淺析我國農田土壤重金屬污染修復現狀

劉磊 王宇峰 丁文 黃燕 杜耀 王松岳 卓未龍

摘? ?要：土壤重金屬污染是我國近年來逐漸予以關注的社會問題。農田土壤作為一種獨特的土壤類別，其土壤修復的實施是十分困難的。因此，農田土壤的重金屬污染修復是我國農業發展面臨的巨大挑戰。針對我國農田土壤的重金屬污染現狀，本文具體分析了其對農作物、人類及生態系統造成的危害、污染來源、主要的治理技術、國外的治理經驗、當前面臨的主要問題與整治策略等內容，以期對我國當前農田土壤的重金屬污染現狀進行簡要分析與展望。

關鍵詞：農田? 重金屬? 土壤? 修復

中圖分類號：X53? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（c）-0131-05

Abstract：Soil heavy metal pollution is a social problem that China has gradually paid attention to in recent years. As a unique soil type， the remediation of farmland soil is very difficult. Therefore， the heavy metal pollution remediation of farmland soil is a great challenge to China's agricultural development. In view of status quo of farmland soil heavy metal pollution in China， this article analyzes the damage to crops， human and ecosystem， pollution source， main governance technology， foreign governance experience， the current main problems and improvement strategy， etc， the purpose is to analyze and forecast the present situation of heavy metal pollution in farmland soil in China.

Key Words：Farmland;Heavy metal;Soil;Remediation

1? 我國農田土壤重金屬污染現狀

我國的土地資源在面臨巨大的人口壓力與嚴重的環境污染問題時顯得尤為緊張。我國的土壤重金屬污染問題十分嚴峻，數據顯示，約1/6的耕地受到了不同程度的重金屬污染。我國對各地的土壤污染調查結果也令人堪憂，直至2014年，耕地土壤點位超標率為19.4%。造成當前農田土壤重金屬污染的主要原因之一是農田土壤重金屬污染具有較大的隱蔽性。重金屬經過污水農灌、固體廢棄物堆放及大氣沉降等過程進入土壤中，但該過程不會直接引起人們的重視，更不易開展相應的土壤修復項目，直至諸如“鎘大米”事件的曝光，農田土壤重金屬污染問題才真正引起社會的廣泛關注[1]。

我國對于土壤污染現狀的重視主要體現在三次規模較大的全國土壤調查，分別是《中國土壤元素背景值》（1990）、《全國土壤污染狀況調查公報》（2005—2013）和全國農用地土壤污染狀況詳查（2017—2018）。2016年中央一號文件強調“必須確立發展綠色農業就是保護生態的觀念，加快農業環境突出問題的治理”，因此保護現有耕地環境的可持續利用性是當前生態農業不斷發展的必要研究主題。在考慮農田土壤重金屬污染修復現狀時，需結合重金屬類型、不同土壤吸附能力、修復技術、污染類型與成因等類別進行具體分析。

2? 我國農田土壤重金屬來源

重金屬污染農田土壤的污染源主要包括外源污染與內源污染。不同環境條件下形成的土壤類型不同，其背景值也有差異。因此，內源污染主要是由于受到植被、地形地貌、水文氣象等因素的影響。貴州省土壤重金屬的背景值是全國最高水平;沉積石灰巖的重金屬背景值相較其他類型呈最高水平等。

外源污染的形式很多，主要包括以下4個方面。

2.1 污水灌溉

雖然污水灌溉是緩解中國水資源短缺的重要途徑之一，但經污水灌溉的農田土壤容易致其積累性重金屬含量超標，主要導致農田土壤中鎘、汞、銅等重金屬的大幅增加。重金屬主要集中于其表層，自上而下遞減，并且越靠近污染源其累積量也越高，這種污灌區在北方干旱區最為常見，主要涉及的省份有天津、湖南、山西、陜西、遼寧和廣西等地。

2.2 大氣沉降

雖然大氣沉降對農田土壤造成的重金屬污染主要分為自然來源與人為來源，但人為來源是造成當前農田嚴重污染的主要原因。人口密度、土地利用率以及重工業發展程度較大都是影響該因素的原因。數據顯示，北京農田土壤中鎘、砷、汞等元素的沉降輸入量占總量的50%以上[2]。成都經濟區農田土壤中面臨的鎘污染有86%受大氣干濕沉降的影響[3]。

2.3 農資施用

農藥、化肥和地膜等相關農資用品對于農業的發展必然具有巨大的促進作用，但長時間的不合理施用自然會造成嚴重的環境污染問題。部分農藥中含有汞、砷、鎘、鉛等重金屬;磷肥的施用是肥料中重金屬含量最高的類型，因為其生產原料磷礦石天然伴生鎘，能夠被植物吸收的含量不到20%，其他的則會在土壤中不斷積累;地膜生產過程中的鎘與鉛等熱穩定劑也是增加土壤重金屬污染的原因之一。

