我國農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀·來源及修復(fù)技術(shù)研究綜述

趙紀新，尹鵬程，岳 榮，王美萍，史 銳

(巴彥淖爾市環(huán)境科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古臨河 015000)

土壤是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤的理化性質(zhì)影響植物的生長，尤其是土壤重金屬污染對植物的生長造成影響，土壤重金屬會通過食物鏈進入植物進而進入人體或其他動物體內(nèi)進行富集，影響人類生命健康[1]。過去的50年中，大約有2.2萬t的Cr、9.39×105t Cu、7.83×105t Pb排入土壤環(huán)境中，造成土壤重金屬污染[2]。

1 我國土壤重金屬污染問題日益凸顯，土壤重金屬研究熱度不斷攀升

我國土壤重金屬污染形勢不容樂觀。近年來，我國土壤重金屬污染事件，不僅對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量造成嚴重威脅，影響人民身體健康，甚至成為導(dǎo)致社會不穩(wěn)定的因素[3]。2000年，農(nóng)業(yè)部環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)布了我國大中城市郊區(qū)、工礦區(qū)、污灌區(qū)、商品糧基地和基本農(nóng)田保護區(qū)農(nóng)畜產(chǎn)品監(jiān)測結(jié)果：我國大部分城市郊區(qū)土壤和農(nóng)產(chǎn)品中重金屬污染相當嚴重[4]。土壤重金屬污染危害嚴重，周期長，農(nóng)田土壤重金屬行為過程、風(fēng)險及修復(fù)技術(shù)研究已經(jīng)成為當下研究的熱點[5]。

從“知網(wǎng)”關(guān)于土壤重金屬的研究趨勢圖來看，從1997年開始，土壤重金屬的學(xué)術(shù)關(guān)注度一路走高，越來越受到研究人員的重視(圖1)。從知網(wǎng)關(guān)于土壤重金屬的研究熱點來看，前4萬篇文獻內(nèi)，主要文獻數(shù)量為203篇，相關(guān)國家課題量為27個，主要研究人員為436人，主要研究機構(gòu)為153個。土壤重金屬的研究熱度為4星。

從國家層面來講，2017年8月，國家已經(jīng)開展土壤詳查，要在2018年年底前查明農(nóng)用地土壤污染的面積、分布及其對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，2020年年底前掌握重點行業(yè)企業(yè)用地中污染地塊的分布及其環(huán)境風(fēng)險。

圖1 知網(wǎng)土壤重金屬文獻收錄量Fig.1 Quantity of documents about soil heavy metals in CNKI

2 我國農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀

目前，我國重金屬污染呈現(xiàn)面積逐步增大、污染源多元化的趨勢。我國耕地土壤重金屬超標率都在35%左右[6]，關(guān)于重金屬污染農(nóng)田的面積多數(shù)學(xué)者認為達到2 000萬hm2，約占全國耕地面積的20%。而宋偉等[4]通過檢索文獻收集到我國83.87%省份和22.54%地級市的土壤污染數(shù)據(jù)，通過分析得到，我國耕地土壤重金屬污染面積大概占我國耕地面積的1/6。全國每年受重金屬污染的糧食達到0.12億t，因重金屬污染導(dǎo)致的糧食污染造成的經(jīng)濟損失達200億元[7]。導(dǎo)致我國農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量下降的重金屬主要有鉛(Pb)、汞(Hg)、鎘(Cd)、Cr(鉻)和準金屬砷(As)、銅(Cu)、鋅(Zn)等生物毒性顯著的元素。我國不同區(qū)域的農(nóng)田重金屬污染問題不盡相同，這是由于各個區(qū)域土壤類型與環(huán)境質(zhì)量不同[8]。其中，Cd的污染最為普遍，面積達到1.3萬hm2，涉及11個省的25個地區(qū)，再次約有3.2萬hm2耕地受到Hg的污染，涉及15個省的21個地區(qū)[9]。我國耕地重金屬污染呈現(xiàn)的規(guī)律為中部高，東西部較低。張小敏等[1]研究表明，土壤 Pb 含量在空間分布上西南部出現(xiàn)高值，其他區(qū)域變化不明顯，新疆地區(qū)含量較少。Cd 的空間分布則出現(xiàn)多個高值區(qū)域。Cr 在中國區(qū)域的分布情況為由云南向東北方向直到江蘇地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)高值，在環(huán)黃渤海地區(qū)尤其京津唐地區(qū)出現(xiàn)次高值區(qū)。其他重金屬土壤含量較高的地區(qū)為廣東省北部與湖南交界和環(huán)渤海地區(qū)，再之在湖北、安徽等地土壤重金屬含量偏高。Zn 含量在空間分布上與Pb相似。

