耕地土壤重金屬污染概述及安全利用技術(shù)研究

劉 倩 金維政 郭繼民

（1.山東省農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，山東 濟(jì)南 250100；2.濰坊市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，山東 濰坊 261061）

1 土壤重金屬污染概述

1.1 我國(guó)土壤重金屬污染狀況

2014年，原環(huán)境保護(hù)部和原國(guó)土資源部發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)土壤重金屬污染較為嚴(yán)重，其中鎘的點(diǎn)位超標(biāo)率較大（為7.0%），鎳的點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到了4.8%，砷的點(diǎn)位超標(biāo)率是2.7%，鋅的點(diǎn)位超標(biāo)率為0.9%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年受重金屬污染或?qū)е聹p產(chǎn)的糧食達(dá)2 200萬(wàn) t，經(jīng)濟(jì)損失至少200億元［1］。因此，無(wú)論是從生態(tài)效益還是從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)講，我國(guó)土壤重金屬污染總體狀況不容樂(lè)觀。近年來(lái)，部分地區(qū)發(fā)生的一些土壤重金屬污染事件對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全造成了嚴(yán)重威脅，進(jìn)而影響人們的身體健康，甚至成為導(dǎo)致社會(huì)不穩(wěn)定的因素。

近年來(lái)，我國(guó)充分汲取國(guó)外30余年污染治理經(jīng)驗(yàn)，初步建立了農(nóng)用地重金屬土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控法律體系、制度體系、標(biāo)準(zhǔn)體系和技術(shù)體系，有關(guān)土壤中重金屬污染治理的研究也逐漸得到重視，治理措施日益多樣化，為土壤環(huán)境保護(hù)提供了科學(xué)根據(jù)和堅(jiān)實(shí)保障［2］。宋偉等［3］依據(jù)我國(guó) 138個(gè)典型區(qū)域耕地土壤重金屬污染案例資料和數(shù)據(jù)，評(píng)估測(cè)算我國(guó)耕地土壤重金屬污染概率約為16.67%。張小敏等［4］的研究表明，我國(guó)西南地區(qū)各種土壤重金屬含量普遍較高，其他土壤重金屬含量較高的地區(qū)為廣東省北部與湖南省交界和環(huán)渤海地區(qū)，湖北省、安徽省等地也出現(xiàn)土壤重金屬含量偏高的情況。

1.2 土壤重金屬污染來(lái)源

土壤中的重金屬既有自然來(lái)源，又有人為來(lái)源。其中，自然來(lái)源主要是成土母質(zhì)中的重金屬，而人為來(lái)源主要為人類活動(dòng)導(dǎo)致土壤重金屬含量增高，如工業(yè)廢氣和粉塵大氣沉降、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用污水灌溉農(nóng)田、不合理施用農(nóng)藥和化肥、固體廢物堆放等。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體和粉塵通過(guò)自然沉降或者降雨，還有礦山開采、有色金屬冶煉等產(chǎn)生的廢水，均會(huì)將重金屬帶入土壤。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，農(nóng)藥、化肥、地膜等均是農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中非常重要甚至必不可少的生產(chǎn)資料，而不合理使用這些生產(chǎn)資料就有可能加劇土壤重金屬污染。我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用污水灌溉的時(shí)間較為長(zhǎng)久，早在20世紀(jì)50年代就已被廣泛運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，采用這種方式能夠有效緩解淡水資源供應(yīng)不足的情況［5］。另外，從資源循環(huán)利用的角度來(lái)看，處理后的污水中含有一定量的氮、磷等養(yǎng)分，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但是，污水中含有的重金屬在灌溉過(guò)程中也進(jìn)入土壤，最終重金屬累積造成土壤環(huán)境污染。YANG等［6］的研究結(jié)果表明，華北平原污灌區(qū)13 m深的土壤鎘含量可高達(dá)3.8 mg/kg。另外，固體廢物特別是工業(yè)和礦業(yè)等產(chǎn)生的大量重金屬?gòu)U物，如果任意堆放或者隔離處置不當(dāng)，其含有的重金屬污染物就會(huì)向周邊環(huán)境擴(kuò)散，造成環(huán)境污染。

1.3 土壤重金屬污染特點(diǎn)

第一，強(qiáng)隱蔽性。土壤重金屬污染往往不能直觀顯現(xiàn)，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室分析檢測(cè)，甚至是研究其對(duì)人體健康狀況的影響才能確定。第二，易累積性。多數(shù)重金屬污染物在土壤中的活性相對(duì)穩(wěn)定，一旦進(jìn)入土壤后，很難被自然分解或者從土壤中遷移出來(lái)。這樣就會(huì)導(dǎo)致重金屬在土壤中不斷累積，對(duì)土壤的生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響。第三，難治理性。土壤重金屬污染一旦發(fā)生，就很難消除。相關(guān)部門若僅切斷污染源，則并不能消除已經(jīng)累積的重金屬污染物。要想徹底消除重金屬污染物，有時(shí)要靠換土、淋洗等方法，而這種治理方法成本較高、周期較長(zhǎng)，往往不適宜大面積推廣應(yīng)用。

