我國農田土壤重金屬污染及其防治策略研究進展

周韜韞

（蘭州大學資源環境學院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

土壤是人類賴以生存和發展的基礎，也是保障糧食安全生產的重要條件。近些年，隨著我國社會經濟的快速發展，對土地的利用強度也呈現出逐年遞增的態勢，由此引發的土壤環境問題也越來越嚴重。例如工業廢水廢氣的排放、采礦及冶煉過程中產生的重金屬廢棄物、農藥化肥的過量使用等使得土壤中的重金屬過量富集，超過土壤生態系統自我凈化能力及其所能承受的范圍，最終導致土壤重金屬污染的發生。如果利用這樣的土壤進行農作物的種植，或者利用受污染的污水進行灌溉不僅會導致農作物產量下降，而且人類通過直接或間接的方式食用受污染的農產品會對人體健康造成嚴重危害。據統計，2014 年我國糧食主產區耕地土壤重金屬點位超標率達19.4%，而到了2018 年這一數字增長了近4%，達到了21.49%，且這一數字還再逐年增加[1]。而“血鉛事件”“鎘大米”“鎘小麥”等事件的發生也為我國農田重金屬污染防治敲響了警鐘[2]。因此，如何有效緩解農田土壤重金屬污染問題是我國環保工作目前亟待解決的重要問題。

1 我國農田土壤重金屬污染的主要來源

重金屬指的是比重超過5.0 的金屬，主要包括Cd、Cr、Hg、Fe、Zn、Mn 等元素。農田土壤重金屬污染來源途徑眾多，可歸納為自然因素和人為因素兩個方面。

1.1 自然因素

在不同的自然環境下，土壤的成土母質、土壤有機質、植被及土地利用類型、水文氣象條件及地形地貌等方面的差異，均會導致土壤中重金屬含量差異較大。例如不同土壤類型中，石灰巖母質發育土壤中的Cd、Hg、As 和Cr 等重金屬元素的背景值要明顯高于風沙母質。在不同母質中，沉積石灰巖中的Cd、Cr、Hg、As 和Cr 等重金屬背景含量最高。而造成我國中南和西南高背景地區土壤中Hg、As、Cd、Pb 等重金屬元素含量差異的主要因素是兩地區成土過程中元素的次生富集作用顯著不同[3]。

1.2 人為因素

1.2.1 大氣中重金屬物質的沉降

大氣中重金屬物質的沉降是農田土壤重金屬污染的重要來源之一。其主要來源于工廠有害氣體的排放、采礦過程中產生的粉塵等，這些物質通過大氣自然沉降或者降雨的方式流入農田，從而使農田土壤受到重金屬污染。特別是在工廠周邊及礦坑附近的農田重金屬污染的報道屢見不鮮。另外，含鉛汽油的燃燒、輪胎磨損等產生的粉塵也會釋放出大量含鉛、鎘、鋅等有害氣體，從而造成公路和鐵路周邊的農田土壤受到重金屬的污染。

1.2.2 污水灌溉造成的污染

污水灌溉指的是經過處理并達到灌溉水質標準要求的污水為水源所進行的灌溉。污水主要來源于工業生產的廢水、污染的地表水以及生活污水等。我國水資源匱乏，污水灌溉是有效是解決農田灌溉問題的有效方法之一。生活污水具有水質好、肥分高，含有較多N，P、K 等多種養分的優點，但是生活污水也會被殘留在土壤表面的重金屬廢棄物污染，雖然經過污水處理，但隨著灌溉次數的增多，重金屬元素會不斷的在農田土壤中積累，最終導致農田受到污染。

電鍍、冶金等行業生產過程中產生大量的工業廢水，廢舊電器等工業固體廢物的堆砌或者移動處理過程中殘留在土壤表層的重金屬等等，都會隨著雨水而進入地下水系統或者流入附近的水源地，從而在農田灌溉過程中造成重金屬污染。

1.2.3 農業生產造成的污染

我國是農業大國，在農作物種植過程中會使用大量的農藥和化肥，長期過量的施用含有Cd、Pb、Hg 等重金屬元素的農藥和化肥會使得這些重金屬元素在土壤中過量的富集，從而造成土壤的重金屬污染。地膜具有減緩水分蒸發和保溫增溫等優點，廣泛應用在農作物的種植上。地膜在生產過程中使用的熱穩定劑中含有Cd、Pb 等重金屬元素，大量的地膜殘留物會造成農田重金屬污染。在畜禽的集中養殖過程中，飼料中往往會添加含Cu、Zn 等重金屬的化學物質飼料添加劑，畜禽食用后會產生帶有大量重金屬的糞便，隨著畜禽糞便有機肥的大量施用，會造成農田土壤重金屬污染。

