耕地土壤重金屬污染概述及安全利用技術研究

劉 倩 金維政 郭繼民

（1.山東省農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護總站，山東 濟南 250100；2.濰坊市農(nóng)業(yè)技術推廣中心，山東 濰坊 261061）

1 土壤重金屬污染概述

1.1 我國土壤重金屬污染狀況

2014年，原環(huán)境保護部和原國土資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，我國土壤重金屬污染較為嚴重，其中鎘的點位超標率較大（為7.0%），鎳的點位超標率達到了4.8%，砷的點位超標率是2.7%，鋅的點位超標率為0.9%。據(jù)統(tǒng)計，全國每年受重金屬污染或?qū)е聹p產(chǎn)的糧食達2 200萬 t，經(jīng)濟損失至少200億元［1］。因此，無論是從生態(tài)效益還是從經(jīng)濟效益來講，我國土壤重金屬污染總體狀況不容樂觀。近年來，部分地區(qū)發(fā)生的一些土壤重金屬污染事件對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全造成了嚴重威脅，進而影響人們的身體健康，甚至成為導致社會不穩(wěn)定的因素。

近年來，我國充分汲取國外30余年污染治理經(jīng)驗，初步建立了農(nóng)用地重金屬土壤污染風險管控法律體系、制度體系、標準體系和技術體系，有關土壤中重金屬污染治理的研究也逐漸得到重視，治理措施日益多樣化，為土壤環(huán)境保護提供了科學根據(jù)和堅實保障［2］。宋偉等［3］依據(jù)我國 138個典型區(qū)域耕地土壤重金屬污染案例資料和數(shù)據(jù)，評估測算我國耕地土壤重金屬污染概率約為16.67%。張小敏等［4］的研究表明，我國西南地區(qū)各種土壤重金屬含量普遍較高，其他土壤重金屬含量較高的地區(qū)為廣東省北部與湖南省交界和環(huán)渤海地區(qū)，湖北省、安徽省等地也出現(xiàn)土壤重金屬含量偏高的情況。

1.2 土壤重金屬污染來源

土壤中的重金屬既有自然來源，又有人為來源。其中，自然來源主要是成土母質(zhì)中的重金屬，而人為來源主要為人類活動導致土壤重金屬含量增高，如工業(yè)廢氣和粉塵大氣沉降、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中使用污水灌溉農(nóng)田、不合理施用農(nóng)藥和化肥、固體廢物堆放等。工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣體和粉塵通過自然沉降或者降雨，還有礦山開采、有色金屬冶煉等產(chǎn)生的廢水，均會將重金屬帶入土壤。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)藥、化肥、地膜等均是農(nóng)作物生長過程中非常重要甚至必不可少的生產(chǎn)資料，而不合理使用這些生產(chǎn)資料就有可能加劇土壤重金屬污染。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用污水灌溉的時間較為長久，早在20世紀50年代就已被廣泛運用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，采用這種方式能夠有效緩解淡水資源供應不足的情況［5］。另外，從資源循環(huán)利用的角度來看，處理后的污水中含有一定量的氮、磷等養(yǎng)分，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但是，污水中含有的重金屬在灌溉過程中也進入土壤，最終重金屬累積造成土壤環(huán)境污染。YANG等［6］的研究結果表明，華北平原污灌區(qū)13 m深的土壤鎘含量可高達3.8 mg/kg。另外，固體廢物特別是工業(yè)和礦業(yè)等產(chǎn)生的大量重金屬廢物，如果任意堆放或者隔離處置不當，其含有的重金屬污染物就會向周邊環(huán)境擴散，造成環(huán)境污染。

1.3 土壤重金屬污染特點

第一，強隱蔽性。土壤重金屬污染往往不能直觀顯現(xiàn)，需要通過實驗室分析檢測，甚至是研究其對人體健康狀況的影響才能確定。第二，易累積性。多數(shù)重金屬污染物在土壤中的活性相對穩(wěn)定，一旦進入土壤后，很難被自然分解或者從土壤中遷移出來。這樣就會導致重金屬在土壤中不斷累積，對土壤的生態(tài)結構和功能穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響。第三，難治理性。土壤重金屬污染一旦發(fā)生，就很難消除。相關部門若僅切斷污染源，則并不能消除已經(jīng)累積的重金屬污染物。要想徹底消除重金屬污染物，有時要靠換土、淋洗等方法，而這種治理方法成本較高、周期較長，往往不適宜大面積推廣應用。

