土壤动物修复技术作用的机理及展望.doc

土壤动物修复技术作用的机理及展望土壤动物是土壤生态系统中的主要生物类群之一，占据着不同的生态位，对土壤生态系统的形成和稳定起着重要的作用。这些动物主要有土壤原生动物和土壤后生动物群落组成。一般平均每克土中含有原生动物的数量可达1万4万个以上；而土壤后生动物群落主要有线虫、千足虫、蜈蚣、轮虫、蚯蚓、白蚁、老鼠等。据从数量上估计，每平方米土壤中，无脊椎，如蚯蚓、蜈蚣及各种土壤昆虫有几十到几百个，小的无脊椎动物可达几万至几十万个。它们对土壤肥力保持和生产力的提高具有很重要的作用，土壤生物区系、土壤生物多样性和全球变化对土壤生物的影响已成为土壤生态学研究的前沿领域。土壤动物多样性及其保护研究、土壤动物在生态系统中的作用研究、土壤动物的指示作用研究、利用土壤动物筛选最佳土地利用方式研究、土壤动物与农业害虫关系研究以及自然保护区土壤动物研究等成为研究热点；同时国内外微生物修复技术和植物修复技术的研究也成为研究热点，但对土壤动物修复方面的研究却较少。虽然牛明芬、高岩、俞协治、郭永灿等已经用蚯蚓等动物来修复污染土壤。但一直以来，还没有人对动物修复的具体机理和应用作系统地研究。而本文则在于综述动物修复的原理和应用。l土壤动物修复的理论基础和保障11土壤动物的生态功能土壤动物在土壤生态系统中占有重要的生态位，维持着土壤生态结构的稳定，在土壤物质循环和能量流动起着直接或间接的作用。蚯蚓、鼠等动物以动植物残体为食，不断地破碎和分解有机物。一方面给微生物提供了更多的营养，同时微生物随着土壤动物在土壤中的运动而不断带到新的环境中大量繁殖；另一方面，动物对有机物等的破碎作用增加了微生物的接触面积。特别是密集性的农业生产以来，大量的秸秆、粪便归还到土壤中，土壤动物的作用使得这些物质分解速度加快，分解后能被植物迅速利用，不然积累过多，必然导致废弃物积累过多!为此，山东农业大学的刘玉升博士提出构建腐屑生态系统，通过加大腐食动物发展，促进腐食动物破碎、分解和消化动植物残体，促进各种物质快速循环，维持生态平衡。12土壤动物在土壤的形成、发育和肥力维持方面有着举足轻重的作用土壤动物特别是无脊椎动物对动植物残体粉碎和分解作用，促进了物质的淋溶、下渗，还增加了土壤中细菌和真菌活动的接触面积，加速了养分的流动；土壤动物通过直接采食细菌或真菌或通过有机物质的粉碎、微生物繁殖体的传播和有效营养物质的改变等间接方式来影响微生物群落的生物量和活动。由于微生物特别是细菌的活动性差，因而只能靠水及其他的运动而移动。蚯蚓等无脊椎动物通过产生蚓粪使微生物和底物充分混合，蚯蚓分泌的黏液和对土壤的松动作用，改善了微生物生存的物理化学环境，大大增加了微生物的活性及其对有机物的降解速度。土壤动物的上下翻动作用，一方面机械混合了土壤的物质组成；另一方面改变了微地形，从而使土壤中的水、气、热量状况和物质的转化都受到很大影响。许多动物通过与土壤之间的物质、能量交换，参与了土壤中物质和能量的转化过程。许多动物的挖掘作用，在土层内造成了大小不同的洞穴对土壤的透水性、通气性和松紧度均有很大影响。土壤动物的上下移动发生混合，可降低土壤容重，增加土壤表层的结构性和土壤表面的通透性，从而影响水分传输。土居性动物如蚯蚓在土壤中向上挖掘与空气相通、向下可达自由水的通道，增加土壤的渗透性。土壤动物的消化、排泄使土壤中一些复杂的有机质转变成简单有效的营养物质，加速了物质的生物循环，提高了物质的有效性，而且也改善了土壤结构，增加了土壤的保肥与供肥能力。13土壤动物人工养殖技术近几年来，经济动物、特种经济动物、经济昆虫产业迅速发展，大量科研人员深入研究土壤动物的生物学、生态学习性和人工养殖技术，为动物修复技术提供大量的养殖经验和大量的土壤动物材料，使大面积进行土壤动物修复成为可能。