中國土地污染修復技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

員學鋒， 邵雅靜， 衛(wèi)新東， 侯 瑞， 常金為， 姚一晨

(1.長安大學地球科學與資源學院，陜西西安 710054； 2.國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西西安 710075；3.長安大學土地工程學院，陜西西安 710054

城市化和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展使得土地污染頻發(fā)，土壤污染已成為影響生態(tài)環(huán)境、耕地質(zhì)量、食品安全和人類健康的重要因素[1]?！度珖r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃(2015—2030年)》指出，我國農(nóng)業(yè)內(nèi)源性污染嚴重，化肥、農(nóng)藥利用率不到1/3，農(nóng)膜回收率不到2/3，我國土地污染現(xiàn)象廣泛存在。2015年有學者指出“我國已有1 000萬hm2的耕地重金屬超標，因此導致每年糧食產(chǎn)量減少100億kg”[2]，糧食減少量只會增加，不會減少。1980—2014年，我國農(nóng)業(yè)化肥的施用量平均每年增長135.04%，平均施肥量達400 kg/hm2，殘留的化肥富含多種重金屬會危害土壤環(huán)境質(zhì)量和糧食安全，土地污染問題不斷加劇，污染修復工作迫在眉睫。

近年來，隨著人們對土地污染修復治理的關(guān)注，采用經(jīng)濟可行、環(huán)境友好的修復技術(shù)對已污染土地進行修復和再利用已成為當務之急。目前，對于土地污染修復技術(shù)的研究主要分為2個方面：一是針對某種修復技術(shù)的研究，二是針對某種土地污染類型的研究。對于國外而言，中國土地污染修復研究才剛剛起步[3]，分析該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及未來的發(fā)展趨勢至關(guān)重要。文獻計量分析法可以揭示某一研究領(lǐng)域的發(fā)展過程[4]，本文基于國內(nèi)外在土地污染修復方面的研究成果，結(jié)合文獻定量統(tǒng)計分析方法，揭示該領(lǐng)域的發(fā)展過程、主要發(fā)文期刊以及研究方向，通過總結(jié)土地污染修復技術(shù)的特點、作用機制以及目前的研究熱點，提出土地污染修復技術(shù)的發(fā)展趨勢，為今后該領(lǐng)域的相關(guān)研究提供一定的參考。

1 數(shù)據(jù)來源及分析

1.1 數(shù)據(jù)來源

目前國內(nèi)學者對于土地污染沒有統(tǒng)一的內(nèi)涵界定，文中基于web of science數(shù)據(jù)庫，在對已有研究進行分析的基礎(chǔ)上，采用“土地修復”“土壤修復”“場地修復”作為關(guān)鍵詞，精煉依據(jù)為國家/地區(qū)(people are china or china)，時間跨度為1995—2016年，共檢索得到18 252篇文章，剔除不相關(guān)的文章323篇，對剩余的17 929篇文章進行分析。

1.2 發(fā)文量分析

某領(lǐng)域文獻量的年度變化能夠反映該領(lǐng)域的發(fā)展過程。統(tǒng)計中國土地污染修復領(lǐng)域1995—2016年的發(fā)文量(圖1)，可以看出1995—2016年土地污染修復研究經(jīng)歷了三大階段：1995—2000年萌芽階段，這一時期的發(fā)文量較少；2001—2009年起步發(fā)展階段，發(fā)文量開始逐步增長；2009—2016年高速發(fā)展階段，該領(lǐng)域的研究已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。我國土地污染修復研究起步較晚，2000年以后土地污染修復技術(shù)才逐漸發(fā)展起來。而國外土地修復研究起步較早[5]，美國從20世紀70年代開始不段加強土地污染的環(huán)境風險評價的研究，并建立了“超級基金(superfund)”制度[6]。雖然我國土地污染形勢嚴峻，但是在土地污染修復領(lǐng)域的科研投入?yún)s遠遠不足。

1.3 研究機構(gòu)分析

由表1可以看出，中國科學院發(fā)文量為4 727篇，排名第一，占所有機構(gòu)發(fā)文量的26.37%，作為中國自然科學等級最高的學術(shù)、咨詢機構(gòu)，中國科學院是推進土地污染修復研究的核心機構(gòu)；其次是浙江大學、同濟大學、哈爾濱工業(yè)大學等高等院校，可見該領(lǐng)域的核心研究力量主要集中在科研院所和高等院校。

表1 發(fā)文量排名前十的研究機構(gòu)

