農(nóng)田重金屬污染治理措施

李夢(mèng)天

（中陜核工業(yè)集團(tuán)二一一大隊(duì)有限公司，陜西 西安 710000）

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，農(nóng)田土壤環(huán)境惡化將影響糧食安全，進(jìn)而通過(guò)食物鏈傳遞危害人類健康，威脅地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可持續(xù)[1]。受工業(yè)化、城鎮(zhèn)化以及規(guī)模化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等因素影響，土壤重金屬（如鎘、銅、汞、鎳、鉛、砷、鉻、鉬等）污染問(wèn)題日益凸顯，土壤環(huán)境惡化嚴(yán)重。其中，由于鎘元素具備較強(qiáng)的生物毒性和流動(dòng)性，對(duì)人類健康、糧食生產(chǎn)、土壤環(huán)境以及生態(tài)系統(tǒng)的消極影響最為顯著[2]。例如，2013年中國(guó)南部發(fā)生的稻米鎘污染問(wèn)題，嚴(yán)重威脅相關(guān)居民的生命安全；日本也曾發(fā)生鎘中毒、“骨痛”事件[3]。此外，研究表明，近年來(lái)，我國(guó)主產(chǎn)糧區(qū)土壤鎘污染點(diǎn)位超標(biāo)率從1.32%增加到17.39%，嚴(yán)重影響糧食生產(chǎn)安全[4]。因此，亟需通過(guò)各種手段對(duì)農(nóng)田重金屬污染進(jìn)行修復(fù)，以保證糧食安全、人類健康，進(jìn)而維持生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)的平衡。

1 農(nóng)田重金屬污染的危害及來(lái)源

1.1 農(nóng)田重金屬污染的危害

1.1.1 農(nóng)業(yè)減產(chǎn)

重金屬元素作為人體、動(dòng)植物生長(zhǎng)所需的微量元素，具有重要的生物學(xué)意義[5]。一旦農(nóng)田重金屬含量和濃度超標(biāo)，影響作物生產(chǎn)并導(dǎo)致減產(chǎn)，進(jìn)而危害糧食安全[6]。一方面，植物體內(nèi)重金屬含量超標(biāo)，會(huì)抑制植物生長(zhǎng)酶的活性和蛋白質(zhì)功能，甚至產(chǎn)生生物毒性，造成植物細(xì)胞損傷、官能團(tuán)位移、氧化應(yīng)激反映增高以及細(xì)胞代謝停滯，進(jìn)而限制農(nóng)作物生長(zhǎng)[7]；另一方面，單一金屬元素超標(biāo)會(huì)限制植物生長(zhǎng)所需的其他微量元素的積累，進(jìn)而限制植物生產(chǎn)力提升。比如，王小慶等[5]在對(duì)兩種有機(jī)廢棄物對(duì)鉬礦區(qū)農(nóng)田污染土壤的修復(fù)效果研究中發(fā)現(xiàn)，鉬含量過(guò)量會(huì)限制錳、鎂、銅等植物生長(zhǎng)所需的微量元素積累，進(jìn)而削弱農(nóng)作物的生長(zhǎng)速率。

1.1.2 農(nóng)田土壤環(huán)境惡化

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，其本身所富含的礦物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物高質(zhì)量增產(chǎn)、確保糧食安全以及保證人類生命安全的重要基礎(chǔ)[8-9]。比如，Wang et al.[10]對(duì)山東濟(jì)寧和山西關(guān)中地區(qū)元素含量和人均壽命的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，土壤中有益微量元素含量與元素總量之比，與人類壽命顯著正相關(guān)。近年來(lái)，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化以及農(nóng)業(yè)化肥的使用，使得農(nóng)田重金屬含量超標(biāo)，影響農(nóng)田動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，損害微生物活性[1]。此外，由于重金屬元素沉積性強(qiáng)，不易被農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)自分解，因此會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失、土壤肥力下降[11]。

1.1.3 危害人體健康

研究表明，鎘含量超標(biāo)的糧食進(jìn)入人體后，在肝臟、腎臟以及骨骼大量積累并引發(fā)貧血、神經(jīng)痛等癥狀，損傷身體機(jī)能[12]；鉬含量超標(biāo)的食物進(jìn)入人體會(huì)導(dǎo)致腹痛、腹瀉、延緩生長(zhǎng)、不孕不育等癥狀[5]；鉛含量超標(biāo)食物進(jìn)入人體會(huì)引起便秘、貧血、嘔吐、神經(jīng)過(guò)敏等癥狀，還會(huì)導(dǎo)致兒童智力發(fā)育遲緩和行為異常[3]。此外，糧食重金屬含量超標(biāo)可使人體礦物質(zhì)缺乏，引發(fā)“隱性饑餓”問(wèn)題，從而危害人體健康。據(jù)研究，當(dāng)前礦物質(zhì)鋅缺乏已成為全球近1/3人口所面臨的問(wèn)題[13]。

