土壤重金屬污染源解析及防治研究綜述

摘要：在經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人類活動造成的土壤重金屬污染已成為一個復(fù)雜嚴(yán)峻的課題，其影響已波及農(nóng)業(yè)生態(tài)和環(huán)境保護等諸多方面。本文對土壤重金屬污染的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，側(cè)重分析土壤重金屬污染對耕地質(zhì)量及農(nóng)作物的影響，根據(jù)不同情況，可酌情選擇最適宜的源解析方法，從而對污染源進(jìn)行精準(zhǔn)定位并進(jìn)行科學(xué)防治與修復(fù)。

關(guān)鍵詞：土壤重金屬；污染源解析；污染防治

土壤環(huán)境質(zhì)量對我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。近年來，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，由于不合理地施用農(nóng)藥、污水灌溉、污泥農(nóng)用等，使得各類污染物通過農(nóng)事活動進(jìn)入耕地土壤中。然而，土壤的自凈能力有限，當(dāng)污染物存在于土壤中的數(shù)量超過其可自凈的能力范圍時，土壤質(zhì)量則會發(fā)生惡化，對耕地土壤的生產(chǎn)力及農(nóng)作物品質(zhì)均產(chǎn)生一定程度的影響。多項研究表明，某些重金屬，如鉛、鎘等，具有潛在的生物積累性，常常被土壤農(nóng)作物富集于體內(nèi)，進(jìn)而通過食物鏈危害人類健康。因此，對土壤重金屬污染現(xiàn)狀及其污染源解析進(jìn)行持續(xù)性的研究，對土壤環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展及人類健康都有著重要且深遠(yuǎn)的意義。

1 土壤重金屬污染現(xiàn)狀

1.1 土壤重金屬污染現(xiàn)狀分析

土壤是介于生物界與非生物界之間的重要樞紐，而土壤環(huán)境也直接決定了植物的數(shù)量和質(zhì)量，最終通過食物鏈影響到動物及人類的生存與發(fā)展【1】。我國土壤重金屬污染主要來源于農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)，其中，工業(yè)生產(chǎn)主要包括污水灌溉、城市垃圾、工業(yè)廢渣、大氣沉降以及工業(yè)廢棄物堆放【2】，通過對廢水來源的調(diào)查統(tǒng)計，工業(yè)廢水在污水總量中的占比為最大，構(gòu)成土壤重金屬污染的重要來源之一【3】。有研究表明，在磷肥、鉀肥等化肥的生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會使用到含有鎳、釩、銣、銫等重金屬元素的礦石，在肥料的生產(chǎn)過程中，這些重金屬元素往往會被不同程度地帶入，最終隨著施肥的過程進(jìn)入土壤。除此之外，長期施用有機肥以及農(nóng)藥的頻繁施用，也是造成農(nóng)田重金屬污染及潛在風(fēng)險加劇的主要原因【4】。

1.2 耕地土壤重金屬污染現(xiàn)狀

在我國耕地土壤中，重金屬污染除來自巖石的風(fēng)化、土壤的形成過程以及生物地球化學(xué)循環(huán)等過程帶來的自然層面的污染以外，更為重要的是工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活過程中，人為造成的重金屬污染，這也是造成農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重金屬污染的最主要因素【5】。有資料表明，我國大約已有20%以上的耕地受到不同來源及不同類型環(huán)境污染物的污染【6】，其中遭受重金屬污染的耕地面積已接近0.1億hm2，污水灌溉污染耕地約為216.7萬hm2。我國農(nóng)田土壤重金屬污染相對嚴(yán)重的地區(qū)主要有華中（湖南、江西等地）、西南（云南、貴州等地）、長江三角洲及珠江三角洲等地【7】。

1.3 土壤重金屬污染對農(nóng)作物的影響

土壤—農(nóng)作物是一個動態(tài)體系，輸入重金屬元素的量過高容易造成土壤、地下水或產(chǎn)出作物的重金屬污染【8】。有研究表明，在種植白菜和蘿卜的土壤中施加豬糞，發(fā)現(xiàn)耕層土壤和作物可食用部分中Cu、Zn顯著累積【9】。對種植大豆的農(nóng)田中，連續(xù)數(shù)年施用豬糞，發(fā)現(xiàn)其 大豆中，鎘含量全部超標(biāo)，且存在向地下水遷移的風(fēng)險【10】。由于水稻較易從土壤中吸收和富集鎘，在水稻土中施用動物糞便、有機肥，不僅大大降低土壤環(huán)境質(zhì)量，還會帶來稻米鎘超標(biāo)的風(fēng)險【11】。玉米等農(nóng)作物能夠在一定程度上吸附土壤中重金屬，從而造成農(nóng)作物自身的重金屬含量超過其背景值，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成為有毒的化合物，而這些有毒物質(zhì)將會通過食物鏈的方式進(jìn)入到人體中，對人類生命健康造成一定程度的威脅[12]。當(dāng)農(nóng)田土壤遭到較為嚴(yán)重的重金屬污染后，會使農(nóng)作物大幅減產(chǎn)，從而導(dǎo)致土地利用率下降，與此同時，也對自然環(huán)境造成破壞。因此，科學(xué)有效地防治土壤重金屬污染及因地制宜地進(jìn)行土壤修復(fù)是極其必要的。

