土壤重金屬污染及其修復技術研究現狀

楊志英，張建珠，李春苑，戴林利

(普洱市林業科學研究所，云南 普洱665000)

1 引言

改革開放以來，我國工業化水平發展迅猛，土壤重金屬污染是在此背景下產生的污染和安全問題。隨著人們生活水平和意識的不斷提高，對土壤重金屬污染的認識和關注也越來越多。如果重金屬通過養分循環和食物鏈進入人體，將會嚴重危害人體健康，甚至造成無法挽回的后果。

2 土壤重金屬污染概述

重金屬元素是單質密度大于4.5 g/cm3的一類金屬元素的總稱[1]。重金屬元素進入土壤后，若含量高于安全標準從而使生態環境惡化的現象就是土壤重金屬污染[2]。

2.1 土壤重金屬污染來源及現狀

2.1.1 土壤重金屬污染來源

地質作用中的火山噴發、地震以及含重金屬元素的巖石風化會影響土壤中重金屬元素含量，但大部分來源于以下幾個方面。

(1)農藥和化肥中的金屬元素一般都超標，且在生產中過度使用；另外農膜和地膜的回收率地也會導致重金屬污染[3]。此外，農業生產中，富含重金屬的固體垃圾的堆積排放會讓其中的重金屬元素呈放射狀向水體及土壤中擴散，進而造成重金屬污染。

(2)工業生產中產生廢氣、廢水、廢渣未經處理后排放會導致土壤中的重金屬含量增加。據報道，我國許多污灌區土壤汞、鎘、鉻、鉛等重金屬含量遠遠超過國家安全標準，且呈逐年上升趨勢。

工業生產的固體廢棄物未經處理隨意堆放在露天場所，重金屬離子會擴散至周邊的農耕地土壤中。排放的有毒廢氣和粉塵，進入大氣中通過自然沉降和降水過程進入土壤從而造成重金屬污染。煤和石油中含有鉻、鉛、汞、鈦等金屬，這些重金屬元素會隨著燃燒過程進入大氣后，有相當一部分隨著自然沉降和降水進入土壤[4]。另外，車輛在行駛過程中燃料的燃燒、輪胎的摩擦、潤滑性的損耗等都會增加路旁土壤中重金屬的含量[5]。

2.1.2 土壤重金屬污染現狀

全球土壤都存在著不同程度的重金屬污染[6]。在我國范圍內，大約有10%的農耕地已受到重金屬污染，這在經濟較為發達的地區情況尤甚。國家環保部抽樣監測數據結果顯示，土壤重金屬嚴重超標面積占抽調面積的12.1%[7]。

3 土壤重金屬污染的特點及危害

3.1 重金屬污染的特點

部分土壤重金屬污染早期表現出滯后性，經過漫長和逐步積累的過程往往發生危害事件后才被人們覺察到，因而具有明顯的隱蔽性；土壤自身的凈化能力難以對侵入的重金屬污染起作用，一旦污染基本是不可逆的。而且污染的后果具有持久性，會在土壤中長久保存。

3.2 重金屬污染的危害

重金屬污染首先會影響土壤中的微生物，會降低微生物(包括真菌和細菌)的數量和種類；再者，重金屬會危害植物的一系列生理生化特征，如光合作用減弱，水分、養分利用率下降，植物體內酶的有效性也會降低，從而影響植物的正常生長，減少作物產量，有時還會導致整個植株的死亡[8]。受重金屬污染的植物如果通過食物鏈層層富集進入人畜體內，將會對人畜造成不可估量的影響。

4 土壤修復技術

4.1 物理修復

4.1.1 客土及深耕翻土法

客土就是干凈未受污染的土壤，將客土混入受污染的土壤中以降低土壤重金屬污染濃度的方法就是客土法。深耕翻土法就是將下層的土壤翻過來與上層的土壤混合并加入肥料以降低重金屬濃度和土壤肥力的方法。這兩種傳統修復方法，能在短期內能收到達到修復目的，但是成本高，投入的人力、物力和財力成本大，對土壤層會產生較大的危害，因此不適合大范圍推廣[9]。

4.1.2 固化穩定化技術

利用穩定劑與土壤中的重金屬污染物發生物理或化學反應，改變污染物的結構狀態，使其最終形成穩定的不溶態且遷移能力小的塊狀固體，從而降低污染物的遷移能力。該方法并不具有長久性，固化的污染物容易被釋放出來從而造成環境的二次污染。

4.1.3 電動力修復法

通過在土壤層面中插上雙電極，加上直流電或交流電，從而形成電場，而土壤中的重金屬帶電離子就會積聚在電場的兩極上，從而污染得到清除。但電場同樣會損害土壤中的微生物，目前相關的研究正在考慮降低這種損害。