1.2 農(nóng)田重金屬污染的主要來(lái)源

1.2.1 農(nóng)用化肥的過(guò)量使用

當(dāng)前我國(guó)農(nóng)用化肥主要包括氮肥、磷肥、鉀肥以及復(fù)合肥。化肥的過(guò)量施用易導(dǎo)致土壤發(fā)生酸化反應(yīng)。受降雨和灌溉的影響，土壤中過(guò)量的硝酸根離子進(jìn)入淺層地表水和地下水，參與水循環(huán)，將引發(fā)人體胃癌等疾病，危害人體健康[14]。而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所噴灑的農(nóng)藥也含有大量的重金屬元素，會(huì)在農(nóng)田土壤中附著沉積，造成土壤污染[11]。

1.2.2 工業(yè)“三廢”處置不當(dāng)

由于降水不均，水資源供給不足，我國(guó)多數(shù)地區(qū)旱季的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨嚴(yán)重的缺水問(wèn)題。為滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，部分地區(qū)往往采取將生活污水和工業(yè)廢水用于灌溉的方式澆灌農(nóng)作物[15]。而其中的重金屬污染物將進(jìn)入農(nóng)田，造成農(nóng)田土壤環(huán)境惡化。此外，固體廢棄物的隨地傾倒，也會(huì)污染農(nóng)田。當(dāng)前我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的固體廢棄物處置方式仍以焚燒、傾倒和堆肥三種方式為主，在此過(guò)程中，固廢中所貯存的重金屬得以釋放，并隨土壤運(yùn)動(dòng)和水文運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散，造成土壤污染[11]。此外，人類社會(huì)生產(chǎn)、生活行為所產(chǎn)生的污染物，往往以氣溶膠形式存在于大氣中，參與大氣循環(huán)，隨大氣沉降或降雨進(jìn)入土壤[16]。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在水平地震作用下，框架部分計(jì)算所得的剪力一般較小。按多道防線的概念設(shè)計(jì)，墻體是第一道防線。在設(shè)防地震、

2 國(guó)內(nèi)外農(nóng)田重金屬污染現(xiàn)狀

隨著人類生產(chǎn)力的提高和工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，農(nóng)田重金屬污染已成為全球土壤環(huán)境修復(fù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所面臨的重大挑戰(zhàn)。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前全球平均每年排放汞15 000萬(wàn)噸、銅340萬(wàn)噸、鉛500萬(wàn)噸、錳150萬(wàn)噸和鎳100萬(wàn)噸[1]。基于對(duì)美國(guó)1 200份水稻樣本的分析，Huang et al.[17]發(fā)現(xiàn)鉛、鉻、鎳、銅等重金屬污染嚴(yán)重的樣本高達(dá)63%；基于對(duì)日本農(nóng)田重金屬污染狀況的觀測(cè)，Parr[18]發(fā)現(xiàn)日本的鎘污染農(nóng)田約占全國(guó)污染農(nóng)田的82%。此外，美國(guó)、歐洲、澳大利亞以及俄羅斯，農(nóng)田鎘污染最為嚴(yán)重[19]；墨西哥和意大利主要以銅、鉛和鋅污染為主[20]。

在我國(guó)，農(nóng)田重金屬污染來(lái)源復(fù)雜，且以鎘、汞、鉛、砷、鉻五種元素為主。其中，鎘元素由于污染性強(qiáng)，占我國(guó)農(nóng)田重金屬污染之首。截至2014年，我國(guó)重金屬鎘污染農(nóng)田面積高達(dá)1 300萬(wàn)公頃，鎘污染超標(biāo)率在各項(xiàng)重金屬含量中最高，達(dá)7.0%[21]。此外，由于我國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展存在地區(qū)差異，重金屬污染程度南方較北方嚴(yán)重[22]。呂律等[23]對(duì)河南省平頂山火葬場(chǎng)周圍農(nóng)田重金屬含量、分布以及來(lái)源進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)人為因素如火葬場(chǎng)的煙塵排放是農(nóng)田重金屬含量超標(biāo)的主要原因；鄭銘潔等[24]對(duì)浙江省三種地質(zhì)類型（運(yùn)積型、殘坡積型、次生風(fēng)化富集型）農(nóng)田重金屬污染的特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)運(yùn)積型地質(zhì)農(nóng)田重金屬污染最為嚴(yán)重，且pH值是影響三種地質(zhì)類型下農(nóng)田土壤中鎘元素生物有效性的關(guān)鍵因子。