2 農田土壤重金屬污染的危害

農作物不僅能夠從土壤中吸收生長所需的營養元素，同時也能夠不自主地從土壤中吸收重金屬元素，當植物體內重金屬元素富集到一定程度時，會引起植物體內發生一系列的變化，如細胞器的損傷，細胞膜透性發生改變，代謝過程改變等，進而影響農作物的生長發育，最終導致農作物減產甚至絕收。例如土壤中鉻元素濃度超過0.1 mg/L，嚴重抑制水稻種子的萌發[4]。重金屬Cr 可使植物葉綠素含量明顯降低。Cr、Pb、Zn影響蘆葦根和葉片的電解質滲透率，且隨著濃度升高而加劇[5]。對人體來說，如果食用重金屬含量超標的農產品，會使得重金屬在人體中進行富集而難以排出，導致人體器官產生病變，嚴重危害人體健康。

3 農田土壤重金屬污染的防治策略

農田土壤重金屬污染的治理應堅持“預防為主、防治結合、綜合治理”的防治策略。同時，應制定相關法律法規，加大宣傳、監督和管理工作力度，探索合理的重金屬污染的修復方法。

3.1 加強污染源的監管與控制

為了有效預防農田土壤的重金屬污染，首先應該從源頭上對污染源進行有效的監管，應做到：1）嚴格執行“工業三廢”的排放標準，對重金屬污染物含量超標的廢水、廢氣和廢渣必須進行先處理后排放，阻斷廢棄物對水源的污染；2）禁止使用含有重金屬的農藥、化肥和地膜，防止因農業生產措施而引起的農田重金屬污染；3）加強城市污水排放的監測體系，防止重金屬進入農田的各種方式；4）提高燃油品質和機動車尾氣排放標準。

3.2 制定法規和加強宣傳

面對日益嚴重的農田土壤重金屬污染問題，1）政府應建立和完善保障農田土壤污染治理相關的政策和法律法規。2）加強執法層面的管控，做到依法行政，從嚴處理，絕不姑息。同時鼓勵人民群眾對各種污染土壤和環境的行為進行舉報，這樣才能最大程度上抑制重金屬污染事件的再次發生。3）各地政府應加強宣傳和科普工作，提升人民群眾對環境保護的意識，讓人們真正意識到保護環境、防治土壤重金屬污染的重要性。4）通過植樹造林等方式改造自然環境，增強土壤的自我修復能力。讓人們真正意識到有效預防土壤重金屬污染的方法。

3.3 建立健全的土壤環境監測體系

建立健全的土壤環境監測體系，1）要制定健全的環境保護管理機制，科學協調好土壤環境的監測和治理工作；2）建立健全的土壤環保監測數據共享平臺，實時掌握土壤環境的監測數據，能夠及時發現污染源并進行處理，降低土壤重金屬污染造成的損失；3）通過共享平臺，加強各部門之間的交流與配合，做好土壤重金屬污染的預防和治理，實現對土壤環境的有效保護[6]。

3.4 探索合理的修復方法

土壤重金屬修復指的是對重金屬污染的土壤進行修復治理，從而降低其對生態系統的破壞，以達到生物可承受的范圍。土壤重金屬污染修復法主要包括物理修復法、化學修復法、生物修復法、聯合修復法和農業生態修復法。

3.4.1 物理修復法

物理修復法是指通過各種物理過程將土壤中重金屬污染物去除或分離出去，主要包括工程治理法、土壤淋濕法、電動修復法、電熱修復法、玻璃化法等。工程治理法是通過深耕翻土等措施來治理受重金屬污染的土壤。具有操作簡單，實施迅速等優點。但該方法存在投入成本較高，易破壞土壤結構，容易造成二次污染等缺點。土壤淋濕法是指用水或者用能夠與重金屬元素可溶性的試劑，對重金屬污染的土壤進行沖洗，然后借助陰離子形成沉淀，避免重金屬進入水體。淋洗法是目前應用最早和最多的方法，具有操作周期短等優點，但不能大規模應用，只能應用于工業等重污染場地。電動修復法是指將受重金屬污染的土壤通過施加直流電形成電場梯度，在電遷移等作用下，將重金屬轉移到電場兩端，從而實現污染土壤的修復[7]。電熱修復法是利用高頻電壓產生的熱量，對被重金屬污染的土壤進行加熱，使易揮發的重金屬從土壤中解析出來。該方法主要針對易揮發性重金屬如Hg、As 和Se 等污染的土壤，但該方法具有耗能大，加熱過程中易造成土壤的二次污染等缺點。玻璃化法是利用高溫熔融重金屬污染的土壤，使其形成玻璃體或固結成團，以達到降低土壤中重金屬的目的[8]。玻璃化法具有能夠從根本上快速的消除土壤中重金屬污染物的優點，但是由于處理費用高且工程量大，常用于搶救性的重金屬污染土壤的修復。

