貴州重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)的研究進(jìn)展

張春鑫 魏 勇 鐘衛(wèi)紅 吳畢元,*

（1 畢節(jié)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 貴州畢節(jié) 551700 2 畢節(jié)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州畢節(jié) 551700）

引言

土壤重金屬污染一般是指由于人為活動對土壤造成的污染，主要表現(xiàn)為受外部環(huán)境的影響，不可避免地將重金屬帶入到土壤中。[1]在時間的積累下，重金屬含量超過國家標(biāo)準(zhǔn)，致使土壤被重金屬污染破壞。2014年，發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》指出，全國土壤重金屬總體超標(biāo)率為16.1%，數(shù)據(jù)顯示，鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅和鎳等金屬均超標(biāo)。[2]有研究表明，土壤重金屬的主要來源為工農(nóng)業(yè)活動或人為制造垃圾向土壤中投放，使土壤中的重金屬含量超標(biāo)。“十三五”期間我國工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，人民生活水平的提升，為環(huán)境帶來了重度壓力，如不注重上述重金屬污染物來源成因，則會造成土壤重金屬污染現(xiàn)象的發(fā)生，重金屬污染土壤的環(huán)境問題受到了社會的關(guān)注。眾所周知，重金屬具有毒性，且不可降解，當(dāng)重金屬進(jìn)入人體后，經(jīng)過生物累積效應(yīng)，會損害人類身體健康。隨著人們追求美好生活的需求逐步提高，從人民生命財產(chǎn)安全以及人類身體健康角度來看，推進(jìn)重金屬污染土壤治理技術(shù)的發(fā)展尤為迫切。研究利用CNKI 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，以“重金屬污染土壤”為關(guān)鍵詞進(jìn)行語料搜索，發(fā)現(xiàn)在十三五期間，重金屬污染土壤的文獻(xiàn)數(shù)量為1039 篇，直接相關(guān)“重金屬污染土壤修復(fù)”的文獻(xiàn)139 篇。為更好地分析土壤修復(fù)技術(shù)在重金屬污染土壤中的作用，本文對土壤修復(fù)技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行深入分析，進(jìn)而分析各項修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點，供相關(guān)部門選用參考。

貴州地處祖國西南邊陲，地形獨特，喀斯特地貌明顯，是我國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域，在獨特的自然條件下，貴州土層較薄、土壤貧瘠，相較于其他地區(qū)，貴州土壤對重金屬污染的容納能力較弱，土壤重金屬污染波及面大、危害大、且治理難度大。根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)理統(tǒng)計，貴州喀斯特區(qū)域修復(fù)重金屬污染的土壤技術(shù)近年來以生物修復(fù)技術(shù)和聯(lián)合修復(fù)技術(shù)為主要手段。研究采用中國知網(wǎng)（CNKI）文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫的語料，對上述土壤修復(fù)技術(shù)進(jìn)行整合梳理。

1 重金屬污染土壤的來源

按照土壤污染的來源劃分可自然來源和人為來源。顧名思義，因巖石風(fēng)化、森林火災(zāi)等大型自然類災(zāi)害中向土壤中釋放重金屬污染元素地稱之為自然來源；因大氣降塵、污染灌溉、固定灌溉、固定廢棄物和農(nóng)作物污染等以人為行為導(dǎo)致土壤污染的稱為人為來源。人為來源多以工業(yè)金屬的冶煉、汽車尾氣排放、工業(yè)廢水、生活污水排放等多見。[3]隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，固定廢棄物的隨意處理，鄉(xiāng)村建設(shè)過程中農(nóng)藥、化學(xué)肥料、塑料大棚等農(nóng)用物資的不合理使用也是引發(fā)土壤污染的原因。

2 重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)發(fā)展過程

土壤被重金屬污染后的修復(fù)技術(shù)發(fā)展歷程，大致可分為四個階段：

第一階段，20 世紀(jì)60 年代以前，以物理修復(fù)技術(shù)為代表，如填埋、刮土、覆土等；第二個階段，20 世紀(jì)七八十年代，此階段仍然以物理修復(fù)技術(shù)為主要代表，在原有物理修復(fù)技術(shù)基礎(chǔ)上增加了客土、穩(wěn)定固化等手段；第三階段，20 世紀(jì)90 年代，伴隨新興的生物科技技術(shù)發(fā)展，生物、物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)應(yīng)運而生；第四階段，21 世紀(jì)至今，修復(fù)技術(shù)隨著科技進(jìn)步的發(fā)展而多樣，如，土壤工作者會選用特定的植物和動物進(jìn)行相關(guān)的人為干預(yù)，利用一些化學(xué)反應(yīng)，如氧化還原、淋洗、化學(xué)萃取、熱脫附等對土壤都有修復(fù)功能。