4.1.4 熱脫附法

利用專業設備加熱受污染的土壤，使污染物揮發，再收集揮發態的重金屬污染物以便消除。目前美國已成功運用這一技術在汞污染的土壤治理中[10]。熱脫附法的效果明顯，但耗費時間長、設備價格昂貴，此外，高溫熱處理的方法，破壞土壤中的有機質和結構水，而且耗能多，未來的研究中要解決這些問題。

4.2 化學修復

通過添加土壤改良劑或表面活性劑改變土壤重金屬的理化性質從而降低其有效機能和遷移能力[11]。該方法易于操作，但清理的重金屬元素依然存在于土壤中，很容易被活化后造成二次污染。

4.3 生物修復

生物修復主要通過動植物和微生物的物理吸附和代謝來參與重金屬污染物的降解和清除。

4.3.1 植物修復技術

目前廣泛應用的主要有植物固化、揮發和提取法。某些植物根部的一些分泌物質可以降低重金屬污染物的活性，從而達到固化污染物的目的；植物通過自身的代謝，吸收重金屬污染物后通過揮發成氣態從而降低污染物的含量；通過大量的植物吸收一定的重金屬污染物后，通過技術手段將植物體內的重金屬提取出來，從而修復土壤[12]。

4.3.2 動物修復技術

通過在污染的重金屬土壤中人工飼養或自然的方式讓土壤動物(如蚯蚓)生長和繁殖，土壤動物吸收土壤中的重金屬后在體內形成金屬硫蛋白，在代謝作用下，金屬硫蛋白被分解成多肽，從而重金屬的活性得到降解，毒性被解除[13]。

4.3.3 微生物修復技術

利用土壤微生物(細菌、真菌等)來修復重金屬污染的土壤。目前，叢枝菌根真菌、木霉屬真菌、酵母及諸多耐重金屬的功能微生物已在土壤重金屬污染治理中得到廣泛應用[14～17]，土壤微生物通常通過對重金屬離子的生物吸附和生物轉化來實現土壤修復。

(1)生物吸附。微生物自身的細胞表面往往帶有電荷，可利用帶電荷的細胞表面吸附土壤中的重金屬離子(如Zn2＋、Pb2＋、Cu2＋等)，從而 降低土壤重金屬離子濃度[18]。

(2)生物轉化。利用土壤微生物把金屬離子從高價態還原成低價態，這樣更利于植物吸收，再把有機的金屬還原成為單質，從而將重金屬毒性降低或排除。此外，對于某些甲基化狀態下毒性較大的重金屬離子，也可以通過微生物的轉化降低其毒性。同時，土壤微生物通過代謝可以產生低分子量的有機酸，其中一部分有機酸可以和重金屬離子絡合，在一定情況下，它還能夠促進重金屬的淋溶。對于一些已經形成重金屬－有機質絡合物的土壤重金屬離子，微生物也能夠發揮出降解作用。

4.3.4 淋洗分離技術

用水或其他淋洗液(如酸堿液)沖洗土壤以達到重金屬污染物與土壤分離的過程。這項技術始于20世紀70年代，到90年代已經成為治理土壤重金屬污染的主流技術之一。該技術也存在諸多弊端，比如工程量大、投入高等因素很難解決。此外，有些淋洗劑處理后只能暫時緩解頂部土層的重金屬污染狀況，不能從根本上清除土壤重金屬，這也是制約該項技術發展的主要因素[19]。

5 結語

我國土壤中重金屬污染的主要來源于農業污染和工業污染這兩個方面。土壤重金屬污染將會嚴重影響人們的食品安全，從生產者的角度來說，要嚴格按照安全生產的規范，進行綠色生產；國家層面也要制定更為嚴格的標準以及出臺和執行更為嚴厲的處罰措施。當前熱門的土壤重金屬修復技術，每一種都有其鮮明的特點，且優劣勢并存，在實際應用過程中，農業生產工作者很難做出恰當的選擇，因此，鑒于我國土壤重金屬污染的特殊性，多出版有針對性的土壤修復指導意見的專著顯得尤為重要。

土壤重金屬修復工作是一項長期的系統工程，在廣大科研工作者的不懈努力及社會的大力支持下，人們將來一定能研究出應對土壤重金屬污染的修復技術，探索出新的思路和方法。在諸多技術方法中，生物修復技術因其綠色、低碳、環保的特點，且對污染土壤具有良好的修復效果，因而更符合社會可持續發展的要求。