土壤重金屬污染修復技術研究及其應用

摘 要：當前土壤重金屬污染問題日益凸顯，土壤重金屬污染，嚴重破壞了土壤內生態系統運轉。不僅會降低農作物產量，還會對人類身體健康構成嚴重威脅。基于此，從修復原理、修復技術的應用以及修復技術的優點和不足這幾個方面重點分析了生物修復、農業生態修復和物理或化學修復技術在土壤重金屬污染修復中的實際應用，為土壤重金屬污染修復相關工作提供借鑒與參考。

關鍵詞：土壤；重金屬污染；修復技術；微生物；生態

中圖分類號：X53 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）09–0-03

土壤中重金屬元素的來源主要有自然環境和人為干擾輸入兩種途徑。在自然環境中，成土母質和成土過程對土壤重金屬含量的影響很大。在各種人為因素中，工業、農業和交通等導致的土壤重金屬污染所占比重較高。土壤重金屬污染不僅會影響作物的產量和品質，還會通過食物鏈最終危害到人類的身體健康。基于此，對土壤重金屬污染修復技術進行研究與探討具有重要意義。

1 生物修復技術

生物修復技術是指利用生物的新陳代謝對有機污染物及氮、磷營養物質的同化作用來改善環境的治理技術。其能有效降低受重金屬污染的土壤中重金屬濃度，達到治理污染的目的。該技術簡便易行，應用領域廣泛。當前，主要的生物修復技術有植物修復技術和微生物修復技術。

1.1 植物修復技術

1.1.1 植物修復技術概述

植物修復技術主要涉及植物抽取、穩固及揮發這三種路徑。“抽取”指，植物通過根部攝取土壤中的重金屬，隨后將重金屬運輸到枝葉，并在枝葉中聚集利用特定化學物質激發或調整土壤條件，促使特定植物更好地吸收土壤中的重金屬。目前觀察到超過400種植物有能力聚集重金屬，比如鳳尾蕨能吸收砷，狼尾草則對鎘和鋅有較好的富集能力。“穩固”指，植物的根部通過吸附、化學結合或沉淀等方法，將土壤中的重金屬元素鎖定，防止其滲透到地下水層或擴散到大氣中，比如串葉松香草具備固土神功，對土壤中頑劣的鎘元素有攔截之效[1]。“揮發”指借助植物根系分泌的物質或者與土壤微生物的聯合作用，將土壤里的重金屬轉變為揮發性形態，以此達到清除的目的，比如洋麻和煙草這類植物，在土壤里能對金屬汞起到一定的清除作用[2]。

1.1.2 植物修復技術優勢

與傳統的土壤整治手段相比，植物修復技術所需的資金成本較少，無需機械和化學品的投入，挑選合適的綠植就能開展整治工作。運用特定植物進行生態治理，不僅能改善環境，而且可以促進生態平衡的恢復。同時，利用植物的自我凈化能力，可以顯著提高土壤的有機成分和肥沃度，助力土壤生態系統健全發展，在一定限度上降低了重金屬流向其他地方的風險，遏制了重金屬污染的擴散[3]。

1.1.3 植物修復技術改善策略

采用植物進行環境修復并非盡善盡美。面對土壤重金屬污染，植物的承受能力有限，部分植物僅能在中度或輕度污染的環境中生存。并且，植物成長周期長，土壤治理見效慢。此外，針對某些特殊的重金屬污染狀況，單一采用植物修復技術往往難以奏效，必須與其他治理手段聯合應用，以實現全面的污染治理。在未來，以植物為關鍵的修復技術，相關研究人員可進行以下幾方面的調整與優化。

第一，應深入挖掘更多具備超強積累本領的植物品種，研究它們的生長習性，以及在土壤修復方面的能力。

第二，應著力提升植物修復技術在凈化環境方面的效能，簡化操作流程，加快處理速度，提高植物對重金屬的吸收效率，例如借助土壤修復劑加速植物生長等來實現[4]。

第三，應深入研究各種修復技術組合使用的可能性，旨在提高修復效率和速度，深入探索植物修復技術在多樣環境下的實際運用，充實研究成果，為之后工程項目提供堅實的科學根據和技術保障。

1.2 微生物修復技術

在治理土壤重金屬污染過程中，微生物擔任著重要角色。它們通過吸附、沉淀、氧化還原等方式有效削減土壤的重金屬負載。例如，研究人員在香蒲的根部附近發現了一種獨特的微生物，其能將土壤中如銅和鎘這類有害金屬轉化為不易溶解狀態，有效降低有害金屬對土壤及其周邊環境的潛在危害[5-7]。在土壤重金屬治理中，細菌、真菌、藻類這類微生物的主要功效表現在多個關鍵層面。

