基于化學(xué)－植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的鎘污染土壤治理方法

關(guān)鍵詞：化學(xué)－植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)；鎘污染；土壤治理

中圖分類號(hào)：X172 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）05-0183-04

DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.05.054

Abstract：Toreducethetoxicityofcadmium insoil，acadmiumcontaminatedsoilremediationmethodbasedonchemicalplant joint remediation technology is proposed.The key linksof soil chemical improvement technology，screeningof cadmiumaccumulating plants，optimizationof nutrient application，and monitoring technology of remediationprocess were discused in detail.Theimplementation stepsof jointremediation technologyandthe evaluation methodofremediation effct were introduced，providingnew ideas and technicalsupport forthe eficientreatment ofcadmiumcontaminated soil.

Keywords： chemical-plant joint remediation technology; cadmium pollution; soil treatment

隨著全球工業(yè)化和城市化的不斷推進(jìn)，土壤污染，特別是重金屬污染，已經(jīng)成為嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境和人類健康的全球性環(huán)境問(wèn)題。鎘是一種高毒性、低生物降解性且易于通過(guò)食物鏈富集的重金屬，對(duì)環(huán)境及生物體造成了深遠(yuǎn)的危害。鎘在土壤中的積累不僅影響土壤的理化性質(zhì)和生態(tài)功能，還可以通過(guò)作物的吸收進(jìn)入人體，嚴(yán)重危害人類健康。近年來(lái)，化學(xué)-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)逐漸受到廣泛關(guān)注，該技術(shù)結(jié)合了化學(xué)修復(fù)與植物修復(fù)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)化學(xué)改良提高鎘的生物有效性，并通過(guò)植物的生物富集作用進(jìn)一步降低土壤中鎘的毒性，具有較大的修復(fù)潛力。

1鎬污染土壤的特點(diǎn)與修復(fù)難點(diǎn)

態(tài)影響，成為當(dāng)前環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。鎘的遷移和累積受土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換容量、土壤顆粒組成等因素的影響，高pH值通常會(huì)降低鎘的生物可利用性，而有機(jī)質(zhì)的增加則可能通過(guò)絡(luò)合作用增強(qiáng)其穩(wěn)定性，陽(yáng)離子交換容量高的土壤能夠更有效地固定鎘，減少其流動(dòng)性。此外，土壤結(jié)構(gòu)和顆粒組成對(duì)鎘的吸附和釋放具有重要影響。黏土質(zhì)土壤能夠更有效地固定鎘，而砂質(zhì)土壤則因孔隙度高、吸附能力弱而導(dǎo)致鎘更容易遷移，增加了修復(fù)的復(fù)雜性和不確定性。鎘在土壤中的生物可利用性受植物種類和根系特性的顯著影響，不同植物對(duì)鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力差異較大，選擇高效鎘累積植物是實(shí)現(xiàn)有效修復(fù)的關(guān)鍵。此外，土壤微生物群落的變化對(duì)鎘的生物轉(zhuǎn)化和固定起到調(diào)控作用，微生物活動(dòng)能夠影響土鎘污染土壤由于其高毒性、持久性和廣泛的生壤中鎘的形態(tài)及其生物可利用性，進(jìn)而影響修復(fù)效果。不同土壤類型中鎘污染的特點(diǎn)及修復(fù)難點(diǎn)如表1所示。

通過(guò)系統(tǒng)分析不同土壤類型中鎘污染的特點(diǎn)及修復(fù)難點(diǎn)，可以為基于化學(xué)－植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的鎘污染土壤治理方法的開發(fā)與優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)高效、可持續(xù)的環(huán)境修復(fù)實(shí)踐[1]。

2基于化學(xué)－植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的鎘污染土壤治理方法

2.1土壤化學(xué)改良技術(shù)

土壤化學(xué)改良技術(shù)的核心目的是通過(guò)調(diào)節(jié)土壤的理化性質(zhì)，降低土壤中鎘的生物有效性和遷移性，從而減少鎘對(duì)植物及生態(tài)環(huán)境的危害。土壤pH值是影響鎘生物可利用性的關(guān)鍵因素，酸性土壤中鎘的溶解度較高，導(dǎo)致其生物有效性增加，因此調(diào)節(jié)土壤pH 值，尤其是通過(guò)添加石灰或其他堿性物質(zhì)，能夠有效減少鎘的溶解度，從而降低其對(duì)植物的毒害作用。在堿性環(huán)境中，鎘離子主要以鎘氫氧化物（ Cd₃（PO₄）₂ ））的形式存在，低溶解度的鎘氫氧化物不易被植物根系吸收，進(jìn)而降低了鎘的生物可利用性。

