土壤重金屬鎘污染來源及其修復技術探究

王娜 魏樣

摘要：土壤重金屬污染日益嚴重，Cd作為“五毒元素”之一，其污染是目前急需解決的關鍵問題。本文對目前土壤Cd污染來源、危害及植物修復和鈍化修復技術進行了綜述，提出了未來土壤Cd污染修復應具有針對性。

關鍵詞：土壤;鎘污染;修復技術

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）08-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.08.031

Study on sources of heavy metal cadmium pollution in soil and its remediation technology

Wang Na1，2，3，4 ，Wei Yang1，2，3，4

（1. Institute of Land Engineering and Technology， Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.， Ltd.， Xian Shaanxi 710075， China; 2. Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group， Xian Shaanxi 710075， China; 3. Key Laboratory of Degarded and Unused Land Consolidation Engineering， the Ministry of Natural Resources of China， Xian Shaanxi 710075， China; 4. Shaanxi Provincial Land Consolidation Engineering Technology Research Center， Xian Shaanxi 710075， China）

Abstract： Soil heavy metal pollution is becoming more and more serious. Cd is one of the “five poisonous elements”， and its pollution is a key problem that needs to be solved urgently. In this paper， the current sources of Cd pollution， hazards and phytoremediation and passivation techniques of soils are reviewed. It is proposed that the future soil Cd pollution restoration should be targeted.

Keywods： Soil; Cadmium pollution; Repair technology

土壤是人類賴以生存的重要自然資源，隨著全球工業迅速發展，工業污染也在日益加重。在長期污染的情況下，污染物通過大氣、水等媒介不斷遷移至土壤中。如今為了增加糧食產量促使農田化肥及農藥的大面積施用，也不同程度的造成農田重金屬污染。重金屬Cd與Hg、As、Cr、Pb被稱為“五毒元素”[1]，其在地殼中的平均含量為0.2mg/kg，廣泛存在于巖石、土壤及沉積物中。由于其遷移性強、難降解、毒性高等特點成為當今環保學者關注的焦點之一。

自日本富山縣神通川流域鎘污染事件以來，我國鎘污染事件頻繁發生。例如2005年12月15日廣東省孟洲壩電站斷面鎘超標近10倍、2013年5月的“鎘大米”事件、2014年廣西大新縣的重金屬污染事件等，重金屬Cd污染成為全民關注的焦點[2]有研究報道，我國農田土壤受Cd污染的面積已超過28ⅹ104hm2，每年因Cd污染所產生的農產品及動物造成的累積性毒害品高達146萬t[3]。在2014年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，在無機污染物中土壤Cd的超標率躍居第一位，超標率達7.0%。 我國部分農田土壤及農作物Cd含量如表1。Cd污染已嚴重威脅到人類的健康和安全，土壤Cd污染治理迫在眉睫。本文綜述了土壤Cd的來源、危害及修復技術，著力于為土壤Cd修復提供參考依據。

1 土壤重金屬鎘污染來源

重金屬鎘污染主要有兩種途徑，一是自然因素;其二是人為因素。通常在巖石風化和火山活動等自然環境中加劇了鎘向土壤環境中的傳輸。重金屬在自然環境中常以化合物狀態存在，一般情況下含量較低，一般為0.01～0.33mg/kg[5]，不會影響到人體健康。1817年，斯特羅邁爾教授發現Cd以來，Cd被大量應用于核工業、電鍍及化工領域，隨著這些工業的迅速發展，其產生的廢水、廢渣、廢氣污染處理不當或不經過處理直接排入環境中，加劇了Cd的污染。工業“三廢”通過大氣沉降、污水灌溉、雨水淋溶等途徑進入土壤環境。除此之外，農業生產過程中使用農藥、化肥等也會加劇土壤Cd的含量。

2 鎘污染的危害

2.1 對人類及動物的危害

圖1 鎘的毒性機制[8]

鎘對人體的危害主要通過食物、水、空氣等介質由消化道進入人體。鎘具有蓄積性，在人體中的潛伏性較長，其生物學半衰期為20～40年，可引起慢性中毒，對人體的各個組織器官都有一定的危害，人體一旦受鎘毒害，其治療也是極為困難的。將含鎘物質注入大鼠體內，發現大鼠的腎臟收到損傷，當鎘的濃度增加時，損傷程度加重[6]。動物體內鎘主要來源為牧草和飼料。動物體內的鎘含量過高可導致其食量減少，生產性能下降，從而影響其生育能力。動物體內的鎘主要蓄積在腎臟中，導致其腎小管結構發生變化，進而破壞腎臟的排毒功能。據報道，鎘在腎臟中的耐受濃度為2.7l×10-4 mg/kg，若超過該值，則會引起中毒[7]。鎘與眾多疾病相關，例癌癥、代謝綜合癥、神經退化疾病等，這些都與鎘的化學性質和毒性機制有關。鎘對人類及動物毒性機制如圖1所示。

2.2 對植物的危害

Cd是植物生長必須的微量元素，Cd在植物體內積累并富集到一定程度時就會表現出毒害作用，通常植物Cd含量較高時植物生長就會受到抑制，主要表現為生長緩慢、植株矮小、顏色發黃、產量較低等癥狀。例如受Cd污染的大麥其種子發芽率降低，且隨著Cd濃度的升高，種子發芽率降低。植物根系往往是最直接、最嚴重的毒害器官之一[9]，例如蠶豆苗被Cd污染后其根尖開始變黑直至壞死[10];還有一些植物如玉米、番茄、黃瓜等受Cd脅迫后其葉片發黃，生長緩慢，嚴重影響了其產量。還有一些研究表明豆科植物在Cd污染下其生理生態可產生一定的影響，例如受Cd 脅迫的豆科作物細胞亞微結構發生變化，并可使DNA 發生變化，誘導細胞衰老[11]。受Cd的脅迫，大豆根部細胞膜的選擇通透性和機能受到破壞，由于通透性的增大，加劇了細胞中的一些可溶物質外滲，這就使得細胞內酶及代謝作用原來的區域性發生改變，這勢必影響了大豆體內酶的活性。除此之外，Cd污染破壞了豆科植物的細胞亞微結構，且具有遺傳性[12]。