3 我國農(nóng)田土壤重金屬來源

土壤中重金屬來源較為復(fù)雜，成土母質(zhì)及人類活動是影響其來源的主要因素[10]。成土母質(zhì)影響土壤重金屬含量為不可控因素，但是隨著人類經(jīng)濟社會的發(fā)展，人類活動已經(jīng)成為影響土壤重金屬含量的最主要因素[11-12]。

3.1工業(yè)生產(chǎn)排放張從等[13]研究表明，1980年我國由于工業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致的耕地污染面積為266.7萬hm2，1988年達到666.7萬hm2，1992年為1 000.0萬hm2。工業(yè)“三廢”的大量排放導(dǎo)致農(nóng)用水源、農(nóng)田土壤和農(nóng)區(qū)大氣受到影響，從而導(dǎo)致土壤重金屬污染[14]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2011年底，我國工業(yè)燃煤鍋爐為46萬臺，消耗7億t燃煤，煤燃燒產(chǎn)生的大量重金屬進入大氣，進而進入農(nóng)田，污染土壤[15-16]； 劉永偉等[17]通過對深圳市工業(yè)污染源進行調(diào)查得到深圳市的重金屬絕對排放量呈現(xiàn)增大趨勢，而單位產(chǎn)值的重金屬排放量呈下降趨勢；目前我國年產(chǎn)生工業(yè)廢渣量為2 700多萬t[18]，工業(yè)廢渣中的重金屬通過淋溶作用進入土壤，污染土壤環(huán)境，楊陽等[19]通過對義馬市工業(yè)廢渣堆積場的研究發(fā)現(xiàn)，堆場土壤重金屬中，Cr、Zn、Pb、Cu 4種重金屬高于當?shù)乇尘爸?倍以上。張輝等[20]在南京一個鉻工廠周圍調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤中鉻的含量超過當?shù)乇尘爸档?4.4 倍。

3.2污水灌溉我國是一個水資源匱乏的國家，農(nóng)業(yè)用水缺口為300億m3/a[21]，所以利用污水灌溉在很多地方極為普遍。20世紀80年代初期，由于污水灌溉導(dǎo)致的農(nóng)田污染面積達到62.9萬hm2[22]。不同地區(qū)由于污灌水源不同，重金屬污染類型也各不相同[23-28],天津市污灌區(qū)土壤主要污染元素為Cd、Hg；北京鳳港減河、北運河、潮白河污灌區(qū)土壤主要污染元素為Cr、Cu、Zn；北京市涼鳳灌區(qū)土壤主要污染元素為Hg、Pb、Cu、Cr、As等，其中Hg的污染最為嚴重；沈陽張士灌區(qū)為Cd污染；太原污灌區(qū)土壤重金屬元素均不同程度出現(xiàn)超過本底值的現(xiàn)象。

3.3礦產(chǎn)資源開發(fā)礦產(chǎn)資源的開發(fā)促進人類社會的發(fā)展，但隨著礦山開采及相關(guān)周邊產(chǎn)業(yè)開發(fā)帶入環(huán)境的重金屬已造成礦區(qū)及其周邊農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬的污染[29-30]。例如廣西刁江沿岸農(nóng)田受到嚴重的 As、Pb、Cd、Zn 復(fù)合污染，已不適合農(nóng)田利用[31]。

3.4農(nóng)藥化肥等的使用不同化肥中重金屬的類別和數(shù)量差異較大，過磷酸鈣中Cd、Pb等含量高于氮肥，有機-無機復(fù)混肥中Pb含量高于除過磷酸鈣外的其他化肥[32]。此外，有機肥料中也含有一定數(shù)量的重金屬[33-36]。許多學(xué)者研究結(jié)果表明[37-39]，經(jīng)施肥后的土壤中Cd、Hg的含量存在不同程度的提高；表層土壤Cd含量的升高與大量施用過磷酸鈣存在顯著性關(guān)系[40]。長期不當施用化肥、有機肥造成土壤中重金屬的累積，除此之外，污泥、農(nóng)藥的使用也給土壤帶來不同程度的重金屬污染。

3.5大氣沉降大氣顆粒物可攜帶多種重金屬元素，比如Pb、Hg、Cd、Cr、As等[41]，這些重金屬通過大氣顆粒物長期沉降，從而導(dǎo)致土壤遭受重金屬污染。程珂等[42]研究認為，天津郊區(qū)蔬菜地大氣沉降和土壤揚塵對蔬菜中的Cd貢獻率達33.7%、As的貢獻率達到83.7%、Pb的貢獻率達到72.8%、Cr的貢獻率為71%。章明奎等[43]的研究表明，鉛鋅礦區(qū)大氣沉降對農(nóng)田大白菜中重金屬含量累積具有直接作用。

