農田土壤重金屬污染及其修復技術研究

孫勁嬌

湛江市凱林技術服務有限公司，廣東 湛江 524000

0 引言

隨著工業(yè)化和農業(yè)生產的不斷發(fā)展，農田土壤重金屬污染已成為世界范圍內亟待解決的問題之一［1］。農田是農業(yè)生產的基礎，農田土壤重金屬污染對糧食安全和生態(tài)環(huán)境造成了嚴重威脅。基于此，筆者對農田土壤重金屬污染的特點、來源及修復技術進行探討，以期為農田土壤重金屬污染修復提供科學參考和技術指導，推動農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，保障糧食安全。

1 農田土壤重金屬污染的特點

1.1 積累性

農田土壤重金屬污染的積累性是指其長期接受來自不同污染源的重金屬輸入和累積，導致重金屬在土壤中逐漸積聚達到一定水平的現(xiàn)象［2］。重金屬可以通過降水、灌溉和沖刷等方式進入土壤層，并逐漸向下滲透至根際層和地下水層。隨著時間的推移，這些重金屬在土壤中逐漸擴散和積累，從而形成不均勻的污染分布。同時，農田土壤重金屬污染的積累性還受土壤理化性質的影響。土壤的質地、pH 值、有機質含量等因素會影響重金屬的吸附和釋放過程。在一些特定的土壤環(huán)境下，重金屬容易被吸附在土壤顆粒表面，從而減少其遷移和轉化的速率，加劇其積累性。另外，農田土壤重金屬污染的積累性還存在一定的地域差異。不同地區(qū)的土壤類型、氣候條件和人類活動水平等因素，會導致重金屬積累的程度和速度不同。例如，工業(yè)企業(yè)密集地區(qū)和農業(yè)發(fā)達地區(qū)的農田土壤重金屬積累水平通常較高，而相對偏遠地區(qū)的農田土壤重金屬積累水平通常較低。

1.2 毒性

重金屬可以抑制土壤微生物活動，而高濃度重金屬對生物體具有毒性。微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的關鍵組成部分，在有機物分解、養(yǎng)分循環(huán)等過程中起著重要作用。高濃度重金屬污染會干擾土壤中微生物的代謝活動，抑制微生物的生長和繁殖，從而影響土壤的生物學功能。同時，土壤中的高濃度重金屬會通過植物的根系進入植物體內，干擾植物的生理代謝過程，導致植物生長受限，致使光合作用效率、產量及品質降低。甚至重金屬會積累在植物的可食部分，對食品安全構成潛在威脅。此外，某些重金屬，如鉛、鎘等，具有潛在的生物積累性，能被生物富集于體內，既危害生物，又可通過食物鏈危害人體，造成人體某些器官慢性中毒（如神經(jīng)系統(tǒng)損害、肝腎功能障礙等），威脅人體健康。

1.3 長期潛伏性

農田土壤重金屬污染的長期潛伏性是指重金屬污染在土壤中的持久存在和潛伏特性，即使在污染源停止輸入后，重金屬仍然可以長期存在并對環(huán)境產生潛在影響。重金屬在土壤中的遷移主要依靠水文過程，如土壤水分運動、地下水流動等。重金屬一旦進入土壤，其往往會與土壤顆粒形成不可逆的結合態(tài)，遷移速率相對較低，導致其在土壤中長期滯留。尤其在重金屬被吸附在負離子交換復合體上之后，重金屬往往難以被遷移和轉化。而且與有機物不同，重金屬不會通過微生物分解或生物降解等過程而消失，它們的化學結構相對穩(wěn)定，難以被生物體降解，因此會在土壤中長期存在。

1.4 不均衡性

農田土壤重金屬污染是一個全球性的環(huán)境問題，其地域分布存在著明顯的不均衡性。不同地區(qū)的自然環(huán)境、人類活動和經(jīng)濟發(fā)展水平等因素，會導致農田土壤重金屬污染程度存在差異。工業(yè)化程度較高地區(qū)的農田土壤通常面臨著更嚴重的重金屬污染問題，如中國的華北、華東、華南地區(qū)和美國的工業(yè)中心地帶都面臨著較為嚴重的重金屬污染。同時，礦產資源豐富地區(qū)的農田土壤往往面臨著更嚴重的重金屬污染，如贊比亞共和國等地的銅礦區(qū)都存在著嚴重的重金屬污染問題。此外，化工廠周邊的農田土壤往往也存在較嚴重的重金屬污染。化工產品的生產通常會產生大量的重金屬污染物。這些污染物會通過氣體、污水或固體廢棄物的排放進入周圍土壤，導致重金屬污染程度不斷加深。

