農(nóng)田土壤重金屬污染及防治對策

景延秋，袁秀秀，王宇辰，林二閣，魯 平，張月華，高玉珍，劉英杰（.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，河南 鄭州 000；. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，河南 鄭州006；. 河南中煙工業(yè)公司新鄭卷煙廠，河南 新鄭 0；. 甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，甘肅 蘭州 7000；. 河南省煙草公司鄭州市公司，河南 鄭州 0007）

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農(nóng)田土壤重金屬污染及防治對策

景延秋1，袁秀秀1，王宇辰1，林二閣1，魯 平2，張月華3，高玉珍4，劉英杰5
（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002；2. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，河南 鄭州450016；3. 河南中煙工業(yè)公司新鄭卷煙廠，河南 新鄭 451150；4. 甘肅煙草工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，甘肅 蘭州 730050；5. 河南省煙草公司鄭州市公司，河南 鄭州 450007）

摘 要：概述了農(nóng)田土壤重金屬污染物的來源及其污染特點，提出了綜合防治農(nóng)田重金屬的措施，包括控制和消除污染源，制定相應(yīng)法規(guī)和加強宣傳管理，傳統(tǒng)修復(fù)法，生物修復(fù)法，探討農(nóng)田重金屬的研究方向，包括發(fā)揮植物修復(fù)的優(yōu)勢和作用，回收再利用超富集植物體內(nèi)的重金屬，避免不能回收的植物造成再污染，改進微生物，研究超級積累植物與土壤微生物共存體系的應(yīng)用，制定合理的農(nóng)田土壤污染生態(tài)補償機制。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤；重金屬污染；防治措施

全球經(jīng)濟迅猛發(fā)展，工業(yè)化和現(xiàn)代化進程不斷加快，隨之而來的是農(nóng)田受到大量重金屬元素的污染，土壤質(zhì)量呈持續(xù)下降趨勢，農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量受到嚴重影響。作為土壤污染的主要類型之一，重金屬污染對農(nóng)田危害性最為嚴重，土壤系統(tǒng)中的大量重金屬通過食物鏈在人體內(nèi)蓄積，達到有害水平最終危害人體健康。其中以毒害較大且易被作物富集的重金屬Hg、Cd、Pb、Cr以及類金屬As［1］最為引起科研工作者的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計顯示，在目前我國耕地面積持續(xù)接近紅線的背景下，近0.2億hm2耕地遭受重金屬污染或污染威脅，約占總耕地面積的1/6［2］，糧食安全問題逐漸凸顯?，F(xiàn)有科技水平下，重金屬對土壤的損害和影響不可逆。因此，如何有效緩解農(nóng)田土壤重金屬污染已成為全球關(guān)注的熱點，研究土壤重金屬污染途徑和特點、對農(nóng)田的危害及其防治措施對控制重金屬污染具有重要意義。

1　農(nóng)田土壤重金屬污染物的來源

土壤中重金屬的來源有多重途徑，包括成土母質(zhì)在內(nèi)的各自然因素、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等均與之密切相關(guān)，但現(xiàn)代人類的多種生產(chǎn)活動才是重金屬污染物進入土壤的最重要原因。

1.1大氣中重金屬沉降

大氣沉降主要是有害氣體和粉塵等以工廠、礦業(yè)和廢物堆為中心而向四周擴散，攜帶大量重金屬元素以大氣自然沉降［3］和雨淋沉降方式進入農(nóng)田土壤。大氣降塵組分的相互關(guān)系證明，地面塵土重金屬富集度高且污染性強。由大氣沉降引起的工廠、礦業(yè)、廢物堆周圍和道路兩側(cè)的農(nóng)田土壤重金屬污染情況屢見報道。

1.2工礦業(yè)和交通運輸污染

礦產(chǎn)業(yè)、塑料、化工等行業(yè)以“三廢”形式不斷向城鄉(xiāng)土壤排放重金屬，在某些工礦企業(yè)周圍，土壤重金屬含量具有明顯的差異，可能會導(dǎo)致周邊地區(qū)土壤污染［4-5］。機動車輛尾氣排放釋放出的Pb、Cd、Cu、Cr和Zn等重金屬，顯著污染大氣，更是公路兩側(cè)農(nóng)田土壤的主要重金屬污染源［6-8］。

