農(nóng)田重金屬污染土壤修復技術研究進展

徐伯鈞

[摘要]土壤重金屬污染作為一個世界性的環(huán)境問題受到越來越多的關注，因此開展重金屬污染土壤的修復技術研究具有非常重要的科學意義和現(xiàn)實意義。對國內(nèi)外有關農(nóng)田重金屬污染土壤修復技術（農(nóng)藝措施、化學調(diào)控、工程措施和生物修復）的研究進展進行了綜述，以期為農(nóng)田土壤重金屬的治理修復提供科學依據(jù)。

[關鍵詞]重金屬；土壤；修復技術

[中圖分類號]X53 [文獻標識碼]A

隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)人口的急劇增加，各種有毒有害重金屬元素通過多種途徑進入農(nóng)田土壤，造成農(nóng)田土壤中各種有毒有害重金屬元素富集，使得各地相繼出現(xiàn)了嚴重的重金屬污染事件，而且重金屬污染問題日益凸顯。環(huán)境保護部和國土資源部2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，全國土壤污染物總超標率為16.1%，污染類型以無機型為主。因此，防治土壤污染，保護土壤資源，修復重金屬污染土壤，已成為近年來國內(nèi)外環(huán)境領域研究的熱點和難點課題。

目前，針對農(nóng)業(yè)土壤重金屬修復主要基于以下三種思路：一是改變土壤重金屬的化學形態(tài)，使其鈍化，減弱重金屬的活性和遷移性以阻止其進入食物鏈；二是利用工程技術將重金屬變成可溶態(tài)、游離態(tài)，再淋洗土壤，收集淋洗液回收重金屬；三是利用特殊植物吸收原理，收獲植物回收重金屬。基于以上修復思路國內(nèi)外學者們已經(jīng)研發(fā)了許多治理技術，在重金屬污染農(nóng)業(yè)土壤實際修復措施中，則主要有農(nóng)藝措施、化學調(diào)控、工程措施和生物修復四大類。

1 農(nóng)藝措施

農(nóng)藝措施是通過采取適當?shù)霓r(nóng)業(yè)措施或添加一些物質(zhì)達到消減重金屬污染危害的方法。影響農(nóng)作物對重金屬的吸收的因素有土壤重金屬總量、重金屬有效態(tài)含量、灌溉方式、施肥類型和土壤理化性質(zhì)、植物種類、耕作制度等。因此，通過調(diào)節(jié)土壤水分、pH、有機質(zhì)等因素可以改變重金屬的水溶性和遷移性，達到降低重金屬的生物有效性和減輕重金屬生物毒性的目的。

日本農(nóng)林漁業(yè)部門鼓勵農(nóng)民在Cd污染農(nóng)田種植水稻時，盡量做到水稻抽穗前后期農(nóng)田處于水淹狀態(tài)，這樣土壤會處于還原狀態(tài)，Cd與硫結(jié)合形成CdS，從而降低水稻對Cd的吸收。Murray等開展水稻盆栽試驗，發(fā)現(xiàn)水稻在抽穗后落干的情況下籽實Cd含量是正常灌水的12倍。對酸性土壤采用生石灰等堿性物質(zhì)來提高pH值，可降低重金屬Cd在土壤中的有效性，其有效態(tài)含量降低15%[8-9]，有效抑制植物對Cd的吸收。

2 化學調(diào)控

化學調(diào)控是利用化學試劑能夠螯合或與重金屬存在競爭關系等原理，采取葉面噴施或者直接添加到土壤中的方式降低農(nóng)作物對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運。

研究者發(fā)現(xiàn)部分化學元素對植物生長發(fā)育有促進作用，在植物抵抗生物和非生物脅迫中起保護作用。Vaculik和Liu等發(fā)現(xiàn)硅能夠提高植物對Cd等重金屬的耐性且降低對后者的吸收。研究者在小麥、水稻和大麥等作物中發(fā)現(xiàn)Zn對Cd毒害的緩解作用。Filek等研究發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)液中添加硒可以緩解Cd 對植物的毒害。此外，Zeng等研究了GSH可以緩解重金屬毒害。綜上所述，硅、鋅、硒和GSH在實驗室單獨使用均可以顯著緩解重金屬毒害作用。而對于復雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說，它們能否發(fā)揮同樣的作用需要進一步驗證。

3 工程措施

土壤移除、更換和置換是一種非常有效且快速的解決土壤重金屬污染的方法。土壤移除和更換多用于重度重金屬污染土地，但由于其成本高、工程量大的特點，因而只適用于污染面積較小的土壤。置換是通過深耕等方式將上下層土壤混勻，以此降低耕作層的重金屬含量，此法適用于中、輕度重金屬污染土壤。另外，可采用有機酸、螯合劑的溶液將土壤中的重金屬沖洗出。Wasay等利用FeCl3 將Cd污染土壤中24%～66%的Cd提取出來。此外，檸檬酸、酒石酸、EDTA沖洗重金屬污染土壤，也可顯著降低土壤重金屬含量，但是容易造成土壤養(yǎng)分的流失和結(jié)構的改變。

