淺談高寒高海拔礦區(qū)周邊土壤重金屬污染及其綜合防治

王 宇，龔 航，謝趾東，湯運凱，杜楊帆

（西藏大學，西藏自治區(qū) 拉薩 850000）

1 前言

我國高寒高海拔地區(qū)主要是指以青藏高原為主體的地理區(qū)域。因其獨特的氣候、海拔、地質結構等自然因素，使該區(qū)域成為我國生態(tài)環(huán)境最脆弱的區(qū)域之一。同時，由于高海拔地區(qū)獨特的地質構造，造就了豐富的礦產(chǎn)資源，據(jù)西藏自治區(qū)統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2011年度采礦行業(yè)的產(chǎn)值占自治區(qū)工業(yè)產(chǎn)值的45.4%；2020年度自治區(qū)工業(yè)增加值較上一年度增長9.6%，在采礦行業(yè)為主要的增長引擎，增長22.3%，且主要產(chǎn)品產(chǎn)量持續(xù)增長，銅、鉛、鋅金屬產(chǎn)量分別增長24.8%、97.7%、44.4%。但隨著礦業(yè)經(jīng)濟的快速增長，即使采用了國際最先進的礦業(yè)開采技術，同樣會對礦區(qū)周邊土地產(chǎn)生重金屬污染等負面影響，且相關污染問題也接踵而至。如礦區(qū)土壤重金屬污染會降低礦區(qū)周邊土壤的質量，破壞當?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)系統(tǒng)；而重金屬污染嚴重的區(qū)域甚至會對人體健康造成嚴重威脅。近年來，國內外已有大量文獻研究了礦區(qū)周邊土壤污染的問題，但針對高寒高海拔礦區(qū)周邊土壤重金屬污染的研究相對較少。由此，本文分析了高寒高海拔礦區(qū)土壤重金屬的來源以及危害，并提出了多種高寒高海拔礦區(qū)土壤重金屬修復防治的方法。

2 礦區(qū)土壤重金屬污染的來源

高寒高海拔礦區(qū)周邊土壤中重金屬污染物的來源大致可分為以下兩個方面。一方面是礦區(qū)內產(chǎn)生的含有較多重金屬物質的污廢水，包括礦區(qū)開采過程中產(chǎn)生的廢水、金屬礦物處理污水、冶礦廢水等。通常，在自然與人為因素的干擾下，這些富含重金屬離子的污廢水會滲入土壤，并通過一系列理化反應被土壤離子吸附；而另一方面主要是來源于礦區(qū)在采礦過程中產(chǎn)生的尾礦，特別是有色金屬礦區(qū)，如鉛、金、銅礦區(qū)等，這些尾礦中通常會含有大量的重金屬物質，其中，礦渣和低品位礦石中的重金屬含量最高。據(jù)統(tǒng)計，中國有色金屬工業(yè)固體廢物年排放量達6 590萬噸，占全國總排放量的10.6%，但其利用率僅有8%左右[1]。因此，在自然條件下，這些堆在礦區(qū)周邊的高含量重金屬廢物可能會因為降雨和酸化而變質，并擴散到周圍的耕地區(qū)域，從而造成了土壤重金屬污染。

3 土壤重金屬污染的危害

污染土壤中的重金屬元素主要包含汞、鎘、鉛、銅等具有生物毒性的元素。所以，重金屬污染的一大特性就是難降解，而絕大部分重金屬物質不像普通的有機物，可以被土壤中的細菌、真菌等微生物利用分解。所以，重金屬污染物會隨著時間的推移在土壤中慢慢積累，并逐漸影響礦區(qū)周邊的土壤肥力與利用率，甚至可能會通過理化反應轉化為遷移能力與毒性更強的烷基化合物（例如甲基汞），從而被植物或其他生物吸收和富集，再通過食物鏈的傳播在動物體內中逐漸積累，最終影響人類身體健康。例如，鉛通過食物鏈進入人體后會被腸道吸收，然后經(jīng)血液傳播進入到人體的各個器官和組織，最后與骨骼相結合。由于鉛化合物的排出速率十分緩慢，所以在人體內的滯留時間較長，這樣就可能會導致人體慢性中毒；而食用過量的鎘則會使生物體無法吸收鈣，最終導致骨質疏松和骨骼軟化，嚴重的還可能會引起骨痛（也稱為痛風）；砷化合物通過血液在人體組織中積累，可導致人體中毒，被認為是最具毒性的物質；汞的危害不僅會影響呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)中的器官，還會影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)；鉻是一種必需的微量元素，對生物體至關重要，鉻不足可能導致動脈硬化，但過度攝入可能會損害腎臟和肝臟，甚至會癌癥[2-4]。