3 土壤鎘污染修復技術

土壤Cd污染的修復治理成為當今環境領域的熱門話題。土壤重金屬Cd污染修復主要通過兩種途徑，一種是穩定化處理，即改變重金屬在土壤中的存在形態，達到降低重金屬活性劑其遷移性;另一種是去污化，將土壤重金屬從土壤中分離出去，使土壤中重金屬的含量達到或接近背景值。主要包括物理法、化學法、植物修復法、微生物修復法、動物修復法等，其中物理修復一般包括客土法、換土法、熱處理和電動修復。本文旨在分析土壤Cd污染的植物修復技術與鈍化修復技術。

3.1 鎘污染土壤的植物修復

植物修復是利用某些可以忍耐和超富集有毒元素的植物及其共存微生物體系清除污染物的一種環境污染治理技術。同生物修復技術分類方法類似，植物修復技術也具有廣義定義和狹義定義。植物修復技術廣義上是指利用植物提取、吸收、分解、轉化或固定土壤、沉積物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染物技術的總稱;狹義上是一種利用自然生長植物或者遺傳工程培育植物修復重金屬污染土壤環境的技術總稱，核心在于重金屬污染物濃度逐漸減少。植物修復經濟有效、成本低，對環境擾動小，產生的富集重金屬的植物可統一處理，甚至可以從這些植物體內回收重金屬，可以長期、大面積的田間應用，還可綠化環境。有研究表明印度芥菜地上部對Cd的吸附達到1800mg/kg[13];東南景田達到9000mg/kg[14];龍葵為228.4mg/kg[15];商陸為482.25mg/kg[16];鼠耳芥為157 mg/kg[17];寶山堇菜為1168 mg/kg[18];鐵皇冠為2477.74 mg/kg[19]。

3.2 鎘污染土壤的鈍化修復

鈍化修復就是通過施用鈍化劑等來降低土壤污染物的水溶性、擴散性和生物有效性，削弱它們進入植物體、微生物體和水體的能力，減輕污染物對生態系統的危害。其技術核心是向污染土壤中加入土壤鈍化劑改變土壤的物理、化學性質，通過對重金屬的吸附、離子交換、沉淀或共沉淀作用，改變重金屬在土壤中的化學形態和存在狀態，從而降低其生物有效性和遷移性，減少重金屬元素對動植物的毒性及其環境風險。常用的鈍化劑包括以下幾種類型。

①無機鈍化劑：無機鈍化劑包括磷酸鹽類（羥基磷灰石、磷礦粉、磷酸、石灰、磷肥和骨炭等）、粘土礦物類（膨潤土、蒙脫石、海泡石、鉀長石、凹凸棒土、麥飯石和沸石等）、工業副產品類（赤泥、飛灰、磷石膏和白云石殘渣等）等，還有一些純化學制品。一般來說，在鎘、鉛、銅污染的土壤中，施用石灰性物質，可提高土壤pH值，使重金屬生成氫氧化物沉淀，降低其在土壤中的活性，減少作物對重金屬的吸收。例如，范玉超等研究表明，在Cd污染土壤中添加磷灰石和石灰其表層土壤pH、Cu、Cd含量隨鈍化劑用量的增加而增加，但是深層土壤中Cu與Cd含量均顯著降低[20];王林等研究海泡石和磷酸鹽對鎘鉛污染稻田土壤的鈍化修復效應與機理研究，結果表明施用海泡石和磷酸鹽后土壤pH增加，促進了污染土壤中Cd、Pb由交換態向殘渣態的轉化，從而達到鈍化Cd、Pb污染土壤的目的[21]。

②有機鈍化劑：常用的有機鈍化劑主要包括有機堆肥、畜禽糞便、綠肥、草炭等有機肥料。施用腐殖酸類肥料和其他有機肥料，可以增加土壤中腐殖質含量，使土壤對重金屬的吸附能力增加，從而減少植物的吸收。同時，腐殖酸是重金屬的螯合劑，在一定條件下能與重金屬結合，從而降低土壤中重金屬元素的危害。吳繼陽等研究污泥生物炭對土壤中Pb和Cd的生物有效性的影響，結果表明污泥生物炭對Pb和Cd均有較強的固定作用，且污泥生物炭在復合污染土壤中對Pb 的固定效果優于在單一污染土壤中[22]。

4 結語

《中華人民共和國環境保護法》規定，Cd是一類污染物。隨著工農業廢棄物與生活污物的任意排放，環境中Cd的含量在不斷上升，已經嚴重影響了人類的健康，因此Cd污染治理勢在必行。以往研究的化學修復、物理修復、電動法修復對重金屬Cd均有修復效果，但其投資昂貴，設備復雜。植物修復不破壞農田土壤的生態功能，不占耕地，有利于水土保持和生態環境改善;鈍化修復費用較低，對一些非敏感區的污染土壤可大大降低修復成本，且能夠修復多種重金屬復合污染土壤。因此，植物修復和鈍化修復技術被廣泛應用于土壤Cd污染修復。然而在以往的研究中并非結合重金屬Cd污染來源、污染特征等方面有針對性的進行治理。因此，在后續的研究中，研究學者們應總結經驗，有針對性的進行修復研究。

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收稿日期：2019-06-10

作者簡介：王娜（1990-），女，碩士，助理工程師，研究方向為污損土地修復治理。