關于影響土壤環境的新型環境材料的應用研究

李 濤

((河南大學 環境與規劃學院，河南 開封 475000）

1 新型環境材料的概念

新型環境材料也稱新型環保材料，90年代被一位世界知名學者山本良一教授首次提出［1］，隨后世界各地的學者不斷的對其進行各種討論研究并逐步取得完善。環境友好材料是指一些具有較低環境負荷和較高再生率的新型材料。新型環境材料能夠改善環境，對資源和能耗消耗少，對生態和環境污染小，有利于人類健康。這些新型材料的運用、制取、用后處理以及循環再利用的整個過程，都對環境發展起著協同的作用，有助于實現材料的可持續發展。

新型環境材料具有3個主要特征：一是先進性，即主要的功能性；二是環境協調性，這是當代新材料的一個基本性能要求；三是舒適性，亦稱經濟性，材料在使用中既要舒適美觀，又要良好的經濟實用性［2］。新型環境材料目前已廣泛應用于環保、工業和農業生產等領域。

2 目前我國土壤污染態勢

眾所周知，我國土壤污染具有以下幾個特點：潛伏性、長期性、不可逆性以及污染后果的嚴重性。一旦土壤環境污染爆發，人類可能就會成為這場災難性直接受害者。鑒于這種假設，一些學者形象地將土壤污染稱之為“化學定時炸彈”［3］。我國的耕地面積只占世界7%，但是卻養活著占世界近25%的人口，因此我們不僅要確保土壤生態環境的質量，還要保障土壤資源的可持續利用。我國自90年代以來，經濟建設發展迅速，再加上不斷的使用一些新的農用化學物質，最終造成土壤污染物的種類和數量發生了明顯的變化。換而言之，最近這20年是我國土壤污染比較嚴重的時期。

2.1 耕地環境日趨嚴峻，農產品安全無法保障

相關資料顯示，我國耕地污染較為嚴重，不少于1 000萬hm2耕地受到程度各異的污染。我國整體利用污水灌溉的農田總面積僅為361.8萬hm2，僅占國內總灌溉面積的7.3%，在全國地面水總灌溉面積的比例為9.96%；因大氣污染的農田面積約530萬hm2；因固體廢物堆放占用農田及垃圾、污泥處置不當污染的農田面積90萬hm2。這些數據都表明，我國糧食每年因為農田污染而造成的損失多達120億kg。

全國多數城市近郊土壤都因此受到了不同程度的污染，尤其是多地糧食、蔬菜、水果等食物中鎘、鉻、砷、鉛等重金屬含量嚴重超標和趨近臨界值。而且，農業環境污染也會造成土壤污染。通過對23個省(區市）的不完全統計，其中發生的農業環境污染事故多達891起，農田污染多達4萬hm2，最終造成的直接經濟損失多達2.2億元。

2.2 稀有金屬礦區土壤污染嚴重，破壞生態，危及飲用水源安全和人體健康

隨著農業技術的不斷發展，有越來越多的稀土元素(rare earth element，簡稱RE）深入土壤環境，且進一步參與到生物鏈和食物鏈中。由于土壤中新的放射性污染物含量不斷遞增，將衍變成為新的土壤環境安全問題［4］。多數媒體已有報道，并且環境毒理學研究結果也顯示，這些稀土元素容易蓄積在人體腦部，影響人的智力發育，特別是對免疫功能不完善的兒童影響較大。因此由于這些潛在的稀土元素所造成的土壤環境污染問題必然引起國家的高度重視。

2.3 土壤污染易引發其他環境問題

當土壤環境受到污染后，因風力和水力等自然因素的作用，容易使得高濃度的污染表土進入到大氣和水體中，引發大氣污染、地下水及地表水污染，造成生態系統退化，引發其他次生生態環境問題。不斷發生的事實說明，如果沒有清潔的土壤環境，也就不會有人們可以放心使用的糧食、空氣和水。

