典型農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)及其應(yīng)用分析

高尚贊，陶美娟，湯海波

（山東省菏澤生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 菏澤 274000）

農(nóng)田土壤是人們賴以生存的基礎(chǔ)保障，隨著重金屬污染的日益增加，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，同時(shí)還破壞了生態(tài)平衡，因此，針對(duì)農(nóng)田土壤重金屬污染問題，應(yīng)該積極探索重金屬修復(fù)技術(shù)，并使其得到有效的應(yīng)用，以此來降低重金屬污染對(duì)農(nóng)田土壤造成的影響。

1 農(nóng)田土壤重金屬污染的主要特征以及污染原因

1.1 主要特征

通常情況下，重金屬污染具有不可逆性、滯后性、隱藏性、表聚性、多源性等多種特征。重金屬污染多發(fā)生在土壤的耕作層，一旦土壤中出現(xiàn)重金屬污染，將會(huì)破壞土壤的土層結(jié)構(gòu)，無法在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行修復(fù)并恢復(fù)到原來的狀態(tài)，勢(shì)必會(huì)嚴(yán)重地影響到生態(tài)平衡。如何減少重金屬污染對(duì)我國(guó)農(nóng)田造成的危害成為當(dāng)前需要重點(diǎn)關(guān)注和解決的問題，我國(guó)相關(guān)部門應(yīng)該針對(duì)此問題積極探索適合于當(dāng)?shù)赝寥乐卫淼挠行迯?fù)技術(shù)。而在當(dāng)前眾多的重金屬修復(fù)技術(shù)中生物修復(fù)技術(shù)是一種應(yīng)用效果極好的修復(fù)技術(shù)，已經(jīng)通過多次實(shí)踐應(yīng)用，并取得了良好的效果。

1.2 污染原因

1.2.1 城市污染

城市垃圾中會(huì)存在各種有害的有毒物質(zhì)和重金屬，這些都可能會(huì)給土壤造成不同程度的影響。城市對(duì)垃圾進(jìn)行無害化處理的方式主要有垃圾填埋和垃圾焚燒，這些垃圾埋入土壤中，勢(shì)必會(huì)對(duì)土壤造成一定的影響，另外，還要Pb氣體的燃料和汽油的燃燒，以及潤(rùn)滑油泄露等都可能會(huì)釋放出大量的Zn、Cu、Cd、Pb等有害氣體，這些氣體會(huì)跟隨大氣滲入土壤中，使土壤出現(xiàn)重金屬超標(biāo)的現(xiàn)象。

1.2.2 工業(yè)污染

工業(yè)污染是對(duì)土壤造成危害最大的一個(gè)原因，在進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量的有毒物質(zhì)，這些有毒物質(zhì)中不僅含有重金屬，還有一般性污染物、持久性有機(jī)污染物等，這些有毒物質(zhì)最終會(huì)影響生態(tài)平衡，尤其是進(jìn)入土壤中的有毒物質(zhì)，會(huì)造成土壤重金屬成分超標(biāo)的現(xiàn)象[1]。從開采和冶煉重金屬開始，一直到將重金屬鑄造成半成品或成品的過程，都會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體，這些氣體進(jìn)入到大氣環(huán)境中，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的積累和沉淀，或者是跟隨降雨最后融入到土壤當(dāng)中，都會(huì)增加土壤的重金屬含量。

1.2.3 農(nóng)業(yè)污染

農(nóng)業(yè)灌溉水中也可能會(huì)出現(xiàn)重金屬超標(biāo)的現(xiàn)象，一旦灌溉水中含有的病菌微生物和重金屬等有害物質(zhì)滲入土壤中，一定會(huì)對(duì)土壤的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及土壤結(jié)構(gòu)造成影響，使重金屬聚集在土壤的表層，從而對(duì)土壤的生態(tài)平衡造成破壞。禽畜糞便中Cu和As等含量超標(biāo)的重金屬經(jīng)過堆肥發(fā)酵之后會(huì)被當(dāng)做有機(jī)肥料應(yīng)用到農(nóng)田當(dāng)中，這樣也會(huì)增加農(nóng)田土壤中的重金屬含量，其中，Cu和As就是典型的重金屬物質(zhì)。如果應(yīng)用的化肥中含有較高的重金屬含量，經(jīng)過長(zhǎng)期的應(yīng)用勢(shì)必會(huì)使農(nóng)田土壤中聚集大量的重金屬元素，從而使土壤受到重金屬污染的危害。

