?農(nóng)田土壤重金屬污染及調(diào)控措施?

摘 要：農(nóng)田土壤重金屬污染是全世界所共同面臨的普遍性環(huán)境問題之一。從農(nóng)田土壤重金屬污染的來源，重金屬污染對農(nóng)田土壤質(zhì)量、作物生長發(fā)育、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)以及對人類健康的影響，論述了重金屬污染的防控與調(diào)控措施，主要有物理和化學(xué)調(diào)控、植物修復(fù)和農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)措施，并對以后的研究方向進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤;重金屬污染;調(diào)控措施

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）01-0040-05

Farmland Soil Heavy Metal Pollution and Control Measures

LI Han1，GUO Huan-le，LIU Yu，CAO Zhong-yang，CHEN Song-lin，LI Yi-wen，

WANG Yan-lan，CHEN Zhi-hui

Abstract：Soil pollution has been considered as one of the main environmental problems in the world nowadays. The source of soil heavy metal pollution in farmland， the effect of heavy metal pollution on soil quality in farmland， growth of crops， quality of agricultural products and on human health were discussed in this paper. The heavy metal pollution control measures were introduced， including physical and chemical regulation， phytoremediation and agroecological restoration measures. The future research direction is also discussed in this paper.

Key words：Farmland soil; Heavy metal pollution; Control measures

農(nóng)田土壤重金屬污染是指具有顯著生物毒性的鎘、鉻、鉛、汞和砷等污染物進(jìn)入土壤中過量積累，致使土壤生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化，對作物的生長和生理產(chǎn)生影響，并被作物吸收進(jìn)入食物鏈對人類健康造成潛在威脅的現(xiàn)象[1-2]。我國重金屬污染農(nóng)田占耕地總面積近17%，每年因農(nóng)田重金屬而減產(chǎn)或污染的糧食約2 200萬t，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失200億元以上[3]。因此，針對農(nóng)田土壤重金屬污染來源和危害，采取有效調(diào)控措施進(jìn)行治理意義重大。

1 農(nóng)田土壤重金屬污染來源

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中重金屬污染的來源主要有自然因素和人類活動兩大途徑。自然因素主要是成土母質(zhì)和成土過程中所形成的土壤重金屬元素背景值。由于人類活動引起重金屬污染來源主要是采礦、冶煉、農(nóng)藥和無機(jī)肥料，污水污泥和大氣沉降等[4-5]。

污水灌溉是農(nóng)田土壤重金屬元素污染的主要原因之一。在我國水資源嚴(yán)重匱乏的地區(qū)，為了滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需用水，利用污水灌溉的農(nóng)田面積約為360萬hm2，占我國農(nóng)田總灌溉面積約7%。李小牛等[6]對我國北方30個(gè)污灌區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染狀況進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)各種重金屬內(nèi)梅羅綜合指數(shù)和地質(zhì)累積指數(shù)由大至小依次為鎘gt;汞gt;銅gt;砷gt;鋅gt;鉛gt;鎳gt;鉻，其中鎘、汞和鉛在不同灌區(qū)差異較大，銅、鉻和鎳在不同灌區(qū)差異性相對較小。解文艷等[7]調(diào)查了太原污灌區(qū)的土壤重金屬分布特征，結(jié)果表明汞和鎘是太原市污灌區(qū)土壤中需要優(yōu)先控制的重金屬，鎘、鋅、鉛和銅以污水灌溉的貢獻(xiàn)為主，鎳、錳、砷和鉻也來自污水灌溉。污水中存在的重金屬元素隨著污水灌溉面積和時(shí)間的延續(xù)積累在農(nóng)田土壤中，最終導(dǎo)致土壤重金屬污染[8-10]。因此，應(yīng)將污水進(jìn)行符合國家灌溉水標(biāo)準(zhǔn)的工藝處理后，用再生水灌溉農(nóng)田，便可有效規(guī)避灌溉對農(nóng)田土壤重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)性。