2.4 固廢傾倒

固體廢棄物中的重金屬極易向周圍土壤及水體遷移，因此固廢傾倒也是造成農田重金屬污染的主要原因之一。對杭州某鉻渣堆放區及蘇北某垃圾堆存場中的重金屬進行調查發現，鎘、鉻、銅和汞等重金屬含量都顯著高于背景值[4]。日常生活產生電子垃圾的傾倒在我國還沒有形成較為完善的約束準則，因此它們常常與生活垃圾相同處理，通過堆肥與焚燒等途徑進入農田土壤中，如鋅、錳、鎳等重金屬。例如，浙江省臺州市路橋區峰江鎮廢舊電子產品區農田土壤表層的鎘、銅、鉛和鋅污染最為嚴重[5]。

3? 農田土壤重金屬污染危害

3.1 重金屬污染土壤對農作物的危害

農作物受到重金屬的毒害作用后，其株高、葉長、分蘗數等性狀表現以及光合作用速率等內在因素都會產生一定影響，導致農作物的生長發育減弱與產量降低。當金屬鉻含量較高時，玉米種子的萌發和早期生長受到顯著抑制，細胞膜受損導致結構與功能受到損傷從而減產[6]。銅含量較高時，水稻分蘗減少，產量也顯著下降[7]。

3.2 重金屬污染土壤對人體的危害

相對農作物，重金屬污染土壤對人體具有間接毒害性。重金屬通過食物鏈向人體傳遞并在人體內大量富集。由于鎘與鈣的生理性質較為類似，因此鎘進入人體后會影響人的骨骼系統，俗稱“痛痛病”[8]。鉛進入體內會導致貧血、高血壓以及神經錯亂等癥狀[9]。此外，鉻和砷等也具有嚴重的致癌危險[10]。

3.3 重金屬污染對農田土壤生態系統的危害

農田重金屬污染具有較強的隱蔽性，重金屬在土壤中長時間停留，其毒性也在不斷累積，形成了復雜的化學效應，它們不僅會導致土壤肥力的下降，還會引發地下水的污染，從而使污染范圍不斷擴大嚴重影響生態平衡，對生態環境的可持續發展都產生了嚴重的威脅。

4? 重金屬污染農田土壤修復技術

目前，世界各地對于農田土壤重金屬污染修復的主要技術包括物理修復、化學修復、生物修復和農業生態聯合修復等。

4.1 物理修復

物理修復是指通過各種物理過程將污染物從土壤中去除或分離的技術，包括工程措施、電動修復與熱處理。

工程措施包括客土、換土與翻土三種方式，該方法對于污染土壤中重金屬含量去除效率較高，但成本較大，工程量大，對土壤結構的破壞也很大，該方法只適用于小面積污染的農田土壤。

電動修復屬于原位修復，成本較低，也不會破壞土壤結構，操作簡便，但容易造成土壤理化性質的改變，在實際操作過程中土體發熱以及pH等變化可能會引起設備成本增加。該方法比較適用于低滲透性的黏土與淤泥土，方便控制污染物的流動方向，二次污染較少。

熱處理主要針對土壤中汞、硒等具有揮發性的重金屬進行修復處理，工藝簡單，但該過程可能會造成土壤中有機質與結構水的破壞，能耗較大，更可能造成大氣污染，脫附后的氣體需要集中收集，操作費用相對較高。Huang等[11]在處理土壤汞污染過程中，在550℃時汞的濃度能夠從1320mg·kg-1降至6mg·kg-1，但會導致土壤中其他重金屬的鐵-錳氧化物結合態轉化成酸溶解態、硫化物及有機結合態和殘渣態，對土壤性質造成了嚴重的影響。該修復方法存在較大的局限性。

4.2 化學修復

目前化學修復方法主要包括化學淋洗法、固化/穩定化修復法、離子拮抗技術。

淋洗法是指洗脫和清洗土壤中污染物的過程，主要手段是在土壤中添加能夠增大土壤中重金屬水溶性和遷移性的化學助劑，最典型的有乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）、檸檬酸、二乙基三胺五乙酸（DTPA）等螯合劑;硫酸和硝酸等酸/堿溶液;環糊精、醋酸等絡合劑[12]。在工程操作中，化學淋洗法操作便利，可處理的污染物范圍全面，但如果控制不當，淋洗廢液反而會造成地下水污染，尤其是對于質地粘重、滲透性較差的土壤處理效果也不佳，因此該方法有待進一步完善。

