國內外土壤鎘污染及其修復技術的現狀與展望

王維薇+林清

摘要：分析了國內外土壤鎘污染狀況，總結了物理修復、化學修復、電動法修復、生物修復和農業生態修復技術在土壤鎘污染修復中的研究進展及各自優缺點，提出了土壤鎘污染修復未來研究的發展方向，希望為后續研究提供參考。

關鍵詞：土壤；鎘；污染；修復技術

1 引言

土地是人類生存和發展的主要資本和物質基礎，為人類生存和發展提供了重要的物質和數量基礎。隨著工農業的迅速發展，人類把帶有大量有毒有害的物質排入到環境中。這在相當多的領域造成了大量的土壤污染，土壤環境污染的問題越來越嚴重。

2 國內外土壤鎘污染狀況

鎘是生物生長和發育過程中的非必需元素，它也是自然界中最有害的重金屬之一，它在土壤中與Hg、As、Cr和Pb一起稱為“五毒元素”[1，2]。Cd在自然環境中分布極廣，地殼中的平均含量為0.2 mg/kg，廣泛存在于巖石、沉積物及土壤中[3]。近年來，由于在環境中Cd的含量增加，在許多國家中已經廣泛關注，由于這些國家對食品中重金屬的安全性的普遍了解，已經為農田土壤作物制定了一套嚴格的標準見表1[4]。

在我國土壤重金屬污染事件頻繁發生，土壤Cd污染狀況也一直較為嚴重。例如2013 年5月“鎘大米”事件、2014年廣西大新縣重金屬污染事件等[5]。土壤重金屬污染問題威脅到人民群眾“舌尖上的安全”，成為全社會關注的焦點。據不完全統計，我國農田重金屬鎘污染面積已達2萬hm2，年產量鎘含量超標的農產品達14.6億kg，且有日益加重的趨勢[6]。2014年4月17日環境保護部和國土資源部聯合發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國土壤重金屬的超標率為16.1%的重金屬，西南、中南地區土壤重金屬鎘、汞、砷、鉛4種無機污染含量的范圍從西北到東南，從東北到西南方增加。在所有污染物中，鎘的超標率最高，占7.0%，是我國耕地、林地、草地和未利用地的主要污染物之一[7]。依據《土壤環境質量標準》（GB15618-1995）中規定旳適用于一般農田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等土壤中Cd的質量標準應在0.3～0.6 mg/kg范圍內，但是我國有些地區土壤中的Cd含量超標，Cd污染土壤狀況比較嚴峻[8]。我國部分地區污染農田土壤和農作物鎘含量見表2[9]。

3 土壤中鎘的來源

土壤中的Cd主要有天然來源和人為來源兩種[10]。天然來源主要是指含Cd的礦物或巖石通過長期風化釋放到土壤中，這構成了土壤中Cd的背景值。土壤中鎘在不同地區的背景值差異很大，世界范圍內土壤中鎘的背景值含量為0.01～2.0 mg/kg，平均水平約為0.35 mg/kg[7]。我國土壤中Cd的背景值低于世界平均值，約為0.097 mg/kg[11]。

人為來源較為廣泛，包括采礦、選礦、有色金屬冶煉、電鍍、合金制造、含鎘蓄電池生產等行業的生產，以及污水、污泥、大氣沉降、農藥化肥固體廢棄物等，預計排放的鎘（Cd）約有82%～94%進入到了土壤[12，13]。眾多研究關注了土壤鎘污染的人為來源[14]，陳懷滿，鄭春榮等學者研究表明我國因污灌受到污染的耕地約占總污灌面積的45%，其中以Cd和Hg的污染尤為嚴重；王初，邵莉等研究發現受交通尾氣和污染物排放影響，公路沿線農田土壤重金屬污染呈現距離公路越近的地方污染越嚴重的規律，交通對土壤環境的影響距離從幾十米到數百米不等[15～17]；顏世紅等通過對礦區土壤中重金屬鎘來源的研究發現礦區附近土壤主要受礦石挖掘與加工產生大量的粉塵、污水、廢氣、固體廢棄物排放鎘污染影響[13，14，18]。

