我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)及安全利用綜述

楊辰

摘要 在我國(guó)加強(qiáng)重視生態(tài)農(nóng)業(yè)的宏觀背景下，闡述了我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染的現(xiàn)狀，以及對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)和對(duì)人體健康的影響，分析了農(nóng)田土壤重金屬污染形成的原因，介紹了當(dāng)前我國(guó)重金屬污染農(nóng)田土壤物理、化學(xué)、生物修復(fù)技術(shù)和重金屬低富集品種篩選應(yīng)用、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)藝措施調(diào)控等重金屬污染農(nóng)田土壤安全生產(chǎn)技術(shù)的研究進(jìn)展。為我國(guó)修復(fù)重金屬污染農(nóng)田土壤，實(shí)現(xiàn)重金屬污染土壤安全農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了理論和現(xiàn)實(shí)技術(shù)參考。最后，在我國(guó)重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)及安全利用技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)今后的研究思路和方法提出了建議。

關(guān)鍵詞 農(nóng)田土壤；重金屬污染；土壤修復(fù)；安全生產(chǎn)；中國(guó)

中圖分類號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）03-0164-04

Abstract The paper described the situation of farmland soil heavy metal pollution in China under the macro-background of paying great attention to ecological agriculture and the effects of farmland soil heavy metal pollution on the growth，yield and quality of the crops and people′s health，as well as the causes of the pollution. The research development for the soil remediation and the safety production was also presented，including physical treatment，chemical remediation，bioremediation，selection and breeding of cultivars that accumulate lower levels of heavy metals，adjustment of cropping industrial structure and agronomic regulation，etc. The results provided a theoretical basis and a real reference for the soil remediation and the safety production. Lastly，some suggestion was brought forward for research guideline and methods of farmland soil heavy metal pollution abatement in future according to present condition.

Key words farmland soil；heavy metal pollution；soil remediation；safety production；China

我國(guó)是目前世界上人口最多的國(guó)家，同時(shí)也是耕地資源極為緊張的國(guó)家之一[1]。現(xiàn)有耕地的環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)利用在當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)工作中具有極其重要的意義。2016年中央一號(hào)文件強(qiáng)調(diào)“必須確立發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)就是保護(hù)生態(tài)的觀念，加快農(nóng)業(yè)環(huán)境突出問(wèn)題的治理”[2]，為我國(guó)今后生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展指明了道路。隨著近幾十年來(lái)我國(guó)工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量的重金屬物質(zhì)被排放入環(huán)境，并在農(nóng)田土壤中積累，從而導(dǎo)致農(nóng)田土壤重金屬污染問(wèn)題。據(jù)相關(guān)報(bào)道，我國(guó)每年因重金屬污染造成糧食減產(chǎn)達(dá)1 000萬(wàn)t，被重金屬污染的糧食達(dá)1 200萬(wàn)t，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)人民幣200億元[3]。因此，修復(fù)受到重金屬污染的土壤或?qū)ζ溥M(jìn)行安全利用是我國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)工作中的重要組成部分。

1 我國(guó)農(nóng)田重金屬污染概述

1.1 我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀

我國(guó)受到重金屬污染的耕地面積達(dá)2 000萬(wàn)hm2之多，約占我國(guó)耕地總面積的1/5[4]。農(nóng)田土壤重金屬污染較為突出的區(qū)域主要存在于采礦區(qū)、冶煉區(qū)周邊和大中城市群郊區(qū)，部分地區(qū)的污染程度嚴(yán)重，超過(guò)國(guó)家Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[5]。從造成我國(guó)農(nóng)田土壤污染的重金屬種類上來(lái)看，Cd、As、Hg、Pb、Cu及其復(fù)合污染尤為明顯，其中又以Cd超標(biāo)最為突出，有13萬(wàn)hm2耕地因?yàn)镃d超標(biāo)而被迫棄耕[6]。