固化/穩定化技術是指向土壤中施加一類或者幾類固化/穩定化化學藥劑，該技術能夠有效的防止或者減低土壤中有毒重金屬的釋放過程。經鈍化（固化/穩定化）后的土壤，不僅能夠降低其本身重金屬的遷移性，更有利于較少有害重金屬向農作物遷移的概率，從而降低對人體及其他生物的健康風險。經研究發現，磷灰石、石灰、鐵錳氧化物及蒙脫石等都是經濟有效的藥劑，這些藥劑具有二次污染風險低、制備成本低及藥效顯著且持續等特點。該方法的確有成本較低的優點，但其并未將土壤中的重金屬有效根除，經再度活化依然存在二次污染的風險，因此需長期跟蹤監測。

離子拮抗技術主要是利用重金屬離子之間的拮抗作用，采用對土壤和人體無害，最好是對農作物有促進作用的重金屬，從而達到降低作物對有害重金屬的吸收。例如向土壤中添加Zn，能夠有效減少農作物對Cd的吸收[13]。

4.3 生物修復

生物修復是利用生物的新陳代謝作用吸收去除土壤中的重金屬或使重金屬形態轉化，降低毒性，凈化土壤。該方法是運用生物技術治理污染土壤的一種新方法，具體包括微生物修復法、植物修復法等。該修復方式近年來逐漸受到關注，操作性強，對重金屬修復具有較大的潛力，但在具體大面積土壤重金屬土壤去除時存在一定局限性。

植物修復較物理化學修復方法優勢明顯，主要體現在達到土壤及周邊水體雙重修復目標、成本低廉，可回收、修復與美化環境兼顧、提高土壤肥力與有機質含量等方面。但其缺點也較顯著，植物的耐性有限、植物修復目標單一，根際分泌物對其他有害重金屬可能具有活化作用、修復周期長[14]。

許多研究表明，微生物修復能夠有效降低土壤中重金屬的毒性。重金屬的毒性大小主要取決于其形態。雖然微生物無法降解土壤中重金屬，但其可以使其形態轉化并且移動，從而使毒性降低，完成修復工作。同樣，微生物修復在應用過程中，其方法仍然是需要去改進的，微生物的修復耐性也不高，并且目前還沒有大規模的全面應用，其難以從土壤中分離，因此重金屬的回收工作很難。

4.4 農業生態修復技術

農業生態修復技術主要是指農藝修復與生態修復。農藝修復主要通過改變耕作制度，選擇種植難以進入食物鏈的農作物品種，合理施用降低重金屬污染風險的化肥與有機肥，最終達到提高植物修復效率等目的。生態修復通過改變土壤pH、土壤養分、溫度與濕度等生態因子從何達到調控污染重金屬的目的。該技術成熟，但修復周期較長。

4.5 聯合修復技術

當前主要的聯合修復技術主要包括物理化學聯合修復技術、生物聯合修復技術和物理化學與生物聯合修復技術。化學淋洗與深層固定是典型的物理化學聯合修復技術。衛澤斌等[15]通過研究發現，鉛鋅污染水稻土壤經化學試劑淋洗后，固定劑（FeCl3）能夠將重金屬有效固定于深層土壤。黃細花等[16]采用套種與化學淋洗聯合修復的方式對土壤中鎘、鋅和鉛的去除率進行研究后發現，淋洗加套種的修復模式能夠有效解決土壤中的重金屬污染問題。

5? 國外農田土壤重金屬污染防治經驗

美國從20世紀40、50、70和80年代開展了相應法案并采取鼓勵休耕措施對農田土地進行保護;于80年代開展并制訂了各種管理體系;美國不僅僅具有農田土壤修復的技術水準，更善于創新各種修復技術[17]。

日本土地資源非常稀缺，農田土地更是十分珍貴，因此日本十分注重對農田土壤的重金屬污染防治工作。日本于20世紀70年代頒布了一系列法律條文用以對農田土壤進行檢測與修復水平提供支持，更于90年代將76%受到污染的農田治理完畢。日本根據其獨特的地質條件與土壤類型設計了一系列能夠適用不同類型污染農田土壤的工程技術，主要是指客土法，還對大米的重金屬指標進行連續3年的監測工作，不達標地區的稻米將由政府統一處理 [18]。20世紀50年代，日本發生了震驚世界的“水俁病”事件，因此日本對于重金屬汞格外重視，通過對各企業進行重金屬減排工作后有數據顯示，日本對于汞的需求已由20世紀60年代的2500t減少至10t[19]。

歐洲依然將重點貫徹于預防大于治理的防治方針，采用各種先進技術對農田土壤進行實時檢測，并制定全面的管理制度。德國專門成立了土壤調查小組;法國與荷蘭建立了土壤重金屬信息數據庫;歐盟也會對各成員國進行土壤重金屬含量的調查[20]。

