農(nóng)田重金屬污染治理措施

李夢天

（中陜核工業(yè)集團二一一大隊有限公司，陜西 西安 710000）

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，農(nóng)田土壤環(huán)境惡化將影響糧食安全，進而通過食物鏈傳遞危害人類健康，威脅地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的可持續(xù)[1]。受工業(yè)化、城鎮(zhèn)化以及規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)等因素影響，土壤重金屬（如鎘、銅、汞、鎳、鉛、砷、鉻、鉬等）污染問題日益凸顯，土壤環(huán)境惡化嚴重。其中，由于鎘元素具備較強的生物毒性和流動性，對人類健康、糧食生產(chǎn)、土壤環(huán)境以及生態(tài)系統(tǒng)的消極影響最為顯著[2]。例如，2013年中國南部發(fā)生的稻米鎘污染問題，嚴重威脅相關(guān)居民的生命安全；日本也曾發(fā)生鎘中毒、“骨痛”事件[3]。此外，研究表明，近年來，我國主產(chǎn)糧區(qū)土壤鎘污染點位超標(biāo)率從1.32%增加到17.39%，嚴重影響糧食生產(chǎn)安全[4]。因此，亟需通過各種手段對農(nóng)田重金屬污染進行修復(fù)，以保證糧食安全、人類健康，進而維持生態(tài)系統(tǒng)和人類社會的平衡。

1 農(nóng)田重金屬污染的危害及來源

1.1 農(nóng)田重金屬污染的危害

1.1.1 農(nóng)業(yè)減產(chǎn)

重金屬元素作為人體、動植物生長所需的微量元素，具有重要的生物學(xué)意義[5]。一旦農(nóng)田重金屬含量和濃度超標(biāo)，影響作物生產(chǎn)并導(dǎo)致減產(chǎn)，進而危害糧食安全[6]。一方面，植物體內(nèi)重金屬含量超標(biāo)，會抑制植物生長酶的活性和蛋白質(zhì)功能，甚至產(chǎn)生生物毒性，造成植物細胞損傷、官能團位移、氧化應(yīng)激反映增高以及細胞代謝停滯，進而限制農(nóng)作物生長[7]；另一方面，單一金屬元素超標(biāo)會限制植物生長所需的其他微量元素的積累，進而限制植物生產(chǎn)力提升。比如，王小慶等[5]在對兩種有機廢棄物對鉬礦區(qū)農(nóng)田污染土壤的修復(fù)效果研究中發(fā)現(xiàn)，鉬含量過量會限制錳、鎂、銅等植物生長所需的微量元素積累，進而削弱農(nóng)作物的生長速率。

1.1.2 農(nóng)田土壤環(huán)境惡化

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，其本身所富含的礦物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)是實現(xiàn)農(nóng)作物高質(zhì)量增產(chǎn)、確保糧食安全以及保證人類生命安全的重要基礎(chǔ)[8-9]。比如，Wang et al.[10]對山東濟寧和山西關(guān)中地區(qū)元素含量和人均壽命的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，土壤中有益微量元素含量與元素總量之比，與人類壽命顯著正相關(guān)。近年來，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化以及農(nóng)業(yè)化肥的使用，使得農(nóng)田重金屬含量超標(biāo)，影響農(nóng)田動植物的生長發(fā)育，損害微生物活性[1]。此外，由于重金屬元素沉積性強，不易被農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)自分解，因此會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失、土壤肥力下降[11]。

1.1.3 危害人體健康

研究表明，鎘含量超標(biāo)的糧食進入人體后，在肝臟、腎臟以及骨骼大量積累并引發(fā)貧血、神經(jīng)痛等癥狀，損傷身體機能[12]；鉬含量超標(biāo)的食物進入人體會導(dǎo)致腹痛、腹瀉、延緩生長、不孕不育等癥狀[5]；鉛含量超標(biāo)食物進入人體會引起便秘、貧血、嘔吐、神經(jīng)過敏等癥狀，還會導(dǎo)致兒童智力發(fā)育遲緩和行為異常[3]。此外，糧食重金屬含量超標(biāo)可使人體礦物質(zhì)缺乏，引發(fā)“隱性饑餓”問題，從而危害人體健康。據(jù)研究，當(dāng)前礦物質(zhì)鋅缺乏已成為全球近1/3人口所面臨的問題[13]。

