農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染監(jiān)測技術(shù)分析

張家口市環(huán)境監(jiān)測站 武旻 高麗星 李子雁

前言

農(nóng)業(yè)土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，而重金屬污染對農(nóng)業(yè)土壤的影響已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染問題日益突出。不同地區(qū)的農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染狀況存在著很大的差異，影響因素也各不相同。因此，開展農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染監(jiān)測技術(shù)的研究具有重要的理論和實踐意義。

1 農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染現(xiàn)狀

1.1 重金屬污染嚴(yán)重超標(biāo)

隨著我國工業(yè)化和城市化的進(jìn)程加快，大量工業(yè)企業(yè)排放出的含有重金屬的廢氣和廢水進(jìn)入大氣、土壤和水體，嚴(yán)重污染了環(huán)境。這些重金屬物質(zhì)通過風(fēng)化、徑流等途徑遷移到農(nóng)田，最終富集在農(nóng)業(yè)土壤中。多項監(jiān)測結(jié)果顯示，當(dāng)前我國很多地區(qū)的農(nóng)業(yè)土壤中鉛、鎘、汞、鉻、砷等重金屬元素的含量已經(jīng)嚴(yán)重超過國家和地方標(biāo)準(zhǔn)，部分地區(qū)超標(biāo)達(dá)到10 倍以上，污染狀況十分嚴(yán)重。土壤重金屬污染還通過食物鏈最終危害人體健康，因此農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染問題的嚴(yán)重性不容忽視。

1.2 各地重金屬污染有差異

我國不同地區(qū)的農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染狀況存在較大差異。東部工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大省如河北、山東、江蘇等省份，農(nóng)田土壤重金屬污染問題較為突出。而西部偏遠(yuǎn)省份如青海、新疆等地區(qū)，由于人類活動較少，土壤環(huán)境質(zhì)量相對較好，重金屬污染問題較輕。土壤類型、氣候條件等自然環(huán)境的差異，以及工業(yè)廢氣排放量、施肥農(nóng)藥使用量等人為活動強度的差異，共同導(dǎo)致了各地農(nóng)田土壤重金屬污染狀況的差異[1]。為科學(xué)評估土壤污染風(fēng)險，我們有必要開展常規(guī)監(jiān)測，明確各區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量狀況及動態(tài)變化趨勢。

2 農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的影響因素

2.1 工業(yè)生產(chǎn)活動

工業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生的廢氣和廢水，是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的重要原因。實際上，我國許多工業(yè)園區(qū)和工礦企業(yè)，污染治理設(shè)施不完善，大量含重金屬的廢氣和廢水就直接排放出去了。這些重金屬物質(zhì)，要么隨風(fēng)塵四散，要么隨廢水流入周邊河流和湖泊，最后都會進(jìn)入周邊農(nóng)田。一旦重金屬在土壤中積累到超過環(huán)境容量，就會對農(nóng)作物和土壤微生物造成傷害，這對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是個隱患。

2.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動

長期濫用農(nóng)藥化肥，也是土壤重金屬污染的罪魁禍?zhǔn)?。如今，不少地方農(nóng)藥化肥用量超標(biāo)嚴(yán)重，部分劣質(zhì)農(nóng)藥化肥原料重金屬成分高，久而久之土壤重金屬堆積越來越多。還有，單一化學(xué)肥料會酸化土壤，也會促成土壤中重金屬的釋放。這些重金屬污染，對土壤微生物和農(nóng)作物的危害性不容小覷。整改刻不容緩，否則農(nóng)產(chǎn)品安全和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展難以為繼。

2.3 生活垃圾

城市生活垃圾的大量產(chǎn)生和無序堆放也成為導(dǎo)致周邊農(nóng)田土壤重金屬污染的重要因素。生活垃圾中塑料、電池、涂料等物品中含有鉛、鎘、汞、鉻等成分，在無序焚燒或長期露天堆放的條件下會逐步揮發(fā)或滲漏，最終通過大氣沉降或地表徑流的形式遷移和富集到附近農(nóng)田土壤中。另外，生活垃圾中還含有大量的餐廚垃圾和降解緩慢的有機物，這些組分在填埋或堆肥利用過程中會產(chǎn)生大量的沼氣和滲濾液。滲濾液中常含有高濃度的氨氮、重金屬等污染物，很容易通過地下徑流遷移到周邊土壤并匯聚富集[2]。重金屬進(jìn)入土壤后會破壞土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤肥力，同時被作物吸收最終影響食品安全。如果生活垃圾得不到規(guī)范化處理，其中所含重金屬的遷移轉(zhuǎn)化將嚴(yán)重威脅周邊土壤環(huán)境的可持續(xù)利用。