大氣中的重金屬通過干濕沉降進(jìn)入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，這是造成農(nóng)田土壤污染重要方式之一。大氣污染源主要是人類活動形成的有毒廢氣，在自然界的大氣凈化過程中，通過降塵或降雨所形成的污染物散落于土壤中引起的土壤污染。這些污染源主要包括燃煤發(fā)電、礦石冶煉、水泥生產(chǎn)、汽車尾氣等。大氣重金屬沉降通量受人為活動影響較大，沉降量規(guī)律為工業(yè)區(qū)和商住混合區(qū)的農(nóng)田表層土壤大于風(fēng)景區(qū)[11-12]。交通道路周邊的農(nóng)田最易遭受重金屬污染，與機(jī)動車交通密度密切相關(guān)，主要來源于燃油和輪胎磨損形成的粉塵[13-14]。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)藥、化肥、污泥的過量施用亦是農(nóng)田土壤重金屬積累的主要途徑。為了提高糧食產(chǎn)量，解決全球人口的溫飽問題，農(nóng)民在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中盲目施用化肥、農(nóng)藥，增強(qiáng)農(nóng)田土壤生產(chǎn)力的同時(shí)，也加劇了重金屬元素的累積。加入世貿(mào)組織后，進(jìn)口肥料價(jià)格相對較低，來自澳大利亞、加拿大和美國等國家大批次的磷肥和復(fù)合肥中鎘含量較高，尤其是磷肥，進(jìn)口磷肥中鎘含量是國產(chǎn)磷肥的10～20倍，來自澳大利亞的磷肥中鎘含量高達(dá)38～48 mg/kg [15]。由此可知，每年因化肥施用進(jìn)入農(nóng)田的鎘含量無法估量，嚴(yán)重影響了我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的安全性。同時(shí)，為了簡化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中勞動人力的投入，農(nóng)民大量施用含重金屬的農(nóng)藥，也是造成農(nóng)田土壤重金屬污染的主要因素。另外，我國有些區(qū)域通過施用污泥來培肥土壤，污泥中重金屬含量較高，長期施用必然會導(dǎo)致土壤重金屬元素呈現(xiàn)富集趨勢，增加了農(nóng)田土壤重金屬污染的概率性[16]。

2 農(nóng)田土壤重金屬污染的影響

2.1 對農(nóng)田土壤質(zhì)量的影響

農(nóng)田土壤是進(jìn)行農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)的主要載體，若重金屬大量積累于其中，將使土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生變化，從而影響土壤養(yǎng)分元素的循環(huán)利用，直接影響農(nóng)田生產(chǎn)力。有研究表明，稻麥輪作模式中，小麥?zhǔn)斋@期土壤團(tuán)聚體組分在重金屬污染后呈現(xiàn)0.2～2 mm與0.02～0.2 mm粒徑團(tuán)聚體減少，0.002～0.02 mm與lt;0.002 mm粒徑團(tuán)聚體增多的趨勢，水稻收獲期土壤團(tuán)聚程度顯著降低[17]。隨著土壤中重金屬污染水平的加劇，土壤中顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)及其占總有機(jī)碳的比值呈增加趨勢，土壤微生物商呈下降趨勢，顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)能夠顯著地積累重金屬元素，使土壤微生物活性減弱，從而降低土壤中有機(jī)物質(zhì)的礦化速率，影響土壤有機(jī)質(zhì)的代謝平衡[18]。土壤酶活性和微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝調(diào)控的重要因素[19]，重金屬污染對農(nóng)田中土壤微生物量碳、微生物商、自生固氮菌量和過氧化氫酶活性、脫氫酶活性存在一定程度的抑制現(xiàn)象[20-23]。

2.2 對作物生長發(fā)育的影響

農(nóng)作物中重金屬濃度超過一定閾值時(shí)，會損傷其細(xì)胞膜系統(tǒng)，影響細(xì)胞器正常的結(jié)構(gòu)與功能，導(dǎo)致作物體內(nèi)的各種生理生化過程出現(xiàn)失調(diào)現(xiàn)象，對作物生長發(fā)育產(chǎn)生影響。通常重金屬濃度較高時(shí)會影響農(nóng)作物的種子萌發(fā)，阻礙作物的營養(yǎng)生長和生殖生長，致使作物生長緩慢，生物量下降，物候期推遲，導(dǎo)致生殖生長完全停止。