1.2 農(nóng)田重金屬污染的主要來源

1.2.1 農(nóng)用化肥的過量使用

當(dāng)前我國農(nóng)用化肥主要包括氮肥、磷肥、鉀肥以及復(fù)合肥?；实倪^量施用易導(dǎo)致土壤發(fā)生酸化反應(yīng)。受降雨和灌溉的影響，土壤中過量的硝酸根離子進入淺層地表水和地下水，參與水循環(huán)，將引發(fā)人體胃癌等疾病，危害人體健康[14]。而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所噴灑的農(nóng)藥也含有大量的重金屬元素，會在農(nóng)田土壤中附著沉積，造成土壤污染[11]。

1.2.2 工業(yè)“三廢”處置不當(dāng)

由于降水不均，水資源供給不足，我國多數(shù)地區(qū)旱季的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨嚴重的缺水問題。為滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，部分地區(qū)往往采取將生活污水和工業(yè)廢水用于灌溉的方式澆灌農(nóng)作物[15]。而其中的重金屬污染物將進入農(nóng)田，造成農(nóng)田土壤環(huán)境惡化。此外，固體廢棄物的隨地傾倒，也會污染農(nóng)田。當(dāng)前我國工業(yè)生產(chǎn)的固體廢棄物處置方式仍以焚燒、傾倒和堆肥三種方式為主，在此過程中，固廢中所貯存的重金屬得以釋放，并隨土壤運動和水文運動擴散，造成土壤污染[11]。此外，人類社會生產(chǎn)、生活行為所產(chǎn)生的污染物，往往以氣溶膠形式存在于大氣中，參與大氣循環(huán)，隨大氣沉降或降雨進入土壤[16]。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在水平地震作用下，框架部分計算所得的剪力一般較小。按多道防線的概念設(shè)計，墻體是第一道防線。在設(shè)防地震、

2 國內(nèi)外農(nóng)田重金屬污染現(xiàn)狀

隨著人類生產(chǎn)力的提高和工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程的加快，農(nóng)田重金屬污染已成為全球土壤環(huán)境修復(fù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所面臨的重大挑戰(zhàn)。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前全球平均每年排放汞15 000萬噸、銅340萬噸、鉛500萬噸、錳150萬噸和鎳100萬噸[1]。基于對美國1 200份水稻樣本的分析，Huang et al.[17]發(fā)現(xiàn)鉛、鉻、鎳、銅等重金屬污染嚴重的樣本高達63%；基于對日本農(nóng)田重金屬污染狀況的觀測，Parr[18]發(fā)現(xiàn)日本的鎘污染農(nóng)田約占全國污染農(nóng)田的82%。此外，美國、歐洲、澳大利亞以及俄羅斯，農(nóng)田鎘污染最為嚴重[19]；墨西哥和意大利主要以銅、鉛和鋅污染為主[20]。

在我國，農(nóng)田重金屬污染來源復(fù)雜，且以鎘、汞、鉛、砷、鉻五種元素為主。其中，鎘元素由于污染性強，占我國農(nóng)田重金屬污染之首。截至2014年，我國重金屬鎘污染農(nóng)田面積高達1 300萬公頃，鎘污染超標(biāo)率在各項重金屬含量中最高，達7.0%[21]。此外，由于我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展存在地區(qū)差異，重金屬污染程度南方較北方嚴重[22]。呂律等[23]對河南省平頂山火葬場周圍農(nóng)田重金屬含量、分布以及來源進行了分析，發(fā)現(xiàn)人為因素如火葬場的煙塵排放是農(nóng)田重金屬含量超標(biāo)的主要原因；鄭銘潔等[24]對浙江省三種地質(zhì)類型（運積型、殘坡積型、次生風(fēng)化富集型）農(nóng)田重金屬污染的特征進行分析，發(fā)現(xiàn)運積型地質(zhì)農(nóng)田重金屬污染最為嚴重，且pH值是影響三種地質(zhì)類型下農(nóng)田土壤中鎘元素生物有效性的關(guān)鍵因子。

