鲁木齐 830046，中国。