土壤重金屬污染及修復研究簡述

高彥波，蔡 飛，譚德遠，翟鵬輝，郭宏凱 (北京東方園林生態股份有限公司，北京 100012)

隨著社會人口的不斷增加、化工經濟的迅猛發展，化肥、農藥、礦產資源等被大量消耗。這些資源在消耗過程中產生的含有重金屬的廢水、廢氣都被排入到土壤中，使得土壤遭受越來越嚴重的重金屬污染。由于離子遷移性和動植物的吸附性，這些重金屬會進入到生物鏈系統進行循環。當這些重金屬進入到人體時就會對人類的健康造成傷害［1］。如何防治土壤的重金屬污染已成為全球性問題之一。

1 重金屬污染的主要來源

土壤中重金屬的來源主要有2個部分組成，一部分是自然輸入，另一部分是人為活動輸入。自然輸入主要指成土母巖的風化分解和凋落的生物質腐化分解，在自然情況下流入土壤，造成土壤重金屬富集［2］。人類活動輸入主要指人類在礦藏資源開發、工業發展及農業生產等過程中造成的重金屬在土壤中的積累，是土壤重金屬污染的主要原因［3］。目前，人為活動造成的土壤重金屬輸入主要受廢氣沉降、農業活動、礦業生產、固體垃圾排放等方面的影響。

1．1 廢氣沉降 人類在生產、生活中產生的含有重金屬的粉塵、廢氣以及煙氣被排放到空氣中后，會通過重力或者雨雪沉降過程流回至土壤中。有研究發現，煤、石油等礦物燃料燃燒后產生的揮發性金屬排放到大氣中后，約有近1/3重金屬沉降在周邊10 km的范圍內。在對北京市一次強沙塵暴降塵的重金屬微量元素監測中發現，測量中的重金屬元素含量均超出北京市土壤含量的本底值［4］。

1．2 農業活動 隨著化工技術的不斷發展，農業生產活動中的化學肥料、有機農藥的使用力度不斷加大，使得土壤中重金屬含量富集加重。高太忠等［5］在研究磷肥對土壤重金屬的污染狀況時，發現磷肥中的重金屬鎘在土壤中的富集十分明顯。由于當前動物飼料配方中添加了部分重金屬元素，有機肥料中重金屬元素也出現了超標現象。農藥中含有銅、汞、砷等重金屬元素。農藥的大量使用使得土壤中的重金屬元素進一步增加［6］。

另外，由于缺乏監管力度，用污水對農田進行灌溉的現象時有發生。污水中的汞、鎘、砷、銅等重金屬元素導致土壤中重金屬元素大大增加。污水、污泥的隨意排放使土壤中的氮、磷、鉀等營養元素在富集的同時，也會使其重金屬元素不斷增加［7］。

1．3 礦業生產 在礦業生產過程產生的尾礦等廢棄物露天堆放，經風化、降雨等作用后廢棄物中含有的重金屬會滲入土壤中，導致土壤重金屬污染［8］。再者，金屬礦山在開采過程中被酸性廢水溶解了的重金屬元素會以離子形式隨廢液的排放進入土壤，造成土壤重金屬超標。2001年中國環境監測部門在對金屬礦山采選工藝廢水調查時發現，金屬礦廢水排放中含有的重金屬量達210多t，占工業重金屬總排放量的 18．93%［9］。

1．4 固體垃圾 經日曬、雨淋后，長期堆積的固體垃圾內部的重金屬以輻射狀向周圍土壤、水體擴散，其中以礦業和工業固體廢棄物污染最為嚴重。王亞平等［10］通過對某礦山固體垃圾堆放地的研究，發現土壤中鎘、汞、鉻、銅、鋅、鉛、砷等重金屬含量均高于當地背景值。