3 農(nóng)田重金屬污染治理的措施

3.1 源頭管控

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，遵循作物生長(zhǎng)習(xí)性和生長(zhǎng)規(guī)律，嚴(yán)格管控農(nóng)用化肥以及農(nóng)藥的施用量以及頻次，嚴(yán)格控制農(nóng)業(yè)灌溉水的來(lái)源。要綜合考慮地區(qū)差異，因地制宜發(fā)展具有區(qū)域特色優(yōu)勢(shì)的綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)，不斷加大作物改良的科技投入，大力推廣綠色生態(tài)有機(jī)肥。

3.2 技術(shù)修復(fù)

3.2.1 原位鈍化技術(shù)

向土壤投入鈍化劑是農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)的主要手段。當(dāng)前我國(guó)選取的鈍化劑主要有以下三種：無(wú)機(jī)類鈍化劑、有機(jī)類鈍化劑和新型環(huán)境功能型鈍化劑。王小慶等[5]選用城市區(qū)污水處理廠的污泥、有機(jī)肥為鈍化修復(fù)劑，對(duì)三種鉬污染程度的農(nóng)田進(jìn)行分別處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥的鈍化修復(fù)作用較污泥明顯；馬嬋華[12]選用生石灰、生物炭、生物有機(jī)肥三種鈍化劑，對(duì)成都平原輕度鎘污染的水稻田進(jìn)行分別處理，發(fā)現(xiàn)添加“石灰＋生物炭”的組合鈍化劑對(duì)成都平原鎘污染修復(fù)效果優(yōu)于單一鈍化劑；而解曉露等[25]則對(duì)當(dāng)前修復(fù)中堿性金屬污染土壤的鈍化劑進(jìn)行總結(jié)，得出鈣鎂磷肥、椰殼生物炭、油菜秸稈生物炭和腐殖酸所形成的復(fù)合型材料修復(fù)效果最佳。

3.2.2 物理修復(fù)

物理修復(fù)是目前國(guó)內(nèi)外使用最普遍的土壤重金屬污染治理方法。其主要是通過(guò)采用一些工程性的措施比如客土法、換土法以及熱處理對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行處理。但是該方法僅適用于小范圍的土壤污染，難以支撐大范圍土壤污染修復(fù)工作。隨著修復(fù)技術(shù)的提升，有研究提出一種新型土壤物理修復(fù)技術(shù)，即土體有機(jī)重構(gòu)技術(shù)。該技術(shù)強(qiáng)調(diào)在對(duì)污染土壤進(jìn)行置換時(shí)，考慮新土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分水平以及土體結(jié)構(gòu)的合理性和適應(yīng)性。基于土體有機(jī)重構(gòu)技術(shù)，董起廣等[26]對(duì)陜西省銅川市耀州區(qū)瑤曲鎮(zhèn)污染土壤進(jìn)行修復(fù)，有效提高了渭北地區(qū)山地的利用效率；龐喆等[27]對(duì)韓城黃河灘地的土壤污染進(jìn)行修復(fù)，顯著提高了該地區(qū)的耕地水平和耕地質(zhì)量，優(yōu)化了黃河沿岸濕地的生態(tài)環(huán)境。此外，一些農(nóng)藝舉措如輪作、翻種等也被證明可改善農(nóng)田土壤污染狀況，維持土壤生產(chǎn)力[28]。

3.2.3 生物修復(fù)

3.2.3.1 超富集植物修復(fù)

“超富集植物”的概念由Brook于1977年首次提出，之后美國(guó)環(huán)境保護(hù)署將其解釋為：基于植物具有吸收和富集、分解和轉(zhuǎn)化以及穩(wěn)定螯合的特性，清除或減少土壤環(huán)境中的重金屬有害物質(zhì)[1]。其主要包含三種方式：植物揮發(fā)、植物固定以及植物提取。植物揮發(fā)指植物通過(guò)蒸騰作用促使污染物揮發(fā)釋放到大氣中，主要適用于金屬汞等可揮發(fā)污染物。植物固定是指通過(guò)在污染區(qū)域建立植被覆蓋層，通過(guò)根系積累減少污染物的流動(dòng)。作用過(guò)程主要包括根系生長(zhǎng)、減少浸濾、控制侵蝕、于根系區(qū)創(chuàng)造有氧環(huán)境等，主要適用于金屬鎘污染的土壤修復(fù)。植物提取指的是通過(guò)吸收和運(yùn)輸?shù)姆绞絻?chǔ)存和處理土壤中的一種或多種重金屬元素，從而減少土壤中的重金屬含量。這種方法具有生態(tài)環(huán)保意義，在目前的植物修復(fù)方法中較為新穎。其利用植物修復(fù)土壤的方式具備低成本優(yōu)勢(shì)，維持土壤特性的同時(shí)亦不會(huì)產(chǎn)生“重污染”。但其修復(fù)時(shí)限較長(zhǎng)，且農(nóng)田污染的程度需在超積累植物的正常修復(fù)水平之內(nèi)。