1.4 土壤重金屬污染的危害

從全球范圍來看，土壤重金屬污染問題越來越普遍。2014年《全國土壤污染調(diào)查公報》顯示，我國土壤環(huán)境重金屬污染狀況也是比較嚴重的。重金屬在環(huán)境中可以通過水-土或者水-氣界面進行遷移。在遷移過程中，重金屬會通過食物鏈和食物網(wǎng)富集在生物體內(nèi)，對生物體造成嚴重影響。加之重金屬污染的強隱蔽性，人們很難直接察覺，當人體內(nèi)重金屬含量累積到一定程度時，就會影響其正常的生命活動，甚至造成致畸、致突變或者致癌等嚴重后果。例如，有研究表明，人體內(nèi)的鉛含量過高，會對神經(jīng)系統(tǒng)和造血系統(tǒng)產(chǎn)生比較嚴重的危害［7］。

2 重金屬污染土壤安全利用和治理修復技術

目前，農(nóng)藝調(diào)控、土壤改良、生物修復等多種措施被廣泛應用于重金屬污染土壤安全利用和治理修復。重金屬污染土壤修復技術原理主要有以下兩點。第一，通過各種修復措施，將重金屬污染物從土壤中移除，降低土壤中重金屬含量。第二，通過改變土壤中重金屬元素的存在形態(tài)，使其被固定或鈍化，從而減少重金屬在環(huán)境中的遷移和在生物體內(nèi)的富集。從當前我國耕地土壤污染治理修復的實踐來看，將重金屬污染物從土壤中移除的難度較大，可行性不高，主要還是以改變重金屬存在形態(tài)、減少作物吸收、保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全為目標。

2.1 農(nóng)藝調(diào)控類措施

農(nóng)藝調(diào)控是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，通過采用農(nóng)藝措施降低重金屬污染物的活性，減少其向農(nóng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品中重金屬含量不超標，保障耕地土壤環(huán)境質(zhì)量安全的措施。農(nóng)藝調(diào)控類措施包括石灰調(diào)節(jié)、優(yōu)化施肥、品種調(diào)整、水分調(diào)控、葉面阻控及深翻耕等。

2.1.1 石灰調(diào)節(jié)。石灰調(diào)節(jié)主要適用于被重金屬污染的酸性土壤，通過向土壤中施用適量的石灰，提高土壤pH值，使土壤中的重金屬陽離子發(fā)生沉淀進而降低其活性，同時可為作物提供鈣素營養(yǎng)。李明等［8］的研究表明，施加石灰在提高土壤pH值的同時降低了土壤中重金屬的活性。這種方法適用于鎘污染的偏酸性稻田，缺點是連續(xù)多年或者過量施用石灰會破壞土壤團粒結構，易導致土壤板結。

2.1.2 優(yōu)化施肥。優(yōu)化施肥主要是根據(jù)土壤環(huán)境狀況與當前種植作物的特征，選擇適宜的有機肥或者化肥種類，優(yōu)化有機肥或化肥施用技術，進而修復重金屬污染土壤。在采用這種調(diào)控措施時，相關部門對肥料的選擇要結合當?shù)馗髦贫?、氣候、土壤和水利等條件，同時要避免因施用化學肥料而導致重金屬污染物活化的情況發(fā)生。吳文成等［9］研究發(fā)現(xiàn)，硅肥、鈣鎂磷肥和有機肥對重金屬污染水稻土修復效果顯著，添加8 g/kg鈣鎂磷肥能將可交換態(tài)鎘、銅、鉛和鋅比例分別減少62.5%、69.0%、69.6%和73.0%。該方法適用于所有耕地土壤，但肥料施用中應注意施用量，把握適度原則，防止過量施肥引起土壤養(yǎng)分不平衡、酸化，甚至是二次污染等問題。