2 農田土壤重金屬污染的主要來源

2.1 污水農用

隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速發(fā)展，大量的廢水被排放到污水處理廠進行處理。然而，由于污水處理技術限制、管理不善或基礎設施建設不完善等原因，部分污水未能得到徹底處理或處理效果不佳，處理后的污水依然含有高濃度的重金屬污染物。當此類污水被用于農田灌溉時，重金屬會以溶解態(tài)或懸浮態(tài)存在于灌溉水中，并隨著灌溉滲透到土壤中，然后與土壤顆粒發(fā)生相互作用，進而沉積在土壤中，逐漸累積形成重金屬污染［3］。

2.2 化肥農藥使用

化肥和農藥的使用是現(xiàn)代農業(yè)生產中的重要環(huán)節(jié)，也是農田土壤重金屬污染的主要來源之一。長期濫用化肥和農藥，其中的某些重金屬元素會在土壤中累積，進而引發(fā)土壤重金屬污染。化肥中的重金屬污染物主要來自礦石或礦石加工過程中含有重金屬的雜質。例如，某些磷肥生產中使用的磷礦石中含有鎳、釩等重金屬元素，而某些鉀肥生產中使用的鉀礦石中含有銣、銫等重金屬元素。當這些礦石被加工成肥料時，其中的重金屬元素會被帶入肥料，并隨著肥料的施用進入土壤，進而在土壤中累積形成重金屬污染。在農藥生產過程，某些制造方法或原材料涉及使用含有重金屬的化合物、農藥包裝材料中可能含有重金屬。這些重金屬會滲透到農藥中，隨著農藥使用被釋放到土壤中。頻繁使用和過量使用農藥，特別是長期使用高殘留農藥，會加劇土壤中重金屬的累積。

2.3 大氣沉降

工業(yè)生產過程中產生的廢氣往往含有高濃度的重金屬污染物，如鉛、鎘、汞等。這些重金屬污染物會隨著廢氣排放到大氣中，并隨著大氣運動和擴散，與空氣中的懸浮顆粒物結合形成顆粒污染物，然后通過大氣降塵的方式沉降到地表，并隨著時間的推移逐漸進入土壤［4］。汽車尾氣也含有鉛、鉻、鎘等重金屬元素，這些元素以氣溶膠或顆粒物的形式排放到大氣中。隨著交通流量的增加，尤其是在城市地區(qū)，汽車尾氣排放的重金屬污染物也相應增多。這些污染物會與空氣中的顆粒物結合，并隨著空氣流動沉降到地表，進而進入土壤。此外，燃煤和焚燒等活動也會釋放大量的重金屬污染物到大氣中。煤中含有豐富的重金屬元素，如汞、鉛、鎘等。在煤燃燒過程中，這些重金屬元素會以氣態(tài)或顆粒物的形式進入大氣。焚燒垃圾也會產生含重金屬的煙塵，其中的重金屬污染物通過大氣懸浮顆粒物的形式被釋放到空氣中，最終通過大氣降塵的方式沉降到地表進而進入土壤。

2.4 固廢傾倒

隨著社會經(jīng)濟的進步，工業(yè)固體廢棄物的種類和數(shù)量不斷增加，如工礦業(yè)產生的粉煤灰、金屬礦渣、煤矸石，以及城市垃圾、污泥等。這些固體廢棄物中可能含有重金屬污染物，如鉛、鎘、汞等。一旦固體廢棄物被隨意傾倒進農田，重金屬污染物就會在土壤中逐漸積累并超過安全標準，導致土壤受到污染。這不僅危害土壤的生態(tài)平衡，還可能通過食物鏈進入人體，對人體健康造成潛在威脅。

3 農田土壤重金屬污染修復技術

3.1 物理修復技術

3.1.1 深耕翻土技術

深耕翻土是一種常見且有效的土壤重金屬污染物理修復技術。該技術通過將污染層土壤與較為干凈的土壤混合，從而降低土壤中重金屬污染物的濃度。這種技術適用于小面積的重金屬污染土壤，已在許多國家得到廣泛應用。然而，對于嚴重污染和大面積的砂質土壤，深耕翻土技術修復效率較低。

3.1.2 去土和換土技術

去土技術是指將受到重金屬污染的表層土壤完全去除。換土技術是指將受污染的土壤挖掘出來，然后填充未受污染的土壤。兩種技術均可以有效降低土壤中重金屬污染物的濃度，但如果應用于大面積的重金屬污染土壤，修復成本和工作量較高。

