淺談城市土壤重金屬的污染特征及其修復方法

朱曉蕓 徐樺 包蔚 何鍇 王絡繹 黃明昊 吳真善

（上海市嘉定區(qū)農(nóng)業(yè)技術推廣服務中心，上海 201800）

重金屬是指一些具有生物毒性的金屬和類金屬，如鎘、汞、砷、鉛、鉻等。近年來，工業(yè)化和城市化帶來的土壤重金屬污染問題日益?zhèn)涫荜P注。在城市重金屬污染的土壤中，酶和微生物會受到抑制甚至殺死，這將嚴重破壞土壤生態(tài)鏈[1]。同時，研究發(fā)現(xiàn)，鋅進入人體后會誘發(fā)多種疾病，而其他重金屬（如Cr、Cd、Ni、Pb 等）積累到一定程度后可能會誘發(fā)癌癥[2]。另外，城市土壤重金屬來源及其危害方式日趨復雜化。在此背景下，筆者擬對我國城市土壤重金屬污染特征及其治理方法進行梳理和分析，以期為城市重金屬污染的預防和控制提供參考。

1 我國城市土壤重金屬污染特征

重金屬是土壤中具有潛在危害的一種污染物，在土壤中它不僅不易淋失和分解，而且會富集和轉化，從而產(chǎn)生更大的污染和危害。此外，重金屬在土壤環(huán)境富集初期很難被發(fā)現(xiàn)，而當其危害特性表現(xiàn)出來后，則很難消除。因此，有必要對土壤重金屬污染特征進行研究，以期為進一步防治土壤重金屬污染提供參考。

1.1 城市土壤普遍受到不同程度的重金屬污染

大部分城市土壤的重金屬污染程度高于郊區(qū)（農(nóng)村）土壤。滕吉艷[3]研究指出，在上海市中心城區(qū)的公園及道路綠地中，Pb、Cu、Zn、Cd 等重金屬均出現(xiàn)了富集現(xiàn)象，且道路中的富集程度更加嚴重，尤其是Cd 含量最高。楊杉等[4]發(fā)現(xiàn)，重慶市不同類型的綠地土壤中均出現(xiàn)了重金屬富集現(xiàn)象，且道路綠地土壤中的重金屬富集程度最高。涂秋蘭[5]指出，佛山市村級工業(yè)園中土壤重金屬污染現(xiàn)象較為普遍，且Cu 含量分布呈現(xiàn)點狀分布特征，Pb 含量分布呈現(xiàn)面狀分布特征，Hg 含量分布最不均勻，但主要集中在表層土壤中。

1.2 城市土壤重金屬污染存在顯著的空間差異

由于土地類型不同以及受人類不同行為的干擾，城市土壤重金屬污染存在明顯的空間差異，即使在較小的區(qū)域范圍內，其污染程度也有所不同。通常的規(guī)律表現(xiàn)為交通區(qū)>工業(yè)區(qū)>居民居住區(qū)>生態(tài)公園區(qū)。劉建奎等[6]指出，城市土壤重金屬污染存在明顯的空間差異，污染指數(shù)排序為交通區(qū)>工業(yè)區(qū)>居住區(qū)>公園區(qū)，且工業(yè)區(qū)和交通區(qū)的污染指數(shù)級別最高。趙慧等[7]指出，在我國南方典型城市中，工業(yè)集中區(qū)域的土壤重金屬污染已嚴重超過其他區(qū)域，而城市公園的土壤重金屬含量與土壤本底值較為接近。