2 農(nóng)田土壤重金屬污染的現(xiàn)狀及造成的影響

2.1 重金屬對(duì)農(nóng)田土壤造成的污染現(xiàn)狀分析

由于當(dāng)前農(nóng)業(yè)種植過程中會(huì)應(yīng)用大量的農(nóng)藥和化肥，從而使隨大氣沉降到土壤中的重金屬含量不斷增加，再加上污泥臟水、工業(yè)廢水、城市垃圾等污染物的大量排放，造成了日益嚴(yán)重的農(nóng)田土壤重金屬污染狀況。農(nóng)田土壤中的重金屬污染物一般情況下包括Zn、As、Cu、Cd、Pb、Cr等金屬，這些重金屬污染物會(huì)隨著固體廢棄物、大氣沉降和污水灌溉等在農(nóng)用物質(zhì)灌溉的過程中對(duì)農(nóng)田造成危害。現(xiàn)階段，我國(guó)最為嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)危害就是重金屬污染造成的危害，而且據(jù)調(diào)查受到重金屬污染危害的耕地面積已經(jīng)占全部耕地面積的五分之一，而每年因?yàn)槭艿街亟饘傥廴径斐傻募Z食損失已經(jīng)達(dá)到1 200萬t，直接造成了高達(dá)200多億的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)我國(guó)的糧食安全生產(chǎn)造成了巨大的影響和危害。

2.2 造成的影響

2.2.1 對(duì)食品安全造成的危害

現(xiàn)階段，我國(guó)大部分城市周邊的土壤都受到了嚴(yán)重的污染破壞，使得某些地方的蔬菜、糧食以及水果等農(nóng)產(chǎn)品中含有大量的重金屬成分[2]。隨著重金屬對(duì)糧食安全造成的危害，我國(guó)開始對(duì)城市周邊農(nóng)作物種植中含有的重金屬含量進(jìn)行檢測(cè)。部分地區(qū)在檢測(cè)蔬菜的重金屬含量過程中，發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物中含有Cd、Pb、Zn、Hg等重金屬污染物的情況比較嚴(yán)重，甚至蔬菜的重金屬超標(biāo)情況已經(jīng)上升到38%左右。

2.2.2 對(duì)人體安全造成的嚴(yán)重威脅

在這些重金屬污染物當(dāng)中Pb和Cd含有較重的毒素物質(zhì)，如果在人體的肝臟和腎臟中聚集到一定的程度，就會(huì)嚴(yán)重影響人體器官的正常運(yùn)行。日本某城市就曾經(jīng)出現(xiàn)過人們因?yàn)槭秤昧薈d含量較高的產(chǎn)品而出現(xiàn)了“痛痛病”。如果Cd的含量超標(biāo)，不僅會(huì)引發(fā)“痛痛病”，還會(huì)使人體出現(xiàn)高血壓、肺氣腫、腸胃病、貧血等疾病，這些都會(huì)嚴(yán)重影響到人體的健康和安全。如果食用的食品中含有大量的鉛，不僅會(huì)影響到人體正常的智力發(fā)育，同時(shí)還會(huì)使人產(chǎn)生異常的行為表現(xiàn)等問題。

3 農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)

3.1 物理修復(fù)方法

3.1.1 將被污染的土壤進(jìn)行混合或是隔離的方法

將被污染的土壤進(jìn)行混合或是隔離，從技術(shù)角度來講，是最為方便和簡(jiǎn)單的操作防范，其中包括隔離包埋法、深耕翻土法、換土法、客土法等。深耕翻土法和客土法是通過混合污染土壤和清潔土壤的方法，使土壤中重金屬的含量進(jìn)行減少，最終控制在合理的范圍內(nèi)；隔離包埋法和換土法，與上述方法不同，它是通過將土壤中的污染物隔離和轉(zhuǎn)移的方式來降低重金屬的含量，但是這類方法不是所有的重金屬污染都可以應(yīng)用，它通常適用于輕度重金屬污染以及重金屬污染區(qū)域較小的情況中，這對(duì)于農(nóng)業(yè)種植者來說，具有一定的操作性。