3 重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)

3.1 物理治理技術(shù)

物理治理技術(shù)應(yīng)用至今，利用物體的物理特性，如封裝、玻璃化、電熱法、電動修復(fù)法等，完成土壤的修復(fù)。具有代表性的封裝技術(shù)，在一個封閉的系統(tǒng)中，將污染土壤放入其中。封裝技術(shù)可以保證污染物的場外擴散，避免污染土壤中的重金屬二次擴散。換土法是將污染土壤替換到土壤底層，然后在污染后的土壤上覆蓋一些清潔的土壤，然后將污染土壤移走替代清潔土壤，進(jìn)而達(dá)到修復(fù)的目的。[4]玻璃化技術(shù)是將重金屬隔離在小體積的玻璃材料中，利用高溫原理將土壤中的礦物質(zhì)熔化的過程。電動修復(fù)法利用正負(fù)極產(chǎn)生的低功率直流電場，使重金屬離子發(fā)生定向移動，以沉淀、抽出或離子交換的方式去除土壤中的重金屬。電熱修復(fù)技術(shù)法是根據(jù)污染物的揮發(fā)程度，針對熔點較低或揮發(fā)性較強的重金屬（如Hg 和Se）污染土壤而進(jìn)行的土壤修復(fù)技術(shù)。[5]熱處理技術(shù)是通過負(fù)壓或用載氣裝置，使土壤中的污染物在蒸汽、紅外輻射等作用下充分揮發(fā)。

優(yōu)缺點：物理治理技術(shù)是較為傳統(tǒng)的土壤修復(fù)技術(shù)，應(yīng)用范圍較廣，技術(shù)操作水平適中。操作過程需要消耗大量的人力、物力，成本較高，投入較大，屬于經(jīng)典型土壤修復(fù)技術(shù)。早期物理治理技術(shù)僅僅是將受污染的土壤中污染物簡單的轉(zhuǎn)移，再對這些轉(zhuǎn)移的污染物進(jìn)行處理，該技術(shù)主要是應(yīng)用在一些突發(fā)的緊急土壤污染事件中。隨著社會的發(fā)展，更多具有新工藝、新技術(shù)特點的物理治理技術(shù)出現(xiàn)，經(jīng)濟效益高，應(yīng)用性強，不破壞土壤結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的廢物可回收等。

3.2 化學(xué)治理技術(shù)

化學(xué)治理技術(shù)因其效果好、成本低、見效快等特點被廣泛應(yīng)用。它主要包括化學(xué)淋洗法、化學(xué)固定法、化學(xué)穩(wěn)定法和化學(xué)萃取法等。化學(xué)治理技術(shù)以化學(xué)為手段，通過化學(xué)反應(yīng)的變化稀釋土壤中的重金屬，降低土壤重金屬濃度。化學(xué)治理技術(shù)中，經(jīng)常使用的淋洗液包括表面活性劑、無機鹽、螯合劑、無機酸、水等。它的作用機制是將淋洗液澆灌到土壤中，幫助土壤中的重金屬與淋洗液發(fā)生溶解和解析，以達(dá)到去除重金屬的目的，最后再將含有重金屬成分的淋洗液回收處理。化學(xué)固定法是向土壤中添加固化/穩(wěn)定劑，改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，降低重金屬的生物有效性。[6]化學(xué)穩(wěn)定法是通過化學(xué)物質(zhì)將土壤中重金屬污染物的性質(zhì)轉(zhuǎn)變形態(tài)，使污染物的遷移能力、溶解性和毒性等變?nèi)酰赃_(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。化學(xué)萃取法是使用萃取劑對土壤重金屬污染物進(jìn)行萃取，萃取后對重金屬進(jìn)行分離，并回收處理循環(huán)使用的方法。

