土壤鎘污染及其修復(fù)方法

陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西西安 710075）

摘要 土壤污染日趨嚴(yán)重，而以重金屬鎘為主要污染物的土壤鎘污染尤為突出。本文就此展開了論述、分析，主要介紹了土壤鎘污染的危害、來源、特點(diǎn)及修復(fù)方法，旨在為土壤鎘污染修復(fù)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 土壤鎘污染；來源；特點(diǎn)；危害；修復(fù)方法

中圖分類號(hào) X53；S15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）11-0175-03

Research on Soil Cadmium Pollution and Its Remediation Methods

ZHU De-qiang

（Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.，Ltd.，Institute of Land Engineering and Technology of Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.，Ltd.，Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering of the Ministry of Land and Resources，Shaanxi Provincial Land Consolidation Engineering Technology Research Center，Xi′an Shaanxi 710075）

Abstract Soil pollution is becoming more and more serious，soil cadmium pollution is particularly prominent.In this paper，the soil cadmium pollution was discussed and analyzed including its sources，characteristics，harm and remediation methods of soil cadmium pollution so as to provide theoretical basis for soil cadmium pollution remediation.

Key words soil cadmium pollution；source；characteristics；harm；remediation method

土壤作為連接無機(jī)界和有機(jī)界的紐帶，是地球上物質(zhì)循環(huán)、能量遷移轉(zhuǎn)化的重要場(chǎng)所[1]，在保護(hù)環(huán)境和維持生態(tài)平衡中具有重要作用[2]。近年來，隨著工礦業(yè)“三廢”的排放與堆放、農(nóng)化產(chǎn)品的不當(dāng)使用及污水灌溉、城鎮(zhèn)化發(fā)展伴生問題的發(fā)生，重金屬鎘通過各種途徑進(jìn)入土壤并造成污染[3]，在影響植物產(chǎn)量和質(zhì)量的同時(shí)，也會(huì)通過能量流動(dòng)最終富集到人體中造成危害。因此，土壤鎘污染修復(fù)已成為目前亟待解決的問題。但由于其隱蔽性、滯后性、累積性等特點(diǎn)，給土壤修復(fù)帶來了困難。面對(duì)嚴(yán)峻的污染形勢(shì)，人們采用物理修復(fù)、生物修復(fù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)、化學(xué)修復(fù)等方法，為實(shí)現(xiàn)土壤可持續(xù)利用不斷努力。本文通過論述、分析土壤鎘污染的來源、危害、特點(diǎn)及修復(fù)方法，以期為土壤鎘污染修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 土壤鎘污染危害

鎘是一種生物毒性極強(qiáng)的重金屬元素。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織還曾議定了人體能攝入鎘的最低劑量，對(duì)鎘的限制十分嚴(yán)格。由于土壤是連接生物界與非生物界的紐帶，所以鎘一旦進(jìn)入土壤，勢(shì)必會(huì)引起生物圈的污染。因此，本文主要介紹鎘對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)及人體健康的影響。

1.1 對(duì)植物的危害

鎘是植物生長(zhǎng)過程中的非必需元素。對(duì)植物的影響可分為2個(gè)層次：植物細(xì)胞、植物體。鎘進(jìn)入植物細(xì)胞內(nèi)會(huì)影響核酸、細(xì)胞內(nèi)蛋白的合成，破壞細(xì)胞中的膜結(jié)構(gòu)，還能與酶形成共價(jià)鍵而結(jié)合影響其活性，降低細(xì)胞中的葉綠素含量。當(dāng)種子進(jìn)入鎘污染的土壤后，鎘會(huì)降低種子活力，抑制種子的有絲分裂、萌發(fā)率、根的生長(zhǎng)速率。當(dāng)種子發(fā)芽長(zhǎng)成植株后，鎘還會(huì)影響其植物根系的生長(zhǎng)、降低對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，由于鎘在細(xì)胞中的累積，光合、蒸騰作用也受到阻礙，影響植物正常生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致減產(chǎn)。鎘離子進(jìn)入植物體后，在植物的各個(gè)器官之間遷移，并漸進(jìn)累積到果實(shí)、籽粒中，進(jìn)而影響其質(zhì)量、產(chǎn)量[4]。