1.3農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的污染

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，肥料、農(nóng)藥和地膜等對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到重要的作用，但長期不合理使用含有Pb、Hg、Cd和As等元素的農(nóng)藥和化肥，在土壤中一些重金屬的富集使農(nóng)田土壤受重金屬污染。隨著地膜和塑料大棚的大面積推廣使用，大量的地膜殘片滯留在土壤中，農(nóng)用塑料薄膜生產(chǎn)過程中加入的熱穩(wěn)定劑中含有Cd和Pb元素，在使用時都可加重農(nóng)田土壤重金屬的污染［9］。污水灌溉和污泥施肥過程中，污水內(nèi)的重金屬進入農(nóng)田后以不同的方式被土壤截留固定會引起污染。另外，使用不合格畜禽糞便做肥料也會導(dǎo)致土壤重金屬污染，畜牧業(yè)飼料添加劑中常含有一定量的重金屬，畜禽糞便含有許多體內(nèi)不能吸收和轉(zhuǎn)化的微量元素和有機污染物，制成農(nóng)家肥在大田中施用，成為農(nóng)田土壤重金屬的污染源［10］。

2　農(nóng)田土壤重金屬污染的特點

2.1形態(tài)多樣且毒性不同

重金屬大多屬于過渡元素，表現(xiàn)出具有多種氧化態(tài)的變價特點，同一重金屬的不同價態(tài)其毒性也各不相同。如Cr6+的毒性大于Cr3+，主要原因是Cr3+不易通過細胞膜［11］。重金屬在離子狀態(tài)下的比絡(luò)合狀態(tài)下的毒性大，如Cu、Zn、Cd和Pb的離子態(tài)毒性分別遠大于其絡(luò)合態(tài)［12］。重金屬的有機化合物態(tài)常比無機態(tài)的毒性大，如Cd（CH3）2大于CdCl2、C8H20Sn大于SnO2和CH3ClHg大于HgCl2的毒性等。重金屬的生物可利用性和遷移率往往取決于其在土壤中的存在形態(tài)。離子態(tài)或絡(luò)合態(tài)的重金屬能夠通過擴散作用、沉積作用、水解反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)和甲基化反應(yīng)等在遷移轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生多種物理、化學(xué)變化。因此，了解農(nóng)田重金屬在土壤中的存在形態(tài)在重金屬毒害評估中十分必要，否則可能無法把握防治重點，甚至得出相反的結(jié)論。

2.2具有隱蔽性和滯后性

相對而言，大氣、水體和廢棄的污染比較直觀，感官就能發(fā)覺；而農(nóng)田土壤重金屬污染感官難以察覺，多是通過植物進入食物鏈積累到一定程度后才反映出來。因此農(nóng)田土壤重金屬污染是一個相當(dāng)長的過程，存在滯后性和隱蔽性的特點。在重金屬污染嚴重的農(nóng)田土壤中生產(chǎn)的作物極大程度地威脅人類健康。從病理學(xué)角度來講，重金屬攝入人體后緩慢積累，具有較長的毒性潛伏期，一般不會表現(xiàn)出器質(zhì)性損傷和臨床醫(yī)學(xué)特征，往往經(jīng)過幾年或幾十年時間病變才會顯示。如日本富山縣神通川流域的“骨痛病”經(jīng)過了10～20 a后才被人們所發(fā)現(xiàn)［13］。

2.3不可逆性且難治理

大氣和水體是具有有限自凈功能的流體，通過稀釋、吸附、氧化還原等作用，不再與污染源接觸后其污染程度將會持續(xù)減輕。當(dāng)農(nóng)田土壤中的重金屬積累到一定程度，土壤結(jié)構(gòu)與功能將發(fā)生變化，很難靠自凈化作用來稀釋或消除重金屬。土壤的重金屬污染則是一個不可逆的過程，參與自然界自凈作用轉(zhuǎn)化中的重金屬僅發(fā)生形態(tài)上的轉(zhuǎn)變，從高濃度轉(zhuǎn)變成低濃度，或是從一處轉(zhuǎn)移到另一處。通常情況下農(nóng)田土壤重金屬污染一旦發(fā)生，就不能被降解消除。

2.4具有表聚性

因為土壤中存在的無機膠體、有機膠體和有機—無機復(fù)合膠體對重金屬有較強的吸附作用和螯合能力，所以在一定程度上土壤中重金屬的遷移能力受到了限制，使重金屬污染物很少向土壤下層移動，大多殘留在土壤耕層。重金屬對土壤微生物有一定毒性，土壤酶活性受抑制，致使農(nóng)作物污染，進而危害人類生存健康。

