國(guó)內(nèi)外土壤鎘污染及其修復(fù)技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

王維薇+林清

摘要：分析了國(guó)內(nèi)外土壤鎘污染狀況，總結(jié)了物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、電動(dòng)法修復(fù)、生物修復(fù)和農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)在土壤鎘污染修復(fù)中的研究進(jìn)展及各自優(yōu)缺點(diǎn)，提出了土壤鎘污染修復(fù)未來(lái)研究的發(fā)展方向，希望為后續(xù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：土壤；鎘；污染；修復(fù)技術(shù)

1 引言

土地是人類生存和發(fā)展的主要資本和物質(zhì)基礎(chǔ)，為人類生存和發(fā)展提供了重要的物質(zhì)和數(shù)量基礎(chǔ)。隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，人類把帶有大量有毒有害的物質(zhì)排入到環(huán)境中。這在相當(dāng)多的領(lǐng)域造成了大量的土壤污染，土壤環(huán)境污染的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。

2 國(guó)內(nèi)外土壤鎘污染狀況

鎘是生物生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程中的非必需元素，它也是自然界中最有害的重金屬之一，它在土壤中與Hg、As、Cr和Pb一起稱為“五毒元素”[1，2]。Cd在自然環(huán)境中分布極廣，地殼中的平均含量為0.2 mg/kg，廣泛存在于巖石、沉積物及土壤中[3]。近年來(lái)，由于在環(huán)境中Cd的含量增加，在許多國(guó)家中已經(jīng)廣泛關(guān)注，由于這些國(guó)家對(duì)食品中重金屬的安全性的普遍了解，已經(jīng)為農(nóng)田土壤作物制定了一套嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1[4]。

在我國(guó)土壤重金屬污染事件頻繁發(fā)生，土壤Cd污染狀況也一直較為嚴(yán)重。例如2013 年5月“鎘大米”事件、2014年廣西大新縣重金屬污染事件等[5]。土壤重金屬污染問(wèn)題威脅到人民群眾“舌尖上的安全”，成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)農(nóng)田重金屬鎘污染面積已達(dá)2萬(wàn)hm2，年產(chǎn)量鎘含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品達(dá)14.6億kg，且有日益加重的趨勢(shì)[6]。2014年4月17日環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，全國(guó)土壤重金屬的超標(biāo)率為16.1%的重金屬，西南、中南地區(qū)土壤重金屬鎘、汞、砷、鉛4種無(wú)機(jī)污染含量的范圍從西北到東南，從東北到西南方增加。在所有污染物中，鎘的超標(biāo)率最高，占7.0%，是我國(guó)耕地、林地、草地和未利用地的主要污染物之一[7]。依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）中規(guī)定旳適用于一般農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場(chǎng)等土壤中Cd的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在0.3～0.6 mg/kg范圍內(nèi)，但是我國(guó)有些地區(qū)土壤中的Cd含量超標(biāo)，Cd污染土壤狀況比較嚴(yán)峻[8]。我國(guó)部分地區(qū)污染農(nóng)田土壤和農(nóng)作物鎘含量見(jiàn)表2[9]。

3 土壤中鎘的來(lái)源

土壤中的Cd主要有天然來(lái)源和人為來(lái)源兩種[10]。天然來(lái)源主要是指含Cd的礦物或巖石通過(guò)長(zhǎng)期風(fēng)化釋放到土壤中，這構(gòu)成了土壤中Cd的背景值。土壤中鎘在不同地區(qū)的背景值差異很大，世界范圍內(nèi)土壤中鎘的背景值含量為0.01～2.0 mg/kg，平均水平約為0.35 mg/kg[7]。我國(guó)土壤中Cd的背景值低于世界平均值，約為0.097 mg/kg[11]。

人為來(lái)源較為廣泛，包括采礦、選礦、有色金屬冶煉、電鍍、合金制造、含鎘蓄電池生產(chǎn)等行業(yè)的生產(chǎn)，以及污水、污泥、大氣沉降、農(nóng)藥化肥固體廢棄物等，預(yù)計(jì)排放的鎘（Cd）約有82%～94%進(jìn)入到了土壤[12，13]。眾多研究關(guān)注了土壤鎘污染的人為來(lái)源[14]，陳懷滿，鄭春榮等學(xué)者研究表明我國(guó)因污灌受到污染的耕地約占總污灌面積的45%，其中以Cd和Hg的污染尤為嚴(yán)重；王初，邵莉等研究發(fā)現(xiàn)受交通尾氣和污染物排放影響，公路沿線農(nóng)田土壤重金屬污染呈現(xiàn)距離公路越近的地方污染越嚴(yán)重的規(guī)律，交通對(duì)土壤環(huán)境的影響距離從幾十米到數(shù)百米不等[15～17]；顏世紅等通過(guò)對(duì)礦區(qū)土壤中重金屬鎘來(lái)源的研究發(fā)現(xiàn)礦區(qū)附近土壤主要受礦石挖掘與加工產(chǎn)生大量的粉塵、污水、廢氣、固體廢棄物排放鎘污染影響[13，14，18]。