1.2 對(duì)人體的危害

對(duì)于人體來說，鎘元素同樣不是必需微量元素。由于人類位于食物鏈的頂端，鎘便隨著物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)，通過飲食、飲水、呼吸等途徑進(jìn)入人體。人體內(nèi)的鎘均源于外界，主要通過呼吸道進(jìn)入人體，一旦進(jìn)入人體就很難再排出體外，隨著年齡的增長(zhǎng)逐漸積累。鎘對(duì)人體的毒害，分為急性毒害與慢性毒害2種[5]。急性毒害主要損傷肝臟，慢性毒害主要損傷腎臟。吸入含鎘的氣體能造成急性中毒，表現(xiàn)出胸悶氣短、咽痛咳嗽、全身酸痛無力等癥狀，嚴(yán)重者會(huì)出現(xiàn)肺水腫、肺炎，有明顯的呼吸困難，甚至?xí)蚣毙院粑ソ叨劳?。若食物中含有鎘，誤食后也可引起急性鎘中毒，10～20 min后就會(huì)發(fā)生惡心、嘔吐、腹瀉等癥狀，嚴(yán)重者甚至出現(xiàn)抽搐、休克等癥狀，需要經(jīng)過3～5 d才可恢復(fù)。長(zhǎng)期暴露于低鎘環(huán)境中的人體則會(huì)慢性中毒，尿中含大量低分子量蛋白質(zhì)，導(dǎo)致腎小管功能障礙、損害腎臟。在人體內(nèi)的鎘還會(huì)替代部分骨質(zhì)中的鈣，造成骨質(zhì)疏松、骨骼變形，甚至死亡。這就是痛痛病的原因。此外，鎘元素還有較強(qiáng)的致癌、致畸和致突變作用。由于鎘的生物半衰期長(zhǎng)達(dá)10～30年，而且目前還沒有對(duì)于鎘有效的藥物，對(duì)人體生命健康產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

2 土壤鎘污染來源

土壤污染來源包括工業(yè)生產(chǎn)污染、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染、城市發(fā)展污染3個(gè)方面，具體可以其細(xì)分為以下4點(diǎn)。

2.1 干濕沉降

大氣中的鎘主要是以氣溶膠的形式存在，其通過自身重力作用或者雨水淋洗而進(jìn)入土壤。干濕沉降夜以繼日地進(jìn)行著，土壤中的鎘不斷累積而產(chǎn)生污染。大氣的干濕沉降是土壤鎘污染的主要原因，每年耕地中大約有15 g/hm2的鎘輸入，占全部鎘污染來源的88%左右。

2.2 污水、污泥農(nóng)用

由于我國(guó)水資源缺乏，特別是北方，隨著工業(yè)的發(fā)展，用水量不斷加大，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水緊缺，人們就想到了用污水進(jìn)行灌溉。而在多數(shù)情況下，用于灌溉的水質(zhì)并不達(dá)標(biāo)，便造成了污染。污水灌溉鎘污染土壤的事例也不在少數(shù)，如沈陽(yáng)張士污灌區(qū)、甘肅白銀污灌區(qū)。另外，為了實(shí)現(xiàn)廢物再利用，盲目地將富含氮、磷、鉀的污泥用作有機(jī)肥施入土壤，由于其中也含有大量的重金屬鎘，從而造成污染。馬學(xué)文等[4]對(duì)全國(guó)近200個(gè)污水處理廠污泥進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)鎘含量明顯升高。

2.3 農(nóng)化產(chǎn)品的使用

由于人口的不斷增加，人們對(duì)糧食的需求量也在不斷增加，由于過度用地，導(dǎo)致土壤肥力下降。為了提高土壤肥力、增加糧食產(chǎn)量，人們便開始向土壤中施加化肥。眾所周知，磷是植物生長(zhǎng)的必需元素，鎘伴隨磷肥不斷施入土壤而導(dǎo)致土壤污染。進(jìn)口磷肥中的鎘含量是國(guó)內(nèi)磷肥含量的10～20倍，成為一個(gè)重要的鎘污染源。同時(shí)，人們?yōu)榱颂岣弋a(chǎn)量，還向植物噴灑農(nóng)藥以防治病蟲害，而高鎘含量的農(nóng)藥并不占少數(shù)。此外，大量使用農(nóng)膜造成白色污染的同時(shí)也造成了鎘污染，這是由于在農(nóng)膜生產(chǎn)過程中添加了含鎘的熱穩(wěn)定劑?？偠灾?，農(nóng)化產(chǎn)品的不當(dāng)使用是鎘污染土壤的一個(gè)主要來源。

