農田土壤重金屬污染現狀及治理措施

樊建瓊

(陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075)

引言

耕地資源作為人類賴以生存的重要物質基礎一直以來受到眾多學者關注，耕地的重要性與人民群眾切身利益掛鉤。因此，國家政策、地方法規以及相關部門均提出要嚴格落實保護耕地[1]。根據第三次全國國土調查數據分析，我國耕地資源總量和優質耕地資源保有量均產生了負增長，而土壤重金屬污染問題是糧食安全的重要影響因素之一[2]。重金屬污染是當前全球面臨的重要污染問題，隨著工業污染、農業活動污染、礦產開發以及廢棄礦山污染物外排，農田土壤易受到來自多方面的重金屬污染。重金屬污染物進入土壤后，由于其本身易積累、隱蔽性強和難以根除等特點，會對農田生態環境和土壤微生物生活空間等造成嚴重危害。此外，部分重金屬還可以轉化形成毒性更強的化合物[3]。作為一個農業生產和消費大國，耕地土壤安全的重要性不言而喻，受重金屬污染的農田不僅可以造成土地資源利用率降低，同時也會降低耕地質量，造成農作物大面積減產或絕收，更為嚴重的是部分土壤污染物帶有毒副作用，通過食物循環進入人體各個臟器，引發慢性中毒等問題，嚴重損害人類身體安全[4]。為了更為有效的解決農田土壤重金屬污染問題，眾多學者從農田土壤重金屬污染物監測、來源、治理方案以及修復后評價等多個方面開展了試驗研究，但我國農田土壤重金屬污染修復技術的深度和處理能力均相對薄弱，也不能應用于大規模的工程修復中[5，6]。因此，如何從根本上摸清農田中土壤重金屬污染的來源，并制定行之有效的土壤修復措施，將是提高和改善我國耕地土壤重金屬污染的重點研究方向。

1 農田土壤重金屬污染的主要來源

1.1 工業廢棄物排放引發的土壤重金屬污染

工業生產是推進我國經濟發展的主要力量，而伴隨大量礦產資源開采和消耗均會產生嚴重的環境污染和生態破壞，同時也會產生大量有毒害的重金屬物質。如，在煤炭資源開采和燃燒，鉛鋅礦開發和利用以及含砷金屬礦的開采、冶煉，產生的重金屬物質會通過降雨淋溶等渠道流向農田，并在農田土壤中沉降聚集。而煤矸石的露天堆放，不止會產生大量有毒害廢氣，通過大氣沉降尤其是其產生的SiO2和Al2O3等重金屬污染物質，會進入農田并長期集聚在土壤中導致農田污損而無法種植作物[7，8]。另外，隨著城鎮人口和可開發利用土地資源的飽和，部分工業企業將廠址搬遷至農村區域并開展工業生產和開發，其排放的工業污水是目前最常見也最典型的農田土壤重金屬污染物來源之一，盡管國家已對工業廢水、污水排放進行了嚴格的控制，但在企業逐利天性的驅使下，較多未處理或處理不達標的工業污水直接或間接的排入江河等地表水中，長期使用未被完全降解的污染水源進入農田灌溉系統，最終被土壤中的膠質顆粒和作物根系吸附，進而通過食物鏈危害人體健康。

1.2 農業生產引發的耕地土壤重金屬污染

我國長期以來就是以農業生產為主的農業國家，為了保障全國人口的糧食安全，我國進行了長達幾十年的研究，研究結果表明，在農田中大量使用殺蟲劑，不合理施肥以及地膜等均會造成一定程度的土壤污染。構成這些農業生產要素的有機和無機材料中含有大量的重金屬，如Cu、Zn和As等[9]，此類物質的不合理過量使用，會使其含有的重金屬污染物聚集在土壤中，并伴隨作物種植過程中的土壤翻耕、犁璇等措施進入土壤耕作層。而農藥的噴灑，僅有約30%左右可附著于農作物，剩余的70%左右則通過空氣傳播至土壤中，加劇耕地土壤中農藥殘留，進而引發土壤重金屬污染，其中的Cu等重金屬污染物漂浮于作物表面和農田土壤表面，進而造成重金屬污染物超標。另外，地膜在我國耕地中已廣泛使用，雖然在一定程度上提高了作物產量，增加了群眾收益，但作物采收之后殘存于耕地土壤中的地膜將對耕作層土壤產生不良影響。截至目前，我國耕地中地膜殘留量約為2×106t，耕作層中的地膜殘留量達60kg·hm-2，由于地膜中含有Cd和Pb等重金屬元素，農民在作物采收后，一般不會對地膜進行回收，而是通過翻耕的形式將其繼續還田，伴隨使用量的加劇，不僅產生白色垃圾污染，也使土壤中的有毒害重金屬污染含量劇增，影響作物產量和品質。