2.4 交通污染

交通運輸工具產(chǎn)生的廢氣排放中含有大量鉛、鎘等重金屬成分，這些重金屬會隨尾氣的擴(kuò)散最終沉積在道路周邊的土壤中。隨著私家車數(shù)量的不斷增多，這一問題日益嚴(yán)重。有調(diào)查顯示，北京近20 年間，主要路段邊土壤中的鉛、鎘與20 年前相比分別增加了2 倍和8 倍。這種交通運輸造成的土壤重金屬污染已對周邊農(nóng)田和農(nóng)作物品質(zhì)造成嚴(yán)重影響。重金屬會阻礙植物對磷、鉀、鎂、鈣等營養(yǎng)元素的吸收利用，影響植物的正常生長；也會通過食物鏈進(jìn)入人體，威脅人體健康。此外，重金屬污染還會降低土壤肥力，改變土壤酶活性及其他生物學(xué)性質(zhì)，削弱土壤系統(tǒng)的生態(tài)功能。如果問題得不到及時有效的治理和防控，將對糧食安全和土壤的可持續(xù)利用能力造成難以挽回的損害。

2.5 污水灌溉

水資源匱乏地區(qū)存在大規(guī)模直接利用工業(yè)或生活污水灌溉農(nóng)田的現(xiàn)象。這些污水通常含有較高濃度的鎘、鉻、銅、鉛、汞、鋅等有害重金屬。長期污水灌溉將導(dǎo)致土壤和農(nóng)產(chǎn)品中的重金屬濃度逐步累積升高[3]。河北等干旱地區(qū)曾多次出現(xiàn)因污水灌溉引發(fā)的土壤和農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標(biāo)事件。未來必須加強水資源節(jié)約循環(huán)利用，逐步減少直接污水灌溉?；蛟谖鬯喔惹白龊妙A(yù)處理，降低土壤重金屬污染風(fēng)險。

3 農(nóng)業(yè)土壤重金屬檢測方法

3.1 野外取樣

在農(nóng)業(yè)土壤重金屬監(jiān)測中，野外取樣是首要步驟。不同種類的土壤，如黃壤、黑土、沙壤等，其對重金屬的吸附能力不同，需要根據(jù)土壤類型來設(shè)計取樣點。此外植被覆蓋也會影響表層土壤的流失和重金屬聚集。降水量的大小會改變重金屬的遷移狀態(tài)。因此取樣前需充分考慮上述因素，選擇能代表當(dāng)?shù)赝寥揽傮w特征的點位。采樣要規(guī)范操作，要使用干凈工具和容器，確保樣品的代表性和可比性，為后續(xù)分析提供準(zhǔn)確依據(jù)[4]。采樣點的選擇應(yīng)當(dāng)充分考慮可能存在的污染源，例如工業(yè)排放、農(nóng)藥使用等，以及土壤的自然特征，如酸堿度、有機質(zhì)含量等。采樣時需使用干凈的工具和容器，并避免與可能污染的物質(zhì)接觸，確保取樣過程的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2 實驗室分析

采集的土壤樣品在實驗室中進(jìn)行重金屬含量分析前，樣品通常需要進(jìn)行前處理，如用干燥器去除樣品中的水分，然后采用球磨機等設(shè)備將土壤研磨成粉末，增加化學(xué)實驗的反應(yīng)界面。接下來進(jìn)行酸消解預(yù)處理，常見方法有王水消解、濃硝酸-全氟酸消解等，目的是破壞土壤樣本的結(jié)構(gòu)，釋放土壤中含有的重金屬。預(yù)處理完成后，可采用原子吸收光譜儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀等儀器對消解液中的重金屬元素含量進(jìn)行測定，包括鉛、鎘、鉻、汞等。這些的技術(shù)靈敏度高，能夠檢測很低的重金屬濃度，定量結(jié)果準(zhǔn)確。樣品消解是將土壤樣品中的有機和無機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為溶液的過程，可以為后續(xù)的分析提供條件。重金屬元素的測定可以采用多種方法，如原子吸收光譜法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法等，以確保測定結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.3 數(shù)據(jù)處理