2 土壤重金屬污染的危害

2．1 對植物的危害 重金屬進入土壤后會以離子形式進入植物體內，進而對植物產生毒害作用，造成植物體變異［11］。這主要是因為吸收到植物體內的重金屬會抑制植物的光合作用、酶活性，改變細胞膜的通透性，進而誘導其產生對植物不利的某些酶或有毒物質［12］。重金屬元素污染的危害還表現在使植物的營養缺乏，降低某些活性酶的有效性以及對植物運輸和轉運鈣、鎂等礦質元素的能力［13］。Dahiya等［14］研究發現，土壤中較高的鎳含量會顯著影響小麥對氮的吸收。Narwal等［15］發現，當土壤中鎘濃度較高時，玉米植株磷濃度和吸收量降低。

2．2 對動物的危害 重金屬污染還可導致土壤中原生動物種類減少，數量降低，群落多樣性下降。通過對受到重金屬污染的土壤進行研究，發現污染后的土壤中原生動物群落呈現出簡單化、不穩定化的特點，群落演替呈次生演替趨勢［16］。有研究指出，重金屬污染不但會對土壤動物構成危害，而且會使土壤動物的群落和數量減少，在受重金屬污染的土壤中優勢類群和常見類群的動物數量明顯減少;重金屬污染會導致土壤動物群落的多樣性指數、均勻性指數、密度類群指數下降［17］。唐浩等［18］調查了魯中地區受污染農田蚯蚓群體構成，發現重金屬污染農田蚯蚓種群的多樣性指數為1．583 5，相對于未被污染農田中的2．236 2，已明顯降低。

2．3 對微生物的危害 當土壤中的重金屬元素富集到一定濃度時，還會對微生物的代謝、生長、生存產生不利影響，主要表現有微生物生物量和活性細菌菌落數量減少，微生物活性受到抑制，微生物的生物量碳與有機碳比值降低，呼吸強度減弱，進而使土壤中微生物的區系、群落結構和功能發生改變［19］。段學軍等［20］在研究鎘對稻田土壤生物、酶的活性的影響時，發現鎘對土壤中脲酶活性有顯著的影響。

3 重金屬污染土壤的修復

目前，對重金屬污染土壤的修復技術主要包括物理修復、化學修復和生物修復3種，其中生物修復是當今社會研究的重點。

3．1 物理修復 物理修復主要包括電動修復、電熱修復、土壤淋洗3種。第1種修復主要是通過通電，使得重金屬離子定向移動到一端，從而將其去除［21］。電熱修復主要是針對土壤中熔點低、易揮發的重金屬。當用高頻電壓對土壤加熱時，土壤重金屬就會受熱揮發，達到去除土壤中重金屬的目的［22］。土壤淋洗是利用淋洗液將土壤中的重金屬溶解到土壤洗淋液中，再將洗淋液中的重金屬離子置換出來的一種土壤修復方法。該方法是現有條件下最成熟的物理修復方法［23］。

此外，物理修復方法還包括固化土壤修復法、稀釋法、排土填埋法。目前，物理修復法存在的最大問題是處理成本高，而且存在再次污染的風險。

3．2 化學修復 化學修復主要是指向被重金屬污染過的土壤中加入能夠改變土壤中重金屬化學性質的污泥、有機質等外源物質。這種外源物質會與土壤中金屬離子結合，使得金屬離子的遷移性和被植物吸收的可能性降低，進而防止這些重金屬元素進入生態循環系統［24］。由于各種金屬離子的遷移性各不相同，對不同金屬離子只能使用不同的固定物質。例如，使用CaCO3或Ca(OH)2調節土壤的酸堿性，促使土壤中的鎘、銅、汞、鋅等元素形成碳酸鹽或氫氧化物沉淀［25］。在土壤中加入含硫物質，可以使土壤中的鎘、汞生成硫化鎘、硫化汞沉淀，進而減少重金屬對土壤的污染［26］。

化學修復的缺點是它只能使重金屬元素在土壤中固定下來，阻止其進入生物循環系統，但并沒有從根本上將其從土壤中完全去除。在一定條件下，當金屬離子的形態發生改變時易造成“二次污染”。