4 生物修復

生物修復是利用植物、微生物和動物去除土壤重金屬的方法，經(jīng)過新陳代謝過程，生物可以將土壤中的重金屬形態(tài)發(fā)生變化或進行吸收，從而降低重金屬毒性、達到凈化土壤的目的。目前，我國對生物修復技術的研究大多集中在植物修復和微生物修復兩方面。而植物修復技術較于微生物及動物修復技術方面，植物修復土壤重金屬污染的治理機理較為簡單、操作更為簡便、易于得到預期治理效果。

4.1 動物修復

動物修復技術是利用土壤動物（如蚯蚓、線蟲、節(jié)肢動物甲螨）通過食物鏈等作用吸收、降解或轉(zhuǎn)移重金屬，以降低土壤中重金屬的濃度。國外動物修復的研究已有較長時間，國內(nèi)起步較晚，尚處于探索階段。孫艷芳等指出土壤無脊椎動物群落的多樣性指數(shù)、蜱螨目和彈尾目的種群數(shù)量可以指示土壤重金屬污染程度。伏小勇等經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)蚯蚓對重金屬有一定的忍耐和富集能力，用于修復重金屬污染土壤具有一定的應用價值。

4.2 微生物修復

微生物修復是利用微生物的生物活性對重金屬的親和吸附或轉(zhuǎn)化為低毒產(chǎn)物，降低重金屬的污染程度。國內(nèi)外利用微生物（細菌和酵母等）減輕或消除重金屬污染已有報道，微生物通過改變重金屬的化學或物理特性而影響其在環(huán)境中的遷移與轉(zhuǎn)化其修復機理包括細胞代謝、表面生物大分子吸收轉(zhuǎn)運、生物吸附、空泡吞飲和氧化還原反應等。微生物對土壤中重金屬活性的影響主要體現(xiàn)在四個方面：①溶解和沉淀作用；②生物吸附和富集作用；③氧化還原作用；④菌根真菌對土壤重金屬的生物有效性影響。

4.3 植物修復

植物修復是利用植物來轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化土壤污染物以使土壤得到凈化的一種方法。植物通過對重金屬吸收、揮發(fā)、降解和穩(wěn)定等作用，可以降低土壤中重金屬含量。具體植物修復類型包括有植物提取、植物穩(wěn)定、植物固定和根際過濾四種。其中，采用超富集植物進行重金屬污染土壤的修復技術逐步成熟，已得到眾多科學家的倡導和推崇。該項技術的前提和重點在于超富集植物的篩選和培育，超富集植物多生長在礦區(qū)等重金屬污染嚴重地區(qū)，通過野外調(diào)查得到。而通過人工馴化栽培，同樣可顯著提高某些植物對重金屬的吸收富集能力。

迄今為止，在美國、新西蘭等國家已經(jīng)報道的超積累植物有700種。其中Ni 的超富集植物277 種。至2010年，國內(nèi)發(fā)現(xiàn)Cd超富集植物已達20余種，主要有東南景天、寶山瑾菜、龍葵 、三葉鬼針草、龍共葵、球果蔊菜、小飛蓬、商陸、水蔥、楊桃等；Cd富集植物已達60種，主要有水稻、甜高粱、蘆竹、龍須草、小麥、香根草、桑樹、馬尾松、露松等。國內(nèi)報道Pb超富集植物主要有密毛白蓮蒿、白蓮蒿、小鱗苔草、金絲草以及Pb/Zn/Cd超富集植物圓錐南芥。

4.4 聯(lián)合修復

植物-微生物聯(lián)合修復技術是利用植物與微生物之間相互作用以提高修復效率的技術，植物-動物-微生物聯(lián)合修復技術則是植物、動物與微生物三者共同作用完成修復過程。近年來，聯(lián)合修復技術逐漸引起各學者的研究興趣。田偉莉等發(fā)現(xiàn)Cd、Cu、Pb修復效果分別較單個動物修復和植物修復的簡單疊加效果高11.5%、7.2%、5.0%。楊柳等[33]研究了在Pb2+、Cd2+脅迫作用下蚯蚓、菌根菌及其聯(lián)合作用對植物修復的影響，結(jié)果顯示蚯蚓可以顯著提高植物地上部分的生物量，菌根菌可以提高植物地上部分的重金屬積累濃度，同時接種蚯蚓與菌根菌所能提高植物吸收的重金屬總量的幅度最大。

5 結(jié)語

隨著對農(nóng)田土壤重金屬污染認識的深入，對農(nóng)田土壤修復也就提出了更高的要求。單單一種修復技術很難對復合污染進行理想的修復治理，因此，聯(lián)合多種修復技術實現(xiàn)復合污染土壤治理修復方面已經(jīng)成為未來發(fā)展的趨勢。

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