如我国的蚯蚓养殖从上个世纪70年代就开始了，近几年又有了新的高潮；蜘蛛、地鳖、蛴螬等的养殖技术也已经趋于成熟。2土壤动物修复技术的机理21土壤动物修复的概念目前，土壤动物还没有统一的准确定义。狭义土壤动物是指生活史全部时间都在土壤中生活的动物；广义土壤动物指凡是生活史中的一个时期(或季节中某一时期)接触土壤表面或者在土壤中生活的动物均称为土壤动物。狭义定义与实际应用不相符，所以土壤动物修复技术适宜采用的是土壤动物广泛的定义。许多学者在论述生物修复技术时都涉及到动物修复技术，但没有提出一个准确的概念。由土壤动物的广义定义可以看出，动物修复技术起主要的是土壤动物，因此刘军认为土壤动物修复技术是利用土壤动物及其肠道微生物在人工控制或自然条件下，在污染土壤中生长、繁殖、穿插等活动过程中对污染物进行破碎、分解、消化和富集的作用，从而使污染物降低或消除的一种生物修复技术。土壤动物在土壤中的活动、生长、繁殖等都会直接或间接地影响到土壤的物质组成和分布。特别是土壤动物对土壤中的有机物污染物机械破碎、分解作用。它们还分泌许多酶等，并通过肠道排除体外。与此同时，大量的肠道微生物也转移到土壤中来，它们与土著微生物一起分解污染物或转化其形态，使得污染物浓度降低或消失。22土壤动物对不同污染物处理的机理221土壤动物对一般有机污染物的处理机理随着城市的发展和人们生活水平的提高，生活垃圾越来越多；密集型农业的进一步发展，特别是畜牧业的发展，产生了大量的粪便，这些排到环境中去，严重污染土壤环境和大气环境。有关资料显示生活垃圾以每年9的速度递增，到2005年，全国城市生活垃圾将上升到年产24510 t，堆存量也将上升到10010t。而畜禽粪便的数量更是巨大，单就北京市的猪羊的粪便年产量就达到50010 t。据统计，全国每年产生的粪便量约为17310 t。如果这些畜禽粪便和生活垃圾随意堆放，不做适当处理，势必对周围环境的水体、土壤、空气和作物造成污染，成为公害，成为畜禽传染病、寄生虫病和人畜共患疾病的传染源。而这些?亏染物正是许多土壤动物的食物。土壤动物有许多腐生动物，它们专门以有机物为食，处理能力也是相当惊人的。在人工控制条件下，土壤动物的处理能力和效率更加强大。中国农业大学开发出了大型的蚯蚓生物反应器，日处理有机废弃物6 t。全国已有500多家公司利用蚯蚓处理畜禽粪便，也有许多农场养殖蝇蛆、蛴螬等来处理粪便，大大地降低了粪便污染量。而中国农业大学的孙振钧教授等研究的蚯蚓生物反应器每台每年可处理生活垃圾等废弃物几千吨，同时可以产生1800 t蚓粪有机肥料。土壤动物主要是通过对生活垃圾及粪便污染物进行破碎、消化和吸收转化，把污染物转化为颗粒均匀，结构良好的粪肥。而且这种粪肥中还有大量有益微生物和其他活性物质，其中原粪便中的有害微生物大部分被土壤动物吞噬或杀灭。其次，土壤动物肠道微生物转移到土壤后，填补了土著微生物的不足加速了微生物处理剩余有机污染物的处理能力。222土壤动物对农药、矿物油类的富集农药中含有有机氯、有机磷等具有很强的毒性，对高等动物的神经系统、大脑、心脏、脂肪组织造成损伤；而矿物油类抑制土壤呼吸，使得土壤肥力降低。从生态学角度上看，土壤动物处在陆地生态链的底部，对农药、矿物油类等具有富集和转化作用。谢文明在土壤中添加有机氯培养蚯蚓，发现蚯蚓对所加的有机氯农药的生物富集因子为1438，对六六六和DDE的富集作用明显。王一华、王振中、张薇等分别对甲螨、线虫等土壤动物生物指示作用进行了研究，发现这些土壤动物对农药的富集作用比较明显，可以用作农药污染土壤的动物修复。223土壤动物对重金属的形态的转化和富集作用目前，全世界平均每年排放Hg约15lo t，Cu340万t，Ph500万t，Mnl500万t，Nil00万t47。重金属土壤由于自身的特殊性就成了这些重金属污染物的归宿地。