我國農(nóng)田土壤重金屬污染及其防治策略研究進展

周韜韞

（蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，也是保障糧食安全生產(chǎn)的重要條件。近些年，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，對土地的利用強度也呈現(xiàn)出逐年遞增的態(tài)勢，由此引發(fā)的土壤環(huán)境問題也越來越嚴(yán)重。例如工業(yè)廢水廢氣的排放、采礦及冶煉過程中產(chǎn)生的重金屬廢棄物、農(nóng)藥化肥的過量使用等使得土壤中的重金屬過量富集，超過土壤生態(tài)系統(tǒng)自我凈化能力及其所能承受的范圍，最終導(dǎo)致土壤重金屬污染的發(fā)生。如果利用這樣的土壤進行農(nóng)作物的種植，或者利用受污染的污水進行灌溉不僅會導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量下降，而且人類通過直接或間接的方式食用受污染的農(nóng)產(chǎn)品會對人體健康造成嚴(yán)重危害。據(jù)統(tǒng)計，2014 年我國糧食主產(chǎn)區(qū)耕地土壤重金屬點位超標(biāo)率達19.4%，而到了2018 年這一數(shù)字增長了近4%，達到了21.49%，且這一數(shù)字還再逐年增加[1]。而“血鉛事件”“鎘大米”“鎘小麥”等事件的發(fā)生也為我國農(nóng)田重金屬污染防治敲響了警鐘[2]。因此，如何有效緩解農(nóng)田土壤重金屬污染問題是我國環(huán)保工作目前亟待解決的重要問題。

1 我國農(nóng)田土壤重金屬污染的主要來源

重金屬指的是比重超過5.0 的金屬，主要包括Cd、Cr、Hg、Fe、Zn、Mn 等元素。農(nóng)田土壤重金屬污染來源途徑眾多，可歸納為自然因素和人為因素兩個方面。

1.1 自然因素

在不同的自然環(huán)境下，土壤的成土母質(zhì)、土壤有機質(zhì)、植被及土地利用類型、水文氣象條件及地形地貌等方面的差異，均會導(dǎo)致土壤中重金屬含量差異較大。例如不同土壤類型中，石灰?guī)r母質(zhì)發(fā)育土壤中的Cd、Hg、As 和Cr 等重金屬元素的背景值要明顯高于風(fēng)沙母質(zhì)。在不同母質(zhì)中，沉積石灰?guī)r中的Cd、Cr、Hg、As 和Cr 等重金屬背景含量最高。而造成我國中南和西南高背景地區(qū)土壤中Hg、As、Cd、Pb 等重金屬元素含量差異的主要因素是兩地區(qū)成土過程中元素的次生富集作用顯著不同[3]。

1.2 人為因素

1.2.1 大氣中重金屬物質(zhì)的沉降

大氣中重金屬物質(zhì)的沉降是農(nóng)田土壤重金屬污染的重要來源之一。其主要來源于工廠有害氣體的排放、采礦過程中產(chǎn)生的粉塵等，這些物質(zhì)通過大氣自然沉降或者降雨的方式流入農(nóng)田，從而使農(nóng)田土壤受到重金屬污染。特別是在工廠周邊及礦坑附近的農(nóng)田重金屬污染的報道屢見不鮮。另外，含鉛汽油的燃燒、輪胎磨損等產(chǎn)生的粉塵也會釋放出大量含鉛、鎘、鋅等有害氣體，從而造成公路和鐵路周邊的農(nóng)田土壤受到重金屬的污染。

1.2.2 污水灌溉造成的污染

污水灌溉指的是經(jīng)過處理并達到灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求的污水為水源所進行的灌溉。污水主要來源于工業(yè)生產(chǎn)的廢水、污染的地表水以及生活污水等。我國水資源匱乏，污水灌溉是有效是解決農(nóng)田灌溉問題的有效方法之一。生活污水具有水質(zhì)好、肥分高，含有較多N，P、K 等多種養(yǎng)分的優(yōu)點，但是生活污水也會被殘留在土壤表面的重金屬廢棄物污染，雖然經(jīng)過污水處理，但隨著灌溉次數(shù)的增多，重金屬元素會不斷的在農(nóng)田土壤中積累，最終導(dǎo)致農(nóng)田受到污染。