3 新型環境材料在受重金屬污染的土壤環境修復中的應用

最近幾年，我國環境污染和生態破壞態勢日趨嚴峻，對人類的健康和生存造成嚴重影響，尤其是一些重金屬元素對土壤造成的污染和破壞。造成土壤重金屬污染的主要來源還是因為一些人類活動，譬如農業種植、礦產開采、金屬冶煉等，其中尤以化學生產和金屬冶煉兩個過程釋放的重金屬為最?，F在我國因受Pb、As、Cd、Cu和Cr所造成的土壤環境污染也比較嚴重。土壤因 Pb、Cd、As所造成的污染不僅對農作物的品質和產量產生影響［5］，而且還會通過食物鏈進一步影響到人類的健康。多項研究數據表明，因受到了鉛的污染而對不同環境功能區造成影響的實例在全國比比皆是，特別是一些功能區已遭到了嚴重危害。故此，修復因重金屬As、Pb、Cd和Cr等所造成的土壤環境污染已成為目前我國土壤環境科學及其他相關學科研究的熱點問題。

近年來，我國對造成土壤環境污染的一些重金屬的吸附和解吸進行過一些研究，可是將新型環境材料、培養液的pH值和吸附解吸過程聯系起來的系統分析很少有比較客觀的數據說明。通過采用模擬方法進行實驗，向土壤中加入As、Cd、Pb等重金屬配制受污染的土壤，根據不同的培養條件下加入新型環境材料蛇紋石和沸石后進行重金屬吸附解吸模擬實驗，并對新型環境材料進行吸附前后的掃描電鏡分析，這些不但有助于選擇土壤重金屬固化的材料，而且還可以為這些新型環境材料的應用提供科學依據。

在此主要介紹兩種新型環境材料SS(蛇紋石）和FS(材料沸石）對土壤重金屬Cd、Pb、As的吸附解吸［6-7］。由于本篇為綜述性文章，所以具體實驗過程在此沒有詳細描述。通過實驗可以得到以下幾個結論：

①堿性條件下的新型環境材料FS(沸石）在受Cd污染的土壤環境中有利于土壤吸附Cd，證明堿性土壤中的FS有助于土壤對Cd的固化。

②酸性條件下的新型環境材料SS(蛇紋石）在土壤對Pb的吸附效果上產生積極的作用，在堿性條件下該效果并不明顯。證明酸性土壤中的SS有助于土壤對重金屬Pb的固話。

③新型環境材料SS在受As污染的土壤環境中可以增加土壤對As的吸附量，但與土壤的酸堿度無直接關系。

4 新型環境材料在植物修復技術方面的應用

鑒于當前土壤環境污染往往是由有機—無機多種環境污染物所形成的復合土污染，再加上目前在植物修復中發現的超集累植物大多存在生物量小、生長速度緩慢以及一種植物一般只能吸收一種或兩種重金屬等原因［8］，使得植物修復技術在重金屬污染土壤中的實際應用受到了很大的限制。因此借助其他技術的聯合植物修復技術與一些生物量大、生長速度快的普通植物便成了有效可行的替代途徑，譬如一些金屬螯合劑誘導的植物—化學聯合修復技術被證實在植物—化學聯合修復中發揮顯著作用［9-10］。為了能夠提高污染土壤的修復效率，縮短修復年限，通常運用螯合劑誘導植物修復技術。我國到目前為止研究較多的螯合劑EDTA在提高植物對重金屬污染土壤的修復上面有著顯著的作用，但是在其作用的過程中會帶來一些因生物不可降解性而產生的次生環境問題。

通過不斷的進行研究和探索，目前發現三種新型環境材料——螯合劑ISA(Iminodisuccinic acid）、AES(aspartic acid diethoxysuccinate）和PESA［11］，和EDTA一樣同為冬氨酸的衍生物，與金屬離子具有很好的親和力，具備很好的生物可降解性。通過多次研究和不斷地進行各種試驗，獲知新型螯合劑與EDTA、EDDS對受到重金屬污染的土壤環境的修復潛力。進而可以使得螯合劑誘導的植物修復技術在受到污染的土壤環境修復過程中起到一定的促進作用。

通過多次進行不同種類及水平的螯合劑對污染土壤修復效率的研究試驗，相同溶液培養條件下不同螯合劑對植物吸收重金屬的影響試驗，螯合劑對土壤中重金屬的吸附解吸行為影響試驗，可以得到一些結論：