6? 我國重金屬污染農田土壤修復面臨的問題及防治對策

6.1 重金屬污染農田土壤修復面臨的問題

目前我國對于土壤修復的產業發現在不斷加快，但這種發展大多集中于城市場地，農田土壤的修復治理工作仍然十分薄弱。即使許多理論研究已經進行了較為全面的探索，但實際工程技術層面的應用較難推廣。這主要歸因于目前的研究技術仍不成熟，相關設備、技術需要依靠進口，因此相應的治理成本會很高，該現象并不利于土壤修復企業的發展。

重金屬污染土壤的修復技術很多，但就單一技術來看，任何一種修復技術都有其局限性，難以達到預期效果，進而無法大力推廣。而且土壤重金屬污染修復作為一項系統工程，不僅需要土壤學、植物生理學、遺傳學、環境工程學、分子生物學等多個學科的共同努力，還需要多種修復技術的綜合應用，即將物理修復、化學修復、生物修復科學地結合起來，取長補短，才能達到更好的效果。

農田污染與修復領域的相關法律還不夠系統，我國環保部于2015年新修訂實施《環境保護法》，該方法能有效保障排污責任制度，相對于過去由政府主導的環境管理制度，是未來發展的主要趨勢，但該舉措僅停留在政策階段，具體實施的相關法律條例仍不明確，所以無論是資金還是責任追求都無法得到具體的保障。

此外，近年來發展數量過于迅猛的國內環保企業并沒有達到應有的技術水平，加之我國對于土壤修復企業的資質也沒有較為明確的標準，這種現象直接導致當下國內的農田土壤修復市場混亂。即使當前環保企業增長過猛，但關于農田土壤重金屬污染修復在企業發育仍不成熟的情況下很難有高回報，因此我國對于該方向的投資主要依靠國家財政支出，一般少有普通行業投資者。

6.2 重金屬污染農田土壤修復治理策略

面對我國當前農田土壤重金屬污染現狀，若要有效治理農田土壤，必須將“來源控制”與“有效整治”結合實施。2016年5月，國務院印發了《土壤污染防治行動計劃》，簡稱“土十條”，明確以保障農產品質量和人居環境安全為出發點，堅持預防為主、保護優先、風險管控[20]。

農田土壤重金屬污染十分困難，因此在污染前能夠有效預防更加有意義，必須建立健全農田土壤污染修復制度。我國于20世紀90年代以來的確對一些農田土壤的重金屬污染進行了檢測調查，但沒有形成完善的檢測體制。因此需要在如此嚴峻的環境條件下制定合理的檢測體系，依據總體污染情況與變化趨勢制定對應的政策。例如，經過風險評估后的農田土壤一般需要控制其使用直至恢復正常的甚至必須達到對人體健康無害的標準，因此可綜合各評估制定農田土壤環境指導值，例如《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）。更有利于對農田土壤的修復管理。對于土壤自身的改變較難，我們更需要加強對農田土壤中所施加的化肥、農藥及添加劑等相關農資用品的清潔使用，只有不斷加強農民的環保意識，才能從源頭上加強對農田土壤污染的防治。開展農業技術培訓、發放農業補貼、提供土壤污染大數據、開通監督監管平臺等措施都有利于農田土壤重金屬污染防治的民眾參與度。

技術、資金與管理都是修復治理重金屬污染農田所需要解決的關鍵問題：

真正能夠應用于實際農田的技術現階段還不理想。為了徹底整治現階段已污染農田，需要因地制宜地去考慮每個區域農田自身污染程度、污染類型等指標，以此為依據設計能夠針對各種類型農田的技術手段。

土壤修復的成本巨大，一般土地所有者與經營者是無力承擔全部的修復費用的，即使政府等相關部門以及土地開發商能夠承擔資金支持，但資源十分有限，從而導致棄耕或棄管等現象出現。因此可以借鑒國外治理經驗，制定環境保險制度，由污染者承擔主要責任。

相關管理制度是提高治理能力的必要條件，開展分級管理，嚴加監管農業種植行為、污染行為。“土十條”為保障農業生產安全環境安全，著力推進農用地分類管理。按污染程度將農用地劃為三個類別，未污染和輕微污染的劃為優先保護類，輕度和中度污染的劃為安全利用類，重度污染的劃為嚴格管控類，以耕地為重點，分別采取相應管理措施，保障農產品質量安全。明確監管重點，將重點監測土壤中鎘、汞、砷、鉛、鉻等重金屬。可以預料，隨著國家相關管理制度的推進，我國農田環境污染問題，尤其是重金屬污染問題將會得到有效遏制，并逐步解決，保障我國的農產品安全。

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