探析農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染監(jiān)測技術(shù)

王曉霞

（廣東省連州市環(huán)境監(jiān)測站，廣東 連州 513400）

引言

農(nóng)業(yè)土壤是農(nóng)作物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，也是農(nóng)村生態(tài)環(huán)境中的重要部分。隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的不斷發(fā)展及農(nóng)藥化肥使用量的增多，農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染問題越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量降低，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞，甚至威脅居民的生命安全。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國有六分之一的土壤受到重金屬污染，常見污染物有鉛、汞、鎘等，不僅會降低土壤肥力，還會影響農(nóng)作物的生長發(fā)育。因此，要積極做好農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的監(jiān)測工作，基于監(jiān)測結(jié)果采用合適的修復(fù)治理措施，從而提高土壤資源利用率，維護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)提高環(huán)保效益、經(jīng)濟(jì)效益的雙重目標(biāo)。

1 農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染現(xiàn)狀

1.1 重金屬污染嚴(yán)重超標(biāo)

為加強(qiáng)土壤污染治理，保護(hù)人類、農(nóng)作物賴以生存的生態(tài)環(huán)境，國家環(huán)保部門、國土資源部門等相關(guān)部門牽頭檢測多地土壤重金屬。調(diào)查結(jié)果顯示，我國農(nóng)業(yè)土壤中重金屬超標(biāo)的物質(zhì)有Cu、Cd、Zn、Pb等，超標(biāo)率均在20%以上，其中貴州、江蘇、深圳、云南、重慶、廣州等地區(qū)的重金屬超標(biāo)率較高，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作物生產(chǎn)[1]。我國地域遼闊，各地土壤特性存在較大差異，目前尚未形成一套完善的、可在各地推廣的重金屬檢測體系，再加上相關(guān)技術(shù)、設(shè)備的支持力度有限，重金屬檢測范圍比較局限，多集中于冶煉企業(yè)、工礦企業(yè)附近的土地，對糧食主要種植區(qū)的監(jiān)測較少，而且監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性也不是很高。

1.2 各地重金屬污染有差異

由于各地農(nóng)業(yè)活動、農(nóng)作物種類及土壤特性的差異性，使得受污染的土壤重金屬種類、超標(biāo)率也存在顯著差異，具體表現(xiàn)為：（1）在農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染中，Cd占比最大，其中浙江、江蘇等地區(qū)的Cd超標(biāo)率在15%以上，嚴(yán)重地區(qū)甚至超過40%。以湖南省為例，主要農(nóng)作物為水稻，Cd含量在每千克1 mg以上，給當(dāng)?shù)厮井a(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了嚴(yán)重影響。（2）糧食種植區(qū)的重金屬超標(biāo)率低，在東南沿海、東北平原地區(qū)，水稻田內(nèi)的Cd含量為每千克0.2～0.26 mg，低于全國平均值0.45 mg/kg。

2 農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染的影響因素

2.1 工業(yè)生產(chǎn)活動

大量鋼鐵、采礦、紡織、石油處理和加工等工業(yè)活動所產(chǎn)生的廢水、廢渣和廢氣，在重力作用下隨雨水或以沉降的方式落到地面、進(jìn)入土壤，這種現(xiàn)象在我國南方地區(qū)比較常見。

2.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動

隨著農(nóng)作物種植的規(guī)?；l(fā)展，病蟲害對農(nóng)作物品質(zhì)、產(chǎn)量的影響越發(fā)嚴(yán)重。農(nóng)民為了保證自身利益，通常會大量噴灑農(nóng)藥，但由于施藥技術(shù)落后，農(nóng)藥利用率不到三分之一，導(dǎo)致農(nóng)藥中Zn、Cu等離子滲透到土壤中，造成土壤污染。另外，在畜牧養(yǎng)殖中，飼料內(nèi)含有大量Pb、Cd等添加劑，會隨著尿液、糞便排出體外，再加上養(yǎng)殖戶將牲畜排泄物隨意堆放，導(dǎo)致周圍的農(nóng)業(yè)土壤受到污染[2]。

2.3 生活垃圾

目前，我國部分城市的生活垃圾未得到有效處理，直接將生活垃圾運(yùn)到城郊野地填埋處理，其中含有大量電池、廢舊電器等廢棄物，在長時(shí)間的日曬雨淋中，這些廢棄物中的重金屬逐漸被溶析出來，并滲透到土壤中，造成土壤重金屬污染。