1.4 研究方向分析

對土地污染修復領(lǐng)域1995—2015年的發(fā)文量按研究方向進行統(tǒng)計，該領(lǐng)域共包含120個研究方向。由圖2可以看出，土地污染修復的研究方向以環(huán)境和生態(tài)科學為主，發(fā)文量16 534篇，占總發(fā)文量的92.23%；其次是公共環(huán)境健康、工程技術(shù)和水資源等方向，發(fā)文量分別占總發(fā)文量的64.31%、40.32%和36.58%。從土地污染修復技術(shù)來看，毒理學在土地污染修復研究中受到越來越多的關(guān)注，尤其是土壤生態(tài)毒理學，已經(jīng)成為目前土地污染生態(tài)修復技術(shù)的研究熱點。

2 土地污染修復技術(shù)的研究進展

土地污染修復技術(shù)的研究起步于20世紀70年代后期，修復技術(shù)主要有工程技術(shù)、物理-化學技術(shù)、生物技術(shù)以及聯(lián)合修復技術(shù)。

2.1 工程修復技術(shù)

土地污染修復的工程技術(shù)有客土、換土和深耕翻土技術(shù)?？屯练ㄊ侵笍漠惖匾苼怼敖】怠钡耐寥捞娲韺邮芪廴镜耐寥?，防止植物根系受污染，降低污染危害的修復方法?？屯良夹g(shù)適用于污染程度低、易取土的地區(qū)[7]?？屯良夹g(shù)在實際應用中，要求客土的理化性質(zhì)必須與原土一致[8]?？屯练▽}堿地、土壤質(zhì)地過沙過黏等性狀不良土壤的改良效果較好。但是因為底部污染物有向客土轉(zhuǎn)移的可能，所以客土法仍然存在造成二次污染的風險[9]。基于此，國內(nèi)學者對客土法進行了一系列的改良研究，提出在原污染土壤的表層添加改良劑阻止污染土中的重金屬向新的表土轉(zhuǎn)移[10]。

換土法是一種用“健康”土壤直接替換被污染土壤的修復方法。換土法在實際應用中須要對被轉(zhuǎn)移的污染土進行跟蹤監(jiān)測，確保被轉(zhuǎn)移土壤的合理安置，避免出現(xiàn)違規(guī)傾倒污染土壤的現(xiàn)象[11]。深耕翻土法是將表層和深層土壤進行翻動混合，以降低表層土壤中污染物含量的修復方法，該方法針對土層深且污染輕的土壤修復效果較好，在操作過程中須要增加施肥量，以避免耕層養(yǎng)分的流失[12]。

2.2 物理-化學修復技術(shù)

2.2.1 玻璃化修復技術(shù) 玻璃化修復技術(shù)最早應用于1980年[13]。玻璃化技術(shù)的本質(zhì)是對污染土壤進行高溫熔融處理，使土壤中的重金屬形成較為穩(wěn)定的玻璃態(tài)物質(zhì)，以去除重金屬污染的修復技術(shù)[14]。玻璃化修復技術(shù)被廣泛應用在飛灰、污泥中重金屬的固定及資源化修復[15]。該技術(shù)的修復效率高，還可以被用于污染土壤的搶救性修復。玻璃化修復工程量大、成本高，歐美國家土壤的處理費用為300～500美元/t[16]。玻璃化修復過程中溫度較高，會影響土壤的理化性質(zhì)，甚至使土壤喪失原有的生產(chǎn)力，在實際推廣應用中存在一定的局限性，我國對玻璃化修復技術(shù)的應用研究相對較少。

2.2.2 熱處理修復技術(shù) 熱處理修復技術(shù)通過對污染土壤進行加熱，使土壤中揮發(fā)性較高的重金屬受熱揮發(fā)，以達到修復目的[17]。熱處理技術(shù)可以有效地去除半揮發(fā)性、沸點較低的有機污染物[18]。目前在實踐中，如何科學合理地達到污染土所需熱解吸溫度是目前熱處理技術(shù)推廣的限制因素之一。因為大部分金屬的熱解析溫度較高，所以熱處理修復技術(shù)的修復成本很高，而修復過程中如果對揮發(fā)出的重金屬處理不當，也會導致次生污染。

2.2.3 電動修復技術(shù) 電動修復是指在污染介質(zhì)兩端通以直流電，在電場作用下使得污染物向兩側(cè)遷移，然后對其進行集中收集處理，從而實現(xiàn)修復目的[19]。早期的電動修復主要用于重金屬污染土壤的修復，到20世紀90年代才開始應用于有機污染土壤的修復[20]。針對性地調(diào)節(jié)陰陽兩級的pH值可以提高修復效率，目前選擇適宜的清洗液，增強電動修復效果仍是該領(lǐng)域的研究熱點[21]。電動修復技術(shù)具有不擾動土層、易操作且綠色環(huán)保的優(yōu)勢，適宜處理低滲透的污染土和污泥。但是該修復技術(shù)易導致土壤理化性質(zhì)變化，在實際應用中往往須要和其他技術(shù)聯(lián)合使用。