1.2 農(nóng)田重金屬污染對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與人體健康的影響

1.2.1 對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響。研究表明，絕大多數(shù)情況下重金屬污染土壤會(huì)對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量產(chǎn)生顯著負(fù)面影響[7]。如土壤中Cd含量較高時(shí)，油菜的光合作用受到抑制，地上部生長(zhǎng)發(fā)育明顯受阻，株高、葉片數(shù)、葉面積和產(chǎn)量均出現(xiàn)明顯下降[8]；花生和產(chǎn)量有關(guān)的根瘤生長(zhǎng)受到顯著抑制[9]；水稻地上部干重和產(chǎn)量顯著下降[10]。土壤中Pb含量較高時(shí)，玉米植株的生長(zhǎng)發(fā)育受到顯著的阻礙，產(chǎn)量有所降低[11]；黃瓜根系畸形生長(zhǎng)，地上部分生長(zhǎng)發(fā)育受到影響并導(dǎo)致減產(chǎn)[12]。Cr含量較高時(shí)，Cr6+對(duì)于玉米種子的萌發(fā)和早期生長(zhǎng)具有明顯的抑制作用[13]，并使得植株細(xì)胞膜受損，結(jié)構(gòu)和功能受到破壞而導(dǎo)致減產(chǎn)[14]。Cu含量較高時(shí)，水稻分蘗受阻，每穗穎花數(shù)減少，產(chǎn)量顯著下降[15]。

1.2.2 對(duì)作物品質(zhì)的影響。在影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的同時(shí)，重金屬污染也會(huì)影響作物的品質(zhì)。從總體上來(lái)看，Cd、Pb、Cr、Cu等重金屬污染會(huì)導(dǎo)致作物品質(zhì)下降[7]。如Cd會(huì)導(dǎo)致小白菜葉綠素、還原糖和VC含量下降，粗蛋白和粗纖維含量上升，口感變差[16]。Cr6+的濃度超過(guò)10 mg/L時(shí)可以顯著降低玉米的活力指數(shù)，使玉米的品質(zhì)趨劣[12]。

1.2.3 對(duì)人體健康的影響。農(nóng)田土壤中的重金屬可以通過(guò)食物鏈進(jìn)行傳遞和富集，最終到達(dá)人體，導(dǎo)致多種病癥的發(fā)生[17]。如Cd進(jìn)入人體后，由于生理性質(zhì)和Ca近似，會(huì)破壞人體的骨骼系統(tǒng)，使人患上“骨痛病”，還會(huì)導(dǎo)致高血壓，引起心腦血管等全身疾病[3]；Pb進(jìn)入人體后可導(dǎo)致貧血、肝炎、腎炎、高血壓、神經(jīng)錯(cuò)亂等病癥的發(fā)生[18]；As慢性中毒會(huì)導(dǎo)致結(jié)膜炎、黑變病和角化過(guò)度的發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致肢體壞疽[19]。除此之外，一些重金屬元素在人體內(nèi)的慢性積累還具有致癌性，如Cd、Cr、As等[20]。

1.3 我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染形成的原因

1.3.1 自然原因。導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染的自然原因：一是含重金屬基巖的風(fēng)化[21]；二是地質(zhì)作用如火山、地震、侵蝕等因素。

1.3.2 人為原因。除了極少數(shù)由自然原因引發(fā)的農(nóng)田土壤重金屬污染之外，目前我國(guó)絕大多數(shù)農(nóng)田土壤重金屬污染主要由下列人為原因所導(dǎo)致。一是污灌和污泥的直接利用。研究表明，土壤中重金屬元素污染和長(zhǎng)期污灌以及污泥的直接利用密切相關(guān)[22]。二是施用化肥。化肥中的重金屬元素主要來(lái)源于作為原料的磷礦石和化肥的加工過(guò)程[23]。當(dāng)化肥特別是磷肥持續(xù)過(guò)量施用，或者施用未經(jīng)重金屬含量檢測(cè)的化肥就可能導(dǎo)致重金屬在農(nóng)田土壤中累積[6]。此外，一些重金屬元素如Cu、Zn、Mo等本身就是微量元素肥料的有效成分[3]，當(dāng)含有重金屬的微量元素肥料或者復(fù)合肥施用方法不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田土壤重金屬污染。三是涉重工礦業(yè)的發(fā)展。包括工業(yè)廢渣、廢氣中重金屬的擴(kuò)散、吸附或沉降導(dǎo)致的重金屬累積，特別是熔點(diǎn)低易揮發(fā)的Hg元素的累積，以及采礦和冶煉重金屬過(guò)程中廢渣的排放和含重金屬的廢物堆積等[3]。四是城市垃圾。目前，我國(guó)城市垃圾大部分和工業(yè)廢棄物混雜，城市近郊農(nóng)民又有施用城市垃圾作肥料的習(xí)慣，垃圾中自身含有Cu、Pb、As、Cr、Hg等重金屬元素，并且長(zhǎng)期使用城市垃圾作為肥料還會(huì)減少土壤黏粒對(duì)重金屬離子的吸附，使得農(nóng)田土壤重金屬污染加劇[24]。