3.1.3 電熱修復技術

電熱修復技術是一種先進的土壤重金屬污染物理修復技術，尤其適用于含有揮發(fā)性重金屬的農田土壤。該技術通過在受到重金屬污染的土壤中插入電極，利用直流電壓來遷移、富集重金屬離子。同時，高頻電壓產生的熱能可以加熱土壤，從而分離出具有揮發(fā)性的重金屬，如硒、砷、汞等。研究表明，針對不同重金屬污染物，電熱修復技術可以降低30%～90%的重金屬濃度，能夠有效限制重金屬污染物的遷移，使其在受控的加熱區(qū)域內逐漸減少。電熱修復法具有操作簡便、修復效率高、周期相對較短等優(yōu)點。

3.1.4 玻璃化技術

玻璃化技術是一種在高溫高壓條件下處理重金屬污染土壤的物理修復方法。該技術的主要原理是在高溫條件下，使土壤與玻璃形成劑發(fā)生熔化，導致土壤中的有機物和無機物經(jīng)歷熱解、分解和蒸發(fā)等反應，同時玻璃形成劑在高溫下熔化成液態(tài)，隨后在高壓條件下迅速冷卻，使熔融的土壤和玻璃形成劑迅速固化，形成玻璃狀結構。這樣可將重金屬固定在土壤中，能有效防止重金屬的進一步遷移和釋放，從而降低土壤中重金屬的毒性。玻璃化技術的應用成本較高，需要考慮其可行性和適用性。

3.2 化學修復技術

化學修復技術主要是利用添加改良劑的方式，通過吸附、氧化還原、拮抗或沉淀等作用，降低土壤中重金屬的生物有效性，從而減輕其對農作物和環(huán)境的危害［5］。

3.2.1 石灰調節(jié)技術

石灰調節(jié)技術主要是利用堿性物質的特性中和土壤酸性，提高土壤的pH 值。在堿性環(huán)境下，重金屬更容易與土壤顆粒結合或沉淀，從而降低其在土壤中的可遷移性和生物毒性。一項針對鎘污染的實地研究發(fā)現(xiàn)，在添加石灰前，土壤中鎘的平均生物有效性為0.5 mg/kg；而在適量添加石灰后，土壤中鎘的平均生物有效性降至0.1 mg/kg，說明添加石灰可以有效降低土壤中重金屬的生物有效性。此外，高pH值條件還能增加土壤中重金屬的吸附和沉淀作用，有助于將其轉化為難溶于水的形態(tài)，從而降低重金屬的溶解度和生物可利用性，以及重金屬在土壤中的毒性和遷移性。需要注意的是，石灰調節(jié)技術適用于pH 值為4.5～6.5的土壤，不適用于堿性土壤。

3.2.2 螯合劑處理技術

螯合劑處理技術是利用螯合劑（如氨基酸、有機酸等）與土壤中的重金屬離子形成穩(wěn)定的絡合物。螯合劑中的活性官能團與重金屬離子發(fā)生配位反應，形成穩(wěn)定的絡合物，將重金屬離子包裹在其中，可顯著降低土壤中重金屬的毒性和生物有效性。同時，絡合物的形成能減少重金屬在土壤中的溶解度，阻止重金屬進一步遷移和釋放。需要注意的是，螯合劑處理技術也存在一些應用限制，如螯合劑用量過高或過低會導致過度或不完全的螯合，影響修復效果。因此，在實際應用中需要綜合考慮多種因素，如螯合劑的選擇性和適用性、處理劑用量和土壤pH值的控制等。需要仔細考慮這些因素，以確保螯合劑處理技術能夠在土壤重金屬污染修復過程中發(fā)揮最佳效果。

3.2.3 離子交換技術

離子交換技術是基于離子交換樹脂的強大的選擇性吸附作用，通過吸附和固定土壤中的重金屬離子，從而有效減少重金屬在土壤中的遷移和積累。在應用該技術時，有關人員需要控制適當?shù)牟僮鳁l件，如pH值、溫度和接觸時間等。適宜的pH 值會影響樹脂表面的電荷狀態(tài)，進而影響吸附效果；合適的溫度和適當?shù)慕佑|時間則能提高吸附速率和效率，以達到最佳修復效果。離子交換技術也存在一些局限性，如該技術的應用成本較高，不僅包括樹脂材料的購買費用和操作費用，而且對使用過的樹脂進行回收處理也需要額外的投入。