實驗室得到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理才能得出農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的程度和分布情況。數(shù)據(jù)處理的過程包括數(shù)據(jù)的整理、統(tǒng)計分析和空間分布分析等。在數(shù)據(jù)整理階段，需要對實驗室得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和整理，這是確保分析結(jié)果準(zhǔn)確的基礎(chǔ)?？赡苄枰獧z查數(shù)據(jù)中是否存在重復(fù)項或遺漏項，并手工核對實驗記錄，修改錯誤。對一些明顯偏離正常值范圍的異常數(shù)據(jù)點，要篩選出來并進(jìn)行核查，防止其對后續(xù)分析產(chǎn)生干擾。數(shù)據(jù)整理完成后，可以采用均值、中位數(shù)、方差、極差等統(tǒng)計參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，并利用線性回歸、相關(guān)性分析等統(tǒng)計方法挖掘數(shù)據(jù)間的定量關(guān)系。最后，我們需要進(jìn)行空間分布分析，即結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺，描繪不同地塊、不同區(qū)域土壤中重金屬元素的濃度分布趨勢和空間格局。將這些內(nèi)容綜合起來，可以評估該地區(qū)土壤污染狀況并提供科學(xué)依據(jù)。

4 農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染防治措施

4.1 源頭治理

源頭治理的核心思路是在污染物生成之初就進(jìn)行截流治理，減少污染物排放量，從源頭上控制土壤污染風(fēng)險。具體來說，可以加大對電鍍、化工、皮革等重污染行業(yè)的監(jiān)管力度，要求企業(yè)安裝廢氣廢水處理設(shè)備，或者采用清潔生產(chǎn)工藝，這就像為污染池子安裝了過濾裝置，在源頭切斷污染物外排。還可以建立排污許可制與超標(biāo)排放懲戒機制，設(shè)定明確污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)懲超標(biāo)行為，這相當(dāng)于為污染池子定下了排放紅線，從管理層面堵住污染外流的通道[5]。通過源頭嚴(yán)密截控，大幅降低各類重金屬進(jìn)入土壤的可能性與風(fēng)險，實現(xiàn)土壤重金屬污染風(fēng)險的源頭攔截與防控。在此基礎(chǔ)上，還可以建立重點行業(yè)排污許可制，規(guī)范企業(yè)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，對超標(biāo)排放實施嚴(yán)懲。這些措施的實施可以大大減少工業(yè)產(chǎn)生的重金屬物質(zhì)排向水體和大氣量，有效控制重金屬污染物進(jìn)入周邊土壤的風(fēng)險。同時，也需要加強對工業(yè)廢水和廢氣處理設(shè)施的建設(shè)和運營管理，確保對廢水和廢氣的處理更加徹底和有效，從而減少對周圍土壤環(huán)境的污染。例如，可以加大對污水處理廠和煙氣脫硫裝置等設(shè)施的資金投入和技術(shù)改造，使用更先進(jìn)的脫硫、除鉻等處理技術(shù)，確保將污染物處理達(dá)標(biāo)后再排放；加強對處理設(shè)施的運行監(jiān)測和維護(hù)保養(yǎng)工作，一旦發(fā)現(xiàn)問題，立即排查解決，防止出現(xiàn)超標(biāo)排放事故；建立處理設(shè)施運行日志制度，定期公布監(jiān)測數(shù)據(jù)，接受社會監(jiān)督；采用第三方環(huán)保檢測機構(gòu)開展定期檢測評估工作，確保各項污染物的指標(biāo)合規(guī)。

4.2 修復(fù)技術(shù)