2.2.4 固化/穩(wěn)定化技術(shù) 采用一定技術(shù)措施改變重金屬形態(tài)，降低其遷移性，將其長期固定在土壤中，是目前處理重金屬污染土壤最經(jīng)濟有效的方法[22]。固化/穩(wěn)定化技術(shù)是應用化學改良劑或穩(wěn)定劑和重金屬間的吸附、離子交換、有機絡(luò)合等相互作用，來降低重金屬在土壤中的遷移能力和生物有效性，以實現(xiàn)修復目的[23]。常用的穩(wěn)定劑包括石灰、赤泥、天然沸石等無機化學穩(wěn)定劑和生物炭、堆肥和泥炭等有機化學穩(wěn)定劑[24]。穩(wěn)定劑對土壤中重金屬的鈍化效果隨用量的不同而不同[25]。21世紀初污泥堆肥方式在歐美國家應用廣泛，污泥被廣泛應用于修復嚴重擾動的土壤[26]。然而污泥堆肥會引起堆肥營養(yǎng)不均衡和臭氣污染等問題[27]。我國在2010年已經(jīng)研發(fā)了自動控制生物堆肥技術(shù)(control technology for biocomposting，簡稱CTB)，很好地降低了污泥堆肥的臭氣污染風險，該技術(shù)已經(jīng)在山東、河北、河南、天津得到推廣[28]。固化/穩(wěn)定化修復技術(shù)易操作且成本低，價廉易得且無二次污染的穩(wěn)定劑以及新型材料的開發(fā)是目前固化/穩(wěn)定化修復技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵[29]。近年來，由于納米吸附材料具有比表面積大、活性點位高以及光電性能強的優(yōu)勢，在污染治理領(lǐng)域的應用前景廣闊[30-31]。

2.2.5 土壤淋洗技術(shù) 土壤淋洗修復技術(shù)在20世紀90年代已進入了工程應用階段[32]?；瘜W淋洗法是指向受到重金屬污染的土壤中加入有特殊化學成分的淋洗液，利用水力學或機械攪動土壤顆粒洗脫并清洗土壤中污染物的方法[33]。淋洗修復技術(shù)能去除多種形態(tài)的重金屬，并且具有不破壞土壤結(jié)構(gòu)，無次生污染的優(yōu)勢[34]。淋洗溶劑的選擇是淋洗技術(shù)的關(guān)鍵，常用的淋洗溶劑有螯合劑、酸/堿溶液、絡(luò)合劑、表面活性劑等。生物表面活性劑在促進污染物降解的同時，自身也能被生物降解，是目前應用較多的表面活性劑[35]，現(xiàn)代超分子化學的引入和發(fā)展是淋洗修復研究的新方向[36]。淋洗劑和淋洗方式?jīng)Q定了淋洗技術(shù)的修復效果。在眾多土壤修復技術(shù)中，淋洗修復技術(shù)因易實施、修復周期短、無次生污染的特點被廣泛使用。

2.3 生物修復技術(shù)

2.3.1 植物修復技術(shù) 植物修復技術(shù)是指在被污染的土壤上通過種植可積累、轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移污染物的植物，來達到修復目的技術(shù)方法[37]。我國從1997年起就致力于植物修復技術(shù)的研究，通過30年的探索，植物修復技術(shù)已經(jīng)開始應用推廣。在植物修復技術(shù)的研究中，由意大利最先提出的“超富集植物”[38]是該領(lǐng)域的研究熱點。目前已發(fā)現(xiàn)的超富集植物有700種以上，包括羽葉鬼針草、酸模、香根草等鉛超富集植物，印度芥菜、蕓苔、蕪箐等鋅超富集植物，魚腥草、商陸、龍葵等鎘超富集植物，鴨跖草、酸模等銅超富集植物。

植物修復是一種“綠色”修復方式。但是由于植物生長緩慢、生物量小，使得植物修復仍然存在修復周期長、修復深度不佳等問題。單一的植物修復技術(shù)不能滿足目前土地污染修復的需求，進一步尋找和培育種類更多、生物量更大的超積累或高積累植物是植物修復后續(xù)的研究方向[39]。由于木本植物對土壤重金屬具有較強的積累能力，并且具有不參與食物鏈循環(huán)等優(yōu)點，因此用木本植物修復重金屬污染土壤已成為國內(nèi)外的研究熱點[40]。針對影響植物修復效率的各個因素對植物修復技術(shù)進行改良及強化，并合理應用植物添加劑提高植物修復效率是未來植物修復發(fā)展的主要方向。