第一，吸附作用。微生物所擁有的活性位點能有效捕捉土壤溶液中的重金屬離子，使這些有害物質失去效能，進而顯著減少土壤的重金屬負載。

第二，沉淀作用。微生物在其代謝活動過程中會產生諸如胞外多糖之類的代謝產物，這些產物能與重金屬離子結合形成不溶性沉淀，從而將重金屬固定在土壤中，降低其在土壤中的溶解度和生物可利用性。

第三，氧化還原作用。某些微小生物擁有氧化還原反應的能力，可以扭轉土壤中重金屬的化學形態，減弱其毒害效果，或助其凝聚淘汰，進而降低土壤里重金屬的毒害效果[8]。

綜上所述，借助微生物的吸附、沉淀和氧化還原等作用機理，可以顯著減少土壤中重金屬的含量，從而提升土壤品質，維護生態環境及人類健康。在未來，相關研究人員需要進一步深入挖掘微生物在治理土壤中重金屬污染方面的機理，升級微生物修復技術，從而提高治理效率，力求為土壤重金屬污染問題提供更高效的解決策略。

2 農業生態修復

農業生態修復技術是通過因地制宜地調整農作物耕作管理，以及在受重金屬污染的土壤中種植不進入食物鏈的植物等，改變土壤中重金屬活性，從而降低重金屬含量或減少重金屬遷移，達到治理土壤重金屬污染效果[9-11]。當前，農業生態修復重金屬污染方法主要有改變耕作制度、控制土壤水分，以及合理施用肥料等。

2.1 改變耕作制度

改變耕作制度方法的使用需踐行因地制宜的理念。在受到嚴重重金屬污染的地區，可通過多次連續種植和收割種植超富集植物來實現重金屬的有效移除。而在一些輕度重金屬污染的土壤周圍，可通過種植重金屬耐性植物，以達到減少重金屬在植物中的累積、保障農作物安全的目的。

利用超富集植物的超強吸收能力對土壤中的污染物進行自然降解。這類植物對重金屬有著極強的忍受力和吸收力，它們能在重金屬肆虐的土壤里茁壯成長，并且把這些有害物質集中在自己的地上部分，通過不斷地輪作農作物，將土壤表層的重金屬隨著作物一同收割，達到整治和恢復土壤重金屬含量的目的[12-14]。

重金屬耐性植物可在輕微受污染的土質中茁壯成長，它們將從土壤中吸收的重金屬轉移到根部或地下，從而降低了地上部分的重金屬含量，采用特定植物來吸納重金屬，以此削減作物內重金屬的堆積，確保食物鏈的安全無虞。

此外，調整農作物的種類和農業耕作方式也能有效降低土壤重金屬污染的風險。農戶可挑選那些既能夠適應惡劣環境，又能夠抵御重金屬侵害的農作物進行種植，有效減少重金屬在土壤中的沉積量，同時，也能降低重金屬對環境和人體健康可能造成的威脅。通過變換農作方式，實施作物輪換、周期性讓地休息、施用生態肥料等策略，能夠顯著優化土壤構造，增強土壤的抗病能力和自我恢復力，降低重金屬在土壤中的累積速度，減少其在食物鏈中的傳遞過程。

2.2 控制土壤水分

土壤的水分狀況對作物的氧化還原情況影響深遠，其能調節土壤的干濕程度，改變作物氧化還原屬性，進而減少重金屬對土壤的毒性影響。

在水稻田中，農戶可運用灌溉技術對水資源進行合理管理。灌溉后，土壤表層會浮上一層水，有利于作物進行氧化還原反應。與此同時，土壤中的重金屬離子會跟硫化氫結合，進而生成溶解度較低的硫化物沉淀，通過這種沉淀作用，能顯著移除土壤中的重金屬元素，有效降低它們的活性及毒性[15]。除人工灌溉，農戶還可通過更換排水設施或替換地表層物料等方式控制土壤中的含水量。

2.3 合理施用肥料

濫用或誤用肥料和殺蟲劑，是引起土壤重金屬污染的重要因素之一。這些蘊含重金屬的化學物質若使用過量或者處理不當，會在土壤里累積，造成重金屬含量超出標準。在農田作業過程中，科學、合理地施用化肥、有機肥料及農藥，可以顯著減少土壤中重金屬的污染風險。