3　農(nóng)田重金屬污染的防治措施

由農(nóng)田土壤重金屬污染特點可知，要解決農(nóng)田土壤重金屬污染的問題，應(yīng)堅持“預(yù)防為主、防治結(jié)合、綜合治理”，從預(yù)防和治理兩個方面著手［14］。對于未被污染的土壤提前做好防護措施，其關(guān)鍵是減少污染源；對于已污染的土壤要積極采取合理的治理措施。

3.1農(nóng)田土壤重金屬污染的預(yù)防

3.1.1控制和消除污染源 防治農(nóng)田土壤污染的根本措施是控制污染物進入農(nóng)田土壤的數(shù)量和速度，控制重金屬污染源，使土壤將其自然緩慢地降解，控制其不超過土壤承受能力而引起土壤污染［15-16］。做到以下幾點可控制重金屬進入農(nóng)田土壤：（1）在工業(yè)“三廢”方面做到嚴格控制，嚴格執(zhí)行工業(yè)“三廢”排放標(biāo)準(zhǔn)。（2）對于機動車尾氣排放，通過改進現(xiàn)有汽車發(fā)動機的結(jié)構(gòu)、性能等措施來控制移動源的排放，另外提高燃油品質(zhì)、研究開發(fā)新代用燃料和新動力裝置等等。（3）合理使用化肥、農(nóng)藥和地膜等，嚴禁使用國家明令禁止的農(nóng)藥中含Hg、As，化肥中含Cd、Hg，地膜中含Cd、Pb的農(nóng)用品，防止因農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施而引起的農(nóng)田重金屬污染。（4）對污水污泥的監(jiān)測加強管理，農(nóng)田灌溉用水符合《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》后才能灌溉施用，防止重金屬進入農(nóng)田的各種方式；改進灌溉方式，發(fā)揮土壤對污染物的凈化功能。

3.1.2制定相應(yīng)法規(guī)和加強宣傳管理 目前我國土壤重金屬污染已經(jīng)極其嚴重，使土壤防治工作步入規(guī)范化已刻不容緩，制定《土壤污染防治法》法規(guī)制度［17］。在畜禽飼料中含有Cu、Pb等微量元素，其未被畜禽吸收的元素將隨糞便排出，這樣的畜禽糞便用于還田可能造成農(nóng)田土壤重金屬污染，中國現(xiàn)行的《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18596-2001）應(yīng)將其考慮在內(nèi)。此外，還應(yīng)加大宣傳、監(jiān)督和管理工作力度［18］，建立健全的技術(shù)服務(wù)體系，進一步促進土壤環(huán)境保護工作的開展。

3.2農(nóng)田土壤重金屬污染的修復(fù)

3.2.1傳統(tǒng)修復(fù)法 傳統(tǒng)修復(fù)已被重金屬污染的農(nóng)田土壤有多種方法，如吸附法、客土法、淋濾法、沉淀法和絡(luò)合浸提法等物理方法和化學(xué)方法。這些傳統(tǒng)方法治理效果好、歷時短，但投資成本高、管理復(fù)雜、可能造成二次污染，且只適合使用于污染面積較小的地塊［19］。

3.2.2生物修復(fù)法 近年來生物修復(fù)已成為土壤重金屬污染修復(fù)的熱點，生物治理法包括植物修復(fù)、動物修復(fù)和微生物修復(fù)，能大規(guī)模、低成本治理土壤重金屬污染物。

某種特定植物對土壤中的某污染元素能特殊吸收富集，然后將該植物收獲進行妥善處理稱為植物修復(fù)，該方法即可將該重金屬移出土體，以達到治理修復(fù)的目的［20］。篩選修復(fù)重金屬污染植物的方法主要有野外調(diào)查—重金屬濃度梯度法、特殊植物—重金屬濃度梯度法和土壤種子庫—重金屬濃度梯度法3種［21］，植物修復(fù)方式包括植物提取、植物固定、植物轉(zhuǎn)化和植物揮發(fā)等4種［22］。目前，已被發(fā)現(xiàn)的具有Cu、Co、Ni、Mn、Cd、Pb和Zn元素 超富集作用的植物種類超過500種，但其缺陷也顯而易見：絕大多數(shù)的超積累植物其富集作用具有特異性，只針對1種重金屬元素，只有少數(shù)可同時積累2種或以上重金屬。對受重金屬污染嚴重的土壤，為在避免重金屬污染物進入食物鏈的同時提高土地利用率，要替代種植非食用性作物，如被Cd嚴重污染的土壤可種植麻類、棉花、花卉、桑苗等作物。利用超富集植物修復(fù)重金屬污染的土壤是一個綠色安全的治理方法，具有極大的開發(fā)價值［23］。