2.3.2 動物修復技術(shù) 動物修復是通過土壤環(huán)境中的某些低等動物來吸收、降解或轉(zhuǎn)移土壤重金屬，以達到修復目的[41]。由于動物修復有一定局限性，相關(guān)研究較少，當前研究主要集中在利用蚯蚓、鼠類等大型土壤動物進行土壤污染修復[42]，其中生態(tài)毒理學方面的研究得到了國內(nèi)外眾多學者的重視[43]。

我國的動物修復技術(shù)處于探索階段，在動物修復技術(shù)實施過程中，動物排便會把已吸收的重金屬重新帶回土壤，而且動物對污染物的耐受程度有限，一旦超出其承受范圍，動物將會逃逸甚至死亡[44]。動物修復過程中也可能會產(chǎn)生新的環(huán)境風險，如修復過程中蚯蚓活動形成的蚯蚓孔能夠產(chǎn)生明顯的優(yōu)勢流現(xiàn)象，優(yōu)勢流極大地加快了重金屬離子在土壤中垂直向下遷移的速度，這就增加了地下水被污染的風險[45]。研究動物、土壤及周圍環(huán)境的相互作用是今后該項技術(shù)主要努力方向[46]。

2.3.3 微生物修復技術(shù) 微生物修復是指利用特定的微生物群改變土壤重金屬的物理特性，影響其在環(huán)境中的遷移與轉(zhuǎn)化，從而達到降低污染物活性或?qū)⑵滢D(zhuǎn)變成無毒物質(zhì)的修復過程[47]。微生物修復過程主要分為微生物富集、吸附和轉(zhuǎn)化3個方面。利用微生物、綠色植物及其相關(guān)酶類處理土壤污染，被認為是替代傳統(tǒng)修復技術(shù)的新興技術(shù)[48]。相比其他修復技術(shù)，微生物修復費用低、修復效率高、不易產(chǎn)生次生污染[49]。目前國內(nèi)外對于微生物修復的機理還未完全掌握，仍須深入研究，該技術(shù)的應用并未實現(xiàn)規(guī)?；Ｄ壳爸亟饘匐x子與微生物細胞間的影響機制以及基因工程菌的構(gòu)建是微生物修復的發(fā)展方向[50]。

2.4 聯(lián)合修復技術(shù)

聯(lián)合修復技術(shù)是將若干單項技術(shù)相互組合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，以實現(xiàn)污染土壤的高效修復。聯(lián)合修復技術(shù)主要包括生物聯(lián)合修復、物理-化學聯(lián)合修復、基因工程聯(lián)合修復。

目前，生物聯(lián)合修復技術(shù)被廣泛用于修復多環(huán)芳烴(PAHs)污染的土壤[51]。在動植物聯(lián)合修復技術(shù)中對蚯蚓的研究最多，蚯蚓體內(nèi)攜帶各種微生物，在土壤中的活動能提高多種微生物的活性[52]。植物-微生物聯(lián)合修復技術(shù)利用植物和根際微生物的共存關(guān)系，可在修復過程中同時發(fā)揮兩者的優(yōu)點，這是目前生物修復領(lǐng)域的研究熱點[53]。

物理-化學聯(lián)合修復技術(shù)是指根據(jù)污染介質(zhì)自身特性將其分離或固化，以達到去除污染物的目的[54]。因為單項的物理、化學修復技術(shù)成本高、易導致次生污染，而且會破壞土壤結(jié)構(gòu)，所以該方法在應用發(fā)展方面受限[55]。目前，國內(nèi)對于物理-化學聯(lián)合修復技術(shù)的研究相對較少。

基因工程聯(lián)合修復技術(shù)的關(guān)鍵是指利用基因工程技術(shù)對修復植物進行改良，使其對重金屬的累積性更強[56]。基因工程聯(lián)合修復技術(shù)適用于污染土壤的異位處理，易處理易揮發(fā)性污染物，深度處理效果好，但目前基因工程聯(lián)合修復技術(shù)的成本高、不易推廣。

