農田土壤鎘污染現狀和修復技術探析

張恒張健王煥劉成昆何波

（1格豐科技材料有限公司，江西萍鄉 337000；2萍鄉市農業環保能源站，江西萍鄉 337000）

耕地土壤是人類生存發展的基礎，是人類最基礎的生活保障。自20世紀80年代以來，我國社會經濟快速發展，農業生產和工業活動等給農田土壤帶來污染。不斷累積的土壤污染問題在21世紀初逐漸顯現，對生態環境、農產品質量安全以及人類健康構成了嚴重威脅。

1 農田鎘污染現狀和危害

我國環境保護部2014年公布的《全國土壤污染情況調查公報》顯示，在被調查的多種重金屬污染中，鎘點位超標率最高，數值達到7.0%。據統計，我國農田鎘污染涉及10余個省（市）共25個地區，面積近1.33萬hm2。彭曦[1]對我國22個省水稻土鎘含量展開調查，發現被調查的近200個樣品中，湖南地區鎘含量最高，達到1.12 mg/kg。長沙地區，尤其是部分城鄉結合區域內，被鎘污染的農田占比達到3/4[2]。其他區域的農田鎘污染也比較嚴重。農田土壤中的鎘很難在土壤中分解，更難從土壤中遷出。其脅迫可能引起土壤營養元素缺乏，直接對農作物造成嚴重的危害，比如會對營養元素在農作物中的吸收和轉運產生負面作用，影響農作物的生長發育，進而降低產量[3]。Mendyka等[4]和華 珞等[5]對玉米和小麥研究中發現，當農田土壤中鎘含量達到一定值以后，會對相關作物產生毒害作用，同時會造成玉米和小麥減產。我國農田鎘污染范圍廣、面積大、程度嚴重，對鎘污染農田土壤進行修復迫在眉睫。

2 農田鎘污染修復技術

物理、化學和生物方法是傳統以及現階段比較常用的農田鎘污染修復方法。其中，物理方法通過去除或者分離污染土壤中的鎘來達到修復的目的；化學方法通過添加改良劑或者其他有效化學試劑到土壤中，改變土壤pH值、氧化還原電位以及鎘的形態，從而降低土壤中鎘的活性和生物有效性；生物修復通過利用動物、植物和微生物等修復主體對農田土壤鎘進行轉化、固定、吸附以及降解，從而起到修復的作用。

2.1 物理修復

常用的物理修復方法包括客土法、換土法、電修復法以及深耕法等。客土法屬于工程治理類型的方法，原則上在污染土壤中添加無污染土壤，使作物根系與無污染土壤接觸，以減少作物對鎘的吸收，最終達到修復的效果。客土法適用范圍有限，僅適用于鎘污染程度較輕且取客土比較方便的地區[6]。換土法指用無污染土壤替換污染土壤，以達到修復的目的。換土法由于工程量大、適用范圍有限，僅在鎘污染土壤面積較小時采用，目的是防止污染范圍擴大。有研究表明，客土法和換土法能夠有效降低稻田土壤鎘含量，同時降低稻米中鎘含量50%[7]。但是，這2種物理修復方法設備比較復雜，耗時、耗材、耗力，同時會破壞土壤結構，還可能導致二次污染。因此，客土法和換土法在農田鎘污染土壤修復中不建議大規模推廣和使用。電修復法指通過電極通電使污染土壤中鎘離子在電場的作用下向電極區富集，進而使用共沉淀、電鍍等方法將土壤中的鎘離子分離，最終達到修復的目的[8]。總體而言，物理修復方法缺點明顯，在未來鎘污染土壤修復領域發展局限性較大。

2.2 化學修復

化學修復是一項技術較為成熟、效果較為顯著的修復方法。從目前來看，添加改良劑是化學修復中最為常用的手段。有研究表明，在農田鎘污染土壤修復中使用的改良劑大多為膨潤土、石灰、磷酸鹽以及沸石等，這些改良劑通過調節土壤pH值以及吸附、沉淀、離子交換、絡合等化學反應來降低鎘的有效性，從而達到修復的目的[9-12]。Basta等[13]在礦區污染土壤中添加化學改良劑，發現鎘的有效濃度下降達94.6%。呂高明等[14]研究表明，在污染土壤中添加膨潤土，交換態鎘含量相比對照降低了7.75%。陳懷滿等[15]研究表明，在對鎘污染比較嚴重的沈陽某區域添加大量的石灰，作物籽粒中鎘含量較對照降低了50%。Yang等[16]研究表明，在pH值小于6的污染土壤中添加磷化物，重金屬元素的降解效果顯著提高，容易形成穩定的化合物，最終達到修復效果。目前，向土壤中添加改良劑來修復鎘污染有一定的效果，但是從土地可持續發展角度分析，未來的農業生產中應盡量減少化學品的添加。