4 土壤中鎘的危害

對(duì)于植物，其會(huì)抑制植物的光合作用以及植物的酶活性等。植物的光合作用降低使得植物對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收受到阻礙，導(dǎo)致植物的營(yíng)養(yǎng)代謝失調(diào)，使得植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量降低。

對(duì)于動(dòng)物和人類，鎘元素通過(guò)食物鏈進(jìn)入人和動(dòng)物體內(nèi)富集。鎘元素的吸收對(duì)人體骨骼、腎、肝、免疫系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)具有毒害作用，會(huì)引發(fā)骨痛、糖尿病、肺氣腫以及高血壓等病癥，嚴(yán)重的會(huì)引發(fā)癌癥等疾病[19]。聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）也將鎘列為12種具有全球性的危險(xiǎn)物質(zhì)中的首位危險(xiǎn)物質(zhì)[20]（圖1）。

5 土壤鎘污染修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

土壤中鎘污染危害的嚴(yán)重性及解決的迫切性在國(guó)內(nèi)外被廣泛的研究[21]。土壤修復(fù)是指使用能讓土壤中的污染物轉(zhuǎn)移、吸收、降解和轉(zhuǎn)化的物理，化學(xué)和生物等的修復(fù)方法，將其濃度降低到可接受水平，或?qū)⒂卸竞陀泻Φ奈廴疚镛D(zhuǎn)化為無(wú)害的物質(zhì)[22]。目前，對(duì)含重金屬土壤的修復(fù)技術(shù)主要有物理、化學(xué)、電動(dòng)法、生物和農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)等技術(shù)[21]。

5.1 物理修復(fù)

土壤物理修復(fù)通常用于鎘污染的修復(fù)。如客土法、換土法、翻土法等。通過(guò)加入凈土，除去舊土和深土，以便減少土壤鎘污染。Wang等進(jìn)行了土壤深度改良實(shí)驗(yàn)，使白菜鎘的平均濃度降低了50%～80%[23]。目前，這種方法的應(yīng)用已經(jīng)在英國(guó)、美國(guó)、荷蘭和日本實(shí)現(xiàn)。但是成本高，易于二次污染和降低土壤肥力，難以廣泛推廣[24]。鎘污染土壤的物理修復(fù)方法簡(jiǎn)單和快速，但它不能真正從土壤中清除鎘污染。這種方法有潛在的危險(xiǎn)，此種方法需要大量的資金，人力和物質(zhì)資源，不適合大規(guī)模鎘污染的土壤治理。

5.2 化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)是指在污染土壤中使用化學(xué)改性劑將重金屬進(jìn)行固定轉(zhuǎn)換、溶解抽提和提取分離，減少污染土壤中的重金屬，改變土壤環(huán)境條件?；瘜W(xué)固定、淋洗和提取是對(duì)土壤鎘污染進(jìn)行化學(xué)修復(fù)最常見(jiàn)的方法[25]。例如，硅肥、鈣鎂磷肥、石灰和骨炭粉可以不同程度地抑制玉米對(duì)鎘的吸收[26]。

較為常用的鎘污染修復(fù)化學(xué)材料有堿性改良劑（石灰、鈣鎂磷肥等）、黏土礦物（沸石、海泡石等）、拮抗物質(zhì)（硫酸鋅、稀土鑭等）和有機(jī)質(zhì)（泥炭、有機(jī)堆肥等）[25，27]；除此之外，一些金屬螯合劑和表面活性清洗劑目前也逐漸應(yīng)用于鎘污染土壤修復(fù)[28]。化學(xué)修復(fù)的治理效果和費(fèi)用都適中，且簡(jiǎn)單易行，但它沒(méi)有起到真正意義上去除鎘污染的作用，只是改變了土壤中鎘存在的形態(tài)，可能由于土壤環(huán)境的變化，有可能再次活化，造成二次污染危險(xiǎn)。此外，化學(xué)方法也可能導(dǎo)致化合物造成的微量元素?fù)p失和造成土壤的復(fù)合污染，而不能作為一種永久的修復(fù)措施。