3.4.2 化學修復法

化學修復法是利用化學改良劑與土壤中重金屬發生氧化還原、吸附、螯合、共沉淀等化學反應來改變土壤中重金屬的形態，削弱其在土壤環境中的生物有效性和遷移性，從而降低土壤中重金屬對動植物的毒害作用[9]。使用化學法修復土壤重金屬時，要嚴格控制試劑配比及實驗條件，否則容易造成二次化學污染。化學修復法具有治理周期短，治理效果明顯等特點，但是不能確保治理效果的長期穩定性。另外，化學修復法并沒有將土壤中的重金屬轉移除去，只是改變了其形態以降低其危害。

3.4.3 生物修復法

生物修復法主要是利用具有強生命力和降解能力的生物體（動物、植物和微生物）對土壤重金屬元素進行吸收、轉化、降解，降低土壤中重金屬元素的含量，最終實現土壤環境修復的作用。相較于物理和化學修復法，生物修復法具有操作簡單、治理成本低、整體作用更好等特點。近年來利用生物法進行土壤重金屬修復得到了廣泛的應用，是未來土壤重金屬污染治理的主要研究方向。

1）植物修復法。植物修復法是通過種植對重金屬吸收和富集能力強的植物，然后通過收獲植物將重金屬從土壤中轉移出來，從而達到降低土壤中重金屬含量的目的。目前已經發現有超過500種植物對Cr、Co、Ni、Cu、Pb、Mn、Zn等重金屬元素具有超富集能力[10]。例如羊齒類鐵角蕨屬植物，對于土壤中Cd 的吸收率可達到10%，連續多年種植能夠降低土壤中一半以上Cd含量[11]。在鎘含量100 mg/kg的土壤上種苧麻，5年后土壤中鎘含量平均降低了26.17%[10]。

2）動物修復法。動物修復法是利用動物（蚯蚓、蛆類和鼠類等）的活動對土壤中的重金屬進行吸收和轉化，從而達到降低或去除重金屬毒性。目前應用比較廣泛的動物修復法就是利用蚯蚓對土壤重金屬污染進行修復[12]。蚯蚓能夠在受重金屬污染的土壤中存活，并且通過吞食等活動將土壤中的重金屬富集到體內，從而降低土壤中重金屬的含量。另外，蚯蚓還可以改善土壤的透氣性和透水性，優化土壤結構。

3）微生物修復法。除了使用動、植物修復之外，研究人員還使用微生物對土壤中的重金屬污染物進行修復。微生物修復法是利用某些微生物對土壤中特定的重金屬具有吸收、沉淀、氧化還原、溶解等作用，從而降低土壤中重金屬的有效性。例如帶有陰離子型基團的微生物，能夠通過離子交換、螯合、靜電吸附以及共價吸附等方式與土壤中帶正電荷的重金屬離子發生作用，減少土壤中游離的帶正電荷重金屬含量，從而降低土壤中的重金屬的毒性[13]。另外，有些高價態的重金屬元素如Cr、Mn 等具有很強的毒性，土壤中的某些微生物能夠將高價態金屬離子還原成低價態，從而使得一些重金屬元素毒性下降或者消失。

3.4.4 聯合修復法

聯合修復法是指將兩種或兩種以上的修復方法聯合使用，形成聯合修復技術。聯合修復法能夠結合每一種修復技術的優勢，提高污染土壤的修復速率與效率。例如利用吊蘭和蚯蚓修復土壤中重金屬鎘，效果顯著優于單一的植物或動物修復效果[14]，利用化學淋洗劑增加土壤溶液中重金屬濃度，提高植物油葵修復、凈化土壤中的重金屬鎘[15]。利用植物與電場的聯合作用，提高植物對重金屬的吸收能力[16]。

3.4.5 農業生態修復法

農業生態修復法是指通過調整農作物耕作模式來改善土壤的生態環境，從而達到減輕或阻斷重金屬對人體造成的危害。土壤重金屬生態修復應做到因地制宜，

在重金屬污染嚴重區域，種植不進入食物鏈的高富集重金屬植物，如花草、樹木等，這樣既能美化環境，又能凈化土壤。在重金屬低污染區域種植低富集重金屬的作物品種，減少重金屬在作物中的累積[17]。農業生態修復法具有修復周期長且修復效果不顯著等缺點。

4 結語

隨著農業化進程的快速發展，現階段我國農田土壤重金屬污染問題已經比較嚴重，極大的影響著農業和社會的可持續發展。農田土壤重金屬污染具有隱蔽性強、易積累性、地域差異大以及治理難等特點。因此，要求一方面要從源頭對土壤重金屬的污染進行治理，切斷污染源。另一方面，加強科技創新，制定合理的修復策略，實現對土壤重金屬污染的科學化治理，從而保障我國糧食安全和促進農業與社會可持續發展。