化學(xué)改良過(guò)程中常用的土壤調(diào)節(jié)劑包括石灰、石膏、磷肥和有機(jī)質(zhì)。施用石灰可以提高土壤pH值，進(jìn)而減少鎘的溶解度；施用磷肥能夠通過(guò)形成不溶性的鎘磷酸鹽，進(jìn)一步減少鎘的生物可利用性。化學(xué)方程式為

Cd²⁺+2OH^-?Cd（OH）₂（s）

通過(guò)加入磷源，如磷酸鈣或過(guò)磷酸鈣，可以促進(jìn)鎘與磷的結(jié)合，生成低溶解度的鎘磷酸鹽。化學(xué)方程式為

3Cd²⁺+2PO₄^3-?Cd₃（PO₄）₂（s）

此外，添加有機(jī)質(zhì)不僅能通過(guò)絡(luò)合作用增強(qiáng)土壤中鎘的固定能力，還能提高土壤的陽(yáng)離子交換容量，通過(guò)增加土壤的保水性和養(yǎng)分供應(yīng)能力來(lái)改善土壤環(huán)境，間接提升植物的抗性。

2.2鎘累積植物篩選

鎘累積植物的篩選目標(biāo)是找到能夠在高鎘濃度環(huán)境下生長(zhǎng)并積累鎘的植物，以促進(jìn)鎘的去除和土壤修復(fù)，選擇合適的鎘累積植物不僅要考慮其生物量和鎘的吸收能力，還要綜合考慮植物的耐鎘機(jī)制、根系的吸收效率以及與土壤的相互作用。植物對(duì)鎘的吸收主要通過(guò)根系的離子通道進(jìn)行，其中鎘以 Cd²⁺ 的形式進(jìn)人植物體內(nèi)，通過(guò)主動(dòng)吸收和被動(dòng)擴(kuò)散兩種方式吸收土壤中的鎘離子。在這一過(guò)程中，植物的根系分泌的有機(jī)酸（如檸檬酸、蘋果酸）能夠通過(guò)絡(luò)合作用與土壤中的鎘離子形成可溶性復(fù)合物，增加鎘的可利用性，進(jìn)而被植物吸收。化學(xué)方程式為

Cd²⁺+2C₆H₈O₇?Cd（C₆H₈O₇）₂

這一過(guò)程不僅能增強(qiáng)植物對(duì)鎘的吸收能力，還能減少鎘在土壤中的移動(dòng)性，使其集中在植物體內(nèi)，從而降低其對(duì)周圍環(huán)境的污染影響。此外，需要考慮植物對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，特別是鎘從根部向地上部分的轉(zhuǎn)移能力，高鎘累積植物能夠?qū)㈡k從根部轉(zhuǎn)運(yùn)至莖葉等地上部分，從而通過(guò)植物的生物量增加鎘的積累量。鎘在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)主要通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來(lái)完成。以重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)ATP 酶（Heavy Metal Transporting ATPase，HMA）為例，反應(yīng)過(guò)程可以表示為

Cd²⁺+HMA?CdHMA

篩選和培育具有高鎘吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力的植物，不僅能夠提高修復(fù)效率，還能實(shí)現(xiàn)鎘的有效去除。常見的鎘累積植物包括油菜、向日葵等，它們具有較強(qiáng)的鎘積累能力，并且在修復(fù)過(guò)程中表現(xiàn)出較高的生物耐性[2]。

