礦區(qū)中低產(chǎn)農(nóng)田土壤重金屬削減技術(shù)

馬英群 馬銀花 譚志雄 張涵 張亞琦 段仁燕

摘要 礦區(qū)中低產(chǎn)農(nóng)田的重金屬在土壤中具有可遷移性、多樣性、長期隱蔽等特點，是造成農(nóng)田低產(chǎn)的主要因素。我國礦區(qū)中低產(chǎn)農(nóng)田重金屬污染問題十分突出，削減重金屬比較困難，有必要對污染修復(fù)進行深入系統(tǒng)的研究。本文主要概括了礦區(qū)中低產(chǎn)農(nóng)田土壤特點以及重金屬對于農(nóng)田的危害，歸納整理了目前主要的土壤重金屬削減技術(shù)，通過對不同削減技術(shù)進行比較，對我國礦區(qū)中低產(chǎn)農(nóng)田的重金屬污染治理進行了展望。

關(guān)鍵詞 礦區(qū)中低產(chǎn)農(nóng)田土壤；重金屬污染；削減技術(shù)

中圖分類號 Q89? ?文獻標(biāo)識碼? A

文章編號 1007-7731（2023）03-0161-04

根據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》，我國土壤重金屬含量超標(biāo)率高達16.1%，其中土壤污染的類型可以分為無機型、有機型、復(fù)合型污染三類，人類活動使得農(nóng)田土壤污染日漸嚴(yán)重，農(nóng)作物生長受到影響[1]。采礦中重金屬大量流失造成礦區(qū)土壤重金屬污染的現(xiàn)象層出不窮是目前生態(tài)文明建設(shè)必須面對的重要環(huán)境問題。為此，了解礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染特點并針對性地采取削減技術(shù)修復(fù)治理具有重要意義[2]。

1 礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染的特點

1.1 遷移轉(zhuǎn)化快

重金屬流入土壤會伴隨著一系列化學(xué)、物理反應(yīng)，重金屬會在各種反應(yīng)過程中遷移和轉(zhuǎn)化，最終存留于土壤間隙被植物體吸收，從而影響農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。重金屬能被土壤中的膠體吸附在表面或被土壤礦物顆粒包含，溶解和沉積在土壤中的重金屬元素均能被氧化和被還原，而且重金屬元素很難降解，在土壤中長期富集后會轉(zhuǎn)化為有機金屬化合物，其毒性和危害性大，抑制土壤生物的活性以及土壤生物酶的活性[3]。另外，土壤在生物地球化學(xué)循環(huán)中起著關(guān)鍵作用，土壤中的納米金屬顆?？上聺B進入地下水，也可被動植物吸收后經(jīng)食物鏈傳遞富集，納米金屬顆粒在土壤中遷移轉(zhuǎn)化過程中受到土壤環(huán)境（pH、離子強度、離子價態(tài)、溫度、DOM）的影響會發(fā)生吸附/解吸、分散/沉降、解離和氧化/還原等遷移轉(zhuǎn)化過程[3]。

1.2 存在形式多變

農(nóng)田土壤重金屬污染程度只有依靠對土壤樣品檢測和分析或者對農(nóng)作物、人、動物的檢查才能顯現(xiàn)。土壤中重金屬元素會隨著土壤pH的變化發(fā)生各種物理和化學(xué)反應(yīng)，其存在形態(tài)多樣，在不同農(nóng)田土壤中的毒性、穩(wěn)定性存在較大差異，從而增加了重金屬污染的治理難度。如游離態(tài)Cu、Zn、Pb等重金屬元素，毒性高于絡(luò)合物，進一步增加了土壤中重金屬元素毒性，此外，土壤中的重金屬元素還會通過各種物理和化學(xué)反應(yīng)形成毒性遠大于無機物的有機物。

1.3 難以降解

重金屬元素一旦流入農(nóng)田土壤，就將被土壤礦質(zhì)等吸附和包含，難以被生物分解，無法通過簡單的方法去除，另外，土壤中的微生物會將各種重金屬元素在生物體內(nèi)富集，或者轉(zhuǎn)化為毒性更大的甲基化合物。由此可見，農(nóng)田土壤中重金屬元素的難消除性增加了后期處理難度[3]。且農(nóng)田土壤中的重金屬元素在土壤或生物體內(nèi)長期的積累會給土壤生態(tài)系統(tǒng)和人體產(chǎn)生不利影響，短期內(nèi)難以恢復(fù)。

2 礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染的危害

2.1 影響土壤理化性質(zhì)

2.1.1 破壞土壤結(jié)構(gòu)。由于能夠影響土壤中酶的活性，改變土壤的酸堿度，所以重金屬元素富集到一定濃度時可能會破壞土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤孔隙度降低、板結(jié)，最終影響其通氣性與含水量，農(nóng)田土壤將變得貧瘠。

