礦區中低產農田土壤重金屬削減技術

馬英群 馬銀花 譚志雄 張涵 張亞琦 段仁燕

摘要 礦區中低產農田的重金屬在土壤中具有可遷移性、多樣性、長期隱蔽等特點，是造成農田低產的主要因素。我國礦區中低產農田重金屬污染問題十分突出，削減重金屬比較困難，有必要對污染修復進行深入系統的研究。本文主要概括了礦區中低產農田土壤特點以及重金屬對于農田的危害，歸納整理了目前主要的土壤重金屬削減技術，通過對不同削減技術進行比較，對我國礦區中低產農田的重金屬污染治理進行了展望。

關鍵詞 礦區中低產農田土壤；重金屬污染；削減技術

中圖分類號 Q89? ?文獻標識碼? A

文章編號 1007-7731（2023）03-0161-04

根據《全國土壤污染狀況調查公報》，我國土壤重金屬含量超標率高達16.1%，其中土壤污染的類型可以分為無機型、有機型、復合型污染三類，人類活動使得農田土壤污染日漸嚴重，農作物生長受到影響[1]。采礦中重金屬大量流失造成礦區土壤重金屬污染的現象層出不窮是目前生態文明建設必須面對的重要環境問題。為此，了解礦區農田土壤重金屬污染特點并針對性地采取削減技術修復治理具有重要意義[2]。

1 礦區農田土壤重金屬污染的特點

1.1 遷移轉化快

重金屬流入土壤會伴隨著一系列化學、物理反應，重金屬會在各種反應過程中遷移和轉化，最終存留于土壤間隙被植物體吸收，從而影響農田生態環境。重金屬能被土壤中的膠體吸附在表面或被土壤礦物顆粒包含，溶解和沉積在土壤中的重金屬元素均能被氧化和被還原，而且重金屬元素很難降解，在土壤中長期富集后會轉化為有機金屬化合物，其毒性和危害性大，抑制土壤生物的活性以及土壤生物酶的活性[3]。另外，土壤在生物地球化學循環中起著關鍵作用，土壤中的納米金屬顆粒可下滲進入地下水，也可被動植物吸收后經食物鏈傳遞富集，納米金屬顆粒在土壤中遷移轉化過程中受到土壤環境（pH、離子強度、離子價態、溫度、DOM）的影響會發生吸附/解吸、分散/沉降、解離和氧化/還原等遷移轉化過程[3]。

1.2 存在形式多變

農田土壤重金屬污染程度只有依靠對土壤樣品檢測和分析或者對農作物、人、動物的檢查才能顯現。土壤中重金屬元素會隨著土壤pH的變化發生各種物理和化學反應，其存在形態多樣，在不同農田土壤中的毒性、穩定性存在較大差異，從而增加了重金屬污染的治理難度。如游離態Cu、Zn、Pb等重金屬元素，毒性高于絡合物，進一步增加了土壤中重金屬元素毒性，此外，土壤中的重金屬元素還會通過各種物理和化學反應形成毒性遠大于無機物的有機物。

1.3 難以降解

重金屬元素一旦流入農田土壤，就將被土壤礦質等吸附和包含，難以被生物分解，無法通過簡單的方法去除，另外，土壤中的微生物會將各種重金屬元素在生物體內富集，或者轉化為毒性更大的甲基化合物。由此可見，農田土壤中重金屬元素的難消除性增加了后期處理難度[3]。且農田土壤中的重金屬元素在土壤或生物體內長期的積累會給土壤生態系統和人體產生不利影響，短期內難以恢復。

2 礦區農田土壤重金屬污染的危害

2.1 影響土壤理化性質

2.1.1 破壞土壤結構。由于能夠影響土壤中酶的活性，改變土壤的酸堿度，所以重金屬元素富集到一定濃度時可能會破壞土壤結構，導致土壤孔隙度降低、板結，最終影響其通氣性與含水量，農田土壤將變得貧瘠。

2.1.2 影響物質轉化。相同含量的重金屬元素在不同理化性質（土壤的水分、氧化還原、酸堿度、有機質、溫度等）的土壤中可能表現出不同的物質性質和理化狀態，影響元素轉化和作物對元素的吸收[4]。因此，農田土壤重金屬元素會影響土壤中生物與非生物間的反應及交換，如土壤的碳、氮、磷及鉀循環，影響農田土壤的質地、pH、孔隙度等，最終改變土壤的結構性質和營養成分。如土壤pH的大小不僅影響植被的生長，更與土壤養分的釋放和土壤微生物酶活性有關[5]，是影響土壤肥力的重要因素。

2.2 影響土壤生物生長

2.2.1 影響農作物生長。土壤中的重金屬元素會在灌溉水源時通過根、莖、葉等部位進入植株內，使得農作物中重金屬元素含量超標，破壞農作物的酶系統、葉綠素合成以及核酸代謝水平等，進而造成品質下降、作物減產。

2.2.2 影響微生物正常代謝。真菌、細菌、藻類等微生物，在土壤的固氮、硫化、硝化以及有機質的分解和養分轉化中發揮著重要作用。農田土壤重金屬元素超標會抑制微生物代謝甚至致其死亡，造成微生物群落組成和結構發生改變。

