農(nóng)田土壤鎘污染現(xiàn)狀和修復(fù)技術(shù)探析

張恒張健王煥劉成昆何波

（1格豐科技材料有限公司，江西萍鄉(xiāng) 337000；2萍鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)環(huán)保能源站，江西萍鄉(xiāng) 337000）

耕地土壤是人類生存發(fā)展的基礎(chǔ)，是人類最基礎(chǔ)的生活保障。自20世紀(jì)80年代以來，我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)活動等給農(nóng)田土壤帶來污染。不斷累積的土壤污染問題在21世紀(jì)初逐漸顯現(xiàn)，對生態(tài)環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全以及人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

1 農(nóng)田鎘污染現(xiàn)狀和危害

我國環(huán)境保護部2014年公布的《全國土壤污染情況調(diào)查公報》顯示，在被調(diào)查的多種重金屬污染中，鎘點位超標(biāo)率最高，數(shù)值達到7.0%。據(jù)統(tǒng)計，我國農(nóng)田鎘污染涉及10余個?。ㄊ校┕?5個地區(qū)，面積近1.33萬hm2。彭曦[1]對我國22個省水稻土鎘含量展開調(diào)查，發(fā)現(xiàn)被調(diào)查的近200個樣品中，湖南地區(qū)鎘含量最高，達到1.12 mg/kg。長沙地區(qū)，尤其是部分城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)域內(nèi)，被鎘污染的農(nóng)田占比達到3/4[2]。其他區(qū)域的農(nóng)田鎘污染也比較嚴(yán)重。農(nóng)田土壤中的鎘很難在土壤中分解，更難從土壤中遷出。其脅迫可能引起土壤營養(yǎng)元素缺乏，直接對農(nóng)作物造成嚴(yán)重的危害，比如會對營養(yǎng)元素在農(nóng)作物中的吸收和轉(zhuǎn)運產(chǎn)生負面作用，影響農(nóng)作物的生長發(fā)育，進而降低產(chǎn)量[3]。Mendyka等[4]和華 珞等[5]對玉米和小麥研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)農(nóng)田土壤中鎘含量達到一定值以后，會對相關(guān)作物產(chǎn)生毒害作用，同時會造成玉米和小麥減產(chǎn)。我國農(nóng)田鎘污染范圍廣、面積大、程度嚴(yán)重，對鎘污染農(nóng)田土壤進行修復(fù)迫在眉睫。

2 農(nóng)田鎘污染修復(fù)技術(shù)

物理、化學(xué)和生物方法是傳統(tǒng)以及現(xiàn)階段比較常用的農(nóng)田鎘污染修復(fù)方法。其中，物理方法通過去除或者分離污染土壤中的鎘來達到修復(fù)的目的；化學(xué)方法通過添加改良劑或者其他有效化學(xué)試劑到土壤中，改變土壤pH值、氧化還原電位以及鎘的形態(tài)，從而降低土壤中鎘的活性和生物有效性；生物修復(fù)通過利用動物、植物和微生物等修復(fù)主體對農(nóng)田土壤鎘進行轉(zhuǎn)化、固定、吸附以及降解，從而起到修復(fù)的作用。

2.1 物理修復(fù)

常用的物理修復(fù)方法包括客土法、換土法、電修復(fù)法以及深耕法等?？屯练▽儆诠こ讨卫眍愋偷姆椒ǎ瓌t上在污染土壤中添加無污染土壤，使作物根系與無污染土壤接觸，以減少作物對鎘的吸收，最終達到修復(fù)的效果?？屯练ㄟm用范圍有限，僅適用于鎘污染程度較輕且取客土比較方便的地區(qū)[6]。換土法指用無污染土壤替換污染土壤，以達到修復(fù)的目的。換土法由于工程量大、適用范圍有限，僅在鎘污染土壤面積較小時采用，目的是防止污染范圍擴大。有研究表明，客土法和換土法能夠有效降低稻田土壤鎘含量，同時降低稻米中鎘含量50%[7]。但是，這2種物理修復(fù)方法設(shè)備比較復(fù)雜，耗時、耗材、耗力，同時會破壞土壤結(jié)構(gòu)，還可能導(dǎo)致二次污染。因此，客土法和換土法在農(nóng)田鎘污染土壤修復(fù)中不建議大規(guī)模推廣和使用。電修復(fù)法指通過電極通電使污染土壤中鎘離子在電場的作用下向電極區(qū)富集，進而使用共沉淀、電鍍等方法將土壤中的鎘離子分離，最終達到修復(fù)的目的[8]?？傮w而言，物理修復(fù)方法缺點明顯，在未來鎘污染土壤修復(fù)領(lǐng)域發(fā)展局限性較大。