優(yōu)缺點：不同的方法有各自的優(yōu)勢和適用范圍，在修復(fù)土壤重金屬污染進(jìn)行選擇時，要充分結(jié)合實際情況選擇最適宜的方法治理以達(dá)到預(yù)期的治理效果。化學(xué)治理技術(shù)適用于面積較大的重金屬污染土壤，靈活性強，但因需要用到化學(xué)試劑，在操作過程中容易產(chǎn)生二次污染，需要格外注意化學(xué)治理技術(shù)操作過程中的使用規(guī)范，在規(guī)定范圍內(nèi)，降低危害性。

3.3 生物治理技術(shù)

3.3.1 植物修復(fù)

植物修復(fù)技術(shù)，顧名思義，借用植物生長過程中的吸收轉(zhuǎn)運、根際穩(wěn)定等方式，使重金屬在土壤中消解。植物修復(fù)技術(shù)主要包括4 種方法：提取法、揮發(fā)法、穩(wěn)定法和降解法。提取法主要是利用植物發(fā)達(dá)的根系吸收土壤重金屬污染物，利用不同植物的特點和吸收特性來修復(fù)污染土壤的治理技術(shù)。揮發(fā)法主要有兩種形式，一種是植物的根系的特殊分泌物將重金屬污染物轉(zhuǎn)化為揮發(fā)態(tài)；另一種是植物通過吸收后將重金屬污染物轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)的形式。穩(wěn)定法是植物通過生長代謝循環(huán)將重金屬污染物的活性降低，使其成為穩(wěn)定態(tài)。降解法是植物通過根系及根際微生物的共同作用將重金屬污染物降解的過程。研究表明，利用植物修復(fù)技術(shù)是一種生態(tài)環(huán)保的生物治理技術(shù)，一方面，植物修復(fù)技術(shù)可以減少土壤修復(fù)的二次污染；另一方面，利用大自然中的植物凈化土壤，實現(xiàn)以物治物，充分體現(xiàn)了生態(tài)環(huán)保的特點。

優(yōu)缺點：植物修復(fù)技術(shù)對土壤特性的有著嚴(yán)格的要求，在貴州喀斯特地區(qū)，因其獨特的喀斯特地貌，利用植物修復(fù)土壤前景廣闊，修復(fù)土壤的同時還能夠起到生態(tài)優(yōu)化、水土保持的作用。

3.3.2 動物修復(fù)

動物修復(fù)技術(shù)是以動物為修復(fù)媒介，通過人工控制或自然條件，利用動物在土壤中生存的狀態(tài)，幫助動物在土壤中進(jìn)行生長、發(fā)育、成長、運動等活動，加快土壤中的污染物分解效率，破壞土壤中的污染物有效成分，進(jìn)一步消化污染物，從而使土壤得到凈化。比如，利用蚯蚓的生存條件以及活動規(guī)律，可以使蚯蚓吸收、富集土壤中殘留的農(nóng)藥等污染物，并通過自身的代謝作用，將農(nóng)藥等污染物分解為無毒或低毒的產(chǎn)物。現(xiàn)實生活中，如果在復(fù)墾后的土地中加入一些蚯蚓等動物，可以幫助土壤中的有機物快速分解，提高土壤肥力。蚯蚓對重金屬的富集作用，可有效降低土壤中的重金屬污染。

優(yōu)缺點：動物修復(fù)技術(shù)主要以蚯蚓、線蟲為主。蚯蚓可以增加土壤有機質(zhì)，起到改善土壤環(huán)境的作用。土壤動物修復(fù)技術(shù)未來的發(fā)展方向是將土壤動物人工化培育，作為一種“轉(zhuǎn)化劑”投入到被重金屬污染的土壤中，來提高土壤動物對重金屬污染的修復(fù)效能。

3.3.3 微生物修復(fù)

微生物修復(fù)技術(shù)通過微生物的吸附及轉(zhuǎn)化等作用，降低重金屬濃度。利用微生物修復(fù)技術(shù)可以通過直接作用和間接作用降低土壤中重金屬的毒性，改善土壤環(huán)境，進(jìn)一步提高植物對土壤污染物的吸附能力。[7]例如，黃青霉就是很好的微生物修復(fù)對象，其具有較強的吸附能力，能夠?qū)χ亟饘傥廴就寥榔鸬接行У膬艋饔谩Ｎ磥戆l(fā)展過程中，其有望成為優(yōu)良的吸附劑。