4 礦區(qū)土壤重金屬污染的防治措施

4.1 物理、化學修復治理技術

在礦區(qū)土壤重金屬污染的修復治理過程，物理/化學修復治理技術主要是基于當?shù)赝寥雷陨淼睦砘再|以及其中重金屬污染物的不同特性，而對污染土壤進行全方位修復。該技術可通過理化治理手段將污染土壤中的重金屬物質從土壤顆粒中分離或固定在土壤顆粒中，從而降低污染物的遷移轉化能力，減少對環(huán)境和健康造成的風險，進而提高礦區(qū)周邊土壤的利用率。該技術在實際修復治理過程中，既方便又靈活，且治理時間較短，適用于各種重金屬的處理，并廣泛應用于重金屬污染土壤的修復治理。但物理/化學修復治理技術的工程數(shù)量和實施成本相對較高，所以，這在一定程度上限制了該技術的應用范圍。

4.1.1 深耕翻土法、客土法、換土法的修復技術

深耕翻土法、客土法、換土法等物理修復技術只適用于處理小規(guī)模的重金屬污染土壤。其中，深耕翻土處理法是指將礦區(qū)周圍受污染的表層土進行翻動，使表層土與深層土進行充分的攪拌混合，從而使表層土中重金屬污染物擴散范圍變大，最終使重金屬污染物的濃度下降到土壤的最大承受值范圍內，從而減少重金屬污染對環(huán)境造成的影響。客土法主要是在受重金屬污染的土壤表層覆蓋上清潔地區(qū)未被污染的土壤，將原本受到污染的土壤掩埋至可耕層以下，從而減少重金屬污染對生態(tài)的影響；或將清潔地區(qū)未受污染土壤與礦區(qū)受污染土壤相混合，以此使重金屬污染的濃度降低到土壤的最大承受值以下。換土法與客土法相類似，也是通過轉移清潔地區(qū)未受污染的土壤來替換部分或全部礦區(qū)周邊受污染的土壤。客土法和換土法所覆蓋土壤或替代土壤的厚度必須要大于土壤的可耕層厚度，以便將發(fā)生二次污染的風險降到最低范圍內。

這些物理修復處理方法在十九、二十世紀已被英國、荷蘭、美國等發(fā)達國家所采用，在治理技術十分有限的前提下，歐美等發(fā)達國家通過此類方法在很大程度上減少了礦區(qū)周邊重金屬污染物造成的損害，所以，這是一種十分有效的處理方法。這種方法效果十分穩(wěn)定，且治理過程較為完善，工藝體系較為成熟，但其缺點在于治理費用較高，土壤肥力容易下降，同時，開展過程較為復雜，需要大量的人力、財力和物力，造成成本相對較高。此外，這類方法并不能完全消除土壤中的重金屬，而且還存在占用土地、滲漏和二次污染等問題。因此，這類方法并不是高寒高海拔礦區(qū)控制重金屬污染土壤的理想方法。

4.1.2 土壤淋洗修復治理技術

土壤淋洗法主要是指通過使用淋洗劑淋洗土壤，從而去除土壤中重金屬污染物的過程，因此，選擇有效的淋洗劑是淋洗土壤成功的關鍵。淋洗法可用于處理污染嚴重的土壤，特別是輕質土壤和砂質土壤，但對于低滲透土壤效果不是十分理想；同時，土壤淋洗法需要價格昂貴的淋洗劑，而且土壤淋洗很有可能會污染地下水，造成二次污染。此外，土壤中重金屬的淋洗和根基營養(yǎng)物質（如Ca和Mg）的淋洗會導致土壤營養(yǎng)物質短缺，從而降低其肥力。因此，在治理高寒高海拔礦區(qū)土壤時，需要從淋洗劑的類型和濃度、土壤特性、污染程度和土壤污染物等諸多因素進行可行性評估。

4.1.3 熱解吸修復治理技術

熱解吸技術主要是直接或間接持續(xù)加熱受重金屬污染的土壤，當溫度達到一定數(shù)值時，土壤中的某些重金屬物質（如Hg、As等）將揮發(fā)，同時，可將揮發(fā)的重金屬收集進行集中處理，以實現(xiàn)清除土壤中重金屬污染物的目的。熱解吸技術的一個主要缺點是由于加熱能耗過大，所以處理成本較高。而另一個顯著的問題是如何提高收集和處理處置揮發(fā)性重金屬污染物的效率，如果以上過程效率不高，有很大可能會使重金屬物質逸散到大氣中，從而造成環(huán)境二次污染。