對此，相關部門應主動普及肥料和農藥的施用技巧，以避免農戶對化肥和農藥的過量施用，進而降低重金屬在土壤中的沉積量。合理施用肥料包括運用精準的土壤檢測與匹配技術，針對土壤的養分水平和作物的具體需求，有針對性地挑選合適的肥料種類及確認其合適的施用量，從而減少重金屬通過土壤進入生態系統的情況。

此外，施用有機肥料也是減輕土壤中重金屬污染問題的一個切實可行的方法。有機肥料一般源自動物與植物殘余的有機質，這種肥料所含重金屬較少，不會像化學肥料那樣使得土壤中重金屬含量上升。采用有機肥不僅能增加土壤的養分并增強其持水功能，還能減少對無機肥料的依靠，規避土壤重金屬污染的問題。

總之，巧妙利用化肥、有機肥料及農藥，能顯著減輕土壤重金屬污染的危機。在農業生產過程中，相關部門應引導農戶科學地使用化學肥料與農藥，挑選與土壤和作物實際需求相匹配的肥料種類并控制其用量，同時大力宣傳有機肥料的優勢，從而保護土壤生態的完整性與農作物的品質安全。

3 物理或化學修復技術

土壤受到重金屬的侵擾，其本質是重金屬的固有屬性與土壤的物理化學特性相互作用的結果，采用物理或化學的修復策略對土壤中的重金屬進行摘除或穩定處理，目的在于削減土壤中重金屬帶來的環境威脅，達到凈化土壤的效果。物理或化學的修復技術具有操作簡便、周期較短的優勢，然而也存在工程量大、費用高昂等缺陷。

3.1 淋洗土壤

淋洗法是一種有效的土壤修復技術，適用于廣闊地塊、污染嚴重區域，以及砂性或疏松類型土壤。在進行土壤修復時，選擇合適的淋洗添加劑至關重要。淋洗液作為清洗介質可以剝離土壤中頑固的重金屬污染。這些添加劑可以是化學物質，如酸、堿或螯合劑，也可以是生物可降解的物質，如生物界面活性劑。添加劑的選擇取決于土壤中存在的重金屬類型和濃度以及修復的具體目標。例如，對于含鉻污染的土壤，可選擇使用堿性添加劑來促進鉻的溶解和移動[16]。

同時，淋洗液的濃度也需要進行合理調節。濃度過高可能導致土壤結構破壞或者重金屬在土壤中重新沉積，而濃度過低則可能無法有效去除污染物。土壤的質地、孔隙結構、有機質含量等都會影響淋洗液與土壤顆粒之間的相互作用，從而影響重金屬的遷移和去除效率。

此外，受污染的程度也需要在修復過程中進行評估。對于重度污染的土壤，需采取更加激進的淋洗策略，例如增加淋洗液的濃度或淋洗頻率，或者結合其他修復技術，如植物修復或熱解吸附。并且，重金屬在土壤中的存在形態也會影響淋洗修復的效果，某些形態的重金屬可能比其他形態更難去除，因此需要針對性地選擇淋洗液和調節淋洗條件。

3.2 客土、換土、翻土等方式

針對一定范圍內受重金屬污染的土壤，農戶可采取更換、翻動或注入外來土壤的方法進行整治。

采用客土法，就是向被重金屬侵害的土壤里補充新鮮土壤，或者將干凈土壤和污染土壤混合均勻，這樣可以將土壤里重金屬的含量降至安全標準以下，達到凈化土壤的目的[17]。

實施土壤更換是指把臟土全部或部分換成干凈的土壤，更換的深度要超過耕作的層次。同時，采取特制土壤調理技術，針對受重金屬污染的地表土壤特性，通過農業措施激活深層土壤。

翻土技術即改變土壤層次，擴大重金屬分布范圍，以此減輕土壤中重金屬的濃度，確保土壤中的重金屬濃度在安全水平之內。

4 結束語

土壤重金屬污染修復技術的種類繁多，每種技術都有其獨特的優勢與局限。在實際選擇與操作時，農戶及相關技術人員需綜合考量重金屬污染物的特性、土壤的實際情況、污染的嚴重程度及期望的修復成果等因素，以實現優勢互補，提高土壤修復成效。

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收稿日期：2024-06-11

作者簡介：陳金祖（1977—），男，福建福州人，研究方向為環境工程。