土壤重金屬污染及修復

崔文文，王小飛，王明銳，姚晶晶

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術(shù)研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風險評估實驗室/農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)品質(zhì)與安全湖北省重點實驗室；2.湖北省農(nóng)業(yè)科學院，武漢 430064）

土壤是社會可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎，保護環(huán)境是推進建設生態(tài)文明和保護國家生態(tài)安全的重要內(nèi)容。隨著中國工業(yè)化的發(fā)展，城市生活污水和垃圾、工業(yè)“三廢”排放、礦產(chǎn)開發(fā)和金屬冶煉等，釋放了大量的重金屬元素，部分地區(qū)缺乏有效的環(huán)境保護和治理措施，土壤重金屬污染嚴重。重金屬污染不僅破壞土地資源，還影響人類健康和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 土壤中重金屬的遷移

金屬元素進入土壤后，通過與土壤中的微生物、有機質(zhì)、黏土礦物等發(fā)生一系列生物、物理、化學反應（如吸附-解吸、溶解-沉淀、氧化還原、絡合等）進行遷移轉(zhuǎn)化，與不同土壤組分結(jié)合成不同形態(tài)而存在于土壤中。

1.1 吸附-解吸作用

土壤中的膠體顆粒具有比表面積大、反應位點多的特點，對金屬離子具有良好的吸附性。根據(jù)吸附的機理不同，可將重金屬的吸附劃分為專性吸附和非專性吸附。非專性吸附是由重金屬離子與土壤表面電荷發(fā)生靜電引力而吸附的過程。專性吸附指由土壤顆粒表面與重金屬離子形成離子鍵、共價鍵或配位鍵而吸附的過程。由于這種吸附作用與吸附劑表面和被吸附物的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以稱為專性吸附。相比于非專性吸附，專性吸附與重金屬離子的結(jié)合力更強。

1.2 溶解-沉淀作用

重金屬元素可與土壤礦物作用，以氫氧化物、氧化物、硫化物的形式在土壤礦物表面形成沉淀。這一過程主要受到土壤pH 和Eh 的影響。

1.3 氧化-還原作用

當土壤環(huán)境呈氧化環(huán)境，具有較高的Eh 時，Cr等變價金屬元素會以+6 價的形式存在，形成可溶性的CrO24-。

1.4 絡合作用

不同形態(tài)的重金屬具有不同的遷移性、生物有效性以及毒性。例如，甲基汞的生物毒性遠大于無機汞，相同含量下甲基汞的污染程度遠超無機汞。植物對于不同形態(tài)的重金屬具有不同的吸收能力，土壤重金屬的危害程度不僅與重金屬的總量有關(guān)，還與其所處的賦存形態(tài)及比例相關(guān)［1］。

作為土壤重金屬分級的常見方法，Tessier 法將土壤中重金屬分為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機物結(jié)合態(tài)以及殘渣態(tài)；BCR 修正法則將土壤中的重金屬分為酸可提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)。重金屬的形態(tài)會隨著土壤環(huán)境的改變而轉(zhuǎn)化。例如，土壤pH 的降低，土壤中碳酸鹽結(jié)合態(tài)的重金屬會向可交換態(tài)轉(zhuǎn)化。水旱輪作模式隨著淹水，土壤環(huán)境變?yōu)檫€原環(huán)境，可還原態(tài)的重金屬逐漸釋放成為酸可提取態(tài)重金屬（表1）。

表1 土壤重金屬分級方法

部分重金屬以水溶性、交換態(tài)存在，則活性毒性大，而殘存態(tài)的活性毒性較小。毒性強的重金屬元素當屬離子交換態(tài)，在土壤中易被植被所吸附，從而轉(zhuǎn)換為其他的形態(tài)。重金屬自身特性與環(huán)境土壤多界面、多介質(zhì)等特性決定了土壤重金屬污染的特點，如隱蔽性以及滯后性，不可逆性以及長期性等，且具有區(qū)域性，治理周期需要維持較長的工作。重金屬可以存在于所有的生態(tài)圈中，如大氣圈、水圈與生物圈等，人類、動物與植物等接觸污染重金屬后，會產(chǎn)生較為嚴重的問題，而土壤作為重要的自然資源與人類接觸，重金屬通過污染土壤直接或間接產(chǎn)生了對人類的傷害［2］。

2 土壤重金屬的污染來源

土壤重金屬的污染來源廣泛，可分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污染，以及交通污染和自然污染。工業(yè)污染主要為礦產(chǎn)冶煉、電鍍、化工等行為排放的重金屬；農(nóng)業(yè)污染存在于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；生活污染來源于生活垃圾，家庭燃煤等交通污染來自汽車尾氣排放，以及車輛磨損、油料燃燒等。自然資源產(chǎn)生的重金屬污染是不可避免的，土壤母質(zhì)內(nèi)的重金屬含量較高，加上自然排放，如火山噴發(fā)而造成的土壤污染等。重金屬不易被溶解以及生物降解，并且有生物富集的作用，對植物的危害主要在于影響植物的生長，如影響農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。土壤重金屬污染有著較長的潛伏期，污染表現(xiàn)特點主要為隱蔽性、不可逆性、表聚性、長期性等。土壤重金屬含量過高會引起土壤質(zhì)量下降，降低土壤微生物量，破壞土壤微生物種群結(jié)構(gòu)，造成土壤微生物失衡。受污染土壤一般變現(xiàn)為喪失生物多樣性，生物活性減少。