①螯合劑因種類和水平的不同造成修復污染土壤的效率不同

新型螯合劑中，ISA處理的植株根及地上部Cu含量、土壤中水提取態Cu含量顯著低于EDDS。通過EDTA處理的植株根部及地上部Pb含量顯著高于其他螯合劑處理。而PESA對植物影響并不明顯。AES處理的植株根部Zn含量及土壤水提取態Zn含量顯著高于其他螯合劑作用，而且在根部的表現作用比地上部顯著。AES處理后植物地上部Cd含量及積累量顯著高于其他螯合劑作用，通過EDTA、EDDS處理的植株根部中Cd含量明顯高于其他螯合劑處理。

②相同條件下的不同螯合劑對植物吸收重金屬的影響相同的溶液培養條件下，植株根中重金屬含量整體水平呈現明顯的下降走勢。有助于ISA對Cd，AES對Zn的吸收。說明螯合劑對植株地上部位重金屬含量的影響在植株地上沒有根部明顯。

③螯合劑影響土壤對重金屬的吸附解析。通過實驗數據我們可了解到：在新型生物可降解螯合劑中，新型螯合劑AES對受到污染的土壤環境中的Zn解吸的促進作用明顯高于其他螯合劑的作用。新型螯合劑ISA對污染土壤中Cu解吸的促進作用顯著高于除 EDDS外的其他螯合劑的作用。新型螯合劑PESA在對污染土壤中Cu、Pb、Zn、Cd的解吸量方面無明顯的促進作用。

5 展望

新型環境材料的研究在國內外進展較快，需要不斷進行廣泛和深入的研究。在研究的同時需要不斷的貫徹循環經濟和可持續發展的思想，進行新型環境材料的研發工作。國家應根據當前土壤環境的現狀制定相關標準，不斷進行深化和規范，旨在取得最大化的環境收益。

當今社會越來越多的人都認識到環境保護的意義所在，新型環境材料的功能和應用可以通過越來越多的個例生動的展示在大眾的認知范圍內。我國目前經濟發展迅速，正處于經濟和社會的高速發展階段，資源與能源的消耗日益緊張、土壤環境惡化的現狀日益加劇，新型環境材料的廣泛應用便成為材料及其產業在資源和環境問題雙重制約下，實現我國循環經濟和社會可持續發展的必然選擇。

［1］山本良一，環境材料［M］.北京：中國化工出版社，1996.

［2］黃占斌，孫在金.環境材料在農業生產及其環境治理中的應用［J］.中國生態農業學報，2013，21(1)：88-95.

［3］林玉鎖，李波，張孝飛.我國土壤環境安全面臨的突出問題［J］.環境保護，2004，(10)：39-42.

［4］駱永明.中國土壤環境污染態勢及預防、控制和修復策略［J］.環境污染與防治，2009，31(12)：27-31.

［5］彭麗成，黃占斌，石宇，等.環境材料對Pb、Cd污染土壤玉米生長及土壤改良效果的影響［J］.中國生態農業學報，2011，19(6)：1386-1392.

［6］章智明，黃占斌，單瑞娟，等.環境材料對污染土壤中Pb、Cd和As吸附解吸研究［J］.環境工程，2013，31(3)：122-126.

［7］劉云，董元華，杭小帥，等.環境礦物材料在土壤環境修復中的應用研究進展［J］.土壤學報，2011，48(3)：629-638.

［8］王慶仁，崔巖山，董藝婷.植物修復—重金屬污染土壤整治有效途徑［J］.生態學報，2001，21(2)：326-331.

［9］彭自然，王毓芳，徐伯興.螯合誘導植物修復被重金屬污染土壤［J］.上海化工，2001，17.

［10］王紅旗，陸泗進，陳延君.污染土壤植物修復中螯合誘導和轉基因技術的應用現狀與前景［J］.地學前緣，2005，12，特刊.

［11］席梅竹.可降解螯合劑誘導的植物修復重金屬污染土壤的潛力［D］.北京：中國地質大學，2008.