優(yōu)缺點：利用微生物自身的代謝功能，改善土壤環(huán)境，提升土壤質(zhì)量。相比其他修復(fù)技術(shù)，微生物修復(fù)技術(shù)成本較小，污染較少。從目前的來看，土壤微生物修復(fù)技術(shù)是未來最具有開發(fā)潛力的修復(fù)技術(shù)，培育富集重金屬優(yōu)勢菌群，最終實現(xiàn)針對性強、高效能、成本低、適用范圍廣的微生物修復(fù)技術(shù)工程化應(yīng)用。

3.4 聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是一種基于單一土壤修復(fù)技術(shù)的弊端而應(yīng)運而生的土壤修復(fù)技術(shù)。國內(nèi)部分學(xué)者已就聯(lián)合修復(fù)技術(shù)開展相關(guān)的研究，取得了良好的土壤修復(fù)效果。實際運用過程中，常見的有三種聯(lián)合修復(fù)形式：一是土壤動物和微生物、植物聯(lián)合修復(fù)，如使用動物修復(fù)技術(shù)的過程中，可以結(jié)合植物修復(fù)技術(shù)。例如，蚯蚓—菌根相互作用對土壤、植物系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化作用時，蚯蚓的活動有利于黑麥草根部根瘤菌的富集，從而促使黑麥草根向上移動，在這個過程中，運用植物修復(fù)技術(shù)，通過植物保持土壤含水量、分泌有機酸、調(diào)節(jié)土壤pH 值等功能，為土壤中動物的生存環(huán)境提供了重要保障，從而加強了動物修復(fù)的處理能力。二是植物和微生物聯(lián)合修復(fù)，如土壤中的細(xì)菌對植物的生長具有刺激和保護(hù)作用，能夠直接或間接地對植物的生長產(chǎn)生影響。相關(guān)研究表明，植物與專性降解菌的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)能夠有效地治理重金屬污染，如俄羅斯科學(xué)院斯克里亞賓生物化學(xué)與微生物生理學(xué)研究所的科學(xué)家培育出一種可以抵抗重金屬污染并有效保護(hù)植物生長的細(xì)菌，這種細(xì)菌在有Zn、Cd、Ni 和Co 的條件下可以產(chǎn)生抗生素，它的細(xì)胞雖然不具備穩(wěn)定的基因，但是處于染色體外能夠自動復(fù)制的環(huán)狀DNA 分子能夠有效遏制重金屬離子進(jìn)入細(xì)胞，同時刺激并保護(hù)植物的生長。三是微生物和化學(xué)法聯(lián)合修復(fù)，目前微生物與化學(xué)法聯(lián)合修復(fù)分為兩大類。如現(xiàn)場注入季銨鹽陽離子表面活性劑，把土壤中含有的黏土轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C黏土礦物，有機黏土礦物可以有效地吸附和固定土壤中的污染物，然后利用微生物對富集起來的污染物進(jìn)行吸收降解。又如利用表面活性劑來增加疏水性物質(zhì)的溶解度，使土壤中的污染物被分配到表面活性劑膠束相中，使微生物更加容易進(jìn)行新陳代謝作用。因此，利用微生物與化學(xué)法相結(jié)合的修復(fù)技術(shù)可加快受損土壤的生態(tài)修復(fù)速度。

優(yōu)缺點：聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展應(yīng)運而生的土壤修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)可以彌補修復(fù)技術(shù)之間的弊端，整合修復(fù)技術(shù)優(yōu)勢，達(dá)到修復(fù)土壤的目的。

4 重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)展望

貴州冬無嚴(yán)寒夏無酷暑的獨特氣候為土壤污染修復(fù)技術(shù)提供了得天獨厚的自然條件，但其林地多、耕地少的現(xiàn)狀，也對重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)提出了更高的要求。健康的土壤環(huán)境是提升土壤利用率的必要條件，從生態(tài)學(xué)系統(tǒng)角度出發(fā)，重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)需要以生態(tài)環(huán)境為依托，運用生態(tài)環(huán)保理念，因地制宜，選擇適宜于土壤修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)。綜合上述土壤修復(fù)技術(shù)的使用條件，不難發(fā)現(xiàn)重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)正在朝著綠色、環(huán)保、可持續(xù)的方向發(fā)展。通過進(jìn)行可持續(xù)性修復(fù)，提升現(xiàn)代生物技術(shù)水平的研究，結(jié)合地域特征，取其所長，尋求生態(tài)環(huán)保、成本低的修復(fù)方案。結(jié)合當(dāng)前各種土壤修復(fù)的特點及土壤污染狀況，提出以下建議：