2.1.3 品種調(diào)整。品種調(diào)整的原理是不同種類農(nóng)作物或同一種類農(nóng)作物的不同品種對重金屬的富集能力不同，可通過品種篩選，在被重金屬污染的土壤上種植對重金屬富集能力弱，但生長和產(chǎn)量基本不受影響的品種，從而抑制重金屬污染物通過農(nóng)產(chǎn)品進入食物鏈，達到有效降低農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染風險的目的。劉娜［10］在鎘污染農(nóng)田（鎘濃度為0.322 mg/kg和0.421 mg/kg）對黃淮海平原主推的72個小麥品種進行鎘積累特性研究，發(fā)現(xiàn)不同小麥品種的籽粒鎘積累能力（籽粒鎘濃度和富集因子）差異顯著，小麥籽粒鎘濃度變化范圍為0.061～0.160 mg/kg，籽粒鎘富集因子變化范圍為0.19～0.49。由于我國地域廣闊，各地種植的農(nóng)作物也有較強的區(qū)域性，每種農(nóng)作物都有其特定的適宜種植地區(qū)，因而在品種推廣上有一定的局限性。此外，相關部門采用此措施時需要定期開展跟蹤監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量超標，要盡快查明原因，妥善處置并調(diào)整種植方案。

2.1.4 水分調(diào)控。水分調(diào)控是通過對酸性土壤采取淹水措施，使其呈還原狀態(tài)，提高土壤的pH值，使重金屬鎘形成硫化物沉淀，從而降低鎘的活性，減少作物對鎘的吸收。李劍睿等［11］通過試驗證明，長期淹水有利于土壤鎘的黏土鈍化過程。該方法主要適用于土壤pH值低于6.5的鎘污染酸性稻田。稻田淹水后土壤呈還原狀態(tài)，有利于水稻吸收營養(yǎng)元素，但還原性過強會對植物根系產(chǎn)生毒害作用，因此淹水灌溉期間相關部門應注意加強水質(zhì)監(jiān)測和作物病蟲害的防控。

2.1.5 葉面阻控。葉面阻控是通過向作物葉面噴施含有硅、硒等有益元素的阻控劑，提高作物的抗逆性，抑制重金屬污染物通過作物根系向可食部位轉(zhuǎn)移，從而降低作物可食部位的重金屬含量。鄒成林等［12］研究表明，施用硒肥可對作物中的重金屬產(chǎn)生拮抗作用，在糯玉米大喇叭口期噴施不同濃度微量硒肥，不同品種糯玉米的鎘含量隨噴施硒肥濃度的增加而降低，最大降幅為52.9%。該方法適用于鎘污染稻田，特別是有效硅、有效鋅缺乏的鎘污染稻田。葉面阻控劑不僅可有效調(diào)節(jié)作物對營養(yǎng)元素的平衡吸收，還可通過葉面噴施，避免對土壤造成二次污染，且操作相對簡便。

2.1.6 深翻耕。一般情況下，表層土壤受環(huán)境擾動大，重金屬含量較高，而犁底層或母質(zhì)層的土壤重金屬含量低，深翻耕土壤可將表層與犁底層甚至是母質(zhì)層的土壤充分混合，從而稀釋表層土壤重金屬的含量。該方法對于一般耕地土壤均適用，但對耕作層厚度有一定要求，且在降低表層土壤重金屬含量的同時，也降低了表層土壤中有機質(zhì)和養(yǎng)分的含量，因此，深翻耕一般需要配套施肥措施才能滿足農(nóng)作物生長需要。

2.2 土壤改良類措施

土壤改良是通過向土壤中施用可以降低重金屬污染物活性的鈍化劑、調(diào)理劑等，達到減少農(nóng)作物對土壤中重金屬污染物的吸收和富集的目的。

2.2.1 原位鈍化。原位鈍化是通過向土壤中添加鈍化物質(zhì)，將土壤中的重金屬離子從有效態(tài)轉(zhuǎn)化為化學性質(zhì)不活潑的形態(tài)，從而降低其在土壤中的生物毒性和有效遷移能力。目前，常見的鈍化劑有蒙脫土、海泡石、黏土礦物粉、鐵錳氧化物及泥炭等。姜洋［13］等研究表明，添加固定劑（蒙脫土、磷礦石、重鈣和鈣鎂磷肥）對土壤中的鎘有不同程度的鈍化作用，且隨著時間的推移，鈣鎂磷肥及其配施石灰組和磷礦石配施石灰組鈍化持久性最好。該方法受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)時、地域和氣候的影響較小，但在大面積應用前，相關部門應加強對技術的適應性試驗研究，避免二次污染和長期使用對土壤環(huán)境產(chǎn)生其他負面影響。