1.4 土壤重金屬污染的危害

從全球范圍來(lái)看，土壤重金屬污染問(wèn)題越來(lái)越普遍。2014年《全國(guó)土壤污染調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)土壤環(huán)境重金屬污染狀況也是比較嚴(yán)重的。重金屬在環(huán)境中可以通過(guò)水-土或者水-氣界面進(jìn)行遷移。在遷移過(guò)程中，重金屬會(huì)通過(guò)食物鏈和食物網(wǎng)富集在生物體內(nèi)，對(duì)生物體造成嚴(yán)重影響。加之重金屬污染的強(qiáng)隱蔽性，人們很難直接察覺(jué)，當(dāng)人體內(nèi)重金屬含量累積到一定程度時(shí)，就會(huì)影響其正常的生命活動(dòng)，甚至造成致畸、致突變或者致癌等嚴(yán)重后果。例如，有研究表明，人體內(nèi)的鉛含量過(guò)高，會(huì)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)和造血系統(tǒng)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的危害［7］。

2 重金屬污染土壤安全利用和治理修復(fù)技術(shù)

目前，農(nóng)藝調(diào)控、土壤改良、生物修復(fù)等多種措施被廣泛應(yīng)用于重金屬污染土壤安全利用和治理修復(fù)。重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)原理主要有以下兩點(diǎn)。第一，通過(guò)各種修復(fù)措施，將重金屬污染物從土壤中移除，降低土壤中重金屬含量。第二，通過(guò)改變土壤中重金屬元素的存在形態(tài)，使其被固定或鈍化，從而減少重金屬在環(huán)境中的遷移和在生物體內(nèi)的富集。從當(dāng)前我國(guó)耕地土壤污染治理修復(fù)的實(shí)踐來(lái)看，將重金屬污染物從土壤中移除的難度較大，可行性不高，主要還是以改變重金屬存在形態(tài)、減少作物吸收、保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全為目標(biāo)。

2.1 農(nóng)藝調(diào)控類措施

農(nóng)藝調(diào)控是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)采用農(nóng)藝措施降低重金屬污染物的活性，減少其向農(nóng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品中重金屬含量不超標(biāo)，保障耕地土壤環(huán)境質(zhì)量安全的措施。農(nóng)藝調(diào)控類措施包括石灰調(diào)節(jié)、優(yōu)化施肥、品種調(diào)整、水分調(diào)控、葉面阻控及深翻耕等。

2.1.1 石灰調(diào)節(jié)。石灰調(diào)節(jié)主要適用于被重金屬污染的酸性土壤，通過(guò)向土壤中施用適量的石灰，提高土壤pH值，使土壤中的重金屬陽(yáng)離子發(fā)生沉淀進(jìn)而降低其活性，同時(shí)可為作物提供鈣素營(yíng)養(yǎng)。李明等［8］的研究表明，施加石灰在提高土壤pH值的同時(shí)降低了土壤中重金屬的活性。這種方法適用于鎘污染的偏酸性稻田，缺點(diǎn)是連續(xù)多年或者過(guò)量施用石灰會(huì)破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，易導(dǎo)致土壤板結(jié)。

2.1.2 優(yōu)化施肥。優(yōu)化施肥主要是根據(jù)土壤環(huán)境狀況與當(dāng)前種植作物的特征，選擇適宜的有機(jī)肥或者化肥種類，優(yōu)化有機(jī)肥或化肥施用技術(shù)，進(jìn)而修復(fù)重金屬污染土壤。在采用這種調(diào)控措施時(shí)，相關(guān)部門對(duì)肥料的選擇要結(jié)合當(dāng)?shù)馗髦贫?、氣候、土壤和水利等條件，同時(shí)要避免因施用化學(xué)肥料而導(dǎo)致重金屬污染物活化的情況發(fā)生。吳文成等［9］研究發(fā)現(xiàn)，硅肥、鈣鎂磷肥和有機(jī)肥對(duì)重金屬污染水稻土修復(fù)效果顯著，添加8 g/kg鈣鎂磷肥能將可交換態(tài)鎘、銅、鉛和鋅比例分別減少62.5%、69.0%、69.6%和73.0%。該方法適用于所有耕地土壤，但肥料施用中應(yīng)注意施用量，把握適度原則，防止過(guò)量施肥引起土壤養(yǎng)分不平衡、酸化，甚至是二次污染等問(wèn)題。