1.3 城市土壤重金屬污染存在顯著的時間差異

隨著我國城市化進程的加快，城市中各行各業(yè)的活動日益頻繁，土壤重金屬含量隨時間的推移快速累積。例如，符娟林等[8]在調查杭州市多個居民小區(qū)的土壤重金屬污染特征時發(fā)現(xiàn)，所有小區(qū)的土壤重金屬含量均隨著小區(qū)建成時間的推移而累積增加，且土壤重金屬在不同土壤類型中的累積速率有所不同，自然背景區(qū)土壤重金屬無明顯富集特征，而農(nóng)業(yè)種植區(qū)土壤中As、Cd、Hg 和Zn 含量較高，礦區(qū)土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb 和Zn 的平均含量較高，重金屬綜合潛在生態(tài)風險表現(xiàn)為礦區(qū)>農(nóng)業(yè)種植區(qū)>自然背景區(qū)[9]。同時，相關研究人員建立了土壤重金屬預測模型，以期為土壤質量監(jiān)管提供依據(jù)。例如，Zhao等[10]建立了土壤重金屬累積量預測模型，預測了湖南黃場村未來25年土壤中As含量的變化情況。

2 幾種常見的城市土壤重金屬污染修復方法

2.1 物理修復

物理修復是通過一些物理措施對土壤重金屬污染進行修復的一種方法，該方法是應用時間最早、應用范圍最廣的修復方法，主要包括土壤置換、土壤隔離和高溫熱解等。

2.1.1 土壤置換

土壤置換是指使用大量未受污染的土壤對受污染土壤進行表面混合或覆蓋，以有效稀釋土壤中污染物的濃度，提高土壤環(huán)境容量。

2.1.2 土壤隔離

土壤隔離是通過安裝隔離墻（隔離墻可用鋼、水泥、膨潤土和灌漿等制成）對土壤重金屬污染物進行封蓋或垂直（水平）密封，以防止其進一步擴散。這種修復方法雖然達不到對土壤的直接修復，但是可以有效減少重金屬向地下水遷移。

2.1.3 高溫熱解

高溫熱解是利用污染物的揮發(fā)特性，通過傳導加熱、電阻加熱、蒸汽加熱和射頻加熱等方式進行土壤修復。但是，相關研究發(fā)現(xiàn)，高溫熱解技術會導致土壤中的重金屬重新分配，會極大程度地影響土壤特性。因此，建議在進行土壤熱解處理前先進行土壤化學淋洗[11]。

2.2 化學修復

化學修復是指使用化學試劑、化學反應等方法去除土壤污染物的一種方法，主要包括固化/穩(wěn)定化修復、玻璃化修復、土壤淋洗和電動修復等。

2.2.1 固化/穩(wěn)定化

固化/穩(wěn)定化是將受重金屬污染的土壤與相關化學試劑或化學材料混合，以減少重金屬污染物的流動性。其中，固化是利用水泥、瀝青和熱塑性粘合劑形成的固體基質，將污染物進行物理封裝；穩(wěn)定化是通過化學添加劑（磷酸鈣）固定土壤中的污染金屬，并形成金屬磷酸鹽，以降低金屬生物利用度。相關研究表明，各種具有成本效益和環(huán)境友好的廢物資源（如石灰基試劑、煅燒的牡蠣殼和蛋殼等），不僅可以固定污染土壤中的金屬，而且可以改善土壤質量[12-13]。

2.2.2 玻璃化修復

玻璃化修復是一種需要熱能(1 400～2 000 ℃)的固化/穩(wěn)定方法，熱解或蒸發(fā)可去除其中的有機污染物，同時熔化的污染土壤（或廢棄物）冷卻后形成化學惰性的、非擴散性的整塊堅硬玻璃體。其中，溫度是玻璃化修復的重要影響因素。

2.2.3 土壤淋洗

土壤淋洗是通過水或適當?shù)牧芟慈芤海ㄈ缭碥铡⒂袡C酸、螯合劑、表面活性劑和低分子量有機酸等）去除土壤重金屬污染物的有效修復方法，尤其是乙二胺四乙酸（EDTA），具有可降低生物降解性、提高金屬去除效率、可適當回收等眾多優(yōu)勢，已被公認為是去除土壤重金屬污染的有效螯合劑[14]。