4 土壤重金屬修復(fù)技術(shù)

4.1物理修復(fù)技術(shù)

4.1.1工程措施。工程措施是最為直接的措施，主要包括客土、換土和深耕翻土。工程措施的優(yōu)點為徹底、穩(wěn)定，但是工程措施工程量較大，投資高，只適用于小面積土壤重金屬污染治理，不宜大面積推廣使用[44]。

4.1.2熱解吸法。熱解吸法只適用于易揮發(fā)的土壤重金屬污染物，脫附的氣體需要收集集中處理[45]。熱解吸法的原理為對污染土壤加熱，將一些具有揮發(fā)性的土壤重金屬污染物從土壤中解吸出來。熱解吸法最常用于重金屬汞污染的土壤治理。

4.1.3淋洗絡(luò)合技術(shù)。淋洗絡(luò)合技術(shù)是將水或含有沖洗助劑的螯合劑酸/堿溶液、絡(luò)合劑等淋洗劑注入到污染土壤或沉積物中，洗脫和清洗土壤中污染物的過程[46]。土壤淋洗劑一般有無機溶液、螯合劑、表面活性劑3種[47]，土壤淋洗絡(luò)合技術(shù)快速、高效，但是淋洗廢液如果處理不當，容易造成二次污染。

4.1.4電解析法。電解析的原理是在污染土壤兩側(cè)施加直流電壓，形成電場梯度，土壤中的重金屬在電場作用下，被帶到電極兩端，從而達到清潔土壤的目的。此法適用于低滲透性的土壤[48]，且成本較低，經(jīng)濟合理。

4.2生物修復(fù)技術(shù)

4.2.1植物修復(fù)技術(shù)。1983年，美國科學(xué)家 Chaney等[49]首次提出植物修復(fù)技術(shù)，植物修復(fù)技術(shù)就是利用重金屬富集能力較強的植物吸收重金屬，收割后統(tǒng)一集中處置，進而達到去除重金屬元素的目的。植物修復(fù)法細分為植物固定、植物揮發(fā)、植物提取。植物固定是利用耐受性植物降低土壤中重金屬的活性，從而降低重金屬的危害；植物揮發(fā)是利用植物的蒸騰作用，將土壤中的重金屬揮發(fā)到大氣中，但是大氣中的重金屬會通過顆粒物沉降再次進入土壤，造成土壤污染。收集后的重金屬常見的處理方法有集中填埋、焚燒和堆制肥料[50]。利用植物修復(fù)可以治理土壤中Hg、Cd、As、Pb等重金屬[51-56]。

4.2.2微生物修復(fù)技術(shù)。微生物修復(fù)技術(shù)主要是利用微生物的氧化還原性質(zhì)，降低土壤中重金屬污染程度。微生物修復(fù)技術(shù)主要涉及細菌、放線菌及真菌[57]。可降解、毒性小是微生物代謝產(chǎn)物的特點[58]。微生物修復(fù)土壤重金屬的機理主要包括細胞代謝、表面生物大分子吸收轉(zhuǎn)運、生物吸附、沉淀和氧化還原反應(yīng)等[59]。微生物修復(fù)技術(shù)是目前最有潛力的土壤重金屬修復(fù)技術(shù)，但是，從目前的研究成果來看，微生物修復(fù)技術(shù)成本較高，并不適用于大面積推廣使用。

4.2.3植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)主要是利用植物和土壤微生物之間的共存關(guān)系，發(fā)揮各自優(yōu)勢，共同修復(fù)受重金屬污染的土壤。植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)主要機理包括：微生物促進植物生長、微生物提高植物對重金屬的耐受性、微生物的解毒作用、促進植物對重金屬的固定及吸收等[60]。植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)主要有2種形式：植物與專性菌株的聯(lián)合修復(fù)和植物與菌根的聯(lián)合修復(fù)[61]。

5 結(jié)語

土壤中重金屬主要來自于工業(yè)活動、農(nóng)業(yè)活動、礦產(chǎn)資源開發(fā)、污水灌溉等方面，土壤重金屬的修復(fù)技術(shù)大致可分為物理修復(fù)技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)。

開展多種修復(fù)方法耦合的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)仍是今后重金屬復(fù)合污染土壤修復(fù)研究的主要方向和熱點問題。

重金屬修復(fù)受污染土壤機理、修復(fù)技術(shù)的安全性研究及后續(xù)處理安全性研究相對匱乏。

土壤重金屬的源解析及治理修復(fù)技術(shù)是土壤重金屬的研究趨勢。多種修復(fù)技術(shù)聯(lián)合進行土壤修復(fù)是將來重金屬污染土壤修復(fù)的趨勢。

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