3.1.2 通過電力和熱力作用將土壤中的重金屬去除

通過熱力作用將土壤中的重金屬去除，指的是將受污染的土壤通過專業(yè)設(shè)備進(jìn)行加熱，然后揮發(fā)土壤中的污染物，再將揮發(fā)狀態(tài)中的重金屬污染物收集到一起，予以去除。這種方法雖然有一定的作用，但是只能對(duì)土壤中易揮發(fā)和熔點(diǎn)較低的重金屬進(jìn)行去除，雖然現(xiàn)在已經(jīng)有一些發(fā)達(dá)國(guó)家通過這種方法來去除土壤中的重金屬，但是由于此方法的成本較高，因此并沒有得到廣泛的應(yīng)用及推廣[3]。

3.2 化學(xué)修復(fù)方法

3.2.1 對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行鈍化處理

對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行鈍化處理，是通過將表面活性劑或土壤改良劑添加到土壤當(dāng)中，從而使土壤重金屬的理化性質(zhì)得到改變，以這種方式來降低重金屬污染物的遷移能力和有效機(jī)能。土壤經(jīng)過鈍化處理之后，可以防止出現(xiàn)重金屬超標(biāo)的問題，但是并不能將土壤中的重金屬元素徹底消除，而且經(jīng)過鈍化的重金屬隨時(shí)都有可能重新被活化。這種方法對(duì)于農(nóng)業(yè)種植來說具有很強(qiáng)的可操作性，但是需要對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這樣才能保證農(nóng)產(chǎn)品的安全，否則還是會(huì)出現(xiàn)食品安全問題。

3.2.2 對(duì)土壤進(jìn)行淋洗，使重金屬進(jìn)行沉降

淋洗土壤的修復(fù)技術(shù)通常來說，是將表面活性劑、絡(luò)合劑、酸/堿溶液、具有沖洗助劑的水溶液或者是水等淋洗液投入到沉積物中或者是受到污染的土壤中，對(duì)土壤中的污染物進(jìn)行清洗或洗脫的一個(gè)過程。從表面來看，這種技術(shù)并不復(fù)雜，但是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是淋洗液的本身，而且這種技術(shù)同鈍化處理一樣，不能徹底將土壤中的重金屬消除，只是使土層中重金屬的污染得到緩解和降低。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于農(nóng)業(yè)種植來說，同樣不能保證農(nóng)產(chǎn)品的安全。

3.3 生物修復(fù)方法

3.3.1 植物修復(fù)法

植物修復(fù)法是一種在日本得到廣泛應(yīng)用的修復(fù)方法，這項(xiàng)技術(shù)是利用在受污染的土壤中種植富集植物的方式，使土壤中的重金屬通過作物系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到植物的上部分，然后通過資源化利用或者是刈割、轉(zhuǎn)移、集中處理等過程，去除土壤中的重金屬。在日本常見的鎘超富集植物有長(zhǎng)香谷、百花景天、東南景天。通過研究得知，在土壤中連續(xù)3年種植長(zhǎng)香谷，可以使土壤中鎘的含量得到大幅度的降低，由于這種水稻可以直接種植在現(xiàn)有的水稻田中，而且具有很強(qiáng)的操作性，所以，在種植超富集植物的時(shí)候會(huì)優(yōu)先選擇長(zhǎng)香谷，等其完成收割以后，再進(jìn)行干燥和焚燒處理，灰分通常情況下會(huì)被當(dāng)作固體廢物進(jìn)行處理。

3.3.2 微生物修復(fù)法

微生物常常會(huì)在極端的環(huán)境中進(jìn)行生長(zhǎng)，在對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行修復(fù)的過程中，微生物修復(fù)方法具有顯著的作用。在實(shí)際的運(yùn)用過程中，可以采取與微生物修復(fù)技術(shù)相匹配的技術(shù)，使二者融合起來，促進(jìn)微生物修復(fù)技術(shù)的進(jìn)一步提升。例如，將MICP重金屬污染修復(fù)技術(shù)與微生物原位修復(fù)技術(shù)相結(jié)合，以此來促進(jìn)土壤中Pb的固定率得到進(jìn)一步的提升。

3.3.3 動(dòng)物修復(fù)技術(shù)

此項(xiàng)技術(shù)是通過土壤中的甲螨、線蟲、蚯蚓等低等動(dòng)物的間接作用（促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)、提高土壤肥力、使土壤理化性質(zhì)得到改善）或直接作用（吸收污染物、轉(zhuǎn)化污染物、分解污染物）來對(duì)受到重金屬污染的土壤進(jìn)行修復(fù)。