2.4 生活、生產(chǎn)垃圾的堆放

日常生活的大量垃圾未及時(shí)收集、處理而隨意堆放，其中所含的鎘元素經(jīng)雨水溶解、沉淀作用，大多滲入到周圍土壤中并累積，導(dǎo)致土壤中鎘含量增加。采礦廠、冶煉廠等重工業(yè)廠礦產(chǎn)生的廢渣亂堆亂放，其中的鎘也與生活垃圾一樣，受到雨水沖刷、沉淀等作用而污染土壤。江西省主要礦區(qū)重金屬污染狀況顯示，農(nóng)田中的鎘含量高達(dá)29.8 mg/kg。此外，人們對(duì)于肉類需求量的增加也促使全國(guó)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)的數(shù)量不斷增加，由于鎘很難被畜禽吸收，即隨糞便排出體外。堆積的糞便也如同生活垃圾、廢渣，逐漸污染土壤；而用作有機(jī)肥施入土壤的糞便直接造成鎘污染。

3 土壤鎘污染特點(diǎn)

土壤是由固體、液體、氣體組成的一個(gè)多相多孔的疏松體。由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，當(dāng)污染物進(jìn)入到土壤后會(huì)發(fā)生很多未知的變化，所以土壤污染有別于大氣污染、水體污染而形成自己的特點(diǎn)。

3.1 隱蔽性和滯后性

大氣和水體的污染比較直觀，人們對(duì)于其污染也比較敏感。如霧霾嚴(yán)重時(shí)，人們會(huì)感覺到嗓子難受、眼睛流淚，看到天空像被濃霧籠罩。而土壤污染時(shí)，具有隱蔽性，人們不能通過視覺、嗅覺感知到，只有通過分析檢驗(yàn)才能判斷其是否受到污染。受到污染的土壤，其有害物質(zhì)最先伴隨著作物吸收養(yǎng)分而累積到作物中，之后由于能量流動(dòng)，通過食物鏈轉(zhuǎn)移到動(dòng)物和人體中，由人體和動(dòng)物的健康狀況反映出來。從開始受到污染到導(dǎo)致后果會(huì)經(jīng)歷很長(zhǎng)時(shí)間，體現(xiàn)了土壤污染的滯后性。日本的痛痛病就是一個(gè)很好的例證。當(dāng)證實(shí)該病是由于鎘中毒時(shí)，導(dǎo)致這一后果的鉛鋅礦廠已經(jīng)結(jié)束開采，其間經(jīng)歷了20年。

3.2 累積性和不可逆性

污染物在大氣與水體中更容易遷移、擴(kuò)散，只要有效地治理污染源就能很高效地治理污染。由于土壤本身性質(zhì)的原因，鎘一旦進(jìn)入土壤后，并不能像其在大氣與水體中那樣容易稀釋、擴(kuò)散。雖然土壤有自凈能力，但只有很少的一部分被凈化，未被凈化的部分則不斷累積到土壤中。許多有機(jī)物質(zhì)需要很長(zhǎng)時(shí)間才能降解，而某些重金屬污染的土壤甚至需要200～1 000年才能恢復(fù)[6]。同樣，鎘也會(huì)累積，當(dāng)其累積到一定的數(shù)量之后，會(huì)對(duì)土壤性質(zhì)、結(jié)構(gòu)引起變化，使土壤很難再恢復(fù)到原本的狀態(tài)，故土壤鎘污染幾乎是一個(gè)不可逆的過程。

3.3 難以治理性和后果嚴(yán)重性

正是由于土壤鎘污染具有隱蔽性、滯后性、累積性、不可逆轉(zhuǎn)性的特點(diǎn)，所以難以治理。受污染的土壤會(huì)嚴(yán)重影響糧食安全，除去籽實(shí)中有害物質(zhì)含量超標(biāo)以外，輕則減產(chǎn)，重則絕收。甚至有些鎘污染嚴(yán)重的土壤重新播種后仍然受害。而且污染土壤中的鎘多數(shù)會(huì)通過食物鏈危害人體、動(dòng)物的健康，甚至影響生命。此外，土壤中的鎘在雨水、重力的作用下會(huì)進(jìn)入江河、湖泊、海洋以及地下水造成水體污染；還會(huì)在風(fēng)力的作用下進(jìn)入大氣造成大氣污染。