2.1.3 品種調(diào)整。品種調(diào)整的原理是不同種類農(nóng)作物或同一種類農(nóng)作物的不同品種對(duì)重金屬的富集能力不同，可通過(guò)品種篩選，在被重金屬污染的土壤上種植對(duì)重金屬富集能力弱，但生長(zhǎng)和產(chǎn)量基本不受影響的品種，從而抑制重金屬污染物通過(guò)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)入食物鏈，達(dá)到有效降低農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的目的。劉娜［10］在鎘污染農(nóng)田（鎘濃度為0.322 mg/kg和0.421 mg/kg）對(duì)黃淮海平原主推的72個(gè)小麥品種進(jìn)行鎘積累特性研究，發(fā)現(xiàn)不同小麥品種的籽粒鎘積累能力（籽粒鎘濃度和富集因子）差異顯著，小麥籽粒鎘濃度變化范圍為0.061～0.160 mg/kg，籽粒鎘富集因子變化范圍為0.19～0.49。由于我國(guó)地域廣闊，各地種植的農(nóng)作物也有較強(qiáng)的區(qū)域性，每種農(nóng)作物都有其特定的適宜種植地區(qū)，因而在品種推廣上有一定的局限性。此外，相關(guān)部門采用此措施時(shí)需要定期開展跟蹤監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量超標(biāo)，要盡快查明原因，妥善處置并調(diào)整種植方案。

2.1.4 水分調(diào)控。水分調(diào)控是通過(guò)對(duì)酸性土壤采取淹水措施，使其呈還原狀態(tài)，提高土壤的pH值，使重金屬鎘形成硫化物沉淀，從而降低鎘的活性，減少作物對(duì)鎘的吸收。李劍睿等［11］通過(guò)試驗(yàn)證明，長(zhǎng)期淹水有利于土壤鎘的黏土鈍化過(guò)程。該方法主要適用于土壤pH值低于6.5的鎘污染酸性稻田。稻田淹水后土壤呈還原狀態(tài)，有利于水稻吸收營(yíng)養(yǎng)元素，但還原性過(guò)強(qiáng)會(huì)對(duì)植物根系產(chǎn)生毒害作用，因此淹水灌溉期間相關(guān)部門應(yīng)注意加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)和作物病蟲害的防控。

2.1.5 葉面阻控。葉面阻控是通過(guò)向作物葉面噴施含有硅、硒等有益元素的阻控劑，提高作物的抗逆性，抑制重金屬污染物通過(guò)作物根系向可食部位轉(zhuǎn)移，從而降低作物可食部位的重金屬含量。鄒成林等［12］研究表明，施用硒肥可對(duì)作物中的重金屬產(chǎn)生拮抗作用，在糯玉米大喇叭口期噴施不同濃度微量硒肥，不同品種糯玉米的鎘含量隨噴施硒肥濃度的增加而降低，最大降幅為52.9%。該方法適用于鎘污染稻田，特別是有效硅、有效鋅缺乏的鎘污染稻田。葉面阻控劑不僅可有效調(diào)節(jié)作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的平衡吸收，還可通過(guò)葉面噴施，避免對(duì)土壤造成二次污染，且操作相對(duì)簡(jiǎn)便。

2.1.6 深翻耕。一般情況下，表層土壤受環(huán)境擾動(dòng)大，重金屬含量較高，而犁底層或母質(zhì)層的土壤重金屬含量低，深翻耕土壤可將表層與犁底層甚至是母質(zhì)層的土壤充分混合，從而稀釋表層土壤重金屬的含量。該方法對(duì)于一般耕地土壤均適用，但對(duì)耕作層厚度有一定要求，且在降低表層土壤重金屬含量的同時(shí)，也降低了表層土壤中有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的含量，因此，深翻耕一般需要配套施肥措施才能滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)需要。

2.2 土壤改良類措施

土壤改良是通過(guò)向土壤中施用可以降低重金屬污染物活性的鈍化劑、調(diào)理劑等，達(dá)到減少農(nóng)作物對(duì)土壤中重金屬污染物的吸收和富集的目的。

2.2.1 原位鈍化。原位鈍化是通過(guò)向土壤中添加鈍化物質(zhì)，將土壤中的重金屬離子從有效態(tài)轉(zhuǎn)化為化學(xué)性質(zhì)不活潑的形態(tài)，從而降低其在土壤中的生物毒性和有效遷移能力。目前，常見的鈍化劑有蒙脫土、海泡石、黏土礦物粉、鐵錳氧化物及泥炭等。姜洋［13］等研究表明，添加固定劑（蒙脫土、磷礦石、重鈣和鈣鎂磷肥）對(duì)土壤中的鎘有不同程度的鈍化作用，且隨著時(shí)間的推移，鈣鎂磷肥及其配施石灰組和磷礦石配施石灰組鈍化持久性最好。該方法受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)時(shí)、地域和氣候的影響較小，但在大面積應(yīng)用前，相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)技術(shù)的適應(yīng)性試驗(yàn)研究，避免二次污染和長(zhǎng)期使用對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生其他負(fù)面影響。