3．3 生物修復 生物修復技術是上世紀開始研究的新型修復技術，主要是利用動植物的新陳代謝活動對土壤中的重金屬進行固化、分離、降解、富集、修復［27］。該技術主要有動物修復技術和植物修復技術兩種形式。生物修復技術主要有2種途徑對受污染土壤進行修復。一種是在土壤中改變重金屬形態，使其沉淀在土壤中，不再被生物吸收利用;另一種就是通過生物吸附，使其沉淀在生物體中，通過生物體代謝達到對重金屬的削減、固化作用［28］。作為一種新興的綠色環保技術，由于生物修復經濟、適用范圍廣、環境友好、符合可持續性發展的目標等，已成為當今社會研究的熱點。

3．3．1 動物修復技術。研究表明，土壤中的部分低等生物可以吸收土壤中富集的金屬元素［29］。在受污染的土壤中，蚯蚓可以通過被動擴散作用和攝食作用使重金屬進入其體內，待金屬在蚯蚓體內富集后可以采用一定的方法將蚯蚓從土壤中驅出，集中處理，從而達到修復的目的［30］。蚯蚓在污染土壤中還能有效地改變土壤中重金屬活性，促進和強化植物對重金屬的修復作用［31］。

動物修復技術的缺點是只能在一定程度上減少重金屬含量，而且對動物的傷害也較嚴重;當動物體內重金屬含量達到一定程度時會導致其死亡，動物死亡后其體內的重金屬還會進入土壤中再次污染土壤;另外，低等生物對生存環境的要求苛刻，限制了動物修復技術的發展［32］。

3．3．2 植物修復技術。植物修復是指通過利用植物、植物根系微生物對土壤中重金屬進行修復的技術［33］。目前，植物修復主要是利用植物降解、植物萃取、植物揮發和植物過濾等作用來降低重金屬污染物的生物有效性或清除土壤中的重金屬污染物，降低重金屬的環境風險［34］。隨著對重金屬植物修復技術研究的不斷深入，尤其是耐重金屬、超富集植物及其根際微生物共存體系的研究、根際分泌物在微生物群落的進化選擇過程中的作用以根際物理化學特性研究的深入，植物修復技術的含義和應用將得到延伸［35］。

3．3．3 生物協同修復。基于植物修復原理，利用土壤動物、微生物和植物的協同作用，改善土壤條件，促進植物生長，提高重金屬的生物有效性，提高生物的吸收效率和修復效率，加速重建健康的土壤生態系統。一方面，微生物能夠通過產生鐵載體、ACC脫氧酶、合成植物生長激素等方式促進植物的生長，增加植物的生物量，有助于植物對重金屬的積累;另一方面，微生物代謝活動中產生的有機酸、鐵載體、氨基酸等小分子代謝產物能夠活化土壤重金屬，進一步提高植物對重金屬的富集量。

由于生物協同修復具有成本低、綠色環保、不存在再次污染等特點，它已成為礦山恢復、重金屬污染土壤改良等生態修復領域新興的、高效的生物修復技術。

4 展望

隨著工業技術的不斷發展，土壤重金屬污染問題變得更加嚴重。土壤作為人類賴以生存的根本基礎，如何使土壤免受重金屬污染已成為亟待解決的重大課題之一。目前，雖然建立了土壤重金屬污染標準，但基本上局限于農業用地的土壤。對于其他形式利用的土地，如污水排放地、工礦廢棄物排放地等，還沒有建立土壤重金屬污染標準。在今后一段時間，應結合土壤利用方式和人體健康評估標準建立相應的土壤污染標準，并且在此基礎上制定相應的防治辦法。研究表明，生物修復技術應是今后研究的重點，尤其生物協同修復技術，由于其具有費用低、環境友好等特點，已成為當今社會研究的重點。

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