3 農(nóng)田重金屬污染治理的措施

3.1 源頭管控

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，遵循作物生長習(xí)性和生長規(guī)律，嚴格管控農(nóng)用化肥以及農(nóng)藥的施用量以及頻次，嚴格控制農(nóng)業(yè)灌溉水的來源。要綜合考慮地區(qū)差異，因地制宜發(fā)展具有區(qū)域特色優(yōu)勢的綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)，不斷加大作物改良的科技投入，大力推廣綠色生態(tài)有機肥。

3.2 技術(shù)修復(fù)

3.2.1 原位鈍化技術(shù)

向土壤投入鈍化劑是農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)的主要手段。當(dāng)前我國選取的鈍化劑主要有以下三種：無機類鈍化劑、有機類鈍化劑和新型環(huán)境功能型鈍化劑。王小慶等[5]選用城市區(qū)污水處理廠的污泥、有機肥為鈍化修復(fù)劑，對三種鉬污染程度的農(nóng)田進行分別處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有機肥的鈍化修復(fù)作用較污泥明顯；馬嬋華[12]選用生石灰、生物炭、生物有機肥三種鈍化劑，對成都平原輕度鎘污染的水稻田進行分別處理，發(fā)現(xiàn)添加“石灰＋生物炭”的組合鈍化劑對成都平原鎘污染修復(fù)效果優(yōu)于單一鈍化劑；而解曉露等[25]則對當(dāng)前修復(fù)中堿性金屬污染土壤的鈍化劑進行總結(jié)，得出鈣鎂磷肥、椰殼生物炭、油菜秸稈生物炭和腐殖酸所形成的復(fù)合型材料修復(fù)效果最佳。

3.2.2 物理修復(fù)

物理修復(fù)是目前國內(nèi)外使用最普遍的土壤重金屬污染治理方法。其主要是通過采用一些工程性的措施比如客土法、換土法以及熱處理對重金屬污染土壤進行處理。但是該方法僅適用于小范圍的土壤污染，難以支撐大范圍土壤污染修復(fù)工作。隨著修復(fù)技術(shù)的提升，有研究提出一種新型土壤物理修復(fù)技術(shù)，即土體有機重構(gòu)技術(shù)。該技術(shù)強調(diào)在對污染土壤進行置換時，考慮新土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分水平以及土體結(jié)構(gòu)的合理性和適應(yīng)性?；谕馏w有機重構(gòu)技術(shù)，董起廣等[26]對陜西省銅川市耀州區(qū)瑤曲鎮(zhèn)污染土壤進行修復(fù)，有效提高了渭北地區(qū)山地的利用效率；龐喆等[27]對韓城黃河灘地的土壤污染進行修復(fù)，顯著提高了該地區(qū)的耕地水平和耕地質(zhì)量，優(yōu)化了黃河沿岸濕地的生態(tài)環(huán)境。此外，一些農(nóng)藝舉措如輪作、翻種等也被證明可改善農(nóng)田土壤污染狀況，維持土壤生產(chǎn)力[28]。

3.2.3 生物修復(fù)

3.2.3.1 超富集植物修復(fù)

“超富集植物”的概念由Brook于1977年首次提出，之后美國環(huán)境保護署將其解釋為：基于植物具有吸收和富集、分解和轉(zhuǎn)化以及穩(wěn)定螯合的特性，清除或減少土壤環(huán)境中的重金屬有害物質(zhì)[1]。其主要包含三種方式：植物揮發(fā)、植物固定以及植物提取。植物揮發(fā)指植物通過蒸騰作用促使污染物揮發(fā)釋放到大氣中，主要適用于金屬汞等可揮發(fā)污染物。植物固定是指通過在污染區(qū)域建立植被覆蓋層，通過根系積累減少污染物的流動。作用過程主要包括根系生長、減少浸濾、控制侵蝕、于根系區(qū)創(chuàng)造有氧環(huán)境等，主要適用于金屬鎘污染的土壤修復(fù)。植物提取指的是通過吸收和運輸?shù)姆绞絻Υ婧吞幚硗寥乐械囊环N或多種重金屬元素，從而減少土壤中的重金屬含量。這種方法具有生態(tài)環(huán)保意義，在目前的植物修復(fù)方法中較為新穎。其利用植物修復(fù)土壤的方式具備低成本優(yōu)勢，維持土壤特性的同時亦不會產(chǎn)生“重污染”。但其修復(fù)時限較長，且農(nóng)田污染的程度需在超積累植物的正常修復(fù)水平之內(nèi)。

