農用地土壤有效態重金屬污染修復技術研究思路及方案建議

張小胖，羅賢冬

（安徽省勘查技術院，安徽 合肥 230031）

1 背景

1.1 農用地土壤重金屬污染現狀

土壤是人類活動的基本場所，為人類生存發展提供重要資源，也是污染物重要的源與匯。隨工業化與城市化的發展，越來越多的有毒有害物質伴隨人類活動進入土壤，使得主壤污染問題日益突出。我國耕地土壤超標率為19.4%，其中Cd、Ni、Cu、As等重金屬為主要污染物。全國每年因重金屬污染而導致糧食減產達100多萬噸，此外被重金屬污染的糧食也超過1200萬噸，造成經濟損失200億元。農田土壤重金屬污染可影響農作物品質和產量，還會危害人類健康，己引起公眾和政府廣泛的關注。

1.2 土壤重金屬污染修復發展情況

在切斷污染源的基礎上對重金屬污染農田土壤進行修復，目前主要有兩種思路：一種思路是通過各種修復技術，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，而不是進入作物，特別是食用和飼用作物的可利用部分（鈍化）。現有的重金屬污染農田土壤修復基本技術都是基于這兩種思路進行研發的，可分為物理技術、化學技術和生物技術3個大類，見下表1。常見的物理技術方法包括深耕法、排土法、客土法、電動修復法和熱處理法等；化學技術方法主要有施用改良劑或抑制劑法、化學淋洗法等；生物技術方法主要包括植物修復技術、動物修復技術和微生物修復技術。截至到目前，已經有一些運用修復技術取得顯著成效的實例，如對來自北京市區和云南省昆明市郊區土壤的污泥堆肥試驗表明，粉煤灰對污泥中的 Cu、Zn、Pb 有一定的鈍化效果[1]。在湖南省、廣西省等南方省份的研究證實，施用硅肥可顯著降低水稻[2]、甘蔗[3]等作物對Cd、As 等重金屬的吸收。我國油菜產區通過篩選得到 2 種優良的 Cd 超積累油菜品種溪口花籽和川油Ⅱ-10[4]，在利用植物修復技術防治 Cd污染方面具有很大潛力。從北京市延慶區某鉛礦廠周邊土壤中篩選得到的1株青霉菌對人工培養基中有效Pb的去除率超過 95%[5]，為利用微生物修復技術防治重金屬污染開辟了新途徑。

2 有效態重金屬污染修復技術研究思路

（1）了解農用地有效態重金屬污染的土壤質量狀況及其空間分布。以銅陵某地為研究區域，通過野外調查和室內綜合研究相結合的方法，研究表層農田土壤中有效態重金屬含量、評價土壤質量；查明農田土壤有效態重金屬空間分布情況及不同土壤類型質量的分布情況，進而解析有效態重金屬污染源的來源。

（2）探尋農用地表層土壤中度污染有效態重金屬控制技術。在上述土壤質量評價的基礎上，以中度重金屬污染農田為對象，選擇中度污染的水田、旱地，研究土壤改良、鈍化劑施用等措施與農田表層土壤中有效態重金屬含量的相關性研究，獲得適用于銅陵某地主要農田土壤以及耕作模式的表層土壤的有效態重金屬控制技術。

（3）探尋農用地中度重金屬污染糧食作物安全生產技術。基于表層土壤有效態重金屬控制技術，通過選擇不同糧食作物品種、不同水肥管理措施等，獲得低吸收、低積累、質量安全的糧食（水稻、小麥、玉米、豆類等）生產技術。

表1 現有重金屬污染農田土壤修復基本技術

（4）探尋農用地中-重度重金屬污染非糧作物生產技術。結合表層土壤有效態重金屬控制技術，以中-重度重金屬污染農田為對象，通過篩選耐性水生或旱生非糧作物類（飼料作物、纖維作物、花卉類等）、改變種植結構等措施，以提高農田利用率、增加農民收入為目標，獲得中-重度重金屬污染農田非糧作物生產技術。

3 修復技術研究方案

在收集以往1:25萬多目標區域地球化學調查、1:5萬土地質量地球化學調查評價成果等資料的基礎上，選擇銅陵某地作為修復研究工作區，針對該區的污染狀況按照上述研究思路，提出相應的方案。該處由于礦業開采和冶煉導致該處農田土壤中重金屬（Cu、Zn、Pb、Cd等）升高，引起不同程度的農田土壤污染。

圖1 研究區域簡圖

選擇具有多重金屬污染特點的銅陵某處農田作為研究區域，該區域部分農田土壤主要受酸性礦業廢水污染，檢測表明該研究區域表層農田土壤中Cu、Zn和Pb的含量分別為48.2mg/kg～205.8 mg/kg土 壤、180.2mg/kg～229.9 mg/kg土壤和101.7mg/kg～201.9 mg/kg土壤整體而言，所選擇區域以中度污染為主，兼具部分具有重度污染的農田（靠近溪流的部分農田）。

目前常用的表層農田土壤有效態重金屬控制技術主要包括調節pH（如施加石灰等堿性材料）、施加鈍化劑（如施用有機肥、施加人工合成的螯合劑、使用吸附天然或人工合成的吸附材料等）、調整水肥管理等。多數情況下往往采用多措施聯用技術。依據之前所述的土壤修復研究思路，提出該區的土壤修復研究工作方案，采用小試→中試→示范的方案。

3.1 農田表層土壤有效態重金屬控制技術研發（室內小試）

為了獲得更為合理實用的農田表層土壤有效態重金屬控制技術（以下簡稱“控制技術”），擬在所選定的試驗區域開展“pH調節”、“鈍化劑篩選”、“pH調節+鈍化劑施用”以及“pH調節+鈍化劑施加+水肥管理”等技術研發工作，具體方案如下：