4 土壤中鎘的危害

對于植物，其會抑制植物的光合作用以及植物的酶活性等。植物的光合作用降低使得植物對養分和水分的吸收受到阻礙，導致植物的營養代謝失調，使得植物生長和產量降低。

對于動物和人類，鎘元素通過食物鏈進入人和動物體內富集。鎘元素的吸收對人體骨骼、腎、肝、免疫系統和生殖系統具有毒害作用，會引發骨痛、糖尿病、肺氣腫以及高血壓等病癥，嚴重的會引發癌癥等疾病[19]。聯合國環境規劃署（UNEP）也將鎘列為12種具有全球性的危險物質中的首位危險物質[20]（圖1）。

5 土壤鎘污染修復技術研究現狀

土壤中鎘污染危害的嚴重性及解決的迫切性在國內外被廣泛的研究[21]。土壤修復是指使用能讓土壤中的污染物轉移、吸收、降解和轉化的物理，化學和生物等的修復方法，將其濃度降低到可接受水平，或將有毒和有害的污染物轉化為無害的物質[22]。目前，對含重金屬土壤的修復技術主要有物理、化學、電動法、生物和農業生態修復等技術[21]。

5.1 物理修復

土壤物理修復通常用于鎘污染的修復。如客土法、換土法、翻土法等。通過加入凈土，除去舊土和深土，以便減少土壤鎘污染。Wang等進行了土壤深度改良實驗，使白菜鎘的平均濃度降低了50%～80%[23]。目前，這種方法的應用已經在英國、美國、荷蘭和日本實現。但是成本高，易于二次污染和降低土壤肥力，難以廣泛推廣[24]。鎘污染土壤的物理修復方法簡單和快速，但它不能真正從土壤中清除鎘污染。這種方法有潛在的危險，此種方法需要大量的資金，人力和物質資源，不適合大規模鎘污染的土壤治理。

5.2 化學修復

化學修復是指在污染土壤中使用化學改性劑將重金屬進行固定轉換、溶解抽提和提取分離，減少污染土壤中的重金屬，改變土壤環境條件。化學固定、淋洗和提取是對土壤鎘污染進行化學修復最常見的方法[25]。例如，硅肥、鈣鎂磷肥、石灰和骨炭粉可以不同程度地抑制玉米對鎘的吸收[26]。

較為常用的鎘污染修復化學材料有堿性改良劑（石灰、鈣鎂磷肥等）、黏土礦物（沸石、海泡石等）、拮抗物質（硫酸鋅、稀土鑭等）和有機質（泥炭、有機堆肥等）[25，27]；除此之外，一些金屬螯合劑和表面活性清洗劑目前也逐漸應用于鎘污染土壤修復[28]。化學修復的治理效果和費用都適中，且簡單易行，但它沒有起到真正意義上去除鎘污染的作用，只是改變了土壤中鎘存在的形態，可能由于土壤環境的變化，有可能再次活化，造成二次污染危險。此外，化學方法也可能導致化合物造成的微量元素損失和造成土壤的復合污染，而不能作為一種永久的修復措施。

5.3 電動修復

電動修復是一個多學科的研究領域，其原理是將電極插入污染土壤和適當大小的DC，發生土孔隙水和帶電離子遷移，土壤污染物在外電場作用下取向并積聚在電極附近，電極進行常規處理，從而清潔土壤[21，29]。Apostlols G等探討了添加十二烷基硫酸鈉和天然表面活性劑腐殖酸對動電修復污染土壤修復的影響，得出的結果表明，兩種試劑可以促進修復過程中鎘污染的去除[30]。電動修復是通過向污染土壤的兩側施加直流電壓以從污染的土壤中去除重金屬，使得土壤中的污染物在電場的作用下在電極的兩端富集。該技術已應用于Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、Ni等重金屬污染土壤修復[25]。該技術具有采用的化學試劑少、消耗低，修復完善的優點，是具有良好發展前景綠色修復技術。但是受影響的因素比較多，例如土壤的類型、電流的大小、電極材料和結構等，會在一定程度上影響修復的效率和速度。