3.2.3.2 土壤動(dòng)物修復(fù)

土壤動(dòng)物指的是生命歷史在某一時(shí)期中所接觸的生活在土壤表層或土壤中的動(dòng)物，通常按照其體寬分為小型（原生動(dòng)物、線蟲等）、中型（跳蟲、螨蟲等）、大型（蚯蚓、多足類等）和巨型（鼴鼠等）[29]。其中，蚯蚓由于其獨(dú)特的食性特征和較強(qiáng)的適應(yīng)性，已成為當(dāng)前土壤動(dòng)物修復(fù)重金屬污染的研究熱點(diǎn)[30，31]。蚯蚓對(duì)農(nóng)田重金屬污染的修復(fù)作用主要從以下方面入手：其一，蚯蚓在污染土壤中活動(dòng)以及活動(dòng)時(shí)分泌大量黏液，可提高其中重金屬的生物活性及有效性，進(jìn)一步加快重金屬元素被超積累植物吸收的速率。同時(shí)也會(huì)促進(jìn)微生物繁殖加快，活性增強(qiáng)，進(jìn)而降低土壤污染程度[32，33]；其二，由于蚯蚓自身含有大量酶，如過(guò)氧化氫酶、谷胱甘肽還原酶以及脂質(zhì)過(guò)氧化保護(hù)酶系統(tǒng)[31]，因此受重金屬刺激，蚯蚓體內(nèi)應(yīng)激酶活性增加，進(jìn)而利用體內(nèi)消化系統(tǒng)的泡囊對(duì)重金屬元素進(jìn)行分離或固定[34]。

3.2.3.3 微生物修復(fù)

由于人口增加、城鎮(zhèn)化加劇、糧食安全問(wèn)題日益突出，傳統(tǒng)土壤修復(fù)技術(shù)難以滿足上述發(fā)展所需，因此利用微生物的生物化學(xué)屬性，合理修復(fù)土壤日益成為研究的熱點(diǎn)。首先，研究表明，微生物（細(xì)菌、真菌、放線菌）以及澡類物質(zhì)具備生物吸附功能，不同類型微生物的吸附能力存在差異[2]。例如，劉悅暢[35]以小白菜（Brassica campestris L.ssp.chinensis Makino）為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudanonas palustris）和枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）在修復(fù)農(nóng)田土壤重金屬鎘污染中的單一效果和聯(lián)合效果進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)二者聯(lián)合使用在增加土壤鎘的固定態(tài)，以及降低其生物有效性方面最為顯著。但是，微生物吸附重金屬之后，需要進(jìn)行解析回收或焚燒。而解析回收的成本較高，對(duì)大多數(shù)研究區(qū)暫不適用，焚燒處理則需要防止二次污染。

4 總結(jié)

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及糧食安全已成為全球廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)話題。盡管我國(guó)農(nóng)業(yè)重金屬污染治理頗有成效，但仍面臨較大問(wèn)題。在農(nóng)田土壤污染防治時(shí)，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）根據(jù)相關(guān)的政策規(guī)范，對(duì)重金屬污染農(nóng)田做科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，針對(duì)其污染程度選用差異化的種植方式，以最大化提高農(nóng)田的生產(chǎn)效率；（2）可根據(jù)農(nóng)田污染程度選取適宜種植的超積累植物，對(duì)污染土壤進(jìn)行改良。例如，在重金屬嚴(yán)重污染的農(nóng)田上，不可繼續(xù)種植農(nóng)作物，可選取蜈蚣草等超積累植物進(jìn)行種植[4]；（3）根據(jù)農(nóng)田重金屬污染的程度和類型，選取與修復(fù)區(qū)農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分水平一致，且符合研究區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的修復(fù)方法，做到因地制宜、科學(xué)修復(fù)；（4）加強(qiáng)公民在土壤污染修復(fù)中的個(gè)人意識(shí)，可通過(guò)選取節(jié)能減排的生活方式和出行方式，降低污染物以大氣沉降、降雨附著或地下滲透等形式進(jìn)入農(nóng)田的可能性。