2 農田土壤重金屬污染的現狀

農田土壤重金屬污染的主要有Ni、Hg、Cu、Pb、Cr、As等，且一般以離子形式存在于土壤中。重金屬元素在土壤中積累到一定程度，其含量超標后會通過釋放毒素影響土壤和作物，在加上土壤腐朽的同時，影響土地質量和作物產出率，而結合土壤重金屬分布特征及污染評級結果，農田土壤中的重金屬污染物主要為Cd和Hg等物質。截至2014年，我國受污染耕地多達8000萬hm2，占全國耕地面積的63.5%，土壤重金屬污染率就已達16.1%，而其中受到重金屬污染的占比已達20%[10]。受工業活動、農業活動以及采礦活動等多種因素影響，對農田土壤造成了極大污染。在糧食生產和糧食安全的大背景下，重金屬污染物通過各種渠道進入農田土壤，不僅會降低和削弱耕地土壤本身的肥力和耕性，同時也會由于重金屬物質的本身屬性污染土地，導致農田無法進行利用。在工業發展中的金屬冶煉、礦產資源開發等產生的粉塵、污染顆粒物、廢水廢渣等均會產生重金屬污染物，此類重金屬污染物的隱蔽性高、持久性強和難降解等特點，且具有很強的復合性，具備相當的治理難度，不僅需要高昂的治理費用也需要較大的技術可操作性，給農田土壤污染防治工作帶來極大的壓力。此外，我國重金屬污染物的排放量仍在持續增長，每年造成的糧食減產問題超過1000萬t，由此而產生的經濟損失超過200億元。另外在其隱蔽性高的特點下，農田土壤重金屬無法快速的被察覺，只能通過作物長勢和專項檢測等方式才能被發現，而重金屬污染的治理成本和治理周期均較長，尚未形成極具效果的修復技術。此外，部分地區群眾對重金屬污染重視程度不夠，作物采收后會進入市場，會隨著食物鏈在人體內積累，引發中毒危害。

3 農田土壤重金屬污染的修復舉措

3.1 生物修復方法

生物修復方法主要包含植物修復和動物修復等。植物修復技術是將可吸收污染物的植物多次種植在污染區域內，可以有效去除土壤污染物的一種技術。該技術具有一定的局限性，一般僅修復污染源單一且不嚴重的土壤，若土壤受到嚴重污染，將無法進行修復，并且會使植物發生死亡。這些植物如果被動物食用，可能會導致污染面積擴大，該項修復技術，使用周期最短3年，因此在選擇時間需結合修復目的與污染程度綜合考慮。生物修復技術是將有機營養物加入修復土壤中，或著合理控制土壤中的氧氣含量，利用微生物正常生理代謝過程中產生的有機酸可較為有效的對土壤中重金屬污染物進行吸收，以此實現土壤污染修復，最終達到修復效果。但值得注意的是，微生物在土壤中新陳代謝是一項十分復雜的生理過程，其微生物菌群之間是否會發生紊亂或者由于環境變化導致微生物菌群死亡，也有對土壤造成二次污染的可能性。微生物修復技術適合于大面積的土壤污染治理，但治理周期較長，并且由于土壤性質和傳播方法等因素，造成有機物無法均勻分散現象。