5.4 生物修復

生物修復是指利用生物的某些特征，來吸收、降解、轉化、抑制和改善重金屬污染。鎘污染土壤的生物修復一般分為動物修復、植物修復和微生物修復三種類型[31]。

5.4.1 動物修復

動物修復是利用土壤中的一些低等動物，如蚯蚓和嚙齒動物，可以吸收土壤中的重金屬，并在一定程度上減少污染土壤中重金屬的比例。這項技術達到了重金屬污染土壤的動物修復的目的。該污染修復技術研究仍然局限于實驗室階段[32]。敬佩等通過重金屬污染土壤接種蚯蚓發現：蚯蚓具有很強的富集能力，富集量與蚯蚓培養時間成正比[33]。但由于動物生長環境等因素的影響，修復效率一般，并不是理想的修復技術。

5.4.2 微生物修復

微生物修復是指許多微生物與重金屬具有很強的親合性，對重金屬進行吸收、沉淀、氧化還原作用，可以降低土壤中重金屬的毒性[25，34]。許多學者研究發現這項修復技術主要通過改變土壤中重金屬離子的活性，微生物細胞吸附富集和促進超富集植物對重金屬的吸收。微生物修復作為綠色環保的修復技術，引起了國內外相關研究機構的極大關注，具有廣泛的應用前景，但修復見效速度慢、修復效果不穩定等，使得大部分微生物修復技術還局限在科研和實驗室階段，能應用到的實例很少。

5.4.3 植物修復

植物修復是指利用植物吸收、吸取、分解、轉化，或固定土壤、沉積物、污泥、地表、地下水中有毒有害污染物的技術的總稱[35]。植物修復技術是由Chaney R.L在1983年首先提出[25]。植物修復主要包括植物的提取、揮發、降解、根濾和根際微生物降解。植物修復涉及使用超累植物的特性來修復重金屬污染的土壤是最廣泛使用的。超積累植物的概念首先由Brooks等在1977 年首先提出，目前文獻報道的超積累植物有近20科、500種，其中十字花科、禾本科居多，主要集中于庭芥屬、蕓苔屬及遏藍菜屬[36，37]，人們更常見的超積累植物[38～44]見表3。

印度芥菜吸收200 mg/kg的鎘，當黃化現象出現時，鎘富集達52倍；英國的高山屬類，可以吸收高濃度的鎘[45]。生物修復的優點是更簡單的實施，更少的投資和更少的對環境的損害。缺點是治療效果不明顯，治療時間太長，效果太慢。

5.5 農業生態修復

農業生態恢復措施是指根據當地條件選擇農業管理系統，減少重金屬危害，包括農藝修復措施和生態恢復措施。農藝修復措施通常通過改變作物系統，通過植物物種的間作、輪作，或通過向鎘污染的土壤中添加有機肥料以形成游離形式的有機絡合物，從而減少土壤中鎘含量的目的，實現鎘在土壤中的遷移，吸收和降解[46，47]。在我國，有許多關于生態修復措施的研究。一般來說，是通過調整土壤含水量等生態因子來控制污染物的環境介質[48]。農業生態恢復措施不僅能保持土壤肥力，而且能促進自然生態循環和系統協調的運行。它易于操作和低成本，但是存在許多缺點，如修復時間長緩慢的效果。

6 展望

國內外在土壤Cd污染修復技術研究取得了一些進步，但是我國的土壤Cd污染面積仍有增加的趨勢，切實有效的污染修復技術亟待開展。物理修復、化學修復、電動法修復方法投資昂貴，所需設備復雜。生物修復中的植物修復技術因其保護環境，經濟性和有效性而受到高度推崇。但是，植物修復技術仍有一些缺點，如植物在Cd污染脅迫下，經常生長緩慢，生物量低，而且經常受到競爭性雜草的威脅。如果能將現代分子生物學方法相關的富集基因的分離和分子克隆應用到植物修復技術上，產生大量適用于Cd污染土壤的恢復轉基因植物，這對于土壤Cd污染的研究具有深遠的意義。此外，應進一步研究修復過程中的影響因素，尋找土壤Cd污染的來源，從污染源頭、污染特征、污染程度等方面進行治理；在已有的修復方法中，總結經驗，開發新技術；每一個修復技術都有優缺點，在土壤Cd污染中注重多項技術聯合修復土壤鎘污染的研究。

參考文獻：

[1]Rmakrishnan S，Slochana K N，Selvaraj T，et al.Smoking of beedies and cataract：cadmium and vitamin C in the lens and blood[J].Br J Ophthalmol，1995（79）：2～6.