2.2 化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)是一項技術(shù)較為成熟、效果較為顯著的修復(fù)方法。從目前來看，添加改良劑是化學(xué)修復(fù)中最為常用的手段。有研究表明，在農(nóng)田鎘污染土壤修復(fù)中使用的改良劑大多為膨潤土、石灰、磷酸鹽以及沸石等，這些改良劑通過調(diào)節(jié)土壤pH值以及吸附、沉淀、離子交換、絡(luò)合等化學(xué)反應(yīng)來降低鎘的有效性，從而達到修復(fù)的目的[9-12]。Basta等[13]在礦區(qū)污染土壤中添加化學(xué)改良劑，發(fā)現(xiàn)鎘的有效濃度下降達94.6%。呂高明等[14]研究表明，在污染土壤中添加膨潤土，交換態(tài)鎘含量相比對照降低了7.75%。陳懷滿等[15]研究表明，在對鎘污染比較嚴(yán)重的沈陽某區(qū)域添加大量的石灰，作物籽粒中鎘含量較對照降低了50%。Yang等[16]研究表明，在pH值小于6的污染土壤中添加磷化物，重金屬元素的降解效果顯著提高，容易形成穩(wěn)定的化合物，最終達到修復(fù)效果。目前，向土壤中添加改良劑來修復(fù)鎘污染有一定的效果，但是從土地可持續(xù)發(fā)展角度分析，未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)盡量減少化學(xué)品的添加。

2.3 生物修復(fù)

生物修復(fù)主要包括植物、動物以及微生物修復(fù)。其中，植物修復(fù)通常指通過提取、揮發(fā)以及降解等方式進行農(nóng)田鎘污染土壤修復(fù)，而植物提取是最適用、最常見的方式，其中以超富集植物效果最好。超富集植物是指對鎘吸附和富集能力強且轉(zhuǎn)運系數(shù)較大的植物，目前我國發(fā)現(xiàn)的鎘超富集植物有20種以上[17]。動物修復(fù)指通過一些低等動物在土壤中的代謝活動來對鎘進行吸收、轉(zhuǎn)化以及分解，最終達到修復(fù)鎘污染土壤的目的。Ramseier等[18]研究表明，在鎘含量嚴(yán)重超標(biāo)的土壤中添加蚯蚓，蚯蚓富集鎘含量達到120 mg/kg，進而降低了土壤中鎘含量。成杰民等[19]在鎘污染土壤中添加蚯蚓后發(fā)現(xiàn)，鎘的生物有效性較對照顯著降低，同時作物的產(chǎn)量有所提高。微生物修復(fù)指利用某些微生物通過氧化還原反應(yīng)來降低土壤鎘含量，在修復(fù)鎘污染土壤方面效果顯著。有研究表明，在污染嚴(yán)重的礦區(qū)篩選出的高抗性微生物可以分泌胞外聚合物，吸附固定重金屬，使其形成難溶物質(zhì)，進而降低有毒離子的遷移性和生物可利用性[20]。Suksabye等[21]研究表明，銅綠芽孢桿菌的添加能使污染土壤中的鈣、鎂等離子浸出，并對植物吸收鎘產(chǎn)生競爭，在降低水稻籽粒鎘含量的同時，增加植物干重和籽粒中礦質(zhì)養(yǎng)分的積累；Treesubsuntorn等[22]研究表明，添加枯草芽孢桿菌可以降低水稻植株各部分的鎘積累量，同時其具有溶解磷酸鹽、產(chǎn)生生長素的作用。