3.2 物理修復方法

物理修復方法主要包含電動修復技術、客土換土技術和熱脫附修復技術等。電動修復技術是以電子在電場中的遷移為基礎進行修復。修復過程中，通過電場作用，遷移土壤內存在的金屬電離子，達到修復治理污染的效果。電動修復技術的優勢在于可定期對土壤進行修復，并且不會破壞土壤的自身結構，應用范圍較廣，操作方法簡單、便捷。缺點在于修復期間存在較多資源的消耗，可能會導致突然酸堿度發生變化，無法達到穩定的修復效果。在實際應用中，一般采用活性劑作為強化劑，提高修復效果?？屯翐Q土修復技術主要針對污染較小的土壤，該技術是將干凈的土壤摻入污染土壤中，以此將污染問題減輕并起到修復作用。換土是將污染的土壤用干凈土壤替換，使原始受污染的土壤得以改善。以上2種方法，都存在較多的缺點，并且受限制影響因素較多，因此在實際應用較少。物理修復的主要特點在于雖然污染土壤在經處理過后會較為有效地改善土壤條件，污染物去除效果也較為顯著，其所耗費的時間也較短，但其修復成本較高，且在修復過程中易引起二次污染等問題，不能實現大范圍改良土壤的效果。

3.3 化學修復方法

化學修復方法主要包括固化技術和土壤淋洗技術，固化技術是向土壤中加入固化劑，使土壤污染物與固化劑發生物理化學反應，最終在固態材料中充分封固污染物，將污染物轉化為具有穩定化學性質的物質，再將其進行擴散和轉移，使得土壤得到有效修復。該項技術應用范圍更廣，且發展應用較為成熟，但在應用過程中，需要數量巨大的固化劑，最終產生的效果并不理想，同時也可能影響土壤自身性質，若處理不當，還可能發生二次污染。因此在修復治理前，需對土壤污染情況進行充分了解，同時明確修復目標。土壤淋洗技術是將土壤和化學洗滌劑進行混合，使有害物質和洗滌劑物質發生反應，進而將土壤和污染物之間進行分離，完成分離后將其及時回收，最后實現修復目的達到修復效果。該項技術的缺點在于無論洗滌劑是何種成分，在使用后都會降低土壤肥力。洗滌劑按成分可分為堿性和酸性2類，酸性洗滌劑具有良好的修復效果，但會嚴重破壞土壤，導致土壤性質出現改變。目前，化學洗滌劑內部成分通常都通過生物表面活性劑替代，可減少土壤受到破壞的情況，使得污染土壤得到有效修復。但在實際應用中仍存在較大可能導致土壤二次破壞現象發生，所以該項修復技術應用較少。因此還要不斷積極探索研究該項措施和其他技術的聯合應用，使得土壤遭受破壞的程度降到最低，與此同時提高污染土壤修復效果，只有這樣才能大范圍應用和推廣。

3.4 聯合修復技術

重金屬污染的農田土壤中，一般并非單一的污染源，而是有多種污染源和多種污染組合方式并存的形式存在，由此而產生的污染程度及污染厚度均非單一的重金屬污染源所能比擬。因此，單一的修復技術往往較難徹底的修復農田土壤重金屬污染物，協調2種甚至多種土壤聯合修復技術則成為將來需重點研究的方向。聯合修復技術，是將微生物-植物-動物聯合修復、化學生物聯合修復、物理化學聯合修復以及生物炭、蒙脫石散修復等多種技術相結合，既能提高受污染土壤的整體修復效率和速率，也可以克服單項技術的一些局限性。但截至目前，聯合修復技術尚處于持續研究階段，各種組合形式也尚需進一步試驗驗證其修復效果，并對后期環境是否產生影響也是需要注意的研究方向。

4 結語

土壤重金屬污染治理的主要機制是對土壤中的重金屬有毒害物質進行祛除，在盡可能還原土壤本質的基礎上實現對土壤重金屬污染物的控制，其基本方式是根據物理、化學和生物或相結合的原理來進行污損土壤修復。我國于2016年提出《土壤污染防治行動計劃》，為我國開展農田土壤重金屬污染修復技術的發展提供了政策依據。本文從土壤重金屬污染物的主要來源出發，分析了農田土壤重金屬污染現狀，并針對性地提出了修復土壤重金屬污染物的修復技術，以期更好地為農田土壤重金屬修復工作服務，切實保障國家糧食安全。