2.2.3 影響人體健康。農田土壤重金屬通過食物鏈到達人體，不斷累積使得人重金屬中毒，嚴重威脅人類生命安全。

3 礦區農田土壤重金屬的削減技術

3.1 物理修復技術

3.1.1 工程治理技術。工程治理技術效果較好，治理體系相對完善，缺點在于治理費用比較高，土壤肥力容易下降，而且開展過程較為復雜[6]。

（1）翻土與客土法。翻土法通過人力或器械深翻土壤，將土壤中上層的重金屬深翻入更深層土壤中，稀釋土壤中重金屬殘留濃度。而客土法是將污染物和重金屬殘留少的土壤混合放到污染土中，降低土壤重金屬含量使其達到污染的臨界值。翻土法和客土法能夠十分有效地治理較輕的土壤污染，在短期內達到既定修復目標。

（2）熱處理法。熱處理技術是通過高溫加熱的方式，將一些易揮發的重金屬元素從土壤中分離出來。此種方法可以固定部分重金屬，降低它們對于環境的污染[7]。

（3）固化法。固化法是在受重金屬污染的土壤中加入固化劑，降低重金屬的遷移性和生物的有效性，改變土壤的理化性質，從而使重金屬物質減少[8]。石灰、水泥、粉煤灰等均可作為固化劑使用。

3.1.2 土壤淋洗。土壤淋洗是用適量的提取劑促使土壤中的重金屬向液態方面轉變，該過程會導致土壤中部分提取劑殘留，但通過清水淋洗就能夠將殘留的提取劑清除[9]。

3.1.3 玻璃化技術。玻璃化技術是在高溫高壓的條件下，在土壤中加入一些導電材料使重金屬形成穩定玻璃態物質，用于防治重金屬污染嚴重的土壤[10]。

3.2 化學修復技術

3.2.1 化學改良劑或抑制劑。化學修復成功必須以合理地化學制劑使用作為保障[11]。化學改良技術將改良劑加入到土壤中，與其中金屬發生反應，從而使金屬被固著降低其活性，減小對植物的危害性，最終實現治理和修復土壤[12]。在修復過程中，常見的化學改良劑主要有石灰、石膏、蒙脫石木質素物料、海藻提取物、硫磺粉、腐植酸肥等物質[13]。

3.2.2 化學淋洗法。化學淋洗法是通過注入、抽吸含有一些金屬配位體的清潔無污染的提取液淋洗土壤多次，通過配位體與土壤中的重金屬絡合成化學性質穩定的物質并隨淋洗液的抽吸脫離，將吸附在土壤表面的重金屬元素去除[10]。

3.3 生物修復技術

3.3.1 植物修復技術。植物修復技術是采用植物吸附、徑流、蒸騰等作用將重金屬大量地轉移到植株體內實現修復土壤的目的[12]。此種方法有許多優點，比如修復面積廣、成本低、對土壤干擾小、操作方便、管理簡單和無二次污染等[14]。但植物修復在重金屬污染土壤中處理時間長，易受重金屬濃度影響，其在突發重金屬污染土壤事件中的應用依然面臨挑戰。本研究提供一種樹脂-植物聯合修復的方法，在短時間內樹脂抑制土壤中重金屬的遷移，保護植物初期生長，隨后重金屬緩慢釋放，被修復植物吸收，最終將重金屬污染物從土壤中去除[15]。

3.3.2 微生物修復技術。微生物修復技術是指在適宜的環境中，利用不同類型微生物代謝等生理作用，將重金屬降解或將高毒有機物轉化成低毒或無毒。土壤中的細菌表面具有某些特殊結構可以吸附重金屬物質，真菌與細菌處理土壤重金屬污染有相似機理，能夠與汞、鉛等重金屬元素發生配位絡合作用，形成穩定的絡合物。藻類對重金屬具有一定的耐性機制，能夠誘導有機物質自由基或活性氧的生成，利用藻類生物處理修復技術是土壤重金屬污染常用的修復方式之一，其吸附性能往往高于其他細菌、真菌等生物[16]。

3.3.3 動物修復技術。動物修復能夠通過動物取食重金屬有效減少土壤中重金屬的含量，在不影響這些動物的正常生長的同時能夠改良土壤結構、分解枯枝落葉、增加土壤肥力、促進營養物質循環等[17]。

3.4 聯合修復技術

因為土壤的理化性質不同，所以各地區土壤污染類型及特征也存在差異。針對不同的土壤污染，需要采取聯合修復技術替代單一修復技術，發揮各項技術的聯合修復優點。“微生物-植物”聯合修復可強化微生物與植物的共生關系、增強微生物去除污染物的能力；“植物-動物”聯合修復可通過動物或其排泄物的作用改善土壤環境、促進植物生長，同時通過植物根系改善動物的生存環境；“微生物-動物”聯合修復可在動物搬運攝食、消化排泄等過程中強化微生物的生長代謝能力[18]。其中，聯合修復技術主要有：降解菌/真菌-超積累植物的組合修復；土壤動物-植物-微生物組合修復；絡合增溶-強化植物修復；化學氧化-生物降解修復；生物-蒸汽浸提修復；光催化納米材料修復[7]。