2.4 交通污染

這里所指的交通污染是指鐵路交通、公路交通產(chǎn)生的污染。以公路交通為例，隨著私家車數(shù)量的增加，其尾氣排放出大量的Hg、Mn、Cd等重金屬離子，給周圍的農(nóng)業(yè)土壤造成嚴(yán)重污染。調(diào)查顯示，在武漢、青島、北京、西安等交通發(fā)達(dá)的城市，公路附近種植的蔬菜中Cd、Hb等重金屬含量較大。

2.5 污水灌溉

我國北方地區(qū)干旱、缺水，因此污水灌溉現(xiàn)象比較嚴(yán)重。雖然污水會經(jīng)過相應(yīng)處理，但仍含有大量重金屬離子。重金屬離子隨著污水灌溉進(jìn)入土壤，導(dǎo)致土壤中的重金屬含量超標(biāo)，出現(xiàn)重金屬污染的情況。

3 農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染監(jiān)測技術(shù)

3.1 光譜技術(shù)

在農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染監(jiān)測中，光譜技術(shù)是比較常用的監(jiān)測技術(shù)，主要利用光的散射、發(fā)射作用及監(jiān)測儀器，對相關(guān)元素的光譜特征、強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測，從而分析出重金屬含量?，F(xiàn)階段，光譜技術(shù)有原子熒光光譜法和原子吸收光譜法。前者的原理是經(jīng)原子蒸氣吸收光輻射，使原子蒸氣產(chǎn)生原子熒光。在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均符合要求的情況下，土壤中的重金屬污染物原子濃度、原子熒光輻射有正向關(guān)系，通過對熒光波長的分析，獲得土壤重金屬的污染濃度[3]。該方法具有操作簡便、靈敏度高的優(yōu)勢，但同時(shí)也存在一些缺陷，即只能用于特定條件下，且推廣范圍受限。為此，想要實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，需要在實(shí)際操作中添加特定試劑；后者是在高溫環(huán)境下，將化合物分解成基態(tài)原子蒸氣，而原子蒸氣能夠同時(shí)吸收多種元素的輻射單色光，在此基礎(chǔ)上基于特征譜線的變化情況，對土壤中的重金屬元素含量進(jìn)行檢測。該方法的優(yōu)勢是適用范圍廣、靈敏度高，缺點(diǎn)是操作復(fù)雜、成本高。需要注意的是，運(yùn)用光譜技術(shù)必須使用X射線，由于X射線的電離性較強(qiáng)，使用過程中會給人體帶來傷害。因此，在光譜技術(shù)的應(yīng)用中，相關(guān)人員要佩戴專業(yè)的防護(hù)設(shè)施，并掌握相關(guān)的操作技能，避免受到X射線的傷害。

3.2 化學(xué)比色技術(shù)

化學(xué)比色技術(shù)包括液相色譜、試紙等方法。前者通過樣品和化學(xué)試劑的接觸發(fā)生反應(yīng)，根據(jù)顏色變化對檢測物的含量進(jìn)行定性和定量分析。其中，液相色譜法基于有機(jī)試劑、重金屬離子的反應(yīng)產(chǎn)生絡(luò)合物（有色），當(dāng)絡(luò)合物經(jīng)過色譜柱時(shí)會分離，采用紫外線可見光光度法對分離物的含量進(jìn)行檢測；試紙法主要在試紙上附著顯色劑，當(dāng)顯色劑和重金屬離子接觸后，試紙顏色發(fā)生變化，將顏色變化和比色板比較，即可獲得檢測物的含量范圍。試紙法的優(yōu)勢是成本低、操作簡便，可用于現(xiàn)場監(jiān)測；缺點(diǎn)是易受外界因素影響、檢出限高，常用于半定量、定性分析。

3.3 土壤磁化率監(jiān)測技術(shù)

隨著激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的發(fā)展，土壤磁化率監(jiān)測技術(shù)逐漸被用于農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染監(jiān)測中，由于該技術(shù)操作簡單，在檢測土壤成分時(shí)能夠快速、準(zhǔn)確地檢出土壤中的有機(jī)鹽、水分等信息。磁化率高的土壤重金屬含量也比較豐富，通過對其磁化程度的監(jiān)測，即可檢出土壤重金屬污染物含量和程度。在實(shí)際應(yīng)用中，磁化率監(jiān)測技術(shù)具有成本低、靈敏度高等優(yōu)勢，故操作起來比較便利，同時(shí)也能提高監(jiān)測工作的效率[4]。另外，磁化率監(jiān)測技術(shù)也存在一些不足，其易受重金屬元素污染、水分狀況、有機(jī)質(zhì)等方面影響，需要和其他方法聯(lián)用才能精準(zhǔn)檢出重金屬污染物的濃度。