[2]陳志良，莫大倫，仇榮亮.鎘污染對生物有機體的危害及防治對策[J].環境保護科學，2001，27（4）：37～39.

[3]Lalor G C，Rattray R，Williams N，et al.Cadmium levels in kidney and liver of Jamaicans at Autopsy[J].West Indian Med J，2004，53（2）：76～80.

[4]Lalor G C.Review of cadmium transfers form soil to humans and its health effects in the Jamaican Environment[J].Science of the Total Environment，2008，400（13）：162～172.

[5]常 青.“鎘大米”給人類以警告[J].中質傳媒，2013（11）：56.

[6]劉 洋，張玉燭，方寶華，等.栽培模式對水稻鎘積累差異及其與光合生理關系的研究[J].農業資源與環境學報，2014（5）：450～455.

[7]李 婧，周艷文，陳 森，等.我國土壤鎘污染現狀危害、及其治理方法綜述[J].安徽農學通報，2015，21（24）：104～107.

[8]彭良梅.電動法及其增強技術修復鎘污染土壤的試驗研究[D].成都：成都理工大學，2013.

[9]董 萌，趙運林，周小梅，等.土壤鎘污染現狀與重金屬修復方法研究[J].綠色科技，2012（4）：212～215.

[10]邵學新，吳 明，蔣科毅.土壤重金屬污染來源及其解析研究進展[J].廣東微量元素科學，2007（4）：1～6.

[11]陳懷滿，鄭春榮，涂 從，等.中國土壤重金屬污染現狀與防治對箄[J].人類環境雜志，1999（2）：130～134.

[12] 顏世紅.酸化土壤中鎘化學形態特征與鈍化研究[D].淮南：安徽理工大學，2013.

[13]Liao Q L，Liu C，Wu H Y，et al.Association of soil cadmium contamination with ceramicindustry：A case study in a Chinese town[J].Science of Total Environment，2015，514（13）：26～32.

[14]王 初，陳振樓，王 京，等.崇明島公路兩側蔬菜地土壤和蔬菜重金屬污染研究[J].生態與農村環境學報，2007，23（2）：89～93.

[15]王 京.崇明島主要公路重金屬污染研究[D].上海：華東師范大學，2007.

[16]邵 莉.江西省高速公路沿線環境介質中重金屬污染特征及其影響因素研究[D].南昌：南昌大學，2012.

[17]韓存亮.地球化學異常與豬糞施用條件下土壤中鎘的分布·有效性與風險控制[D].南京：中國科學研究院，2012.

[18]羅 瓊，王 昆，許靖波，等.我國稻田鎘污染現狀·危害·來源及其生產措施[J].安徽農業科學，2014，30（3）：10540～10542.

[19]彭少邦，蔡 樂，李泗清.土壤鎘污染修復方法及生物修復研究進展[J].環境與發展，2014，26（3）：86～90.

[20]UNEP. United Nations Environment Programme. Chemicals branch， DTIE[J]. Final review of scientific information on Cadmium， 2010（13）：119.

[21]唐秋香，繆 新.土壤鎘污染的現狀及修復研究進展[J].環境工程，2013（31）：747～750.

[22]張 婧，杜阿朋.桉樹在土壤重金屬污染區土壤生物修復的應用前景[J].桉樹科技，2010，27（2）：43～47.

[23]汪雅各.客土改良菜區重金屬污染土壤[J].上海農業學報，1990，6（3）：50.

[24]HANSON A T.Transport and Remediation of subsurfaleContaminatants[M].Washangton D C：American Chemical society，

1992.

[25]易澤夫，余 杏，吳 景.鎘污染土壤修復技術研究進展[J].現代農業科技，2014（9）：251～253.

[26]李佳華，林仁漳，王世和，等.幾種固定劑對鎘污染土壤的原位化學固定修復效果[J].生態環境，2008，17（6）：2271～2275.

[27]高思雯.幾類常見植物對重金屬鎘污染土壤的修復作用研究[J].安徽農業科學，2015，43（7）：91～93，103.

[28]陳志良，仇榮亮，張景書，等.重金屬污染土壤的修復技術[J].環境保護，2002（6）：21～22.

[29]劉 國，徐 磊，何 佼，等.有機酸增強電動法修復鎘污染土壤技術研究[J].環境工程，2014（10）：165～169.