2.2.2 定向調(diào)控。定向調(diào)控主要基于土壤化學或微生物學原理，通過調(diào)節(jié)土壤中重金屬的氧化還原、沉淀、吸附等過程，使其從高有效性形態(tài)轉(zhuǎn)化為低有效性形態(tài)、由高毒性轉(zhuǎn)化為低毒性，從而定向控制土壤中重金屬的遷移，減少其在農(nóng)作物中的富集。目前，相關部門通常采用具有特殊功能的材料，如海泡石、木質(zhì)素、腐殖酸肥等，配制成土壤調(diào)理劑，實現(xiàn)定向調(diào)控。龍煒凡等［14］研究表明，使用礦物基土壤調(diào)理劑能有效降低土壤重金屬含量，其中對鎘的降低效果最明顯。該方法適用于一般重金屬污染地塊，但在大面積推廣前相關部門應進行充分完善的試驗研究，以保證修復成效。

2.3 生物修復類措施

生物修復是利用生物的生命代謝活動來降低土壤中重金屬濃度或使重金屬達到無害化的技術，包括微生物修復和植物提取等技術措施，其中生物可以是天然或人工改造的。

2.3.1 微生物修復。微生物修復主要是通過微生物的生物代謝來降低土壤中重金屬的活性，微生物可以是細菌、真菌或藻類。目前，我國使用的微生物既有天然的，又有人工馴化培養(yǎng)的。張欣［15］研究表明，通過施入微生物菌劑，菠菜單株鮮質(zhì)量平均增長18.8%，干質(zhì)量平均增長15.7%，菠菜植株鎘含量顯著減少，平均下降幅度為14.5%。該方法比較安全，應用成本較低，且二次污染問題較少，對環(huán)境的影響較小。

2.3.2 植物提取。植物提取是利用超（高）富集植物或絡合誘導植物高效吸收污染土壤中的重金屬，并在地上部積累，通過將植物地上部分收割，達到去除土壤中重金屬的目的。該方法成本較高，一般適用于小面積重金屬污染耕地。

2.4 綜合類措施

實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，由于土壤重金屬污染本身具有一定的復雜性，且田間環(huán)境影響因素復雜多變，若采用單一措施難以降低農(nóng)作物可食部位重金屬污染物含量，因此，相關部門往往需要結合當?shù)馗赝寥牢廴绢愋?、污染程度，利用物?化學-生物聯(lián)合的技術措施，因地制宜建立耕地安全利用技術模式，加強土壤重金屬污染防治。向玲等［16］的研究表明，施用礦物基土壤調(diào)理劑和微生物菌劑，水稻稻米鎘含量降低61.22%，比單獨施用礦物基土壤調(diào)理劑提高了5.74個百分點。

3 總結與展望

近年來，我國已經(jīng)意識到保護土壤環(huán)境的重要性，國家對土壤環(huán)境的監(jiān)測和管理能力不斷增強。自2016年以來，國家相繼出臺了《土壤污染防治行動計劃》《中華人民共和國土壤污染防治法》和《環(huán)境影響評價技術導則土壤環(huán)境》等相關法律法規(guī)和標準，土壤污染防治監(jiān)管體系逐漸完善。保護耕地，人人有責，耕地質(zhì)量直接影響著國家糧食安全。因此，各地相關部門應進一步探索可復制、可推廣、適宜當?shù)赝寥牢廴咎卣骱娃r(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際的耕地安全利用技術模式，實施風險管控，分類別、分作物、分階段實施耕地安全利用技術模式，改善土壤環(huán)境質(zhì)量，保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。