2 重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)及安全利用技術(shù)

2.1 重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)基本技術(shù)

在切斷污染源的基礎(chǔ)上對(duì)重金屬污染農(nóng)田土壤進(jìn)行修復(fù)，目前可分為2種思路：一種思路是通過(guò)各種修復(fù)技術(shù)，將重金屬污染物從土壤中移除（活化）；另一種是使重金屬盡可能固定在土壤中，而不是進(jìn)入作物，特別是食用和飼用作物的可利用部分（鈍化）。現(xiàn)有的重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)基本技術(shù)都是基于這2種思路進(jìn)行研發(fā)，可分為物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)和生物技術(shù)3個(gè)大類（表1）。常見(jiàn)的物理技術(shù)包括深耕法、排土法、客土法、電動(dòng)修復(fù)法和熱處理法等[25]；化學(xué)技術(shù)主要有施用改良劑或抑制劑法、化學(xué)淋洗法等；生物技術(shù)主要包括植物修復(fù)技術(shù)、動(dòng)物修復(fù)技術(shù)和微生物修復(fù)技術(shù)[26]。

截止到目前，已經(jīng)有一些運(yùn)用修復(fù)技術(shù)取得顯著成效的實(shí)例，如對(duì)來(lái)自北京市區(qū)和云南省昆明市郊區(qū)土壤的污泥堆肥試驗(yàn)表明，粉煤灰對(duì)污泥中的Cu、Zn、Pb有一定的鈍化效果[27]。在湖南省、廣西省等南方省份的研究證實(shí)，施用硅肥可顯著降低水稻[28]、甘蔗[29]等作物對(duì)Cd、As等重金屬的吸收。我國(guó)油菜產(chǎn)區(qū)通過(guò)篩選得到2種優(yōu)良的Cd超積累油菜品種溪口花籽和川油Ⅱ-10[30]，在利用植物修復(fù)技術(shù)防治Cd污染方面具有很大潛力。從北京市延慶區(qū)某鉛礦廠周邊土壤中篩選得到的1株青霉菌對(duì)人工培養(yǎng)基中有效Pb的去除率超過(guò)95%[31]，為利用微生物修復(fù)技術(shù)防治重金屬污染開(kāi)辟了新途徑。

2.2 重金屬污染農(nóng)田安全利用基本技術(shù)

在運(yùn)用重金屬污染修復(fù)技術(shù)修復(fù)被重金屬污染的土壤時(shí)，也需要結(jié)合對(duì)重金屬污染特別是污染程度較輕的農(nóng)田進(jìn)行安全利用，安全利用的方式包括低富集品種篩選與應(yīng)用、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和農(nóng)藝措施調(diào)控等。

2.2.1 低富集品種篩選與應(yīng)用。基于同一種作物的不同品種對(duì)重金屬的吸收和富集程度的差異，按照國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)允許限量或推薦限量，篩選重金屬低富集品種，減少農(nóng)田土壤重金屬向食物鏈中遷移富集，是輕微、輕度重金屬污染農(nóng)田安全生產(chǎn)的有效途徑。國(guó)內(nèi)針對(duì)常見(jiàn)的作物，開(kāi)展了許多相關(guān)工作。如在河南省全省種植面積較大的20個(gè)小麥品種中篩選出輕微、輕度重金屬污染土壤Pb低積累品種2個(gè)[32]。在四川省種植面積較大的21個(gè)玉米品種中篩選出Hg低積累品種4個(gè)、As低積累品種5個(gè)，其中2個(gè)品種為Hg、As低積累品種[33]。另外，某些作物品種同時(shí)具有可利用部分重金屬低富集和其他部分重金屬高富集2種特性，如玉米的可食部分和其余部分對(duì)Pb的富集[18]。這類作物可同時(shí)對(duì)重金屬污染農(nóng)田土壤進(jìn)行生物修復(fù)以及安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)邊種植邊修復(fù)，可以顯著提升重金屬污染農(nóng)田土壤恢復(fù)的效率。