第一，善于運用國內(nèi)外先進(jìn)重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)，關(guān)注土壤發(fā)展前沿動態(tài)，注重使用聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，根據(jù)土壤現(xiàn)實情況優(yōu)化修復(fù)方案，在修復(fù)過程中以生態(tài)環(huán)保理念為引領(lǐng)，避免二次污染，避免修復(fù)過程帶來的次生損害。綜合運用多種修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點，在同等條件下，達(dá)到成本低、效率高的土壤修復(fù)預(yù)期成效。

第二，注重結(jié)合貴州喀斯特地區(qū)的土壤現(xiàn)狀，因地制宜選用相應(yīng)的土壤修復(fù)技術(shù)。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并在重金屬污染土壤修復(fù)中應(yīng)用較廣的超富集植物大概有700 多種。[8]但是，由于貴州地處喀斯特地區(qū)，植物生長條件較為惡劣，在偏僻地區(qū)或石漠化區(qū)域，植物生長的存活率較低，不容易直接使用相關(guān)的土壤修復(fù)技術(shù)。因此，通過現(xiàn)代生物技術(shù)手段，利用好基因工程、細(xì)胞工程，以及現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)對植物的適應(yīng)性進(jìn)行相應(yīng)的重整與調(diào)試，以適應(yīng)貴州地區(qū)土壤修復(fù)的基本條件。

第三，提升生態(tài)環(huán)保的修復(fù)功能材料，研發(fā)可降解、高效吸附能力的介子材料，運用現(xiàn)代技術(shù)完善土壤修復(fù)的新材料，科學(xué)有效篩選生物修復(fù)的優(yōu)勢物種。注重開發(fā)一些高效吸附能力、環(huán)保友好的環(huán)境功能材料，使其具有高吸附能力、高螯合能力。組織專業(yè)研究人員改進(jìn)修復(fù)功能材料的特性，就地取材，研發(fā)適宜于貴州地貌土壤修復(fù)功能材料。

第四，運用微生物技術(shù)改善土壤重金屬污染程度。微生物世界是人類探索的未知世界，數(shù)以萬計的微生物王國中，藏匿著可供人類選擇培育的微生物物種。運用現(xiàn)代生物手段，使用微生物組織技術(shù)是改善重金屬污染土壤的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，達(dá)到去除土壤重金屬污染的現(xiàn)狀，提升土壤的環(huán)境質(zhì)量。

結(jié)語

貴州地處亞熱帶地區(qū)，土壤在形成過程中受氣候和地貌影響較為明顯。針對省域土壤林地多、耕地少的現(xiàn)狀，加之大部分土壤帶有高原土壤的獨特特性，如何有效開發(fā)土壤利用率，增強貴州省土壤肥力，以及更好地在鄉(xiāng)村振興大背景下，積極開發(fā)鄉(xiāng)村土壤建設(shè)使用效率，是土壤工作者在未來研究過程中值得注意的重要問題，也是貴州土壤研究領(lǐng)域亟待解決的難題。換言之，貴州獨特的地貌結(jié)構(gòu)，土壤分布區(qū)域根據(jù)其所屬區(qū)域也呈現(xiàn)出不同的特性，如，黔中高原地區(qū)、黔西北地區(qū)，以及黔南地區(qū)，不同區(qū)域的土壤特點已有學(xué)者展開相關(guān)論述。針對土壤自身的滯后性和不可逆轉(zhuǎn)性，倘若土壤被重金屬污染，短時間內(nèi)無法快速達(dá)到自我修復(fù)的目的，必須選用適合的土壤修復(fù)技術(shù)，采用人為處理方式，有針對性地進(jìn)行土壤修復(fù)。本文希望能夠在土壤修復(fù)技術(shù)方面給予相關(guān)土壤研究工作者一定的參考借鑒。另一方面，技術(shù)提升的根本是人的綜合素養(yǎng)提升，在提升技術(shù)手段的同時，加強對人們環(huán)境保護(hù)意識的教育引導(dǎo)，提升廣大居民的生態(tài)環(huán)保意識，從源頭上，避免人為土壤污染，減少人為垃圾對土壤的損害，減少工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程中，對土壤造成的直接或間接損害。只有政府、企業(yè)，以及廣大居民齊心協(xié)力，以生態(tài)環(huán)保理念與大自然和諧相處，土壤健康發(fā)展才能夠真正實現(xiàn)與經(jīng)濟發(fā)展的同頻共振。