3.5 農業生態修復技術

3.5.1 農藝修復。農藝修復措施是一種與養地制度相適應的栽培制度，如施用重金屬含量少的肥料，增施固定肥，合理種植作物，調整作物品種，以減少農作物對重金屬吸收[19]。

3.5.2 生態修復。生態修復措施是利用調節土壤的水分、酸堿度和氧化還原電位等因素，降低重金屬的活性和生物有效性。土壤中的重金屬大多為過渡元素，元素的化合價變化多樣，隨著農田土壤水分、酸堿度、氧化還原電位等外界環境條件的變化，土壤金屬存在形式以及理化性質也不同。因此，調節土壤的水分、酸堿度和氧化還原電位，能夠有效降低重金屬的活性和生物有效性，是農田土壤重金屬污染修復重要的舉措[19]。

4 結論

礦區中的重金屬元素主要通礦物金屬、固體廢棄物、固體沉降的方式浸入農田土壤中。重金屬污染導致農田肥力降低，土質變差，很難達到高產優質的要求。重金屬削減技術可以有效減少或降低礦區低產農田重金屬含量[20]，使農田土壤能夠快速恢復高產，同時減少重金屬的富集，使人體通過食物鏈攝取的重金屬含量降低。

5 參考文獻

[1] 劉維明，黃增，鄧超冰，等.大環江流域重金屬污染土壤的3種修復技術研究[J]. 江西農業學報，2016（10）：94-97.

[2] 陳能場，鄭煜基，何曉峰，等.《全國土壤污染狀況調查公報》探析[J].農業環境科學學報，2017，36（9）：1689-1692.

[3] 歐陽文婷.農田土壤重金屬污染及綜合治理研究[J].資源節約與環保，2021（7）：26-27.

[4] 周立國，朱江源，范偉順，等.淺析土壤理化性質對元素遷移轉化的影響[J].山東國土資源，2021（9）：46-51.

[5] 韓煜，王琦，趙偉，等.草原區露天煤礦開采對土壤性質和植物群落的影響[J].生態學雜志，2019（11）：3425-3433.

[6] 王智慧.淺談煤礦區周邊土壤重金屬污染及其綜合防治[J].現代鹽化工，2021（3）：57-58.

[7] 徐磊，周靜，崔紅標，等.重金屬污染土壤的修復與修復效果評價研究進展[J].中國農學通報，2014（20）：161-167.

[8] 叢苗苗. 新形勢下土壤重金屬污染物理修復若干方法探討[J]. 黑龍江國土資源，2018（1）：49.

[9] 趙盈麗，黃祖浩.金屬礦區污染修復技術選擇簡析[J].內蒙古煤炭經濟，2019（20）：200-201.

[10] 駱欣，楊怡心，敖燕環.礦區土壤重金屬污染修復技術研究進展[J].華北科技學院學報，2019（1）：49-54，62.

[11] 周連碧，王瓊，楊越晴.典型金屬礦區污染土壤生態修復研究與實踐進展[J].有色金屬（冶煉部分），2021（3）：10-18.

[12] 韋朝陽，陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復技術研究進展[J].生態學報，2001（7）：1196-1203.

[13] 朱慧君，江婷，郭海川.重金屬污染土壤修復技術研究進展[J].生物化工，2019（2）：1196-1203.

[14] 趙云峰，張濤，田志君，等.礦區周邊重金屬污染土壤植物修復技術研究進展[J].城市地質，2020（1）：22-33.

[15] 李瑞豐，蘭貴紅，魯瑩純，等.樹脂-植物聯合修復法在重金屬污染土壤中的應用研究[J/OL].應用化工：（2022-01-17）：1-8.

[16] 劉穎. 微生物在重金屬污染土壤修復中的作用研究[J]. 化工設計通訊，2021（10）：196-197.

[17] 黃先順，張慶濤，樊濟攀.礦區土壤重金屬污染修復技術研究進展[J].廣東化工，2017（15）：161-163..

[18] 王慶宏，鄭逸，李倩瑋，等.污染土壤生物聯合修復機制研究進展[J/OL].環境科學研究：（2021-12-04）：1-16.

[19] 馬鐵錚，馬友華，徐露露，等.農田土壤重金屬污染的農業生態修復技術[J]. 農業環境與發展，2013（5）：39-43.

[20] 徐露露，馬友華，馬鐵錚，等.鈍化劑對土壤重金屬污染修復研究進展[J]. 農業資源與環境學報，2013（6）：25-29.

（責編：張 蓓）

基金項目 湖南省科技創新人才計劃大學生科技創新創業項目（2021RC1016）；湖南省重點研發計劃（2021NK2030）；國家級大學生創新創業訓練計劃項目（202110553001X，2021CX3686）；湖南省教育廳重點項目（21A0552）。

馬銀花*通信作者

收稿日期 2022-04-21