3.3 生物修復技術

生物修復技術是通過利用植物、微生物等生物因素來降解、轉化或積累重金屬污染物，從而實現(xiàn)土壤恢復和生態(tài)系統(tǒng)健康的目標。

3.3.1 植物修復技術

土壤重金屬污染植物修復技術包括植物提取、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定3 種類型。植物提取是利用植物的根系和地上部分吸收并富集土壤中的重金屬，將重金屬從土壤中轉移到植物組織中，然后對植物進行收獲和處理，最終降低土壤中重金屬污染物濃度。該技術的缺點是修復過程相對較慢，需要較長時間來實現(xiàn)理想的修復效果，并且需要解決吸收了重金屬的植物的再利用和處理問題。植物揮發(fā)是通過植物的根系和地上部分釋放揮發(fā)性有機物來修復土壤重金屬污染。這些揮發(fā)性有機物具有螯合和還原重金屬的能力，可以與土壤中的重金屬形成絡合物或還原為難溶性形態(tài)，從而減少重金屬的可遷移性和生物毒性。該技術具有較快的修復速度和較好的修復效果，同時具有環(huán)境友好性和可持續(xù)性。植物穩(wěn)定是通過植物根系分泌物分泌、根際微生物共生及根系表面吸附等機制，促進重金屬的吸附和沉淀，形成難溶性或難可逆的絡合物，從而降低土壤中重金屬的遷移性和生物毒性。該技術的優(yōu)點是修復效果持久穩(wěn)定、適用性廣泛，缺點是植物生長周期較長、修復速度較慢。

3.3.2 微生物修復技術

微生物修復技術是通過使用特定的微生物，如細菌、真菌和藻類等，降解、轉化或固定重金屬污染物，最終將重金屬從土壤中去除或降低重金屬在土壤中的可遷移性和生物毒性。微生物具有特定的代謝能力，可以將重金屬離子轉化為難溶性沉淀物或形成穩(wěn)定的絡合物。這種轉化作用能夠降低重金屬在土壤中的可遷移性和生物毒性。同時，微生物通過生物降解和沉淀作用可將重金屬離子固定在其細胞壁或細胞內部。此過程有助于將重金屬從土壤中去除并固定在微生物體內。此外，某些微生物具有螯合重金屬離子的能力，可以通過與重金屬形成穩(wěn)定的絡合物而降低其毒性，且有助于降低重金屬對農作物和環(huán)境的毒害效應。微生物修復技術具有高效性、環(huán)境友好性和可持續(xù)性，且微生物具有多樣的代謝途徑和適應性，能夠適應不同的土壤環(huán)境和重金屬污染情況，應用成本相對較低，在大規(guī)模應用時具有較好的可行性。

3.4 聯(lián)合修復技術

聯(lián)合修復技術是農田土壤重金屬污染修復中的一種綜合應對策略，通過綜合應用多種修復方法和技術，以達到更有效、全面的土壤修復效果。例如，利用物理修復技術（深耕翻土、換土和去土等）可以降低土壤中重金屬的濃度和縮小重金屬的擴散范圍，而利用化學修復技術（添加改良劑、吸附劑和沉淀劑等）能夠降低重金屬的毒性和生物有效性。將物理修復技術與化學修復技術結合應用，可以在減少土壤中重金屬濃度的同時，改善土壤環(huán)境，降低重金屬對農作物和生態(tài)系統(tǒng)的潛在風險。再如，利用生物修復技術（植物或微生物修復技術等）吸收、轉化或穩(wěn)定土壤中的重金屬，利用化學修復技術（添加改良劑、絡合劑或氧化劑等）改變土壤環(huán)境和重金屬形態(tài)。聯(lián)合應用生物修復技術和化學修復技術，可以充分利用生物和化學物質的相互作用加快修復速度、提高修復效率，并在修復過程中減少對生態(tài)系統(tǒng)造成的負面影響。聯(lián)合修復技術的應用優(yōu)勢在于可以綜合利用不同修復技術，彌補單一修復技術的局限性，提高修復效果和效率。但應用該技術也面臨著技術協(xié)調性、成本管理和適用性等方面的問題。因此，在選擇和應用聯(lián)合修復技術時，需要綜合考慮土壤特征、重金屬污染程度、修復目標和經(jīng)濟可行性等因素。

4 結束語

為了保障糧食安全和推動農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，相關人員應加強合作，探明農田土壤重金屬污染的特點和來源，針對農田土壤重金屬污染實際情況，科學選用物理、化學、生物修復技術，共同應對和解決農田土壤重金屬污染問題。