4.2 生物修復治理技術

在土壤重金屬污染的修復治理中，生物修復技術主要是指利用植物或者微生物的生命代謝活動來改變土壤中重金屬的化學形態(tài)，從而減少毒性或降低其遷移能力。經(jīng)研究表明，土壤中動物的代謝活動（如蚯蚓）在很大程度上取決于外部條件，不適合在土壤中處置重金屬。但在實際應用中，生物修復可以改變土壤中重金屬的化學形態(tài)，固定重金屬物質或使其毒性減弱，并降低其在土壤環(huán)境中的遷移能力和生物利用率。并且，生物修復技術具有一系列優(yōu)勢，如良好的恢復效果、低投資、低成本、易于管理和操作且不易產(chǎn)生二次污染等。

4.2.1 植物修復治理技術

在應用該技術修復治理土壤重金屬污染時，一般是指通過種植對重金屬污染物具有良好耐受性的植物，來吸附、固定、轉化、降解土壤中的重金屬污染物。通常，植物修復重金屬污染的過程會受地理條件、生態(tài)類型、人為干預等多種因素的影響，而主要的影響因素為植物種類及數(shù)量、礦區(qū)周邊土壤理化性質以及植物根圈土壤微生物的種類與數(shù)量等。植物修復技術不僅包括對重金屬污染物的提取和去除，還包括對重金屬污染物的固定與轉化。其中，植物提取技術是重要的技術環(huán)節(jié)：該技術是利用植物吸收污染土壤中的重金屬，并在植物根系處等部位進行蓄積。在完成重金屬污染物初步的富集固定后再將植物收割，從而達到消除污染物的目的，其中，最為關鍵的步驟是篩選具有超富集能力的植物。近年來，對于植物修復治理技術的研究已成為環(huán)境科學中的熱點話題，且該技術在實際污染場地的修復治理工程中得到了推廣應用。

植物修復技術與傳統(tǒng)的物理化學修復技術相比，在技術和經(jīng)濟成本方面具有很大的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：（1）利用植物修復礦區(qū)的污染土壤時，可同時對周邊環(huán)境污染進行修復；（2）植物修復成本較為低廉，可通過收割的植物，再利用萃取的方式將植物根系的所富集的重金屬進行回收；（3）植物修復技術在具有美化環(huán)境效果的同時，還可以起到生態(tài)修復與景觀再造的作用；（4）植物修復可以改善土壤肥力，提高土壤利用率。但與物理化學修復方法相比較，植物修復技術也有美中不足的方面，例如，絕大部分植物對礦區(qū)土壤重金屬污染物的耐受力有限，所以，植物修復技術只適用于重金屬中度污染土壤的修復補救。并且，礦區(qū)周邊土壤污染往往是多種重金屬元素污染，單種植物通常只能吸收富集一種或少數(shù)幾種重金屬元素，同時，存在植物生長緩慢，土壤凈化時間長，難以滿足受污染土壤的快速凈化要求。

4.2.2 微生物修復治理技術

土壤是微生物棲息的第一天然場所，礦區(qū)土壤也是如此。而土壤中含有的大量不同種類的微生物，有相當一部分的細菌、藻類等可通過礦化作用或共代謝作用，來降解轉化土壤中的重金屬物質。以細菌為例，細菌中的細胞壁富含羧基陰離子和磷酸陰離子，是細菌直接接觸土壤重金屬的部位，在細菌與重金屬物質相接觸時，細胞壁中的羧基陰離子和磷酸陰離子會與重金屬離子相結合，從而吸附固定土壤中的重金屬物質；同時，細菌及其分泌物會進一步降解重金屬元素，從而達到修復治理的目的。所以，根據(jù)礦區(qū)周邊土壤的污染情況，接種合適的菌株是治理礦區(qū)周邊土壤重金屬污染的良好方式之一。所以，優(yōu)良真菌種類的選擇以及其在植物修復中的應用是今后微生物修復的發(fā)展方向。