電鍍、冶金等行業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，廢舊電器等工業(yè)固體廢物的堆砌或者移動處理過程中殘留在土壤表層的重金屬等等，都會隨著雨水而進入地下水系統(tǒng)或者流入附近的水源地，從而在農(nóng)田灌溉過程中造成重金屬污染。

1.2.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的污染

我國是農(nóng)業(yè)大國，在農(nóng)作物種植過程中會使用大量的農(nóng)藥和化肥，長期過量的施用含有Cd、Pb、Hg 等重金屬元素的農(nóng)藥和化肥會使得這些重金屬元素在土壤中過量的富集，從而造成土壤的重金屬污染。地膜具有減緩水分蒸發(fā)和保溫增溫等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在農(nóng)作物的種植上。地膜在生產(chǎn)過程中使用的熱穩(wěn)定劑中含有Cd、Pb 等重金屬元素，大量的地膜殘留物會造成農(nóng)田重金屬污染。在畜禽的集中養(yǎng)殖過程中，飼料中往往會添加含Cu、Zn 等重金屬的化學(xué)物質(zhì)飼料添加劑，畜禽食用后會產(chǎn)生帶有大量重金屬的糞便，隨著畜禽糞便有機肥的大量施用，會造成農(nóng)田土壤重金屬污染。

2 農(nóng)田土壤重金屬污染的危害

農(nóng)作物不僅能夠從土壤中吸收生長所需的營養(yǎng)元素，同時也能夠不自主地從土壤中吸收重金屬元素，當(dāng)植物體內(nèi)重金屬元素富集到一定程度時，會引起植物體內(nèi)發(fā)生一系列的變化，如細(xì)胞器的損傷，細(xì)胞膜透性發(fā)生改變，代謝過程改變等，進而影響農(nóng)作物的生長發(fā)育，最終導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕收。例如土壤中鉻元素濃度超過0.1 mg/L，嚴(yán)重抑制水稻種子的萌發(fā)[4]。重金屬Cr 可使植物葉綠素含量明顯降低。Cr、Pb、Zn影響蘆葦根和葉片的電解質(zhì)滲透率，且隨著濃度升高而加劇[5]。對人體來說，如果食用重金屬含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品，會使得重金屬在人體中進行富集而難以排出，導(dǎo)致人體器官產(chǎn)生病變，嚴(yán)重危害人體健康。

3 農(nóng)田土壤重金屬污染的防治策略

農(nóng)田土壤重金屬污染的治理應(yīng)堅持“預(yù)防為主、防治結(jié)合、綜合治理”的防治策略。同時，應(yīng)制定相關(guān)法律法規(guī)，加大宣傳、監(jiān)督和管理工作力度，探索合理的重金屬污染的修復(fù)方法。

3.1 加強污染源的監(jiān)管與控制

為了有效預(yù)防農(nóng)田土壤的重金屬污染，首先應(yīng)該從源頭上對污染源進行有效的監(jiān)管，應(yīng)做到：1）嚴(yán)格執(zhí)行“工業(yè)三廢”的排放標(biāo)準(zhǔn)，對重金屬污染物含量超標(biāo)的廢水、廢氣和廢渣必須進行先處理后排放，阻斷廢棄物對水源的污染；2）禁止使用含有重金屬的農(nóng)藥、化肥和地膜，防止因農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施而引起的農(nóng)田重金屬污染；3）加強城市污水排放的監(jiān)測體系，防止重金屬進入農(nóng)田的各種方式；4）提高燃油品質(zhì)和機動車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 制定法規(guī)和加強宣傳

面對日益嚴(yán)重的農(nóng)田土壤重金屬污染問題，1）政府應(yīng)建立和完善保障農(nóng)田土壤污染治理相關(guān)的政策和法律法規(guī)。2）加強執(zhí)法層面的管控，做到依法行政，從嚴(yán)處理，絕不姑息。同時鼓勵人民群眾對各種污染土壤和環(huán)境的行為進行舉報，這樣才能最大程度上抑制重金屬污染事件的再次發(fā)生。3）各地政府應(yīng)加強宣傳和科普工作，提升人民群眾對環(huán)境保護的意識，讓人們真正意識到保護環(huán)境、防治土壤重金屬污染的重要性。4）通過植樹造林等方式改造自然環(huán)境，增強土壤的自我修復(fù)能力。讓人們真正意識到有效預(yù)防土壤重金屬污染的方法。