2.4 聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

同時采用2種及以上修復(fù)技術(shù)可以提高土壤鎘污染修復(fù)效率，還可以彌補單一土壤鎘污染修復(fù)技術(shù)的不足。近年來，植物化學(xué)、植物微生物、微生物化學(xué)以及動植物等聯(lián)合修復(fù)技術(shù)不僅修復(fù)效果顯著，而且修復(fù)方法較為環(huán)保。Ma等[23]使用電修復(fù)+化學(xué)修復(fù)的研究表明，電動（EK）處理表層土鎘去除率可以達到9.38%，1%氯化鉀+EK處理的鎘去除率可達到84.06%，該組合技術(shù)可減輕種植水稻和蔬菜的土壤鎘污染。劉金[24]在其研究中使用植物修復(fù)+化學(xué)修復(fù)發(fā)現(xiàn)，草酸淋洗聯(lián)合礦山型東南景天修復(fù)鎘污染土壤，可以提高鎘去除效果。婁晨[25]使用生物修復(fù)+化學(xué)修復(fù)的研究中發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合體系在鎘污染土壤中修復(fù)效果顯著，土壤總鎘和有效態(tài)鎘含量分別降低14.93%～16.57%和33.79%～35.04%。劉曉月等[26]對比了由多種天然礦物復(fù)配的土壤調(diào)理劑、由赤泥與農(nóng)業(yè)固體廢棄物復(fù)配的調(diào)理劑以及由生石灰、磷酸鹽和復(fù)合肥復(fù)配的調(diào)理劑。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所選擇的調(diào)理劑均能提高土壤pH值，同時降低有效鎘含量和鎘的生物有效性。

2.5 新材料修復(fù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，介孔材料、功能膜材料以及石墨烯材料等新型材料在農(nóng)田土壤重金屬修復(fù)研究中成為熱點。比如，納米零價鐵具有強反應(yīng)活性、較高的還原效率和速度、較強的吸附能力，同時比表面積大，這些優(yōu)點在污染土壤修復(fù)中對土壤環(huán)境擾動小且對土壤和作物的風(fēng)險低，是極具潛力的修復(fù)材料[27]。0.10%（質(zhì)量比）海藻酸鈉改性的納米零價鐵可使底泥中殘渣態(tài)鎘的比例提高41.79%[28]。另外，有研究表明，使用復(fù)合材料調(diào)理劑能夠大大提高農(nóng)田鎘污染修復(fù)效率，從而降低鎘含量。黃腐酸本身是植物生長調(diào)節(jié)劑，同時具有吸附、絡(luò)合重金屬的作用，在黃腐酸中加入微生物菌劑可增強黃腐酸對土壤的綜合調(diào)理性能，可同步實現(xiàn)土壤修復(fù)和培肥[29-30]。曹庭悅等[31]研究發(fā)現(xiàn)，在污染土壤中添加硅和磷新材料，水稻中鎘的吸收和轉(zhuǎn)運受到了抑制。

3 結(jié)語

就未污染土壤而言，防治鎘污染最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是控制污染來源，讓化工企業(yè)、交通道路等污染源遠離農(nóng)田，同時嚴(yán)格控制農(nóng)業(yè)投入品、灌溉水等的質(zhì)量。隨著科技的進步，人們對鎘污染的認識和重視程度逐步提高，修復(fù)技術(shù)也在不斷進步。本文對我國農(nóng)田鎘污染及其修復(fù)技術(shù)進行簡單的綜述，并指出聯(lián)合修復(fù)和新材料修復(fù)技術(shù)是未來農(nóng)田土壤鎘污染修復(fù)技術(shù)研究和應(yīng)用中不可缺少的一部分，以期強化土壤污染管控和修復(fù)，有效防治農(nóng)業(yè)面源污染。