土壤中的某些低等動物如蚯蚓、鼠類等，它們具有吸收土壤中重金屬的能力，在一定程度上達到減少或消除重金屬污染物的目的，即稱為動物修復(fù)［24］。如某些種類的蚯蚓能在重金屬污染的土壤中存活，并將一定量的重金屬富集體內(nèi)，還可提高土壤重金屬的生物有效性，修復(fù)污染的土壤［25］。

利用土壤微生物的生物活性將土壤中的重金屬親和吸附或轉(zhuǎn)化為低毒產(chǎn)物，降低重金屬毒性的修復(fù)方法稱為微生物修復(fù)法［26］。微生物修復(fù)有多種方式，如革蘭氏陽性菌可吸收Cd、Cu、Ni和Pb等重金屬元素［27］；藍細菌、動膠菌、硫酸還原菌以及某些藻類能產(chǎn)生多糖、糖蛋白等物質(zhì)的微生物富集作用［28］。許多異養(yǎng)微生物可把毒性大的As、Cr、Co和Au等元素還原成毒性小的價態(tài)的氧化還原作用［29］。

4　農(nóng)田土壤重金屬污染治理的研究方向

為保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，必須采取有效的防治措施。農(nóng)田土壤修復(fù)可加強以下幾個方面的研究：（1）探索植物對重金屬超積累的作用機理，進而尋找、培育出提高超積累重金屬含量的植物，開發(fā)豐富野生資源，發(fā)揮植物修復(fù)的優(yōu)勢和作用；（2）研究如何回收再利用超富集植物體內(nèi)的重金屬以及如何避免不能回收的植物造成再污染；（3）研究土壤環(huán)境條件下對重金屬微生物有效制約的機理，利用分子工程技術(shù)改進微生物，使其在各種農(nóng)業(yè)環(huán)境條件下更好地應(yīng)用；（4）研究超積累植物與土壤微生物共存體系的應(yīng)用。另外，農(nóng)田土壤重金屬污染農(nóng)戶是主要受害者，也是污染治理的執(zhí)行者和主要參與者。制定合理的以農(nóng)戶為本的農(nóng)田土壤污染生態(tài)補償機制，保障農(nóng)戶的基本生產(chǎn)生活，如補償主體、補償標(biāo)準(zhǔn)、補償期限和補償方式等，同時還可加大投入沼氣建設(shè)，推廣新農(nóng)村建設(shè)、畜牧產(chǎn)業(yè)和退耕還林等建設(shè)項目［30］，以發(fā)揮農(nóng)戶的主動性和積極性，從而全面有效的推動我國農(nóng)田土壤重金屬污染防止工作的順利實施。

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（責(zé)任編輯：肖彥資）

Heavy Metal Contamination in Cropland Soil and Control Measures

JING Yan-qiu1，YUAN Xiu-xiu1，WANG Yu-chen1，LIN Er-ge1，LU Ping2，ZHANG Yue-hua3，GAO Yu-zhen4，LIU Ying-jie5
（1.College of Tobacco Science， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， PRC； 2. Henan Tobacco Industry Limited Liability Company， Zhengzhou 450016， PRC； 3. Xinzheng Cigarette Factory of Henan Tobacco Industry Company， Zhengzhou 451150， PRC；4.Technology Center of Gansu Tobacco Industrial Limited Liability Company， Lanzhou 730050， PRC；5. Zhengzhou Tobacco Company of Henan Province， Zhengzhou 450007， PRC）

Abstract：The article summarized the main source and pollution characteristic of heavy metals in farmland soils， and put forward several countermeasures of comprehensive control as follows： control and remove pollutant sources， make relevant regulations and strengthen the propagation and management， utilize traditional remediation methods as well as biological remediation methods， and explore the research directions on heavy metals in farmland， including fully taking advantage of plant remediation， utilizing recycled heavy metals accumulated in hyperaccumulators， avoiding the pollution caused by plants not being able to be recycled， improving microorganisms， researching the application of co-existence system of hyperaccumulators and soil microorganisms， and making reasonable ecological compensation mechanism of farmland soil pollution， in order to provide some reference for the control of soil heavy metal pollution.

Key words：farmland soil； heavy metal pollution； control measure

中圖分類號：X53

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-060X（2016）03-0042-04

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.03.014

收稿日期：2015-11-24

基金項目：河南省煙草公司鄭州市公司資助項目（HYKJ201305）

作者簡介：景延秋（1972-），女，河南南陽市人，副教授，主要從事煙草化學(xué)研究。

通訊作者：劉英杰