2.2.2 種植結(jié)構(gòu)調(diào)整。在重金屬低富集品種的篩選與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，用其他作物替代食用或飼用作物，或用重金屬低富集食用或飼用作物種替代較高富集作物種，是重金屬污染農(nóng)田實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的另一途徑。如在Cd污染的土壤上，用Cd低富集作物種類如番茄、西葫蘆、甘藍(lán)等來(lái)替代易積累Cd的作物種類，如白菜、菠菜、大豆、萵筍[34]等。特別是在重金屬中度—重度的農(nóng)田，短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)食用或飼用作物安全生產(chǎn)的難度極大。因此，這類農(nóng)田在應(yīng)用重金屬農(nóng)田土壤修復(fù)技術(shù)進(jìn)行初步修復(fù)后往往需要調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，種植其他作物。在浙江某地進(jìn)行的示范試驗(yàn)結(jié)果表明，中度—重度重金屬污染的農(nóng)田，在適度運(yùn)用化學(xué)技術(shù)進(jìn)行修復(fù)之后，可以進(jìn)行甘蔗等能源植物的生產(chǎn)[35]。

2.2.3 農(nóng)藝措施調(diào)控。具體包括以下3個(gè)方面內(nèi)容：

（1）間作、套作和輪作技術(shù)。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颉⑼寥赖拳h(huán)境條件和農(nóng)作物種植習(xí)慣，選擇適宜植物品種進(jìn)行間作、套作或輪作也能降低農(nóng)田土壤的重金屬含量。間作、套作和輪作的基本思路是將重金屬高富集植物和低富集作物種植在一起或者將重金屬高富集植物先于重金屬低富集作物種植，通過(guò)重金屬高富集植物吸收富集土壤中的重金屬來(lái)保護(hù)低富集植物[36]。例如，在湖南省的定位試驗(yàn)結(jié)果表明，與冬閑模式相比較，采取冬種輪作模式可顯著降低土壤中As、Cd、Hg、Pb等重金屬的含量，對(duì)土壤重金屬污染具有一定的消減作用，其中冬種紫云英—雙季稻輪作模式可同時(shí)降低Cd、Hg、As的含量，具有較好的消減效果，并且在土壤重金屬污染程度較為嚴(yán)重時(shí)，冬種輪作模式還可減少大米中重金屬的富集量。此外，該模式還可以提高水稻產(chǎn)量，提升大米品質(zhì)[37]。

（2）施肥技術(shù)。一是化肥施用技術(shù)。合理施用重金屬含量符合標(biāo)準(zhǔn)的化肥，改變化肥施用的種類、比例和方法[36]。另外，適度施用特定種類的化肥與土壤污染修復(fù)技術(shù)相結(jié)合，還可以增強(qiáng)修復(fù)效果。二是氣肥施用技術(shù)。由于CO2氣體氣源廣泛，制造成本較低，因此很早就成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中公認(rèn)的氣肥，我國(guó)在20世紀(jì)70年代末就開(kāi)展利用CO2作為氣肥進(jìn)行施肥效果的研究，至今已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)。現(xiàn)在普遍認(rèn)為適當(dāng)?shù)脑黾覥O2濃度對(duì)植物生長(zhǎng)具有積極作用。運(yùn)用氣肥施用技術(shù)主要是和植物修復(fù)技術(shù)相結(jié)合，針對(duì)目前所獲得的重金屬高富集植物多數(shù)生長(zhǎng)慢、生物量小的不足，如果能夠恰當(dāng)運(yùn)用氣肥施用技術(shù)，使其產(chǎn)量和生物量顯著增加，則這一不足可以大大緩解[38]。