2.1.2 影響物質(zhì)轉(zhuǎn)化。相同含量的重金屬元素在不同理化性質(zhì)（土壤的水分、氧化還原、酸堿度、有機質(zhì)、溫度等）的土壤中可能表現(xiàn)出不同的物質(zhì)性質(zhì)和理化狀態(tài)，影響元素轉(zhuǎn)化和作物對元素的吸收[4]。因此，農(nóng)田土壤重金屬元素會影響土壤中生物與非生物間的反應(yīng)及交換，如土壤的碳、氮、磷及鉀循環(huán)，影響農(nóng)田土壤的質(zhì)地、pH、孔隙度等，最終改變土壤的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和營養(yǎng)成分。如土壤pH的大小不僅影響植被的生長，更與土壤養(yǎng)分的釋放和土壤微生物酶活性有關(guān)[5]，是影響土壤肥力的重要因素。

2.2 影響土壤生物生長

2.2.1 影響農(nóng)作物生長。土壤中的重金屬元素會在灌溉水源時通過根、莖、葉等部位進入植株內(nèi)，使得農(nóng)作物中重金屬元素含量超標(biāo)，破壞農(nóng)作物的酶系統(tǒng)、葉綠素合成以及核酸代謝水平等，進而造成品質(zhì)下降、作物減產(chǎn)。

2.2.2 影響微生物正常代謝。真菌、細菌、藻類等微生物，在土壤的固氮、硫化、硝化以及有機質(zhì)的分解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著重要作用。農(nóng)田土壤重金屬元素超標(biāo)會抑制微生物代謝甚至致其死亡，造成微生物群落組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

2.2.3 影響人體健康。農(nóng)田土壤重金屬通過食物鏈到達人體，不斷累積使得人重金屬中毒，嚴(yán)重威脅人類生命安全。

3 礦區(qū)農(nóng)田土壤重金屬的削減技術(shù)

3.1 物理修復(fù)技術(shù)

3.1.1 工程治理技術(shù)。工程治理技術(shù)效果較好，治理體系相對完善，缺點在于治理費用比較高，土壤肥力容易下降，而且開展過程較為復(fù)雜[6]。

（1）翻土與客土法。翻土法通過人力或器械深翻土壤，將土壤中上層的重金屬深翻入更深層土壤中，稀釋土壤中重金屬殘留濃度。而客土法是將污染物和重金屬殘留少的土壤混合放到污染土中，降低土壤重金屬含量使其達到污染的臨界值。翻土法和客土法能夠十分有效地治理較輕的土壤污染，在短期內(nèi)達到既定修復(fù)目標(biāo)。

（2）熱處理法。熱處理技術(shù)是通過高溫加熱的方式，將一些易揮發(fā)的重金屬元素從土壤中分離出來。此種方法可以固定部分重金屬，降低它們對于環(huán)境的污染[7]。

（3）固化法。固化法是在受重金屬污染的土壤中加入固化劑，降低重金屬的遷移性和生物的有效性，改變土壤的理化性質(zhì)，從而使重金屬物質(zhì)減少[8]。石灰、水泥、粉煤灰等均可作為固化劑使用。

3.1.2 土壤淋洗。土壤淋洗是用適量的提取劑促使土壤中的重金屬向液態(tài)方面轉(zhuǎn)變，該過程會導(dǎo)致土壤中部分提取劑殘留，但通過清水淋洗就能夠?qū)埩舻奶崛┣宄齕9]。

3.1.3 玻璃化技術(shù)。玻璃化技術(shù)是在高溫高壓的條件下，在土壤中加入一些導(dǎo)電材料使重金屬形成穩(wěn)定玻璃態(tài)物質(zhì)，用于防治重金屬污染嚴(yán)重的土壤[10]。

3.2 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

3.2.1 化學(xué)改良劑或抑制劑?；瘜W(xué)修復(fù)成功必須以合理地化學(xué)制劑使用作為保障[11]?；瘜W(xué)改良技術(shù)將改良劑加入到土壤中，與其中金屬發(fā)生反應(yīng)，從而使金屬被固著降低其活性，減小對植物的危害性，最終實現(xiàn)治理和修復(fù)土壤[12]。在修復(fù)過程中，常見的化學(xué)改良劑主要有石灰、石膏、蒙脫石木質(zhì)素物料、海藻提取物、硫磺粉、腐植酸肥等物質(zhì)[13]。

3.2.2 化學(xué)淋洗法?；瘜W(xué)淋洗法是通過注入、抽吸含有一些金屬配位體的清潔無污染的提取液淋洗土壤多次，通過配位體與土壤中的重金屬絡(luò)合成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的物質(zhì)并隨淋洗液的抽吸脫離，將吸附在土壤表面的重金屬元素去除[10]。

3.3 生物修復(fù)技術(shù)