2.3 生物修復

生物修復主要包括植物、動物以及微生物修復。其中，植物修復通常指通過提取、揮發以及降解等方式進行農田鎘污染土壤修復，而植物提取是最適用、最常見的方式，其中以超富集植物效果最好。超富集植物是指對鎘吸附和富集能力強且轉運系數較大的植物，目前我國發現的鎘超富集植物有20種以上[17]。動物修復指通過一些低等動物在土壤中的代謝活動來對鎘進行吸收、轉化以及分解，最終達到修復鎘污染土壤的目的。Ramseier等[18]研究表明，在鎘含量嚴重超標的土壤中添加蚯蚓，蚯蚓富集鎘含量達到120 mg/kg，進而降低了土壤中鎘含量。成杰民等[19]在鎘污染土壤中添加蚯蚓后發現，鎘的生物有效性較對照顯著降低，同時作物的產量有所提高。微生物修復指利用某些微生物通過氧化還原反應來降低土壤鎘含量，在修復鎘污染土壤方面效果顯著。有研究表明，在污染嚴重的礦區篩選出的高抗性微生物可以分泌胞外聚合物，吸附固定重金屬，使其形成難溶物質，進而降低有毒離子的遷移性和生物可利用性[20]。Suksabye等[21]研究表明，銅綠芽孢桿菌的添加能使污染土壤中的鈣、鎂等離子浸出，并對植物吸收鎘產生競爭，在降低水稻籽粒鎘含量的同時，增加植物干重和籽粒中礦質養分的積累；Treesubsuntorn等[22]研究表明，添加枯草芽孢桿菌可以降低水稻植株各部分的鎘積累量，同時其具有溶解磷酸鹽、產生生長素的作用。

2.4 聯合修復技術

同時采用2種及以上修復技術可以提高土壤鎘污染修復效率，還可以彌補單一土壤鎘污染修復技術的不足。近年來，植物化學、植物微生物、微生物化學以及動植物等聯合修復技術不僅修復效果顯著，而且修復方法較為環保。Ma等[23]使用電修復+化學修復的研究表明，電動（EK）處理表層土鎘去除率可以達到9.38%，1%氯化鉀+EK處理的鎘去除率可達到84.06%，該組合技術可減輕種植水稻和蔬菜的土壤鎘污染。劉金[24]在其研究中使用植物修復+化學修復發現，草酸淋洗聯合礦山型東南景天修復鎘污染土壤，可以提高鎘去除效果。婁晨[25]使用生物修復+化學修復的研究中發現，該復合體系在鎘污染土壤中修復效果顯著，土壤總鎘和有效態鎘含量分別降低14.93%～16.57%和33.79%～35.04%。劉曉月等[26]對比了由多種天然礦物復配的土壤調理劑、由赤泥與農業固體廢棄物復配的調理劑以及由生石灰、磷酸鹽和復合肥復配的調理劑。結果發現，所選擇的調理劑均能提高土壤pH值，同時降低有效鎘含量和鎘的生物有效性。

2.5 新材料修復

隨著科學技術的發展，介孔材料、功能膜材料以及石墨烯材料等新型材料在農田土壤重金屬修復研究中成為熱點。比如，納米零價鐵具有強反應活性、較高的還原效率和速度、較強的吸附能力，同時比表面積大，這些優點在污染土壤修復中對土壤環境擾動小且對土壤和作物的風險低，是極具潛力的修復材料[27]。0.10%（質量比）海藻酸鈉改性的納米零價鐵可使底泥中殘渣態鎘的比例提高41.79%[28]。另外，有研究表明，使用復合材料調理劑能夠大大提高農田鎘污染修復效率，從而降低鎘含量。黃腐酸本身是植物生長調節劑，同時具有吸附、絡合重金屬的作用，在黃腐酸中加入微生物菌劑可增強黃腐酸對土壤的綜合調理性能，可同步實現土壤修復和培肥[29-30]。曹庭悅等[31]研究發現，在污染土壤中添加硅和磷新材料，水稻中鎘的吸收和轉運受到了抑制。

3 結語

就未污染土壤而言，防治鎘污染最關鍵的環節是控制污染來源，讓化工企業、交通道路等污染源遠離農田，同時嚴格控制農業投入品、灌溉水等的質量。隨著科技的進步，人們對鎘污染的認識和重視程度逐步提高，修復技術也在不斷進步。本文對我國農田鎘污染及其修復技術進行簡單的綜述，并指出聯合修復和新材料修復技術是未來農田土壤鎘污染修復技術研究和應用中不可缺少的一部分，以期強化土壤污染管控和修復，有效防治農業面源污染。