于是土壤重金属污染日益严重：土壤肥力退化、农作物产量降低和品质下降，严重影响环境质量和经济的可持续发展。植物修复已经很难满足这一要求了。每次用植物富集重金属就是对土壤肥力的一次消耗，只收获植物，而不给土壤补充养分。而如果利用动物来富集重金属或转化其形态，不但不会降低土壤肥力，而且还可以提高土壤肥力。邓继福等对污染区土壤中蚯蚓和蜘蛛体内的重金属含量进行了分析，发现蚯蚓对重金属元素有很强的富集能力，其体内cd、Pb、As、zn与土壤中相应元素含量呈明显的正相关，对蜘蛛体内重金属含量的分析结果也表现出同样的趋势。朱永恒在土地污染的一个评价指标中得到，蚯蚓富集量随着污染浓度的增加而上升，蚯蚓体内的cd、Pb和As元素的含量和土壤中这两项元素的含量具有良好的相关性，相关系数分别为099、083 087。马正学等ksoj发现了腐生波豆虫(Bo doputrinus)和梅氏扁豆虫(Phacodiniummetchnicoffi)这两种虫富集铅含量很高，被认为是铅锌类污染土壤的指示种。韩清鹏等研究发现加锌量在0400 mg/kg范围内，蚯蚓对土壤氮素矿化、硝化和反硝化活性的促进作用不受加锌量的影响。蚯蚓不但富集了重金属，还可以改良土壤，保持土壤的肥力。土壤动物不仅直接富集重金属，还和微生物、植物协同富集重金属，改变重金属的形态，使重金属钝化而失去毒性。特别是蚯蚓等动物的活动促进了微生物的转移，使得微生物在土壤修复的作用更加明显；同时土壤动物把土壤有机物分解转化为有机酸等，使重金属钝化而失去毒性。成杰民对蚯蚓、菌根相互作用对土壤、植物系统中迁移转化的影响时得到：蚯蚓活动不仅增加了黑麦草根部的积累，菌根则能促进从黑麦草根部向地上部转移黑麦草吸收含量与土壤和蚓粪中提取态含量之间呈显著正相关，蚓粪中cd含量显著高于土壤中的含量。因此，蚓粪中有效态是植物吸收的重要供源。3土壤动物修复技术的展望31土壤动物直接用于修复土壤动物大规模地养殖技术的进一步成熟，为土壤动物修复提供了基础。同时土壤动物修复技术的应用也促进了土壤动物养殖技术地发展。这不仅会开发出一个新的产业，同时生物修复技术改变了人们环境生态保护意识，增强了人们对环境土壤动物的保护。农牧业产生的大量废弃物正是土壤动物最好的食物。通过土壤动物的大规模养殖，这些废弃物将是很好的原料，粪便小出畜禽养殖场的门就能快速地处理完，秸秆也能快速地被处理，而不用担心秸秆焚烧污染大气和浪费大量有机质，同时通过发展土壤动物养殖，还可以产生大量的有机肥料。土壤动物的蛋白质含量都在5565，都是上好的蛋白饲料。对于还有沼渣、纸浆废渣及其他工业及生活有机垃圾等污染的土壤都可以用土壤动物单独地进行修复。有的时候还需要结合工程技术进行土壤污染治理。当污染物中含有大量重金属及农药残留，用于土壤修复的动物则需要进行特别地处理。往往土壤中含的重金属或农药超出土壤动物的半致死浓度时，可以通过工程措施、农艺措施等降低其浓度后进行动物修复。32土壤动物修复技术与微生物、植物修复技术等相结合土壤动物修复技术如果能和微生物修复技术、植物修复技术、工程技术相结合，将更能发挥其功能，提高修复能力。成杰民等研究了蚯蚓一菌根相互作用对土壤、植物系统中迁移转化作用时发现，蚯蚓活动增加了黑麦草根部的积累，菌根能促进从黑麦草根部向地上部转移，二者具有促进向地上部分转移的协同作用。蚓粪和土壤中提取态Cd含量与黑麦草吸收量呈显著相关，而蚓粪中提取态cd含量均显著高于土壤中的含量。这就明显地可以看出蚯蚓、菌根、黑麦草三者相互作用对重金属的富集作用增强了。在很多时候，植物的存在给土壤环境起到了调节作用，如涵养水源，调节土壤水分；分泌有机酸等物质，调节土壤pH值，提供土壤的缓冲性能，从而提高了土壤动物在土壤中的生存能力，加强了土壤动物处理能力和富集能力。土壤动物、植物、微生物三者结合进行污染土壤地修复，才能真正的