2.2.1 重金屬對農(nóng)作物營養(yǎng)生長的影響 玉米幼苗受鎘毒害后，種子發(fā)芽率、生物量、株高均隨重金屬濃度的增加而降低，生長速度逐步減緩[24]。鉛在低濃度條件下，促進(jìn)粳稻種子萌發(fā)，但隨著鉛濃度的增加，水稻種子萌發(fā)呈現(xiàn)下降趨勢，粳稻的鉛耐受能力較高[25]。鉻濃度的增加使水稻[26]、萵苣[27]、苦蕎[28]的種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、根的伸長受到抑制。孫建等[29]的研究發(fā)現(xiàn)重金屬脅迫主要影響芝麻種子胚根的生長，隨重金屬濃度的增加，芝麻幼苗芽長、根長和鮮重都呈現(xiàn)下降趨勢。王慧芳等[30]發(fā)現(xiàn)銅濃度為0～100 mg/kg時(shí)可促進(jìn)玉米種子萌發(fā)，對幼苗株高基本無影響。

2.2.2 重金屬對農(nóng)作物生殖生長的影響 重金屬在低濃度條件下促進(jìn)作物的生長，會出現(xiàn)一定的增產(chǎn)現(xiàn)象，但隨著重金屬濃度的增加，對農(nóng)作物的營養(yǎng)生長和生殖生長產(chǎn)生影響，最終會造成農(nóng)作物產(chǎn)量降低，甚至絕產(chǎn)。由于農(nóng)作物種類與品種的不同，其耐受重金屬濃度的閾值也存在差異，因此增產(chǎn)和減產(chǎn)的臨界濃度各不相同。在鎘脅迫處理下秈稻產(chǎn)量顯著減少，而粳稻產(chǎn)量均增加[31]。水稻抽穗期對鉻的反應(yīng)敏感，會出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，鉻處理下水稻的產(chǎn)量構(gòu)成因素?cái)?shù)量明顯降低，生物產(chǎn)量隨土壤鉻含量的升高而降低[32]。銅和鎘脅迫使小麥氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)受阻，穗數(shù)、穗粒數(shù)、粒重均下降，產(chǎn)量降低，而且濃度越高，減產(chǎn)量越大[33-34]。鎘、鉛、砷、汞和鉻脅迫對小麥產(chǎn)量構(gòu)成的影響程度為單位面積群體穗數(shù)gt;穗粒數(shù)gt;千粒重，其中鉻和鉛對單位面積群體穗數(shù)的影響最大[35]。

2.3 對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響

在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境中，土壤重金屬污染是影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)及其加工食品安全性的主要因素之一。重金屬復(fù)合污染后稻米堊白米率、賴氨酸、纈氨酸、粗蛋白含量顯著降低，對稻米中直鏈淀粉含量產(chǎn)生影響[36-37]。在鉛與鎘脅迫下，玉米籽粒中蛋白質(zhì)和脂肪含量隨重金屬濃度增加呈先升后降，淀粉含量先降后升的趨勢[38]。

謝建治等[39]研究表明在外施鎘條件下，隨土壤中鎘含量的增加，小白菜葉綠素、還原糖和維生素C的含量逐漸降低，粗纖維含量逐漸增加，粗蛋白呈先下降后上升的趨勢。李賀等[40]采用營養(yǎng)液水培法研究了鎘脅迫對大蒜品質(zhì)的影響，結(jié)果表明鎘脅迫下蒜薹直徑和蒜頭橫徑以及大蒜素、可溶性糖、維生素C和可溶性蛋白等成分含量明顯降低。鎘脅迫對高油和高蛋白花生品質(zhì)的影響不同，高蛋白品種籽仁的可溶性總糖、脂肪、蛋白質(zhì)含量及油酸/亞油酸（O/L）比值均呈降低趨勢，高油品種籽仁中可溶性總糖含量顯著增加，脂肪、蛋白質(zhì)含量及油酸/亞油酸（O/L）比值降低[41]。