[30]Apostolos G，Evangelos G，Antigoni S， Application of sodium dodecyl sulfate and humic acid as surfactants on electrokinetic remediation of cadmium-contaminated soil[J].Desalination，2007，211 （1）：249～260.

[31]王 靜，王 鑫，吳宇峰，等.農田土壤重金屬污染及污染修復技術研究進展[J].綠色科技，2011（3）：85～88.

[32]徐良將，張明禮，楊 浩.土壤重金屬鎘污染的生物修復技術研究進展[J].南京師范大學學報（自然科學版），2011，34（1）：102～105.

[33]敬 佩，李光德，劉 坤，等.蚯蚓誘導對土壤中鉛鎘形態的影響[J].水土保持學報，2009，23（3）：65～69.

[34]周 霞，林永昶，李擁軍，等.花卉植物對重金屬污染土壤修復能力的研究[J].安徽農業科學，2012，40（14）：8133～8135.

[35]劉智峰.生物修復技術處理鎘污染綜述[J].環境研究與監測，2013（26）：52～55.

[36]BROOKS R R，REEVES R D.Detection of niekeliferousroeks by analysis of herbarium specimens of indieator plants[J].Joumal of Geoehemical Exploration，1977（7）：49～57.

[37]肖春文，羅秀云，田云，等.重金屬鎘污染生物修復的研究進展[J].化學與生物工程，2013，8（2）：23～25.

[38]肖春文，羅秀云，田云，等.重金屬鎘污染生物修復的研究進展[J].化學與生物工程，2013，8（2）：23～25.

[39]朱光旭，黃道友，朱奇宏，等.苧麻鎘耐受性及其修復鎘污染土壤潛力研究[J].農業現代研究，2009，30（6）：13～15.

[40]韓志萍，胡曉斌，胡正海.蘆竹修復鎘汞污染濕地的研究[J].應用生態學報，2005，16（5）：945～950.

[41]吳雙桃.美人蕉在鎘污染土壤中的植物修復研究[J].工業安全與環保，2005，31（9）：2～7.

[42]吳 丹，王友保，胡 珊，等.吊蘭生長對重金屬鎘、鋅、鉛負荷污染土壤修復的影響[J].土壤通報，2013，44（5）：1245～1250.

[43]LIPHADZI M S，KIRKHAM M B，MANKIN K R，et al.EDTA-assisted heavy metal uptake by poplar and sunflower grown at a long term sewage-sludge farm[J].Plant and Soil，2003，25（7）：171～182.

[44]李法云，曲向榮，吳龍華，等.污染土壤生物修復理論基礎與技術[M].北京：化學工業出版社，2006.

[45]蘇 慧，魏樹和，周啟星.鎘污染土壤的植物修復研究進展與展望[J].世界科技研究與發展，2013，35（3）：315～319.

[46]李志濤，王夏暉，劉瑞平，等.耕地土壤鎘污染管控對策研究[J].環境與可持續發展，2016（2）：21～23.

[47]冉 烈，李會合.土壤鎘污染現狀及危害研究進展[J].重慶文理學院學報（ 自然科學版），2011，8（4）：68～73.

[48]余貴芬，青長樂. 重金屬污染土壤治理研究現狀[J].農業環境與發展，1998，15（4）： 22～24.

Present Situation and Prospect of Soil Cadmium Pollution and

Remediation Technology at Home and Abroad

Wang Weiwei1，2，3，Lin Qing1，2，3

（1.Key Laboratory of Environmental Change and Resource Utilization of Ministry of Education，

Guangxi Normal University， Nanning，Guangxi 530001，China；

2.College of Geography Science and Planning， Guangxi Normal University， Nanning，Guangxi 530001，China；

3.Guangxi Key Laboratory of Surface Processes and Intelligent Simulation， Guangxi Normal University，

Nanning，Guangxi 530001， China）

Abstract： This paperbriefly introduced the present situation about soil cadmium pollution at home and abroad. It summarized the research progress，advantages and disadvantages of physical remediation， chemical remediation， the method of electric repair，bioremediation and agricultural ecological restoration technology in remediation of soil cadmium pollution.This paper pointed out the future development direction of soil cadmiumpollution， hoping to provide a reference for furtherresearch.

Key words： soil； cadmium； pollution； remediation technology