3.3 建立健全的土壤環(huán)境監(jiān)測體系

建立健全的土壤環(huán)境監(jiān)測體系，1）要制定健全的環(huán)境保護管理機制，科學(xué)協(xié)調(diào)好土壤環(huán)境的監(jiān)測和治理工作；2）建立健全的土壤環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺，實時掌握土壤環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)污染源并進行處理，降低土壤重金屬污染造成的損失；3）通過共享平臺，加強各部門之間的交流與配合，做好土壤重金屬污染的預(yù)防和治理，實現(xiàn)對土壤環(huán)境的有效保護[6]。

3.4 探索合理的修復(fù)方法

土壤重金屬修復(fù)指的是對重金屬污染的土壤進行修復(fù)治理，從而降低其對生態(tài)系統(tǒng)的破壞，以達到生物可承受的范圍。土壤重金屬污染修復(fù)法主要包括物理修復(fù)法、化學(xué)修復(fù)法、生物修復(fù)法、聯(lián)合修復(fù)法和農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)法。

3.4.1 物理修復(fù)法

物理修復(fù)法是指通過各種物理過程將土壤中重金屬污染物去除或分離出去，主要包括工程治理法、土壤淋濕法、電動修復(fù)法、電熱修復(fù)法、玻璃化法等。工程治理法是通過深耕翻土等措施來治理受重金屬污染的土壤。具有操作簡單，實施迅速等優(yōu)點。但該方法存在投入成本較高，易破壞土壤結(jié)構(gòu)，容易造成二次污染等缺點。土壤淋濕法是指用水或者用能夠與重金屬元素可溶性的試劑，對重金屬污染的土壤進行沖洗，然后借助陰離子形成沉淀，避免重金屬進入水體。淋洗法是目前應(yīng)用最早和最多的方法，具有操作周期短等優(yōu)點，但不能大規(guī)模應(yīng)用，只能應(yīng)用于工業(yè)等重污染場地。電動修復(fù)法是指將受重金屬污染的土壤通過施加直流電形成電場梯度，在電遷移等作用下，將重金屬轉(zhuǎn)移到電場兩端，從而實現(xiàn)污染土壤的修復(fù)[7]。電熱修復(fù)法是利用高頻電壓產(chǎn)生的熱量，對被重金屬污染的土壤進行加熱，使易揮發(fā)的重金屬從土壤中解析出來。該方法主要針對易揮發(fā)性重金屬如Hg、As 和Se 等污染的土壤，但該方法具有耗能大，加熱過程中易造成土壤的二次污染等缺點。玻璃化法是利用高溫熔融重金屬污染的土壤，使其形成玻璃體或固結(jié)成團，以達到降低土壤中重金屬的目的[8]。玻璃化法具有能夠從根本上快速的消除土壤中重金屬污染物的優(yōu)點，但是由于處理費用高且工程量大，常用于搶救性的重金屬污染土壤的修復(fù)。

3.4.2 化學(xué)修復(fù)法

化學(xué)修復(fù)法是利用化學(xué)改良劑與土壤中重金屬發(fā)生氧化還原、吸附、螯合、共沉淀等化學(xué)反應(yīng)來改變土壤中重金屬的形態(tài)，削弱其在土壤環(huán)境中的生物有效性和遷移性，從而降低土壤中重金屬對動植物的毒害作用[9]。使用化學(xué)法修復(fù)土壤重金屬時，要嚴(yán)格控制試劑配比及實驗條件，否則容易造成二次化學(xué)污染。化學(xué)修復(fù)法具有治理周期短，治理效果明顯等特點，但是不能確保治理效果的長期穩(wěn)定性。另外，化學(xué)修復(fù)法并沒有將土壤中的重金屬轉(zhuǎn)移除去，只是改變了其形態(tài)以降低其危害。

3.4.3 生物修復(fù)法

生物修復(fù)法主要是利用具有強生命力和降解能力的生物體（動物、植物和微生物）對土壤重金屬元素進行吸收、轉(zhuǎn)化、降解，降低土壤中重金屬元素的含量，最終實現(xiàn)土壤環(huán)境修復(fù)的作用。相較于物理和化學(xué)修復(fù)法，生物修復(fù)法具有操作簡單、治理成本低、整體作用更好等特點。近年來利用生物法進行土壤重金屬修復(fù)得到了廣泛的應(yīng)用，是未來土壤重金屬污染治理的主要研究方向。