3.4 電化學(xué)分析技術(shù)

在農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染監(jiān)測中，電化學(xué)分析技術(shù)比較成熟，且應(yīng)用廣泛，工作原理是利用電化學(xué)傳感器對土壤重金屬進(jìn)行檢測。電化學(xué)分析技術(shù)主要包括離子選擇性電極法、極譜法等。前者在監(jiān)測土壤重金屬時(shí)，將電極放在監(jiān)測試劑內(nèi)，使電極敏感膜、試液界面產(chǎn)生作用，并和待測物元素呈對數(shù)關(guān)系，通過對電位數(shù)的分析檢測重金屬含量。該方法具有操作方便、監(jiān)測效率高等優(yōu)勢，缺點(diǎn)是監(jiān)測電位窄、易受外界影響等；后者具有靈敏度高、分辨率高的優(yōu)勢，缺點(diǎn)是監(jiān)測電位窄、待測物易污染等?？偟膩碇v，電化學(xué)分析技術(shù)具有能耗低、操作簡單、分析時(shí)間短等優(yōu)勢，但也存在監(jiān)測電位窄、前期處理復(fù)雜等弊端。此外，在應(yīng)用電化學(xué)分析技術(shù)檢測土壤重金屬時(shí)，由于其準(zhǔn)確性易受土壤污染物的影響，因此在日后的研究中，相關(guān)人員要以電化學(xué)傳感器為重點(diǎn)，尤其是抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高的電化學(xué)傳感器。

3.5 生物化學(xué)技術(shù)

近年來，隨著交叉科學(xué)的融合發(fā)展，生物化學(xué)技術(shù)成為土壤重金屬污染監(jiān)測的熱點(diǎn)話題。生物化學(xué)技術(shù)是一種融合化學(xué)技術(shù)和生物技術(shù)，以生物技術(shù)為基礎(chǔ)的重金屬監(jiān)測技術(shù)，包括生物傳感器、酶抑制兩種技術(shù)。前者通過對特異性蛋白、綜合金屬離子的應(yīng)用，對蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，同時(shí)利用電容信號傳感器定量檢測重金屬，以便工作人員了解重金屬含量的變化情況。其優(yōu)勢是準(zhǔn)確性好、易操作等，缺點(diǎn)是選擇性差、監(jiān)測成本高，而且對生物活性的要求也比較高，故這種技術(shù)未得到廣泛應(yīng)用；后者是通過酶活性因子、重金屬離子間的甲硫基反應(yīng)，使酶活性因子的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以降低酶活力，然后運(yùn)用相關(guān)設(shè)備檢測土壤中的重金屬[5]。在實(shí)際應(yīng)用中，工作人員能直接觀察電導(dǎo)率、試劑顏色的變化情況，并經(jīng)放大光電信號顯示重金屬、酶系統(tǒng)間的關(guān)系。目前，該技術(shù)主要用于食品的重金屬檢測中。

3.6 其他技術(shù)

除上述監(jiān)測技術(shù)外，還有免疫分析技術(shù)、生物量間接測定技術(shù)。其中，免疫分析技術(shù)主要采用免疫分析法對土壤重金屬進(jìn)行檢測，其具有極高的靈敏度，應(yīng)用期間要注意以下問題：（1）合理運(yùn)用絡(luò)合物，以便有效綜合重金屬離子，并為其預(yù)留部分空間結(jié)構(gòu)，便于順利進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。（2）保證載體蛋白接收綜合金屬離子，從而產(chǎn)生免疫原。同時(shí)，工作人員還要選擇特異性好的抗體綜合重金屬離子化合物，確保免疫分析的準(zhǔn)確性。生物量間接測定技術(shù)基于生物基因的發(fā)光特性，使用遙感技術(shù)接收信號，分析土壤重金屬污染物成分與含量?，F(xiàn)階段，生物量間接測定技術(shù)尚處于試驗(yàn)階段，還未用于野外現(xiàn)場監(jiān)測工作中。