3 土地污染修復技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 建立土地污染修復標準體系

我國土地污染形勢嚴峻，污損類型復雜、污染源多樣，可以采用的修復技術(shù)也多種多樣。對于修復技術(shù)的選擇到修復結(jié)果的評判，目前尚未建立規(guī)范的土地污染評價和修復效果評價標準，導致有大量低技術(shù)、不達標、修復后無人管護等問題頻繁發(fā)生。因此，針對我國目前的土地污染現(xiàn)狀，根據(jù)污染區(qū)域土地的特性及相關(guān)指標，構(gòu)建反映土地污染程度的環(huán)境質(zhì)量評價標準體系和反映各種修復技術(shù)實施效果的評價體系，對修復技術(shù)的選擇、修復技術(shù)的進一步推廣都具有十分重要的現(xiàn)實意義，同時也可以為土地污染的環(huán)境監(jiān)管與綜合防治提供依據(jù)。

3.2 促進多項修復技術(shù)聯(lián)合發(fā)展

目前，生物聯(lián)合修復技術(shù)在土地污染修復中應用最為廣泛，由于其低成本、環(huán)境友好，得到學者們的一致推崇。聯(lián)合修復效果往往優(yōu)于單個修復技術(shù)的簡單疊加[57]。但是由于單項修復技術(shù)存在局限性，導致聯(lián)合修復仍存在許多問題待解決，推廣應用受限。在已有的研究中，多項修復技術(shù)的聯(lián)合仍然存在一些問題，解決這些問題是未來多項修復技術(shù)研究的重點，也是多項修復技術(shù)實現(xiàn)突破性發(fā)展的關(guān)鍵。植物參與聯(lián)合修復時，對修復植物的品種進行篩選，尋找生存能力強、去污效率高、生物量大的植物最為重要；微生物參與土壤修復時，根據(jù)微生物好氧與厭氧的特點，分析微生物與環(huán)境的互作機制，研究微生物對生物多樣性可能帶來的威脅至關(guān)重要。目前，大部分的聯(lián)合修復技術(shù)仍然處于實驗室或者盆栽的模擬階段，大規(guī)模復雜情況下聯(lián)合修復技術(shù)的應用仍須進一步研究。

3.3 構(gòu)建經(jīng)濟適用易推廣的綠色修復模式

未來土地污染修復研究應該著眼于開發(fā)經(jīng)濟實用、綠色健康的修復技術(shù)，避免“二次污染”“舊賬未還，又欠新帳”等現(xiàn)象，從生態(tài)學的角度出發(fā)，在維護生態(tài)安全的前提下達到最大的修復效益。在固化穩(wěn)定化修復過程中，開發(fā)廉價易得且無二次污染的穩(wěn)定劑，確定穩(wěn)定劑的施用量，評價添加穩(wěn)定劑對土地利用帶來的環(huán)境風險。在土地淋洗方面，淋洗液的選用至關(guān)重要，大部分淋洗液價格較高且易造成二次污染，在修復過程中營養(yǎng)物質(zhì)可能被洗出植物根際，造成植物營養(yǎng)缺失。因此，今后須要選擇價格低廉、方便易得、綠色環(huán)保的淋洗液，并對修復后淋洗液進行回收利用。

3.4 搭建大數(shù)據(jù)背景下的土地修復決策支持系統(tǒng)

決策支持系統(tǒng)是通過數(shù)據(jù)、知識和模型，以人機交互的方式輔助決策者并為決策者提供科學的決策依據(jù)和輔助信息的計算機應用系統(tǒng)[58]。污染土修復是一項復雜、耗時、耗資的巨大工程，我國在污染土地修復過程中越來越重視風險評估，在大數(shù)據(jù)時代，搭建基于大數(shù)據(jù)背景下的土地修復決策支持系統(tǒng)勢在必行，可以集基礎(chǔ)資料收集、污染土地調(diào)查、人體健康風險評價、生態(tài)風險評估、污染土地修復技術(shù)可行性分析與決策等一體化，提出高效可行的污染土地修復方案，并且對修復后土地的再利用進行分析，進而篩選出適宜區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的土地污染控制與修復技術(shù)，使大數(shù)據(jù)概念在土地污染修復中得以體現(xiàn)。

3.5 完善土地污染修復的制度保障及立法體系

目前我國仍未形成土地污染防治和修復的專門立法，土地污染防治立法尚不完善[59]。我國最早提及土地污染防治的是《憲法》，但是并沒有關(guān)于土地污染防治的直接規(guī)定，隨后頒布的《環(huán)境保護法》《固體廢物污染環(huán)境防治法》《大氣污染防治法》《土地管理法》等法律、法規(guī)、相關(guān)政策中也只是對土地污染防治作出了基礎(chǔ)的規(guī)定。由于立法體系的不完善，使土地污染現(xiàn)象沒有從根本上遏制。完善土地污染防治立法體系勢在必行，樹立整體立法觀念，從根源上防止土地污染面積增加。