2.3營(yíng)養(yǎng)劑優(yōu)化施用

在鎘污染土壤的修復(fù)過(guò)程中，營(yíng)養(yǎng)劑通過(guò)調(diào)節(jié)土壤環(huán)境、增強(qiáng)植物對(duì)鎘的吸收和積累能力，促進(jìn)植物生長(zhǎng)和鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)，在聯(lián)合修復(fù)技術(shù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。常見的營(yíng)養(yǎng)劑包括磷酸鹽、鈣鹽、硫酸鹽等，這些物質(zhì)不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，還能夠通過(guò)與鎘離子發(fā)生反應(yīng)，改變鎘的化學(xué)形態(tài)，進(jìn)而影響其在土壤中的可利用性。磷酸鹽能夠與土壤中的鎘離子結(jié)合形成不溶性鎘磷酸鹽沉淀，減少鎘的生物可利用性，從而限制鎘的遷移和吸收，反應(yīng)式為

表1鎘污染土壤的特點(diǎn)及修復(fù)難點(diǎn)

Cd²⁺+HPO₄^2-?CdHPO₄

此外，鈣鹽和硫酸鹽通過(guò)與鎘離子的絡(luò)合形成不溶性化合物，進(jìn)一步降低鎘在土壤中的生物有效性，進(jìn)而減少其對(duì)植物的毒害作用。鈣離子（ Ca²⁺ ）與鎘離子形成的沉淀可以有效減少鎘的生物可用性，化學(xué)反應(yīng)式為

Cd²⁺+Ca²⁺?CdCa

在此基礎(chǔ)上，合理施用營(yíng)養(yǎng)劑還可以調(diào)節(jié)土壤的 pH 值，提高植物根系的營(yíng)養(yǎng)吸收能力，改善土壤的理化性質(zhì)，進(jìn)而改善植物的生長(zhǎng)狀態(tài)。特別是硫酸鹽的施用，不僅能夠促進(jìn)土壤酸度的適度調(diào)節(jié)，還能促進(jìn)植物對(duì)鎘的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，尤其是在聯(lián)合修復(fù)過(guò)程中，能夠促進(jìn)鎘的積累到植物地上部分。

2.4修復(fù)過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)

在鎘污染土壤治理中，修復(fù)過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要目的是實(shí)時(shí)跟蹤修復(fù)過(guò)程中土壤環(huán)境變化、植物生長(zhǎng)狀態(tài)及其對(duì)鎘吸收的效果，以確保修復(fù)技術(shù)的有效性和安全性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，采用多種先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，包括土壤鎘濃度分析、植物重金屬積累能力評(píng)估。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理的數(shù)學(xué)模型，可以精確監(jiān)測(cè)土壤和植物在修復(fù)過(guò)程中的反應(yīng)動(dòng)態(tài)，確保修復(fù)效果的最大化。此類監(jiān)測(cè)算法可以表示為

式中： M（t） 表示修復(fù)過(guò)程中的總鎘去除量;C_soil（t） 表示 χ_t 時(shí)刻土壤中的鎘含量； C_plant（t） 表示 t 時(shí)刻植物中鎘的累積量。式（7）綜合考慮了土壤和植物的鎘去除情況，并通過(guò)對(duì)土壤和植物中的鎘含量數(shù)據(jù)的積分計(jì)算，能夠動(dòng)態(tài)評(píng)估修復(fù)過(guò)程中鎘去除的整體效率。

為了優(yōu)化這一模型，進(jìn)一步提出修正公式，表達(dá)式為

式中： a 和 β 表示修復(fù)過(guò)程中針對(duì)土壤和植物鎘吸收效率的修正系數(shù)，反映了土壤和植物對(duì)鎘的吸附、轉(zhuǎn)移和固定能力的不同。通過(guò)這一模型的實(shí)時(shí)運(yùn)算，可以獲得每一階段的修復(fù)效果預(yù)測(cè)，從而指導(dǎo)后續(xù)修復(fù)策略的調(diào)整[3]。

3聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的效果評(píng)估

3.1技術(shù)實(shí)施步驟

在實(shí)施基于化學(xué)－植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的鎘污染土壤治理過(guò)程中，修復(fù)技術(shù)的實(shí)施過(guò)程通常包括前期土壤評(píng)估、修復(fù)技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)施、過(guò)程監(jiān)控以及修復(fù)效果評(píng)估等環(huán)節(jié)。在前期土壤評(píng)估階段，需要對(duì)受污染土壤的鎘含量、土壤理化性質(zhì)以及土壤微生物群落進(jìn)行詳細(xì)分析。土壤中鎘的污染程度通常通過(guò)測(cè)定土壤重金屬含量進(jìn)行評(píng)估，采用原子吸收光譜法或電感耦合等離子體質(zhì)譜來(lái)定量分析鎘含量，根據(jù)土壤評(píng)估結(jié)果，設(shè)計(jì)適合的化學(xué)修復(fù)方法及植物選擇策略。化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要包括土壤改良劑的施用，如磷酸鹽、鈣鹽和硫酸鹽等化學(xué)試劑，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成鎘不溶性沉淀，減少鎘的生物有效性，抑制鎘的遷移。在此基礎(chǔ)上，選擇適應(yīng)性強(qiáng)的鎘累積植物進(jìn)行栽培，植物不僅能通過(guò)根系吸收鎘，還能通過(guò)生物轉(zhuǎn)化過(guò)程將鎘積累到地上部分，促進(jìn)鎘的固定和去除。

在修復(fù)過(guò)程中，還需要通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤中鎘的動(dòng)態(tài)變化、植物的生長(zhǎng)狀況以及鎘的吸收與積累量來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整修復(fù)策略。監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要包括土壤pH值、養(yǎng)分含量、植物生長(zhǎng)狀態(tài)以及鎘的累積量等。最后，通過(guò)一系列修復(fù)效果的評(píng)估，分析土壤中鎘含量的降低情況、植物的修復(fù)能力及其生長(zhǎng)狀態(tài)，最終確定聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的修復(fù)效率[4。

3.2修復(fù)效果評(píng)價(jià)

修復(fù)效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括土壤鎘含量的減少、土壤理化性質(zhì)的改善、植物生長(zhǎng)狀況以及修復(fù)過(guò)程的環(huán)境影響等方面。土壤中鎘的濃度變化是評(píng)價(jià)修復(fù)效果的關(guān)鍵指標(biāo)之一，通過(guò)測(cè)定修復(fù)前后的土壤鎘濃度，可以直觀了解修復(fù)過(guò)程中的鎘去除效率。鎘的去除主要依賴于化學(xué)修復(fù)劑與植物吸收能力的協(xié)同作用，修復(fù)后鎘的濃度通常通過(guò)電感耦合等離子體質(zhì)譜或原子吸收光譜等技術(shù)進(jìn)行分析。土壤理化性質(zhì)的變化也能反映修復(fù)效果，特別是土壤pH值、鹽基交換量、總氮、全磷等指標(biāo)的變化，有助于評(píng)估土壤環(huán)境的改善程度。植物生長(zhǎng)狀況及其鎘累積能力是修復(fù)效果的另一個(gè)重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，植物的生長(zhǎng)高度、根系生物量、葉片健康狀態(tài)以及鎘含量的變化為綜合評(píng)估提供依據(jù)。修復(fù)過(guò)程中，對(duì)植物根系、莖葉的鎘濃度進(jìn)行定期采樣分析，運(yùn)用高效液相色譜（High Performance LiquidChromatography，HPLC）等技術(shù)，可以準(zhǔn)確測(cè)定其鎘積累量。此外，修復(fù)效果評(píng)價(jià)還包括生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，旨在確保修復(fù)過(guò)程中對(duì)環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響最小化，重點(diǎn)考察植物在修復(fù)過(guò)程中的生物安全性及其可能帶來(lái)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。修復(fù)前后鎘含量、土壤 pH 值及植物生長(zhǎng)情況對(duì)比如表2所示。

表2修復(fù)前后鎘含量、土壤pH值及植物生長(zhǎng)情況對(duì)比

從表2可以看出，修復(fù)后鎘含量顯著下降，土壤pH值有所提高，植物生長(zhǎng)高度及根系生物量明顯增加，表明聯(lián)合修復(fù)技術(shù)在降低土壤鎘污染、改善土壤環(huán)境以及促進(jìn)植物生長(zhǎng)方面取得顯著效果[5]。

4結(jié)論

深入研究化學(xué)-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用機(jī)制、優(yōu)化方案及其對(duì)不同類型鎘污染土壤的修復(fù)效果，不僅能夠豐富土壤修復(fù)技術(shù)的理論體系，也有助于為實(shí)際的污染治理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。該技術(shù)的推廣應(yīng)用能夠在實(shí)現(xiàn)鎘污染有效治理的同時(shí)，推動(dòng)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提高。

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