2.4 對人類健康的影響

植物可食部位的某種重金屬元素含量隨著土壤中含量的增加而增加，通過食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)，進(jìn)而增加人體的重金屬暴露風(fēng)險(xiǎn)[42-43]。與此同時(shí)，受重金屬污染的土壤也可經(jīng)揚(yáng)塵顆粒進(jìn)入大氣中，通過人體的呼吸作用進(jìn)入體內(nèi)，從而威脅人類健康[44]。人體內(nèi)過量積累重金屬，會造成神經(jīng)系統(tǒng)的損傷，影響正常發(fā)育[45]。重金屬對人類健康的危害如表1所示。

3 農(nóng)田重金屬污染的調(diào)控措施

農(nóng)田土壤重金屬污染的調(diào)控應(yīng)采取預(yù)防為主，防治結(jié)合的原則。首先，徹底清除污染源。其次，采取改良污染土壤的有效措施，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的土壤質(zhì)量，促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的綠色健康發(fā)展。

3.1 農(nóng)田土壤重金屬污染的防控

為了防治我國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染，建議實(shí)施如下措施：第一，建立和加強(qiáng)農(nóng)田土壤污染監(jiān)測、預(yù)報(bào)和評價(jià)體系，嚴(yán)格土壤污染的監(jiān)督與管理力度;第二，積極發(fā)展高效、低毒、低殘留的農(nóng)藥，對農(nóng)田污水質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，精簡農(nóng)作物田間管理程序;第三，加強(qiáng)對工業(yè)廢水、廢氣、廢渣的治理和綜合利用;第四，增加綠化面積，避免由于大氣沉降引起的土壤和農(nóng)作物污染。

3.2 農(nóng)田土壤重金屬污染的調(diào)控

3.2.1 物理和化學(xué)調(diào)控措施 物理和化學(xué)調(diào)控措施根據(jù)農(nóng)田土壤的理化和重金屬元素的性質(zhì)，采用物理和化學(xué)技術(shù)將土壤中重金屬元素進(jìn)行固定或分離，達(dá)到清潔土壤的目的。該措施的優(yōu)點(diǎn)是操作靈活，調(diào)控周期短，適用于多種重金屬的處理，缺點(diǎn)是工程量較大，成本較高[51]。物理和化學(xué)調(diào)控措主要有以下5個(gè)方面。

（1）換土和深耕翻土法。換土法主要是把污染土壤表層或耕層的土壤部分或全部更換為清潔土壤;深耕翻土法是把土壤上下土層徹底翻動，將污染土壤翻埋于深處。這些方法僅適于修復(fù)小面積污染土壤，效果顯著，但人力和物力消耗量大，存在滲漏和二次污染隱患。

（2）土壤淋洗。在輕質(zhì)和砂質(zhì)等滲透性好的土壤中，選用高效的淋洗劑，選取合適的濃度，清除重金屬染污物的方法，適于大面積、重度超標(biāo)土壤的修復(fù)。用乙二胺四乙酸（EDTA）淋洗銅和鉛、鋅、鎘復(fù)合污染土壤，均可淋洗出約50%[52]，效果顯著，主要問題是如何處理淋洗土壤后的液體，若不妥善處理對地下水有污染風(fēng)險(xiǎn)，此外，淋洗土壤重金屬可能導(dǎo)致植物生長必需的鈣和鎂等營養(yǎng)元素缺失。

（3）熱解吸法和玻璃化技術(shù)。針對重金屬元素的性質(zhì)，將土壤升溫，把重金屬以氣體形式蒸出或者玻璃化固定于土壤中。采用熱解吸法解吸土壤中汞元素的效率可達(dá)到90%以上[53]，關(guān)鍵就是揮發(fā)污染物處理技術(shù)要完善。玻璃化技術(shù)形成的玻璃類物質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定很難被降解，但成本昂貴，難以廣泛應(yīng)用。

（4）電動修復(fù)。在有重金屬污染物的土壤和水體中置入導(dǎo)電電極，施加電壓后重金屬離子進(jìn)行電遷移、電滲流、電泳等過程，最后將重金屬污染物富集于電極附近，再采取相應(yīng)措施弱化污染物毒性，實(shí)現(xiàn)凈化污染土壤的目的[54]。電動修復(fù)是不翻動土層的原位修復(fù)，比較經(jīng)濟(jì)可行。