大氣中含有較多的重金屬，大氣沉降是土壤重金屬的來源。工礦企業(yè)的生產(chǎn)、汽車尾氣、汽車磨損產(chǎn)出的粉塵，是大氣重金屬的重要來源。大氣中重金屬含量具有一定的地域性，重金屬污染主要分布在工礦企業(yè)的鐵路、公路兩側(cè)。部分細微粉塵會隨著風而擴散到周遭地區(qū)，形成條帶狀的分布，與污染源的距離越遠，污染物濃度越小。大氣中的重金屬經(jīng)過自然沉降以及降雨進入土壤，長時間的積累，會造成土壤污染［3］。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用含有鉛、汞等重金屬的農(nóng)藥，以及重金屬含量超標的化肥，會造成耕地土壤的重金屬污染。從農(nóng)藥種類來講，部分磷肥中鎘的含量較高，部分氮肥中鉛含量較多。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的改進，農(nóng)業(yè)施肥、用藥方式進步，由農(nóng)藥、化肥帶入的重金屬污染有所緩解。在畜牧業(yè)中，動物飼料通常添加有Cu、As、Zn 等元素，重金屬元素進入牲畜體內(nèi)后，部分被吸收，部分被排出體外，由糞便加工制作的有機肥料用于耕地，加重了耕地重金屬污染的問題。

3 土壤重金屬治理修復措施

土壤污染修復技術(shù)主要包含5 類，分別是物理修復、化學修復、植物修復、微生物修復和農(nóng)藝調(diào)控。

3.1 物理修復

土壤重金屬污染的物理修復技術(shù)可以達到治本的目的，應用年代較久，適應性較強，對于污染面積較小的土壤修復效果較為明顯。物理修復技術(shù)可分為工程物理技術(shù)、電動物理技術(shù)、電磁物理技術(shù)。工程物理技術(shù)主要包含排土、換土、混土、深耕翻土等方法，其中排土換土方法適用于大面積污染治理，深耕翻土適用于輕度的污染治理；電磁物理技術(shù)是原位治理的技術(shù)，適用于淤泥質(zhì)土壤及黏土等滲透性較低土壤，用于治理含Sa 與Hg 等可揮發(fā)的重金屬土壤，操作較為便利，具有一定的經(jīng)濟性［4，5］。

3.2 化學修復

化學修復是向土壤中添加鈍化劑等化學類物質(zhì)，使其與土壤中的重金屬發(fā)生化學反應，降低重金屬的活躍性。其作用是改變重金屬形態(tài)，阻止重金屬向作物遷移，減少重金屬危害。應用廣泛的是原位化學固定修復方法，成本較低，操作簡便，有良好的修復效果，適用于修復面積較大且輕度的土壤污染。鈍化劑還可以降低重金屬融合而產(chǎn)生的污染風險，有較為顯著的技術(shù)優(yōu)勢。

3.3 植物修復

植物修復借助植物達到修復土壤重金屬污染的目的，將超積累型或忍耐性較強的植物種植在重金屬污染區(qū)，通過植物吸收重金屬元素，從而降低污染濃度，達到治理目的。植物修復技術(shù)擁有較強的經(jīng)濟性，便于管理與處理，不影響耕地的正常使用［5］。植物修復相較于其他修復技術(shù)所用的時間較長。

3.4 微生物修復

微生物修復技術(shù)是通過微生物吸附并轉(zhuǎn)化土壤中的重金屬，從而減少土壤中重金屬污染的毒性。土壤微生物數(shù)量多、種類豐富，對金屬轉(zhuǎn)化有重要的作用。部分菌類與藻類產(chǎn)生胞外聚合物與重金屬元素結(jié)合，生成穩(wěn)定狀態(tài)的絡合物，使其不能被植物利用，從而達到修復土壤的作用［7］。微生物修復技術(shù)可以應用于大面積的土壤重金屬污染修復。

3.5 農(nóng)藝調(diào)控

農(nóng)藝調(diào)控是通過農(nóng)藝措施治理土壤重金屬污染，實現(xiàn)污染修復的目標。主要農(nóng)藝措施包含土壤pH 調(diào)理、農(nóng)田水分管理、使用重金屬拮抗肥料、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)等。農(nóng)藝調(diào)控措施主要用于耕地輕度與輕微階段的重金屬污染修復。農(nóng)藝調(diào)控要跟蹤監(jiān)測土壤中的重金屬含量，不能改變土壤性質(zhì)，應用局限性較高，但操作簡單、成本較低，技術(shù)成熟［8］。

4 結(jié)語

隨著持續(xù)發(fā)展理念的滲透，環(huán)保工作的提升，加強土壤重金屬污染治理成為環(huán)境治理的重點。重金屬一旦進入到土壤中，在不轉(zhuǎn)變土壤用途的基礎上移除非常困難。所以土壤重金屬污染的防治，要從源頭開始，減少污染物的排放，并聯(lián)合修復、因地制宜，應用多種方式實現(xiàn)土壤修復。