5.3 電動(dòng)修復(fù)

電動(dòng)修復(fù)是一個(gè)多學(xué)科的研究領(lǐng)域，其原理是將電極插入污染土壤和適當(dāng)大小的DC，發(fā)生土孔隙水和帶電離子遷移，土壤污染物在外電場(chǎng)作用下取向并積聚在電極附近，電極進(jìn)行常規(guī)處理，從而清潔土壤[21，29]。Apostlols G等探討了添加十二烷基硫酸鈉和天然表面活性劑腐殖酸對(duì)動(dòng)電修復(fù)污染土壤修復(fù)的影響，得出的結(jié)果表明，兩種試劑可以促進(jìn)修復(fù)過(guò)程中鎘污染的去除[30]。電動(dòng)修復(fù)是通過(guò)向污染土壤的兩側(cè)施加直流電壓以從污染的土壤中去除重金屬，使得土壤中的污染物在電場(chǎng)的作用下在電極的兩端富集。該技術(shù)已應(yīng)用于Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、Ni等重金屬污染土壤修復(fù)[25]。該技術(shù)具有采用的化學(xué)試劑少、消耗低，修復(fù)完善的優(yōu)點(diǎn)，是具有良好發(fā)展前景綠色修復(fù)技術(shù)。但是受影響的因素比較多，例如土壤的類型、電流的大小、電極材料和結(jié)構(gòu)等，會(huì)在一定程度上影響修復(fù)的效率和速度。

5.4 生物修復(fù)

生物修復(fù)是指利用生物的某些特征，來(lái)吸收、降解、轉(zhuǎn)化、抑制和改善重金屬污染。鎘污染土壤的生物修復(fù)一般分為動(dòng)物修復(fù)、植物修復(fù)和微生物修復(fù)三種類型[31]。

5.4.1 動(dòng)物修復(fù)

動(dòng)物修復(fù)是利用土壤中的一些低等動(dòng)物，如蚯蚓和嚙齒動(dòng)物，可以吸收土壤中的重金屬，并在一定程度上減少污染土壤中重金屬的比例。這項(xiàng)技術(shù)達(dá)到了重金屬污染土壤的動(dòng)物修復(fù)的目的。該污染修復(fù)技術(shù)研究仍然局限于實(shí)驗(yàn)室階段[32]。敬佩等通過(guò)重金屬污染土壤接種蚯蚓發(fā)現(xiàn)：蚯蚓具有很強(qiáng)的富集能力，富集量與蚯蚓培養(yǎng)時(shí)間成正比[33]。但由于動(dòng)物生長(zhǎng)環(huán)境等因素的影響，修復(fù)效率一般，并不是理想的修復(fù)技術(shù)。

5.4.2 微生物修復(fù)

微生物修復(fù)是指許多微生物與重金屬具有很強(qiáng)的親合性，對(duì)重金屬進(jìn)行吸收、沉淀、氧化還原作用，可以降低土壤中重金屬的毒性[25，34]。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)修復(fù)技術(shù)主要通過(guò)改變土壤中重金屬離子的活性，微生物細(xì)胞吸附富集和促進(jìn)超富集植物對(duì)重金屬的吸收。微生物修復(fù)作為綠色環(huán)保的修復(fù)技術(shù)，引起了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的極大關(guān)注，具有廣泛的應(yīng)用前景，但修復(fù)見(jiàn)效速度慢、修復(fù)效果不穩(wěn)定等，使得大部分微生物修復(fù)技術(shù)還局限在科研和實(shí)驗(yàn)室階段，能應(yīng)用到的實(shí)例很少。

5.4.3 植物修復(fù)

植物修復(fù)是指利用植物吸收、吸取、分解、轉(zhuǎn)化，或固定土壤、沉積物、污泥、地表、地下水中有毒有害污染物的技術(shù)的總稱[35]。植物修復(fù)技術(shù)是由Chaney R.L在1983年首先提出[25]。植物修復(fù)主要包括植物的提取、揮發(fā)、降解、根濾和根際微生物降解。植物修復(fù)涉及使用超累植物的特性來(lái)修復(fù)重金屬污染的土壤是最廣泛使用的。超積累植物的概念首先由Brooks等在1977 年首先提出，目前文獻(xiàn)報(bào)道的超積累植物有近20科、500種，其中十字花科、禾本科居多，主要集中于庭芥屬、蕓苔屬及遏藍(lán)菜屬[36，37]，人們更常見(jiàn)的超積累植物[38～44]見(jiàn)表3。