4 農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染防治措施

4.1 完善土壤重金屬污染監(jiān)測制度

污染狀況不明是我國農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染修復(fù)和防治工作的主要問題，20世紀(jì)90年代以來，相關(guān)部門在一些地區(qū)先后開展了農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染監(jiān)測工作，但并未向社會公示監(jiān)測結(jié)果。目前，很多資料文獻(xiàn)都表明，我國的農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染問題嚴(yán)重。因此，制定完善的土壤重金屬污染監(jiān)測制度，是我國開展土壤治理工作的重點(diǎn)，各地要建立以縣為單位的監(jiān)測點(diǎn)，動態(tài)監(jiān)測農(nóng)作物、土壤中的重金屬含量。以農(nóng)產(chǎn)品無公害為標(biāo)準(zhǔn)，基于土壤重金屬的測定值、臨界值，對區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物土壤環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)行評估[6]。

4.2 加強(qiáng)環(huán)保知識宣傳

我國農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染形勢嚴(yán)峻，主要原因是我國農(nóng)民缺乏環(huán)境保護(hù)意識、重金屬污染防治意識。對此，相關(guān)部門要加大此方面的宣傳力度，幫助農(nóng)民掌握科學(xué)、綠色的種植技術(shù)，引導(dǎo)農(nóng)民如何在種植農(nóng)作物的過程中安全使用農(nóng)藥、化肥等，積極推廣綠色技術(shù)。同時(shí)，利用報(bào)紙、廣播等宣傳媒介，向農(nóng)民宣傳環(huán)保知識，增強(qiáng)其環(huán)境保護(hù)意識和能力。由于電子廢棄物的隨意丟棄會污染農(nóng)業(yè)土壤，故要在全國范圍內(nèi)宣傳循環(huán)經(jīng)濟(jì)、垃圾分類理念，科學(xué)處置電子廢棄物，實(shí)現(xiàn)減少土壤重金屬污染、保護(hù)環(huán)境的目的。

4.3 做好土壤污染預(yù)防

首先，結(jié)合地區(qū)內(nèi)的農(nóng)業(yè)規(guī)模、發(fā)展現(xiàn)狀，制定科學(xué)的土壤重金屬污染防治規(guī)劃，從頂層做好土壤污染預(yù)防設(shè)計(jì)工作；制定農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染監(jiān)測、評價(jià)機(jī)制，借助第三方的力量和技術(shù)完成重金屬污染常態(tài)化監(jiān)測，及時(shí)了解當(dāng)?shù)赝寥乐亟饘傥廴粳F(xiàn)狀；其次，環(huán)保、農(nóng)業(yè)等部門加大合作力度，發(fā)揮各方的聚合、協(xié)同效應(yīng)，共同做好重金屬污染的防治與修復(fù)工作；最后，減少化肥用量，積極推廣測土配方，大力研發(fā)無殘留、無毒農(nóng)藥，加強(qiáng)工業(yè)生產(chǎn)活動的“三廢”源頭治理，降低農(nóng)業(yè)土壤重金屬的污染風(fēng)險(xiǎn)。

4.4 加強(qiáng)土壤污染源管理

土壤污染源管理是土壤重金屬污染治理工作的主要途徑，重金屬污染治理中要格外關(guān)注污染物來源，科學(xué)管控農(nóng)業(yè)、工業(yè)等活動生成的污染物，防止污染物擴(kuò)散，保證農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境的安全性[7]。同時(shí)，根據(jù)重金屬污染調(diào)查結(jié)果，全方位分析污染源，充分了解農(nóng)業(yè)、工業(yè)活動的污染物排放情況，采取有效措施對污染源進(jìn)行控制。為了能夠徹底消除土壤重金屬污染，要適當(dāng)調(diào)整工業(yè)布局，實(shí)時(shí)關(guān)注工業(yè)企業(yè)的改擴(kuò)建、新建等工程，發(fā)現(xiàn)污染物后及時(shí)處理。此外，加強(qiáng)土壤污染情況的調(diào)查，了解區(qū)域范圍內(nèi)企業(yè)污染物的排放情況，加大監(jiān)察力度，要求企業(yè)通過工藝改造、技術(shù)革新等手段實(shí)現(xiàn)升級，防止出現(xiàn)重金屬污染土壤的情況。

4.5 合理選擇修復(fù)與治理技術(shù)