1）植物修復(fù)法。植物修復(fù)法是通過種植對重金屬吸收和富集能力強的植物，然后通過收獲植物將重金屬從土壤中轉(zhuǎn)移出來，從而達到降低土壤中重金屬含量的目的。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有超過500種植物對Cr、Co、Ni、Cu、Pb、Mn、Zn等重金屬元素具有超富集能力[10]。例如羊齒類鐵角蕨屬植物，對于土壤中Cd 的吸收率可達到10%，連續(xù)多年種植能夠降低土壤中一半以上Cd含量[11]。在鎘含量100 mg/kg的土壤上種苧麻，5年后土壤中鎘含量平均降低了26.17%[10]。

2）動物修復(fù)法。動物修復(fù)法是利用動物（蚯蚓、蛆類和鼠類等）的活動對土壤中的重金屬進行吸收和轉(zhuǎn)化，從而達到降低或去除重金屬毒性。目前應(yīng)用比較廣泛的動物修復(fù)法就是利用蚯蚓對土壤重金屬污染進行修復(fù)[12]。蚯蚓能夠在受重金屬污染的土壤中存活，并且通過吞食等活動將土壤中的重金屬富集到體內(nèi)，從而降低土壤中重金屬的含量。另外，蚯蚓還可以改善土壤的透氣性和透水性，優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)。

3）微生物修復(fù)法。除了使用動、植物修復(fù)之外，研究人員還使用微生物對土壤中的重金屬污染物進行修復(fù)。微生物修復(fù)法是利用某些微生物對土壤中特定的重金屬具有吸收、沉淀、氧化還原、溶解等作用，從而降低土壤中重金屬的有效性。例如帶有陰離子型基團的微生物，能夠通過離子交換、螯合、靜電吸附以及共價吸附等方式與土壤中帶正電荷的重金屬離子發(fā)生作用，減少土壤中游離的帶正電荷重金屬含量，從而降低土壤中的重金屬的毒性[13]。另外，有些高價態(tài)的重金屬元素如Cr、Mn 等具有很強的毒性，土壤中的某些微生物能夠?qū)⒏邇r態(tài)金屬離子還原成低價態(tài)，從而使得一些重金屬元素毒性下降或者消失。

3.4.4 聯(lián)合修復(fù)法

聯(lián)合修復(fù)法是指將兩種或兩種以上的修復(fù)方法聯(lián)合使用，形成聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。聯(lián)合修復(fù)法能夠結(jié)合每一種修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢，提高污染土壤的修復(fù)速率與效率。例如利用吊蘭和蚯蚓修復(fù)土壤中重金屬鎘，效果顯著優(yōu)于單一的植物或動物修復(fù)效果[14]，利用化學(xué)淋洗劑增加土壤溶液中重金屬濃度，提高植物油葵修復(fù)、凈化土壤中的重金屬鎘[15]。利用植物與電場的聯(lián)合作用，提高植物對重金屬的吸收能力[16]。

3.4.5 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)法

農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)法是指通過調(diào)整農(nóng)作物耕作模式來改善土壤的生態(tài)環(huán)境，從而達到減輕或阻斷重金屬對人體造成的危害。土壤重金屬生態(tài)修復(fù)應(yīng)做到因地制宜，

在重金屬污染嚴(yán)重區(qū)域，種植不進入食物鏈的高富集重金屬植物，如花草、樹木等，這樣既能美化環(huán)境，又能凈化土壤。在重金屬低污染區(qū)域種植低富集重金屬的作物品種，減少重金屬在作物中的累積[17]。農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)法具有修復(fù)周期長且修復(fù)效果不顯著等缺點。

4 結(jié)語

隨著農(nóng)業(yè)化進程的快速發(fā)展，現(xiàn)階段我國農(nóng)田土壤重金屬污染問題已經(jīng)比較嚴(yán)重，極大的影響著農(nóng)業(yè)和社會的可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)田土壤重金屬污染具有隱蔽性強、易積累性、地域差異大以及治理難等特點。因此，要求一方面要從源頭對土壤重金屬的污染進行治理，切斷污染源。另一方面，加強科技創(chuàng)新，制定合理的修復(fù)策略，實現(xiàn)對土壤重金屬污染的科學(xué)化治理，從而保障我國糧食安全和促進農(nóng)業(yè)與社會可持續(xù)發(fā)展。