2.2.4 電動修復

電動修復是近些年發(fā)展起來的一種修復土壤重金屬污染的新方法，主要通過電遷移、電滲、電泳和電解等不同機制來去除土壤重金屬污染，且該修復方法與其他修復方法聯(lián)合使用，可獲得更好的修復效果。例如，樊廣萍等[15]指出，在對土壤進行電動修復的過程中，加入EDTA、檸檬酸或硝酸等增強試劑后，能有效提升對重金屬的去除率；溫東東等[16]發(fā)現(xiàn)，不銹鋼配合不同的增強劑，可有效增強電動修復技術的效率和重金屬去除效果。

2.3 生物修復

生物修復是利用植物和微生物固有的生物機制，從污染環(huán)境中去除、破壞或固定有害污染物的一種修復方法。與傳統(tǒng)的化學修復和物理修復相比，生物修復是一種環(huán)保且經(jīng)濟高效的重金屬去除技術，主要包含植物修復、動物修復和微生物修復等。

2.3.1 植物修復

植物修復是通過植物來降低土壤中的重金屬及其污染物的濃度或毒性效應，該方法不僅成本較低，而且適用于大規(guī)模的修復，在保持土壤生態(tài)及體現(xiàn)美學價值等方面發(fā)揮重要作用。植物修復主要包括植物提取修復、植物穩(wěn)定修復、植物揮發(fā)修復和植物降解修復等[17]。其中，植物提取修復是利用植物的吸收、螯合、絡合、沉淀及氧化還原等多種過程，將土壤中的大量重金屬進行鈍化或固化，從而降低其在土壤中的遷移性，減少其對生物和環(huán)境的影響；植物穩(wěn)定修復是在植物和土壤介質的共同作用下，降低環(huán)境中污染物的流動性和生物利用度；植物揮發(fā)修復是利用植物吸收重金屬，然后將重金屬轉化為揮發(fā)性物質，再釋放到大氣中的一種修復方式，其主要適用于易揮發(fā)的重金屬（如汞、硒、砷等）；植物降解修復是通過植物代謝過程進一步轉化或分解重金屬污染物。

2.3.2 動物修復

動物修復是利用土壤動物對污染土壤中的重金屬進行吸收、轉移和降解，從而降低土壤重金屬濃度的一種修復方法。目前，蚯蚓、線蟲等無脊椎動物被廣泛應用到土壤修復中，由于這些無脊椎動物的養(yǎng)殖技術成熟，且成本相對較低，對土壤中重金屬的富集作用極強，故動物修復表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。但是，該修復方法的缺點是動物代謝物會讓部分重金屬重回土壤，且土壤動物對重金屬的耐受也有一定的限度[18]。

2.3.3 微生物修復

微生物修復是利用土壤中的細菌、真菌、酵母、藻類等微生物來改變土壤中重金屬的形態(tài)，從而降低重金屬的毒性和生物可利用性的一種修復方法。相比其他生物修復方法，微生物修復表現(xiàn)出種類多、分布廣、適應性強、易培養(yǎng)等優(yōu)勢，但是，受物種間競爭、周圍環(huán)境因素的影響及修復機制不清楚等因素制約，微生物修復目前大多停留在試驗示范階段，尚未得到大面積應用。

3 結論與討論

隨著工業(yè)化和城市化的加速發(fā)展，城市土壤重金屬污染因對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成了潛在影響而備受關注。在城市化發(fā)展的過程中，城市土壤普遍受到不同程度的重金屬污染，且呈現(xiàn)出顯著的空間及時間差異，故有必要及時采取有效的治理和修復措施。傳統(tǒng)的修復方法（物理修復和化學修復）雖然應用范圍廣、效果顯著，但是在生態(tài)保護、成本控制等方面存在缺陷，而生物修復對環(huán)境友好，且具有較高的成本效益，因此，生物修復是未來土壤重金屬污染修復的選擇趨勢。但是，從目前的應用情況來看，生物修復存在環(huán)境條件應用限制、修復緩慢等不足，故在未來的研究和試驗過程中，要加強對生物修復機制的研究，從而進一步拓寬該方法的應用范圍，提升其應用價值。例如，可以探索利用生物技術改良植物進行植物修復，以拓寬生物修復在土壤重金屬污染修復中的應用。