農田土壤重金屬污染的危害及修復技術

閆曉強 李漢杰 周輝 楊澤明 張亞利 陳曉光

摘 要 隨著我國經濟發(fā)展水平的顯著提升，農田土壤重金屬污染問題逐漸加重，不僅降低了農作物的生產質量及產量，還危及人們的身體健康，因此合理處理農田土壤重金屬污染成為當前社會發(fā)展的首要任務。為確保農田土壤重金屬污染能夠得到有效治理，在農田土壤重金屬污染處理時，應該因地制宜，結合污染的程度及來源，針對性地選擇物理修復技術、化學修復技術、農業(yè)生態(tài)修復技術、聯合修復技術及生物修復技術等進行修復。

關鍵詞 農田土壤;重金屬污染;修復技術

中圖分類號：X53 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.02.008

在我國農業(yè)、工業(yè)等產業(yè)快速發(fā)展背景下，國民經濟與科技水平得到有效提升，但同時也產生了一系列的污染問題，農田重金屬污染就是其中最具代表性的污染問題。農田重金屬污染不僅污染源繁雜、危害大，而且持續(xù)時間長、治理難度大，因此相關管理部門應加大對農田重金屬污染的重視度，對其進行深入研究，不斷創(chuàng)新并優(yōu)化修復技術，最大程度解決農田重金屬污染問題，從而實現我國社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標。

1 危害

1.1 對農作物的危害

在日常的生產生活中會產生大量的重金屬，這些重金屬可謂無孔不入，它們通過各種途徑進入農田土壤中，并在農田土壤中逐漸富集，當富集濃度超過土壤的承載力時，就會對農作物的質量及產量產生巨大的影響，進而降低農民經濟收益。此外，重金屬的屬性不同，對農作物造成的危害也不同，根據相關調查，當Cr2+的濃度達到0.1 mg·L-1時，將嚴重影響水稻種子的發(fā)芽。

1.2 對人體健康的危害

農作物通過生產加工成為食品供人們食用，如果農作物生長在重金屬超標的土壤中，那么重金屬就會通過食品進入人體，對人們的身體健康造成不利的影響，相關分析發(fā)現，土壤及農產品重金屬污染對居民身體健康具有明顯的健康風險，其中87.5%的健康風險來自于農產品攝入[1]。重金屬可以與人體內的酶和蛋白質結合，從而抑制酶的活性，破壞蛋白質結構，危及人們的生命安全。其中，鎘是一種毒性較強的重金屬，會對人體的肝臟、腎臟功能造成巨大的破壞。鎘與鈣的生理性質相似，因此能夠替代骨骼中部分鈣，進而導致人們出現骨質疏松、骨骼變形等不良現象，不利于骨骼系統(tǒng)的正常運行。另外，人體中鉛的富集濃度超標會引發(fā)貧血、神經紊亂等疾病。人體中鉻的富集濃度超標會損害表皮組織，導致皮膚潰爛;鉻也能通過呼吸道進入人體，誘發(fā)呼吸道疾病;同時，鉻具有致癌、致畸、致突變的不良作用。砷也具有一定的致癌危險，砷中毒主要是通過長時間富集產生的，因此其致病作用具有一定的滯后性。

2 來源

2.1 農資不規(guī)范使用

在我國農業(yè)與科技快速發(fā)展背景下，農資用品得到了優(yōu)化升級，農藥、化肥等被廣泛應用于農作物生產過程中。農藥、化肥等相關農資用品對于農業(yè)的發(fā)展具有促進作用，可有效提高農作物質量及產量，但如果使用方法不合理或過量會引發(fā)農田重金屬污染。通過對農業(yè)農村部環(huán)保監(jiān)測數據的分析發(fā)現，當前我國遭受重金屬污染的耕地面積已經超過了10%，每年因此而減產的糧食數量高達1 000萬t，甚至還有1 200萬t的糧食因重金屬含量超標出現了不能食用的情況，所造成的經濟損失高達200億元[2]。因此，在使用這些農資用品時一定要嚴格把控用量，并采用正確的使用方法，保證農資用品的有效性和生態(tài)環(huán)保性。

2.2 污水農灌

污水農灌是將一些工業(yè)廢水、城市中污染嚴重的地下水及部分污染物超標的地表水用于農作物灌溉，既有利于提高污水的再利用率，也有利于解決農作物的干旱問題。對污水農灌的農田土壤進行研究發(fā)現，土壤中含量最多的金屬元素為鋅、鎘、銅及砷，土壤中的鹽分堆積也較多。由此可知，如果長時間采用污水灌溉的方式進行農田澆灌，會導致農田土壤重金屬污染加重并擴散，進而影響農作物的正常生長。近年來，隨著我國社會經濟的增長，居民用水需求不斷提升，為滿足居民的用水需求，一些地區(qū)的農民利用污水進行農田澆灌，污水中的重金屬也由此進入農田土壤中，長時間的污水農灌致使土壤重金屬含量超標，進而降低農作物的質量，影響人們的身體健康。