4 土壤鎘污染修復(fù)方法

土壤污染修復(fù)是指通過技術(shù)手段促使受污染的土壤恢復(fù)其基本功能和重建生產(chǎn)力的過程。土壤重金屬污染修復(fù)則是排除土壤中重金屬的影響。由于土壤中的重金屬易受到土壤pH值、土壤類型、CEC值、Eh值等因素的影響，其離子交換、吸附解吸、絡(luò)合沉淀、氧化還原等都會(huì)發(fā)生變化而導(dǎo)致活性改變。而且土壤重金屬污染具有隱蔽、滯后、不斷累積、不可逆、難以治理、后果嚴(yán)重的特點(diǎn)。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已將如何修復(fù)、治理鎘污染土壤作為一個(gè)重要課題研究。宏觀上說，修復(fù)土壤鎘污染有2種思想：一是除去土壤中的鎘；二是通過改變土壤中鎘離子的活性，降低其生物毒性。圍繞著這2種主要思想，按照修復(fù)工藝原理將鎘污染修復(fù)方法主要分為以下4種：物理修復(fù)、生物修復(fù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)、化學(xué)修復(fù)。

4.1 物理修復(fù)

物理修復(fù)是指用物理方法將土壤中的鎘稀釋、去除、固定以降低其對(duì)土壤環(huán)境的影響，主要包括客土、換土、去表土、深耕翻土、熱處理、電動(dòng)修復(fù)、固化玻璃化等方法（表1）[7]。物理方法整體上來說效果較好，但是工程量大、高耗能、影響土壤結(jié)構(gòu)。

4.2 生物修復(fù)

生物修復(fù)是指利用某些特殊的動(dòng)物、植物、微生物，通過其生命活動(dòng)吸收或者轉(zhuǎn)化鎘從而降低其生物毒性，凈化土壤環(huán)境，主要包括動(dòng)物修復(fù)、植物修復(fù)、微生物修復(fù)（表2）[7]。該方法可改良土壤，投資小且易于操作，但受到土壤環(huán)境、污染濃度、重金屬種類的限制。

4.3 化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)是指通過向污染土壤中添加鈍化劑、淋洗劑等物質(zhì)降低鎘的水溶性、擴(kuò)散性、生物有效性，從而改變其化學(xué)形態(tài)、影響其化學(xué)行為，以減輕鎘對(duì)土壤環(huán)境的危害。主要包括絡(luò)合淋洗、原位鈍化等方法（表3）[7]?；瘜W(xué)修復(fù)整體來說，原位操作，經(jīng)濟(jì)可行，但可能會(huì)造成二次污染。該技術(shù)的關(guān)鍵是鈍化劑、淋洗劑的選擇以及添加劑量的確定。

4.4 農(nóng)業(yè)修復(fù)

農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)是指因地制宜地制定出一套適合污染地區(qū)的農(nóng)業(yè)行為，以減少鎘通過植物進(jìn)入食物鏈的機(jī)會(huì)，降低其對(duì)生態(tài)環(huán)境的毒害，主要包括農(nóng)藝修復(fù)、生態(tài)修復(fù)（表4）[7]。該方法對(duì)土壤環(huán)境擾動(dòng)較小，但修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，效果并不顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

土壤是人類賴以生存的重要自然資源，但土壤鎘污染卻愈演愈烈。人們要做到有的放矢，如根據(jù)土壤鎘污染的來源不同制訂相應(yīng)的防治、修復(fù)措施，根據(jù)其污染情況的嚴(yán)重與否選擇不同的修復(fù)方法。因此，只有在全面掌握土壤鎘污染來源、危害、特點(diǎn)以及修復(fù)方法等諸多相關(guān)知識(shí)的前提下，加強(qiáng)科普宣傳，加快合理立法，增強(qiáng)全社會(huì)保護(hù)環(huán)境的責(zé)任和意識(shí)，使土壤鎘污染防治、修復(fù)成為自覺行動(dòng)、全民行為，才能做到有效治理、預(yù)防土壤鎘污染。

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