3.3.1 植物修復(fù)技術(shù)。植物修復(fù)技術(shù)是采用植物吸附、徑流、蒸騰等作用將重金屬大量地轉(zhuǎn)移到植株體內(nèi)實現(xiàn)修復(fù)土壤的目的[12]。此種方法有許多優(yōu)點，比如修復(fù)面積廣、成本低、對土壤干擾小、操作方便、管理簡單和無二次污染等[14]。但植物修復(fù)在重金屬污染土壤中處理時間長，易受重金屬濃度影響，其在突發(fā)重金屬污染土壤事件中的應(yīng)用依然面臨挑戰(zhàn)。本研究提供一種樹脂-植物聯(lián)合修復(fù)的方法，在短時間內(nèi)樹脂抑制土壤中重金屬的遷移，保護植物初期生長，隨后重金屬緩慢釋放，被修復(fù)植物吸收，最終將重金屬污染物從土壤中去除[15]。

3.3.2 微生物修復(fù)技術(shù)。微生物修復(fù)技術(shù)是指在適宜的環(huán)境中，利用不同類型微生物代謝等生理作用，將重金屬降解或?qū)⒏叨居袡C物轉(zhuǎn)化成低毒或無毒。土壤中的細菌表面具有某些特殊結(jié)構(gòu)可以吸附重金屬物質(zhì)，真菌與細菌處理土壤重金屬污染有相似機理，能夠與汞、鉛等重金屬元素發(fā)生配位絡(luò)合作用，形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。藻類對重金屬具有一定的耐性機制，能夠誘導(dǎo)有機物質(zhì)自由基或活性氧的生成，利用藻類生物處理修復(fù)技術(shù)是土壤重金屬污染常用的修復(fù)方式之一，其吸附性能往往高于其他細菌、真菌等生物[16]。

3.3.3 動物修復(fù)技術(shù)。動物修復(fù)能夠通過動物取食重金屬有效減少土壤中重金屬的含量，在不影響這些動物的正常生長的同時能夠改良土壤結(jié)構(gòu)、分解枯枝落葉、增加土壤肥力、促進營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)等[17]。

3.4 聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

因為土壤的理化性質(zhì)不同，所以各地區(qū)土壤污染類型及特征也存在差異。針對不同的土壤污染，需要采取聯(lián)合修復(fù)技術(shù)替代單一修復(fù)技術(shù)，發(fā)揮各項技術(shù)的聯(lián)合修復(fù)優(yōu)點?！拔⑸?植物”聯(lián)合修復(fù)可強化微生物與植物的共生關(guān)系、增強微生物去除污染物的能力；“植物-動物”聯(lián)合修復(fù)可通過動物或其排泄物的作用改善土壤環(huán)境、促進植物生長，同時通過植物根系改善動物的生存環(huán)境；“微生物-動物”聯(lián)合修復(fù)可在動物搬運攝食、消化排泄等過程中強化微生物的生長代謝能力[18]。其中，聯(lián)合修復(fù)技術(shù)主要有：降解菌/真菌-超積累植物的組合修復(fù)；土壤動物-植物-微生物組合修復(fù)；絡(luò)合增溶-強化植物修復(fù)；化學(xué)氧化-生物降解修復(fù)；生物-蒸汽浸提修復(fù)；光催化納米材料修復(fù)[7]。

3.5 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)

3.5.1 農(nóng)藝修復(fù)。農(nóng)藝修復(fù)措施是一種與養(yǎng)地制度相適應(yīng)的栽培制度，如施用重金屬含量少的肥料，增施固定肥，合理種植作物，調(diào)整作物品種，以減少農(nóng)作物對重金屬吸收[19]。

3.5.2 生態(tài)修復(fù)。生態(tài)修復(fù)措施是利用調(diào)節(jié)土壤的水分、酸堿度和氧化還原電位等因素，降低重金屬的活性和生物有效性。土壤中的重金屬大多為過渡元素，元素的化合價變化多樣，隨著農(nóng)田土壤水分、酸堿度、氧化還原電位等外界環(huán)境條件的變化，土壤金屬存在形式以及理化性質(zhì)也不同。因此，調(diào)節(jié)土壤的水分、酸堿度和氧化還原電位，能夠有效降低重金屬的活性和生物有效性，是農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)重要的舉措[19]。

4 結(jié)論

礦區(qū)中的重金屬元素主要通礦物金屬、固體廢棄物、固體沉降的方式浸入農(nóng)田土壤中。重金屬污染導(dǎo)致農(nóng)田肥力降低，土質(zhì)變差，很難達到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的要求。重金屬削減技術(shù)可以有效減少或降低礦區(qū)低產(chǎn)農(nóng)田重金屬含量[20]，使農(nóng)田土壤能夠快速恢復(fù)高產(chǎn)，同時減少重金屬的富集，使人體通過食物鏈攝取的重金屬含量降低。

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（責(zé)編：張 蓓）

基金項目 湖南省科技創(chuàng)新人才計劃大學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（2021RC1016）；湖南省重點研發(fā)計劃（2021NK2030）；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（202110553001X，2021CX3686）；湖南省教育廳重點項目（21A0552）。

馬銀花*通信作者

收稿日期 2022-04-21