3.4 農(nóng)藝調(diào)控修復(fù)法

農(nóng)藝調(diào)控修復(fù)技術(shù)主要指的是：

（1）耕作技術(shù)。在對(duì)土壤實(shí)施輪作、套作和間作技術(shù)的過程中，一定要結(jié)合當(dāng)?shù)氐耐寥罈l件和氣候條件等，來選擇合適的植物品種，這樣才能夠有效的控制重金屬含量，降低對(duì)農(nóng)田土壤的污染。利用這種耕作方法，是在土壤中集中種植重金屬的高富集植物和低富集植物，利用高富集植物的優(yōu)勢(shì)作用，對(duì)低富集植物進(jìn)行保護(hù)。以某地采用的輪作技術(shù)為研究試點(diǎn)可以從中發(fā)現(xiàn)，這種耕作方法可以使土壤中Cu和As含量得到降低，從而減少重金屬對(duì)農(nóng)田土壤的污染，其中通過雙季稻和紫云英的輪作模式，能夠使As和Hg的含量得到有效的降低，同時(shí)也能夠使水稻的質(zhì)量和產(chǎn)量得到同步提升。

（2）施肥技術(shù)。在對(duì)土壤進(jìn)行施肥的過程中對(duì)氣肥施用技術(shù)和化肥施用技術(shù)等進(jìn)行合理的應(yīng)用，可以在一定程度上減少重金屬對(duì)土壤造成的污染。

（3）生物質(zhì)焦利用技術(shù)。該技術(shù)是通過生物質(zhì)焦具有的吸附作用，來使重金屬中含有的離子有效性進(jìn)行降低的方式來實(shí)現(xiàn)修復(fù)功能。

4 農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用

4.1 對(duì)于富集植物進(jìn)行合理有效的應(yīng)用

在對(duì)農(nóng)田土壤的重金屬污染進(jìn)行修復(fù)的過程中，要想充分發(fā)揮生態(tài)植物修復(fù)方法的最大化作用，首先要在對(duì)富集植物進(jìn)行選擇的時(shí)候要進(jìn)行科學(xué)的判斷和慎重的選擇。由于植物品種不同重金屬所發(fā)揮的吸收能力和富集作用就不相同，因此在選擇富集植物品種的時(shí)候就要根據(jù)相關(guān)的限量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理的選擇。

4.2 修復(fù)技術(shù)的合理選擇

上述重金屬修復(fù)技術(shù)各具優(yōu)缺點(diǎn)，所以在對(duì)土壤進(jìn)行重金屬污染修復(fù)的時(shí)候一定要結(jié)合技術(shù)的成熟度、難度和可操作性等，通過全面分析對(duì)比，來選擇最為合適的修復(fù)技術(shù)。

4.3 技術(shù)集成

由于土壤重金屬污染的程度不同，選擇的修復(fù)方法不同都可以影響到重金屬污染修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用效果，因此，在修復(fù)過程中僅僅采取一種修復(fù)技術(shù)，是很難保證修復(fù)效果的，因此，需要對(duì)各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行集成應(yīng)用，從而形成更為完善的技術(shù)體系。例如，在對(duì)農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行分析的過程中，可以用GIS技術(shù)，對(duì)污染現(xiàn)狀進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)，以此來判斷各個(gè)區(qū)域應(yīng)該采取哪種修復(fù)方法更為有效。另外，還可以通過ANN技術(shù)，來提升重金屬污染修復(fù)技術(shù)的評(píng)估效果。

5 結(jié)束語

綜上所述，人類的健康和安全與食品的安全具有直接而緊密的聯(lián)系，而食品的安全取決于農(nóng)田土壤的安全，一旦農(nóng)田土壤受到污染或破壞，就會(huì)直接影響到人類的安全和健康，因此應(yīng)該積極研究農(nóng)田土壤重金屬的修復(fù)技術(shù)，為農(nóng)田土壤的安全提供保障。雖然現(xiàn)在的土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)經(jīng)過不斷的實(shí)踐已經(jīng)取得了良好的應(yīng)用效果，但是還需要不斷的研究出更多的先進(jìn)技術(shù)，來增強(qiáng)農(nóng)業(yè)土壤的安全性，為人類的健康保駕護(hù)航。