（5）土壤改良劑。該法主要是通過改變土壤的理化性質(zhì)，使重金屬元素生物有效性鈍化，也可加入少量與高濃度重金屬產(chǎn)生拮抗作用的元素，從而降低土壤重金屬的有效性。常用的土壤改良劑有石灰、磷灰石、沸石、鐵錳氧化物、骨炭和堆肥等。施用土壤改良劑要對土壤進(jìn)行長期的監(jiān)測以防止重金屬再次活化。

3.2.2 植物修復(fù)措施 植物修復(fù)是利用植物及其根際圈微生物體系來吸收、揮發(fā)、降解土壤中污染物質(zhì)的方法[55]。一方面是直接在重金屬超標(biāo)土壤上栽培對重金屬有較強(qiáng)富集能力或者拮抗的植物，讓其吸收土壤中的重金屬轉(zhuǎn)移到地上部分或固定于根系中，使重金屬無害化。另一方面是根據(jù)植物根際的微生物圈，有目的的采用若干微生物菌株加入土壤中，將重金屬元素活性鈍化或固定于植物根系表面，阻遏重金屬元素向植物地上部分或者空氣中轉(zhuǎn)移，達(dá)到降低重金屬毒性的效果。它的優(yōu)勢是成本低，操作簡單，二次污染概率小。這項(xiàng)措施的核心是重金屬修復(fù)植物的選擇。

3.2.3 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)措施 （1）種植結(jié)構(gòu)調(diào)整。因地制宜地選擇可食用部位重金屬低積累作物和重金屬高積累且加工產(chǎn)品對人類無害的經(jīng)濟(jì)作物，適當(dāng)調(diào)減可食用部位重金屬高積累作物的種植面積，保障清潔農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)，是降低重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的有效舉措。在重金屬超標(biāo)嚴(yán)重區(qū)域，種植重金屬高積累植物，經(jīng)過連續(xù)收割后，把重金屬清除掉;在重金屬輕污染區(qū)，篩選種植重金屬低積累作物，確保農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全。

（2）耕作管理方式改變。通過灌溉措施，控制土壤含水量，調(diào)整土壤氧化還原狀態(tài)，避免重金屬元素遷移和生物有效性的增加。在進(jìn)行農(nóng)作物田間管理時(shí)，采用測土配方施肥，合理地施用化肥和農(nóng)藥，適當(dāng)增加有機(jī)肥的使用，使重金屬元素的土壤環(huán)境行為受到阻礙。以施氮肥為例，不同形態(tài)的氮肥對土壤吸附解吸重金屬的作用存在差異，植物吸收銨態(tài)氮（NH4+）時(shí)分泌H+，造成根際土壤酸化，而吸收硝態(tài)氮（NO3-）時(shí)會分泌OH-，造成根際環(huán)境堿化，因此施用硝態(tài)氮肥可以有效地降低重金屬的遷移和生物毒性[56]。

4 研究展望

由于農(nóng)田土壤重金屬污染對土壤環(huán)境質(zhì)量、農(nóng)作物生長發(fā)育、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和人類健康的影響較大。為了確保重金屬污染農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出的安全性，必須采取有效措施加以調(diào)控，目前有關(guān)調(diào)控重金屬污染土壤的研究已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，但以下3個(gè)方面有待加強(qiáng)研究：第一，篩選高、低積累重金屬的農(nóng)作物種質(zhì)資源，研究農(nóng)作物對重金屬的吸收積累機(jī)理，為培育具有廣譜性、適應(yīng)性好的重金屬高、低積累農(nóng)作物奠定基礎(chǔ);第二，研究農(nóng)作物種間互作體系對作物吸收積累重金屬的影響，在重金屬污染農(nóng)田實(shí)現(xiàn)邊修復(fù)、邊生產(chǎn)，為重金屬污染土壤的綠色高效修復(fù)提供理論支撐;第三，探索農(nóng)作物或農(nóng)作物種間互作土壤根際微生態(tài)系統(tǒng)的變化特征及其在土壤重金屬污染調(diào)控中的作用，為環(huán)境友好型重金屬污染土壤調(diào)控措施的制定提供基礎(chǔ)。

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