對于環(huán)境監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)的土壤重金屬污染問題，要及時(shí)采取相應(yīng)措施，做好土壤污染的治理與修復(fù)工作。實(shí)際工作中，可從以下幾點(diǎn)著手：（1）物理治理。包括熱處理法、翻土法、換土法、電解法等。其中，熱處理法是通過對重金屬污染土壤的加熱處理，收集土壤中易揮發(fā)的污染物，從而進(jìn)行針對性的回收處理；電解法是指在電泳、電滲、電解的作用下，移走重金屬中的陰極和陽極。雖然上述治理方法效果好，但實(shí)施起來有一定難度，而且費(fèi)用也比較高，易降低土壤肥力。（2）生物治理。是指根據(jù)生物習(xí)性，對重金屬污染進(jìn)行抑制和改良。比如，用鼠類、蚯蚓等吸引土壤重金屬，或用某種植物吸收重金屬的特性，從而消除土壤中的重金屬物質(zhì)。雖然生物治理法操作簡單，投資少，不會破壞環(huán)境，但治理效果不夠理想，日后要加強(qiáng)此方面的研究。（3）化學(xué)治理。是指向受污染的土壤內(nèi)添加抑制劑、改良劑，以改變土壤性質(zhì)，促使土壤中的重金屬發(fā)生沉淀、氧化、抑制作用，從而降低重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。相較于其他治理方法，化學(xué)治理法的費(fèi)用和治理效果比較適中，但易出現(xiàn)再度活化的情況。

4.6 加強(qiáng)信息技術(shù)的應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染防治和修復(fù)工作中，可利用先進(jìn)的智能自動化技術(shù)、信息技術(shù)等，加大對土壤的監(jiān)測力度。在實(shí)際工作中，要全面落實(shí)環(huán)保機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，以更好地對土壤環(huán)境進(jìn)行保護(hù)。具體來講，由于土壤修復(fù)涉及的參數(shù)多，如肥力、水分、有機(jī)質(zhì)等，故要根據(jù)具體的污染情況開展治理工作，過程中注意保持土壤肥力。因此，在開展土壤修復(fù)工作時(shí)，相關(guān)人員和單位要發(fā)揮出信息技術(shù)的作用，加強(qiáng)對污染土壤的監(jiān)測，制定完善的環(huán)保機(jī)制，科學(xué)協(xié)調(diào)土壤監(jiān)測工作，明確各部門的工作范圍和職責(zé)，特別是大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崟r(shí)掌握土壤修復(fù)進(jìn)度，并通過信息平臺加強(qiáng)部門間的合作，減少土壤污染隱患，提高土壤修復(fù)的質(zhì)量。

4.7 其他措施

除上述措施外，還可從以下方面治理土壤重金屬污染：（1）實(shí)施生態(tài)補(bǔ)償。生態(tài)補(bǔ)償可使用土壤處理和修復(fù)技術(shù)，保證各項(xiàng)工作的實(shí)用性。首先，在當(dāng)?shù)卣囊龑?dǎo)下，深入研究土壤修復(fù)技術(shù)，通過相互之間的交流與探討，加強(qiáng)對土壤重金屬污染的控制，以改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[8]；其次，積極防治農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染，設(shè)置專門的生態(tài)補(bǔ)償和防控資金，擴(kuò)大資金籌集范圍，有效解決土壤污染問題。（2）推廣先進(jìn)的農(nóng)業(yè)技術(shù)。農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用能夠減少化肥、農(nóng)藥的使用量，在土壤污染治理過程中，要加強(qiáng)對農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣，大力宣傳農(nóng)藥、化肥不合理使用的危害，構(gòu)建完善的農(nóng)藥、化肥管理體系。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，要嚴(yán)格按要求使用化肥和農(nóng)藥，降低土壤環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)；積極研發(fā)先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，推廣有機(jī)肥、生物防治措施，還要引導(dǎo)農(nóng)民學(xué)習(xí)先進(jìn)的農(nóng)業(yè)技術(shù)，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動規(guī)范化開展。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，化學(xué)肥料、農(nóng)業(yè)技術(shù)等被不斷用于農(nóng)業(yè)土壤中，再加上工業(yè)企業(yè)“三廢”的不合理排放，使得農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染問題日益加劇，給生態(tài)環(huán)境、居民的身體健康安全等產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。為有效遏制農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染問題，做好重金屬污染的監(jiān)測、治理工作迫在眉睫。因此，相關(guān)人員和單位要從生物、物理等方面入手，深入研究土壤重金屬污染監(jiān)測技術(shù)，并結(jié)合實(shí)際情況和需求選擇治理措施，以解決土壤污染問題，保證土壤環(huán)境質(zhì)量。