印度芥菜吸收200 mg/kg的鎘，當(dāng)黃化現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，鎘富集達(dá)52倍；英國(guó)的高山屬類，可以吸收高濃度的鎘[45]。生物修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)是更簡(jiǎn)單的實(shí)施，更少的投資和更少的對(duì)環(huán)境的損害。缺點(diǎn)是治療效果不明顯，治療時(shí)間太長(zhǎng)，效果太慢。

5.5 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)

農(nóng)業(yè)生態(tài)恢復(fù)措施是指根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件選擇農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，減少重金屬危害，包括農(nóng)藝修復(fù)措施和生態(tài)恢復(fù)措施。農(nóng)藝修復(fù)措施通常通過(guò)改變作物系統(tǒng)，通過(guò)植物物種的間作、輪作，或通過(guò)向鎘污染的土壤中添加有機(jī)肥料以形成游離形式的有機(jī)絡(luò)合物，從而減少土壤中鎘含量的目的，實(shí)現(xiàn)鎘在土壤中的遷移，吸收和降解[46，47]。在我國(guó)，有許多關(guān)于生態(tài)修復(fù)措施的研究。一般來(lái)說(shuō)，是通過(guò)調(diào)整土壤含水量等生態(tài)因子來(lái)控制污染物的環(huán)境介質(zhì)[48]。農(nóng)業(yè)生態(tài)恢復(fù)措施不僅能保持土壤肥力，而且能促進(jìn)自然生態(tài)循環(huán)和系統(tǒng)協(xié)調(diào)的運(yùn)行。它易于操作和低成本，但是存在許多缺點(diǎn)，如修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)緩慢的效果。

6 展望

國(guó)內(nèi)外在土壤Cd污染修復(fù)技術(shù)研究取得了一些進(jìn)步，但是我國(guó)的土壤Cd污染面積仍有增加的趨勢(shì)，切實(shí)有效的污染修復(fù)技術(shù)亟待開(kāi)展。物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、電動(dòng)法修復(fù)方法投資昂貴，所需設(shè)備復(fù)雜。生物修復(fù)中的植物修復(fù)技術(shù)因其保護(hù)環(huán)境，經(jīng)濟(jì)性和有效性而受到高度推崇。但是，植物修復(fù)技術(shù)仍有一些缺點(diǎn)，如植物在Cd污染脅迫下，經(jīng)常生長(zhǎng)緩慢，生物量低，而且經(jīng)常受到競(jìng)爭(zhēng)性雜草的威脅。如果能將現(xiàn)代分子生物學(xué)方法相關(guān)的富集基因的分離和分子克隆應(yīng)用到植物修復(fù)技術(shù)上，產(chǎn)生大量適用于Cd污染土壤的恢復(fù)轉(zhuǎn)基因植物，這對(duì)于土壤Cd污染的研究具有深遠(yuǎn)的意義。此外，應(yīng)進(jìn)一步研究修復(fù)過(guò)程中的影響因素，尋找土壤Cd污染的來(lái)源，從污染源頭、污染特征、污染程度等方面進(jìn)行治理；在已有的修復(fù)方法中，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)新技術(shù)；每一個(gè)修復(fù)技術(shù)都有優(yōu)缺點(diǎn)，在土壤Cd污染中注重多項(xiàng)技術(shù)聯(lián)合修復(fù)土壤鎘污染的研究。

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Present Situation and Prospect of Soil Cadmium Pollution and

Remediation Technology at Home and Abroad

Wang Weiwei1，2，3，Lin Qing1，2，3

（1.Key Laboratory of Environmental Change and Resource Utilization of Ministry of Education，

Guangxi Normal University， Nanning，Guangxi 530001，China；

2.College of Geography Science and Planning， Guangxi Normal University， Nanning，Guangxi 530001，China；

3.Guangxi Key Laboratory of Surface Processes and Intelligent Simulation， Guangxi Normal University，

Nanning，Guangxi 530001， China）

Abstract： This paperbriefly introduced the present situation about soil cadmium pollution at home and abroad. It summarized the research progress，advantages and disadvantages of physical remediation， chemical remediation， the method of electric repair，bioremediation and agricultural ecological restoration technology in remediation of soil cadmium pollution.This paper pointed out the future development direction of soil cadmiumpollution， hoping to provide a reference for furtherresearch.

Key words： soil； cadmium； pollution； remediation technology