土壤一旦遭受重金屬污染，進(jìn)行治理和修復(fù)是當(dāng)務(wù)之急。針對農(nóng)田土壤，可以運用多種修復(fù)技術(shù)展開治理。例如物理修復(fù)法，就是先剝離表層受污染嚴(yán)重的土壤，再用干凈土壤進(jìn)行替換和覆蓋，或者在土壤上鋪設(shè)阻隔層，切斷植物對土壤重金屬的吸收途徑。這像是進(jìn)行土壤“翻新”，清除“損壞”部位，用“新的材料”更換和修補。化學(xué)修復(fù)法則是利用藥劑等化學(xué)手段來萃取土壤中的重金屬；生物修復(fù)法是借助植物和微生物協(xié)同修復(fù)。這兩種方法則是利用“藥物”和“生命力量”凈化土壤，達(dá)到治理效果。還可以建造屏障墻攔截地表徑流，防止重金屬擴(kuò)散；可以在田間建立階梯和水渠等基礎(chǔ)設(shè)施改善土壤，控制水土流失。這些物理措施可以徹底阻斷污染物在土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化，有效縮小污染范圍，為后期的生物修復(fù)創(chuàng)造良好條件?；瘜W(xué)修復(fù)技術(shù)則是利用化學(xué)物質(zhì)對土壤中的重金屬進(jìn)行穩(wěn)定處理，減少其毒性。比如可以施用磷酸鹽、硫酸鹽等化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)可以和土壤中的重金屬離子生成難溶性化合物，減少重金屬的活性和植物吸收量。還可以使用一些螯合劑如乙二胺四乙酸在土壤中螯合鎖定重金屬離子，防止其向周圍環(huán)境遷移擴(kuò)散。這些措施可以在一定程度上減輕土壤的重金屬污染狀況。生物修復(fù)技術(shù)則是利用植物、微生物等生物體對土壤中的重金屬進(jìn)行吸附、轉(zhuǎn)化或植物吸收，達(dá)到減少土壤重金屬含量的目的。例如將一些對重金屬具有較強耐受性和富集能力的植物種植在受污染土壤，植物在生長過程中吸收和富集土壤中的重金屬；也可以人工導(dǎo)入一些能夠降解和轉(zhuǎn)化重金屬的細(xì)菌、真菌等微生物到污染土壤中，促進(jìn)重金屬的生物轉(zhuǎn)化。

4.3 管理措施

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活污染是土壤重金屬堆積的主要來源，要筑牢防線，遏制污染輸入，就需從管理入手，構(gòu)建嚴(yán)密的防控體系。在農(nóng)業(yè)端，我們可選擇低毒低殘留農(nóng)藥化肥，檢測土壤產(chǎn)品中的重金屬，科學(xué)制定使用計劃，杜絕過量使用。這像給污染建起了過濾墻，防止大量遷入；建立環(huán)保的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)模式，推行節(jié)水節(jié)肥，則是在污染擴(kuò)散前將其“溯源斷流”。在生活端，分類回收垃圾、設(shè)置污水處理設(shè)施、實行排放審批制約，可將生活污染封存隔離。這是在污染落地生根前將其截留，一網(wǎng)打盡。對于生活垃圾，要大力推進(jìn)生活垃圾分類制度，對有毒有害垃圾實施專項管理，避免隨意丟棄重金屬污染物；對餐廚垃圾進(jìn)行收集處理，規(guī)范堆肥工藝要求，確保垃圾滅活；推廣分類回收，對可回收利用的物品進(jìn)行再生處理，減少污染；建立健全長效機制，形成政府、企業(yè)、公眾多方聯(lián)動的生活垃圾分類治理體系。同時，還可以推廣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，通過合理的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和耕作方式，減少對土壤的損害和污染。比如推廣實行輪作和間作制度，選用適宜的綠肥農(nóng)作物與金霉病高發(fā)作物輪作，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機質(zhì)含量，減少連作障礙；采用帶狀間作或系統(tǒng)間作的間作模式，在主要經(jīng)濟(jì)作物之間的空隙帶上間種綠肥、固氮或綠籬植物，充分利用光熱資源和空間，改善土壤營養(yǎng)狀況。

5 結(jié)語

總之，我國農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)重，已對可持續(xù)發(fā)展和人民健康造成重大威脅。工業(yè)生產(chǎn)中含重金屬的廢氣、廢水大量排放，農(nóng)業(yè)種植過程中長期使用的化肥農(nóng)藥也含有一定重金屬以及日益增加的生活污染，都是導(dǎo)致農(nóng)田土壤重金屬含量持續(xù)積累的主要原因。為有效掌握不同地區(qū)土壤污染狀況和趨勢變化，需要采取標(biāo)準(zhǔn)化采樣、規(guī)范化實驗室分析等技術(shù)手段開展常規(guī)監(jiān)測，明確各類土壤污染物的種類、分布和污染程度。在此基礎(chǔ)上，可以因地制宜地采取源頭治理、土壤修復(fù)、科學(xué)管控等防治措施。只有加強部門間的信息溝通、建立責(zé)任分工機制，在政府支持、企業(yè)監(jiān)管和公眾參與下，持續(xù)加大土壤污染防治力度，才能有效消除污染影響。