2.2.2 定向調(diào)控。定向調(diào)控主要基于土壤化學(xué)或微生物學(xué)原理，通過(guò)調(diào)節(jié)土壤中重金屬的氧化還原、沉淀、吸附等過(guò)程，使其從高有效性形態(tài)轉(zhuǎn)化為低有效性形態(tài)、由高毒性轉(zhuǎn)化為低毒性，從而定向控制土壤中重金屬的遷移，減少其在農(nóng)作物中的富集。目前，相關(guān)部門通常采用具有特殊功能的材料，如海泡石、木質(zhì)素、腐殖酸肥等，配制成土壤調(diào)理劑，實(shí)現(xiàn)定向調(diào)控。龍煒?lè)驳龋?4］研究表明，使用礦物基土壤調(diào)理劑能有效降低土壤重金屬含量，其中對(duì)鎘的降低效果最明顯。該方法適用于一般重金屬污染地塊，但在大面積推廣前相關(guān)部門應(yīng)進(jìn)行充分完善的試驗(yàn)研究，以保證修復(fù)成效。

2.3 生物修復(fù)類措施

生物修復(fù)是利用生物的生命代謝活動(dòng)來(lái)降低土壤中重金屬濃度或使重金屬達(dá)到無(wú)害化的技術(shù)，包括微生物修復(fù)和植物提取等技術(shù)措施，其中生物可以是天然或人工改造的。

2.3.1 微生物修復(fù)。微生物修復(fù)主要是通過(guò)微生物的生物代謝來(lái)降低土壤中重金屬的活性，微生物可以是細(xì)菌、真菌或藻類。目前，我國(guó)使用的微生物既有天然的，又有人工馴化培養(yǎng)的。張欣［15］研究表明，通過(guò)施入微生物菌劑，菠菜單株鮮質(zhì)量平均增長(zhǎng)18.8%，干質(zhì)量平均增長(zhǎng)15.7%，菠菜植株鎘含量顯著減少，平均下降幅度為14.5%。該方法比較安全，應(yīng)用成本較低，且二次污染問(wèn)題較少，對(duì)環(huán)境的影響較小。

2.3.2 植物提取。植物提取是利用超（高）富集植物或絡(luò)合誘導(dǎo)植物高效吸收污染土壤中的重金屬，并在地上部積累，通過(guò)將植物地上部分收割，達(dá)到去除土壤中重金屬的目的。該方法成本較高，一般適用于小面積重金屬污染耕地。

2.4 綜合類措施

實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于土壤重金屬污染本身具有一定的復(fù)雜性，且田間環(huán)境影響因素復(fù)雜多變，若采用單一措施難以降低農(nóng)作物可食部位重金屬污染物含量，因此，相關(guān)部門往往需要結(jié)合當(dāng)?shù)馗赝寥牢廴绢愋?、污染程度，利用物?化學(xué)-生物聯(lián)合的技術(shù)措施，因地制宜建立耕地安全利用技術(shù)模式，加強(qiáng)土壤重金屬污染防治。向玲等［16］的研究表明，施用礦物基土壤調(diào)理劑和微生物菌劑，水稻稻米鎘含量降低61.22%，比單獨(dú)施用礦物基土壤調(diào)理劑提高了5.74個(gè)百分點(diǎn)。

3 總結(jié)與展望

近年來(lái)，我國(guó)已經(jīng)意識(shí)到保護(hù)土壤環(huán)境的重要性，國(guó)家對(duì)土壤環(huán)境的監(jiān)測(cè)和管理能力不斷增強(qiáng)。自2016年以來(lái)，國(guó)家相繼出臺(tái)了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《中華人民共和國(guó)土壤污染防治法》和《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則土壤環(huán)境》等相關(guān)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，土壤污染防治監(jiān)管體系逐漸完善。保護(hù)耕地，人人有責(zé)，耕地質(zhì)量直接影響著國(guó)家糧食安全。因此，各地相關(guān)部門應(yīng)進(jìn)一步探索可復(fù)制、可推廣、適宜當(dāng)?shù)赝寥牢廴咎卣骱娃r(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的耕地安全利用技術(shù)模式，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)管控，分類別、分作物、分階段實(shí)施耕地安全利用技術(shù)模式，改善土壤環(huán)境質(zhì)量，保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。