但利用該技術治理土壤重金屬污染的一個顯著不足之處就是，微生物對重金屬污染物的耐毒性較差，當重金屬污染物濃度過高時，微生物的活性會下降，從而影響治理修復效果。所以，普通的微生物處理方式一般只適用于礦區(qū)周邊輕度或偏中度的重金屬污染。但對于重金屬污染較為嚴重的區(qū)域，可采用固定化微生物技術對環(huán)境進行修復治理。固定化微生物技術治理礦區(qū)周邊重金屬污染的主要機制是：通過包埋法、吸附法等固定化方法將微生物進行固定化處理，使其重金屬耐毒性得到大幅度提升，從而提高微生物的活性，并使其生物化學特性能得到有效維持，進而實現(xiàn)凈化修復土壤環(huán)境的目的。

4.3 農業(yè)生態(tài)修復技術

農業(yè)生態(tài)修復技術主要是根據(jù)當?shù)刈匀粭l件調整某些農業(yè)種植系統(tǒng)，并在受污染的土壤中廣泛栽種不屬于當?shù)厥澄镦溓揖哂薪饘俑患芰Φ闹脖唬瑥亩档椭亟饘傥廴緦Νh(huán)境以及生物的危害。農業(yè)措施主要包括控制土壤濕度、改善耕作系統(tǒng)、合理使用農藥和化肥、調整農作物種類等。

4.3.1 合理使用化肥、殺蟲劑等

使用化肥和殺蟲劑等是農業(yè)生產(chǎn)中最基本的農業(yè)措施。研究表明，使用有機肥料不僅可以改善土壤中的有機物，還可以吸附或絡合固定土壤中的部分重金屬。通過指導礦區(qū)周邊種植農田的農民合理使用化肥和農藥，可有效控制土壤的重金屬污染。以施用氮肥為例，不同形式的氮肥對于土壤重金屬吸附的效果不同。當植物吸收銨根離子和氨時，其根部會分泌不同的離子。當植物吸收銨根離子時，會引起氫離子的分泌，導致根際酸化；而當植物吸收氨時，會引起氫氧根的分泌，導致根際堿化。所以，對于大多數(shù)受重金屬污染的土壤而言，施用硝酸鹽氮肥料可有效降低重金屬污染的生物毒性與遷移能力。

4.3.2 改善耕作制度和調整農作物種類

改善當?shù)氐母髦贫?，并調整農作物的品種及類型是減少礦區(qū)周邊重金屬污染風險的有效措施。在污染土壤中，種植對重金屬元素具有抗性的耐金屬植物品種，可減少重金屬在植物可食用部分的積累，從而確保農產(chǎn)品的質量和安全，也可以減少重金屬對環(huán)境和健康造成的風險。而且，在高度污染地區(qū)種植對重金屬元素富集能力強的農作物，并通過持續(xù)種植和收割，可有效防止重金屬再次進入污染地區(qū)。需要注意的是，在一些礦區(qū)周邊重金屬中低濃度污染的農田中，還要兼顧不改變當?shù)氐姆N植習慣，盡量在治理土壤重金屬污染時不影響糧食生產(chǎn)。

5 研究展望

隨著高原地區(qū)礦業(yè)經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，礦山開采范圍逐漸擴大，也因此加劇了礦區(qū)周邊土壤重金屬污染的程度，并嚴重影響了高原地區(qū)的土壤環(huán)境，這對礦區(qū)周邊居民的身體健康產(chǎn)生了巨大的安全隱患。同時，土壤重金屬污染與農產(chǎn)品安全息息相關，而部分重金屬污染物會通過大氣、水等環(huán)境介質進行遷移轉化，從而最終影響高原脆弱的生態(tài)環(huán)境。所以，開展高寒高海拔礦區(qū)周邊土壤重金屬污染修復治理技術的研究，對于提高當?shù)氐耐恋乩寐?，改善礦區(qū)周邊的生態(tài)結構，以及加快污染地區(qū)的環(huán)境修復，促進周邊農田農產(chǎn)品質量安全，保障周邊居民的生命健康具有重大意義。而礦區(qū)土壤重金屬污染修復技術與工程實踐經(jīng)過多年的探索與努力，已取得了長足的發(fā)展。但由于土壤重金屬污染問題的復雜性，再加上目前的修復治理技術還較為有限，所以，當前的重金屬污染土壤的修復治理效果與人們的期望值仍存在較大差距。因此，研發(fā)高效率、低成本、可操作性強的土壤修復技術，且將這些修復治理技術進行驗證、推廣，并應用于實際的治理工程中是當前環(huán)境工程領域研究的熱點。