2.3 固廢傾倒

如果將固體廢棄物傾倒在土壤上，會導致其內部重金屬遷移擴散到周圍土壤和河流中，對土壤造成嚴重的重金屬污染。此外，由于我國當前電子固廢垃圾傾倒法規(guī)不健全，缺少科學合理的關于電子垃圾和生活垃圾焚燒、傾倒等指導文件，導致大量電子垃圾和生活垃圾進入農田，加劇農田重金屬污染[3]。

2.4 廢氣飄塵

汽車尾氣排放、工業(yè)氣體排放及煤炭燃燒是導致農田土壤重金屬污染的重要因素。在汽車行駛、工業(yè)生產及煤炭燃燒過程中會產生許多有害氣體，這些氣體含有大量重金屬元素，它們漂浮在空氣中，然后隨著降水進入農田，對農田土壤造成污染，最后使得土壤重金屬含量超標。例如，有關研究人員對某市不同類型大氣中PM10顆粒中11種重金屬含量進行分析，結果發(fā)現，Pb、Co、Ni、Mn、Cr、Cu和Zn分別是其土壤本底值的39、312、6、291、56、135和777倍。汽車尾氣還會對道路兩側的農田土壤造成一定污染，通常道路兩側農田土壤中Co、Pb、Cu、Cd、Cr、Ni、As、Hg、Zn、Se和Mn等重金屬元素含量要高于遠離道路兩側的農田[4]。此外，重金屬冶煉和礦山開采產生的有害氣體也是造成農田污染的因素之一。

3 修復技術

3.1 物理修復技術

常見的物理工程措施主要包括深耕翻土、去土、換土等，這些工程措施是通過擴大重金屬覆蓋面積，降低重金屬濃度等修復土壤，這種方法一般適用于小面積污染土壤，目前被英、美等發(fā)達國家廣泛使用。對于污染程度嚴重、污染面積較大的砂質土壤，可以根據污染土壤的性質與污染程度，選擇最佳的淋濾液，從土壤中成功分離出重金屬。電熱修復法是常見的物理修復技術，該方法通過將電極插入重金屬污染土壤中，使重金屬離子在直流電壓下進行遷移、富集并修復，并利用高頻電壓產生的熱能加熱重金屬污染土壤，從土壤中分離出具有揮發(fā)性的硒、砷和汞等重金屬。玻璃化技術是在高溫高壓條件下，通過在重金屬污染土壤中形成玻璃狀結構來固定和穩(wěn)定重金屬的一種技術。冰凍土壤技術是將管道垂直放置在污染源附近，將無害的冷凍溶劑放置在管內形成凍土屏障，避免污染物擴散。由于電熱修復技術和玻璃化技術的應用成本較高，目前并未被廣泛應用于土壤重金屬污染處理中。

3.2 化學修復技術

1）淋洗絡合技術。通過將淋洗劑注入到污染土壤中，對污染土壤進行有效的洗脫與清洗，在完成上述工作后，要對其產生的廢液進行科學處理，避免出現二次污染現象。淋洗絡合技術具有效率高、速度快等特點，常用的淋洗劑包括活性劑、螯合劑及無機溶劑。2）固化/穩(wěn)定化技術。固化/穩(wěn)定化技術是將化學藥劑注入污染土壤中，并結合土壤污染的實際情況，配制合理的固化藥劑與穩(wěn)定藥劑，對污染物起到良好的抑制作用，使土壤處于一個平穩(wěn)的狀態(tài)，防止重金屬擴散?；瘜W藥劑會阻礙重金屬進入農作物，保證農作物的產量及質量，進而為人們的身體健康提供有利的保障。當前，市場上固化劑、穩(wěn)定化藥劑種類眾多、價格優(yōu)惠，石灰、蒙脫石使用率相對較高，修復效果明顯，維持時間長久，且不會產生二次污染。但是，固化劑穩(wěn)定化技術也具有一定的不足，該技術治標不治本，重金屬仍殘留在土壤內部，如果藥劑失效，仍會再次面臨土壤重金屬污染問題，因此要合理應用固化/穩(wěn)定化技術，并做好后續(xù)的跟蹤及維護工作。3）離子拮抗技術。重金屬離子之間具有一定的拮抗作用，因此在進行土壤重金屬污染處理時，可以對重金屬離子的拮抗作用進行有效的加工與利用，即把對農作物有利的金屬添加到污染土壤中，然后利用拮抗作用，降低農作物中重金屬的含量。