3.2.3.2 土壤動物修復(fù)

土壤動物指的是生命歷史在某一時期中所接觸的生活在土壤表層或土壤中的動物，通常按照其體寬分為小型（原生動物、線蟲等）、中型（跳蟲、螨蟲等）、大型（蚯蚓、多足類等）和巨型（鼴鼠等）[29]。其中，蚯蚓由于其獨特的食性特征和較強的適應(yīng)性，已成為當(dāng)前土壤動物修復(fù)重金屬污染的研究熱點[30，31]。蚯蚓對農(nóng)田重金屬污染的修復(fù)作用主要從以下方面入手：其一，蚯蚓在污染土壤中活動以及活動時分泌大量黏液，可提高其中重金屬的生物活性及有效性，進一步加快重金屬元素被超積累植物吸收的速率。同時也會促進微生物繁殖加快，活性增強，進而降低土壤污染程度[32，33]；其二，由于蚯蚓自身含有大量酶，如過氧化氫酶、谷胱甘肽還原酶以及脂質(zhì)過氧化保護酶系統(tǒng)[31]，因此受重金屬刺激，蚯蚓體內(nèi)應(yīng)激酶活性增加，進而利用體內(nèi)消化系統(tǒng)的泡囊對重金屬元素進行分離或固定[34]。

3.2.3.3 微生物修復(fù)

由于人口增加、城鎮(zhèn)化加劇、糧食安全問題日益突出，傳統(tǒng)土壤修復(fù)技術(shù)難以滿足上述發(fā)展所需，因此利用微生物的生物化學(xué)屬性，合理修復(fù)土壤日益成為研究的熱點。首先，研究表明，微生物（細菌、真菌、放線菌）以及澡類物質(zhì)具備生物吸附功能，不同類型微生物的吸附能力存在差異[2]。例如，劉悅暢[35]以小白菜（Brassica campestris L.ssp.chinensis Makino）為實驗對象，對沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudanonas palustris）和枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）在修復(fù)農(nóng)田土壤重金屬鎘污染中的單一效果和聯(lián)合效果進行研究，發(fā)現(xiàn)二者聯(lián)合使用在增加土壤鎘的固定態(tài)，以及降低其生物有效性方面最為顯著。但是，微生物吸附重金屬之后，需要進行解析回收或焚燒。而解析回收的成本較高，對大多數(shù)研究區(qū)暫不適用，焚燒處理則需要防止二次污染。

4 總結(jié)

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及糧食安全已成為全球廣泛關(guān)注的熱點話題。盡管我國農(nóng)業(yè)重金屬污染治理頗有成效，但仍面臨較大問題。在農(nóng)田土壤污染防治時，還應(yīng)注意以下幾點：（1）根據(jù)相關(guān)的政策規(guī)范，對重金屬污染農(nóng)田做科學(xué)的風(fēng)險評估，針對其污染程度選用差異化的種植方式，以最大化提高農(nóng)田的生產(chǎn)效率；（2）可根據(jù)農(nóng)田污染程度選取適宜種植的超積累植物，對污染土壤進行改良。例如，在重金屬嚴重污染的農(nóng)田上，不可繼續(xù)種植農(nóng)作物，可選取蜈蚣草等超積累植物進行種植[4]；（3）根據(jù)農(nóng)田重金屬污染的程度和類型，選取與修復(fù)區(qū)農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分水平一致，且符合研究區(qū)經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r的修復(fù)方法，做到因地制宜、科學(xué)修復(fù)；（4）加強公民在土壤污染修復(fù)中的個人意識，可通過選取節(jié)能減排的生活方式和出行方式，降低污染物以大氣沉降、降雨附著或地下滲透等形式進入農(nóng)田的可能性。