（3）生物質(zhì)焦利用技術(shù)。近年來(lái)，生物質(zhì)焦利用技術(shù)作為一種新興的土壤污染修復(fù)技術(shù)受到學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可。生物質(zhì)焦對(duì)土壤中的重金屬離子具有較強(qiáng)的吸附能力，可有效降低土壤中重金屬離子的有效性。如對(duì)湖南省郴州市和福建省龍巖市的礦區(qū)污染土壤的生物質(zhì)焦修復(fù)研究表明，施用生物質(zhì)焦可顯著降低污染土壤上種植的油菜對(duì)Cd、Pb的富集[39]。

2.3 技術(shù)集成

隨著新技術(shù)的進(jìn)步，特別是信息技術(shù)的不斷發(fā)展，將原有分散使用、各有利弊的一系列修復(fù)和安全利用技術(shù)加以整合成為可能。如使用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行空間分布特征分析和污染評(píng)價(jià)[40]，根據(jù)上述信息并結(jié)合相應(yīng)技術(shù)的成本分析，確定特定區(qū)塊的最佳修復(fù)技術(shù)，并制作圖集對(duì)修復(fù)技術(shù)具體運(yùn)用予以指導(dǎo)，在后期加以評(píng)估和改進(jìn)[41]。借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）技術(shù)的功能相似性，既可以使其與點(diǎn)位測(cè)量和GIS技術(shù)相結(jié)合[42]發(fā)展為復(fù)合技術(shù)，又可以用于分析農(nóng)民使用意愿調(diào)查結(jié)果和評(píng)估優(yōu)化，因?yàn)檗r(nóng)民使用意愿調(diào)查結(jié)果分析和技術(shù)應(yīng)用評(píng)估優(yōu)化所需的數(shù)據(jù)量更大，分析難度更高，使用ANN技術(shù)可顯著提升分析和優(yōu)化效率，取得更好的效果。另外，可在現(xiàn)有農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)基地建設(shè)的基礎(chǔ)上[43]，建設(shè)綜合性的農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)新技術(shù)研發(fā)與示范應(yīng)用基地或者整合平臺(tái)，為新技術(shù)的研發(fā)、集成及示范應(yīng)用提供空間。技術(shù)集成的具體框架如圖1所示。

3 展望

到目前為止，我國(guó)在農(nóng)田土壤重金屬污染、重金屬污染土壤的修復(fù)及安全利用方面開(kāi)展了很多研究工作，與國(guó)外特別是發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)這個(gè)問(wèn)題的重視時(shí)間幾乎保持同步，借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和思路，并結(jié)合我國(guó)的具體國(guó)情和實(shí)際，取得了大批特色鮮明的成果。但同時(shí)也要看到，目前我國(guó)針對(duì)農(nóng)田土壤重金屬污染的研究還存在技術(shù)零散、技術(shù)水平低、集成度不高、運(yùn)用最新技術(shù)有限等問(wèn)題，針對(duì)多種重金屬協(xié)同修復(fù)和農(nóng)田土壤重金屬污染治理和防控技術(shù)體系方面的報(bào)道不多，成果轉(zhuǎn)化有限[44]。

隨著我國(guó)對(duì)生態(tài)農(nóng)業(yè)重視程度的進(jìn)一步提高，建議結(jié)合農(nóng)田調(diào)控技術(shù)、農(nóng)藝運(yùn)籌技術(shù)和生物技術(shù)、信息技術(shù)等高新技術(shù)，進(jìn)一步研發(fā)低成本、易操作、副作用小、符合我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需要的重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)和安全生產(chǎn)技術(shù)；建立與之對(duì)應(yīng)的重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)技術(shù)體系和重金屬污染農(nóng)田土壤安全利用技術(shù)體系；加大研發(fā)成果體系的推廣力度，繼續(xù)推進(jìn)信息技術(shù)主導(dǎo)下的農(nóng)田重金屬污染土壤修復(fù)與安全利用技術(shù)集成，更有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)重金屬污染農(nóng)田修復(fù)與安全利用，為我國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)工作提供幫助。

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