3.3 農業(yè)生態(tài)修復技術

農業(yè)生態(tài)修復技術主要是通過改變農業(yè)耕作方式，并利用難以進入食物鏈、且對重金屬具有吸收作用的植物，從土壤中吸收和去除重金屬。與其他農田土壤重金屬污染修復技術相比，農業(yè)生態(tài)修復技術具有低成本、易操作與高效率等一系列優(yōu)勢，但農業(yè)生態(tài)修復技術的修復周期較長，不適用于重金屬污染嚴重、急需修復的土壤。

3.4 聯合修復技術

單一的農田土壤重金屬污染修復技術雖然具有一定的治理效果，但其發(fā)展受到各自缺點的限制，因此聯合修復技術成為農田土壤重金屬污染處理的必然選擇。當前，我國科研人員已經在聯合修復技術方面取得了顯著成果，衛(wèi)澤斌等首先采用淋洗技術對重金屬污染土壤進行淋洗，然后利用固定劑（FeCl3）使鉛、鋅等重金屬鈍化于農田深處[5];張猛將電場和植物進行有效聯合，并利用其聯合作用處理土壤中的鎘、鉛、鋅等重金屬，實驗數據顯示，電場能夠有效提高相應植物對重金屬的吸收能力，并借助植物成功去除土壤中的重金屬[6]。

3.5 生物修復技術

生物修復技術是農田土壤修復的重要手段之一，是一種利用生物吸收、轉化、消解環(huán)境污染物的技術方法[7]。例如，老鼠或蚯蚓可以富集土壤中的重金屬。按所利用的生物種類，可分為微生物修復技術與植物修復技術。

1）微生物修復技術。土壤中的微生物可以吸附重金屬，微生物修復技術可以降低土壤重金屬含量，改善土壤性質。但微生物修復技術也有一定的局限性，例如，微生物遺傳穩(wěn)定性差、易發(fā)生變異，一般不能將污染物全部去除;微生物對重金屬的吸附和累積容量有限，而且須與土壤原始菌株競爭，受環(huán)境影響顯著。

2）植物修復技術。植物修復技術通過采用耐重金屬植物降低重金屬在土壤中的移動性，減輕農田土壤重金屬污染程度。植物修復具有操作簡單、成本低、不破壞土壤理化性質等優(yōu)點[8]，植物一般利用其根系積累和沉淀重金屬，以此改變重金屬的形態(tài)，還可利用根系對重金屬進行吸附固定，最大限度降低重金屬對土壤、周邊農田及地下水的污染程度。此外，植物根系在生長過程中會分泌一些物質，對土壤的根際環(huán)境具有積極的改善作用。現階段，麻風樹、蘆葦、蘆竹、纖維大麻及紅麻等經濟植物被廣泛應用于我國某些地區(qū)的農田土壤重金屬污染修復過程中。

3.6 工程措施

工程措施也是當前普遍采用的降低農田重金屬污染的一種手段。例如，通過向被污染土壤中加入清潔土壤并混合，以達到稀釋重金屬的效果，降低單位土壤中的重金屬含量;同時，利用清潔土壤覆蓋被污染土壤表層，為農作物提供一個相對健康的生長環(huán)境。但是，工程措施不能從根本上解決農田土壤重金屬污染問題，也不適用于污染較嚴重的土壤。

4 結語

通常情況下，土壤環(huán)境可以將進入其內部的污染物慢慢分解，在一定程度上具有自凈功能，但當重金屬富集過多，嚴重超出土壤本身的承受力時就會將土壤環(huán)境的平衡打破，致使土壤受到大量污染，極大地改變土壤本身的性質，使其功能漸漸消失，土壤肥力下降，而農作物也會因此出現減產甚至死亡。在這種環(huán)境下生長出的農作物對人體健康會造成很大影響。因此，對土壤重金屬污染問題及其修復技術要給予高度重視。

參考文獻：

[1] 黃穎.不同尺度農田土壤重金屬污染源解析研究[D].杭州：浙江大學，2018.

[2] 康春景，魏長雨，高軒，等.土壤重金屬污染修復及效果評價研究進展[J].中國金屬通報，2019（11）：152-153.

[3] 楊啟豪.農田土壤重金屬污染現狀及修復技巧探討[J].科學技術創(chuàng)新，2019（31）：5-6.

[4] 張曉藝.農田土壤重金屬污染狀況及修復技術研究[J].中國資源綜合利用，2019，37（4）：86-88.

[5] 衛(wèi)澤斌，郭曉方，吳啟堂.化學淋洗和深層土壤固定聯合技術修復重金屬污染土壤[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2010，29（2）：407-408.

[6] 張猛.淺析農田土壤重金屬污染及修復技術[J].農業(yè)與技術，2020，40（1）：114-116.

[7] 周成銘.研究農田土壤重金屬污染狀況及修復技術[J].花卉，2017（14）：216-217.

[8] 王爍.我國農田土壤重金屬污染修復技術、問題及對策的探討[J].環(huán)境與發(fā)展，2019，31（1）：57-58.

（責任編輯：張春雨）