“pH調節”技術研究方案——通過室內盆栽試驗，選擇石灰、生物質碳等堿性材料，通過單一施加、混合施加等方法以及調整施加比例、施加頻次等手段，采樣測定供試土壤中的有效態重金屬含量，估算投入成本等，最終獲得操作簡單、成本合理的pH調節技術。

“鈍化劑篩選”技術研究方案——通過室內盆栽試驗，選擇生物有機肥、天然或人工合成螯合劑、黏土礦物或人工合成吸附材料、市售鈍化劑等，通過單一施加、混合施加等方法以及調整施加比例、施加頻次等手段，采樣測定供試土壤中的有效態重金屬含量，估算投入成本等，最終篩選出2～3種價格低廉、施用方便的鈍化材料。

“pH調節+鈍化劑施用”技術研究方案——通過室內盆栽試驗，融合上述所獲得的“pH調節”和“鈍化劑篩選”技術，采樣測定供試土壤中的有效態重金屬含量，估算投入成本等，最終獲得1～2種價格低廉、施用方便的“pH調節+鈍化劑施用”技術。

“pH調節+鈍化劑施加+水肥管理”技術研究方案——利用“pH調節+鈍化劑施用”技術研究所獲得成果，施以不同是水肥管理措施（如長期淹水、自然降水、間歇灌溉，一次施肥、多次施肥，施用有機肥、施用化學肥料、施用有機肥+化學肥料等），在不同時間采集盆內土壤樣本，測定有效態重金屬含量，通過評價土壤中有效態重金屬含量變化、pH變化、養分變化及其持續性等，最終獲得3～4套適用于提升中度重金屬污染區農田土壤質量的“中度污染控制技術”。

3.2 原位試驗（野外中試）

在選定的試驗地內，將試驗地劃分成若干長×寬=3m×5m（面積15m2）的試驗小區，試驗小區用塑料擋板隔開，各試驗小區間相隔1m，防止試驗小區之間的相互干擾。

利用前述所獲得的“中度污染控制技術”應用于試驗小區內，開展中試試驗，驗證前述所獲得的“中度污染控制技術”的實用性；即時監測土壤中有效態重金屬含量變化，及時調整中試試驗過程中的相關參數，最終獲得1～2套可用于田間農業生產的“中度污染控制技術”。

3.3 農用地中度重金屬污染糧食作物安全生產技術方案

首先，將前述獲得的1～2套“中度污染控制技術”，在選定的試驗地區域，選擇5～6個水稻品種、3～5個小麥品種、3～5個油菜品種，進行現場種植試驗，每一品種種植面積為：5重復×100m2/重復，同時設置相應的、未實施“中度污染控制技術”區域對照區。

然后，按照作物生長規律，在不同生長階段采集試驗區和對照區的土壤和作物樣本，測定土壤中有效態重金屬含量和作物樣本中重金屬含量，測定作物的生理生態特征。最終，以農作物產量、食用部分重金屬含量、土壤有效態重金屬含量等指標為評價依據，獲得1～2套“中度重金屬污染農田糧食作物安全生產技術”。

3.4 農用地中-重度重金屬污染非糧作物生產技術方案

糧食作物是農業生產中重點種植的農作物，但在常見栽培的農作物中尚有許多非糧農作物，例如蔬菜作物、纖維作物、牧草作物、花卉類等，這些作物的種植同樣能夠獲得一定的經濟效益，甚至高于糧食作物。

研究發現，某些非糧作物不僅能夠在重金屬污染農田土壤上生長，有時還生長較好、產量較高。某些非糧作物通過排斥吸收或拒絕吸收等機制，使得其體內的重金屬含量較低，它們能夠滿足某些特定的生產、生活需要。為了充分利用某些作物的這一特點、減少農田土壤修復成本、提高農田利用率，本研究中專門開展“中-重度重金屬污染農田非糧作物生產技術”研發。具體研發方案如下：

（1）適用于農用地土壤中-重度污染生長的非糧作物的選擇：①蔬菜作物：茭白（受污染水田）、芋（受污染旱地）、茄果蔬菜（受污染旱地）；②旱作牧草：狼尾草、紫花苜蓿；③水生花卉：黃菖蒲、梭魚草、美人蕉、再力花、千屈菜；④其他作物：紅豆、黃香草木樨、大豬屎豆、粉莢決明、決明。

（2）適用于農用地土壤中-重度污染生長的非糧作物的栽培：在所選擇的試驗區內，進行現場種植試驗，每一種作物種植面積為：5重復×100m2/重復，同時在未污染或輕度污染區域設置相應的對照區。按照作為生長規律，在不同生長階段采集試驗區和對照區的土壤和作物樣本，測定土壤中有效態重金屬含量和作物樣本中重金屬含量，測定作物的生理生態特征。最終，以農作物產量、植物體內重金屬含量、經濟效益等指標為評價依據，獲得1～2套“中-重度重金屬污染農田非糧作物生產技術”，提高土地利用率。

4 結語

本文主要闡述了目前農用地土壤重金屬污染的現狀及修復技術的發展情況，著重針對農用地有效態重金屬污染修復提出了研究思路，并以銅陵某處作為研究工作區為例，針對該區污染的特點，詳細提出該區的土壤修復研究工作方案，即采用小試→中試→示范的方案。利用上述研究所獲得的各項技術，可為具有相似區域有效態重金屬污染農田的高效、合理、安全利用提供技術支撐，為政府決策及種植結構調整提供依據。