綜上所述，要想科學(xué)系統(tǒng)有效地做好土壤重金屬污染的治理與預(yù)防，首先要做好充分準(zhǔn)確的污染源解析，這對保障農(nóng)產(chǎn)品安全和人體健康有著十分重要的意義【13】。目前，被廣泛應(yīng)用的土壤重金屬污染源解析技術(shù)可按照定性源識別和定量源解析兩種方式進(jìn)行分類。

2 土壤重金屬污染源解析

2.1 定性源識別

2.1.1 描述性統(tǒng)計

重金屬元素的描述性統(tǒng)計法是通過計算研究區(qū)元素含量的變異系數(shù)，變異系數(shù)可以反映人類活動對環(huán)境介質(zhì)的干擾程度。一般來講，土壤中元素的殘渣態(tài)是由母質(zhì)風(fēng)化而來，而有效態(tài)多數(shù)受人為活動影響。因此，如果有效態(tài)含量占比越高，則殘渣態(tài)含量占比越低，那么可推斷人為來源的占比越高。

2.1.2 GIS空間分析

GIS（地理信息系統(tǒng)）空間分析法，可以將龐大而抽象的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為直觀的空間分布圖。因此，在用于區(qū)分面源污染和點源污染的情況下，可優(yōu)先采用GIS空間分析的方法。

2.1.3 元素相關(guān)性分析

在土壤重金屬元素定性源識別的普遍方法中，元素相關(guān)性分析法屬于相對簡單便捷的方法。它是對土壤重金屬進(jìn)行元素相關(guān)性分析的目前應(yīng)用最為廣泛的方法，通常可利用Pearson進(jìn)行分析。判斷標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)兩個元素呈顯著正相關(guān)時，則可判定為同源；而兩個元素呈負(fù)相關(guān)時，則可能不同源。

2.1.4 富集因子計算

利用富集因子法來解析土壤重金屬污染物，可以不區(qū)分人為來源與自然來源，而是根據(jù)被污染的載體中元素的富集程度，去判斷載體中元素的來源。由于采樣制樣以及環(huán)境介質(zhì)對濃度會有不同程度的影響，通常可引入適合條件的元素作為參比元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化來降低這些影響。

2.2 定量源解析

2.2.1 PMF分析法

PMF分析法是一種多元因子分析工具，它是利用正定矩陣因子的方法，對土壤重金屬污染源進(jìn)行分析。先通過權(quán)重計算的方法確定受體中是否存在誤差及誤差的大小，然后用最小二乘法確定主要污染源。此方法不需要測量源成分譜，解析結(jié)果更有實際意義，并且對于每個單獨數(shù)據(jù)點使用誤差估計，可更加合理地處理遺漏和不精確數(shù)據(jù)。

2.2.2 清單法

清單法在進(jìn)行土壤污染源解析的工作中，屬于較為常用的一種定量解析法。首先對污染受體進(jìn)行污染源識別，然后對各污染源的輸入通量進(jìn)行監(jiān)測和計算，最后計算出各污染源輸入通量占總通量的比值。此方法結(jié)果精度較高，但較為耗時費力，對于人力物力成本要求較高。

2.2.3 鉛同位素分析法

鉛元素在自然界中存在四種穩(wěn)定性同位素，在通過定量分析法，測算污染源相對貢獻(xiàn)率時，樣品中的鉛可能為兩個污染源的混合，利用二元模型的方法計算污染源對樣品中鉛的相對貢獻(xiàn)率，因此，此方法只可用于定量分析污染源的相對貢獻(xiàn)率。

3 土壤重金屬污染的防治措施

3.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，目前我國對重金屬污染的防治主要是源頭控制和修復(fù)防治。在源頭上規(guī)范農(nóng)藥化肥的生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)實踐以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物管理，減少重金屬的排放和輸入，以及綜合利用秸稈、移出高富集污染物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物，通過堆肥、飼料化、能源化等方式將其轉(zhuǎn)化為有價值的資源等方式。

對于防治土壤重金屬污染極其重要的是科學(xué)施肥，尤其是合理施用有機肥，通過提高土壤對重金屬的吸附能力的方式來提升自凈能力。還可以利用植物或微生物具有吸附、蓄積和轉(zhuǎn)移重金屬的能力，在受污染土壤中種植具有超富集能力的植物，通過植物的吸收和蓄積作用，可有效降低土壤中的重金屬含量。利用微生物降解和吸附作用，對重金屬污染的土壤也有良好的修復(fù)效果。因此，向土壤中施入降解能力較強的微生物，并使其在土壤中繁殖，可有效降低土壤重金屬的污染程度。

除此之外，修復(fù)重金屬污染土壤，還可通過理化手段來實現(xiàn)。其中物理方法主要是以改變土壤結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，從而減少重金屬在土壤中的遷移，具體方法有：翻土法、熱解吸法和換土法等?；瘜W(xué)方法主要是通過向土壤中添加化學(xué)物質(zhì)，如有機酸、無機酸和氧化劑等，這些化學(xué)物質(zhì)在土壤中，可使得重金屬元素發(fā)生氧化還原以及沉淀等化學(xué)反應(yīng)，通過這些化學(xué)反應(yīng)來有針對性地降低重金屬污染物在土壤中的遷移及生物可利用性。

3.2 工業(yè)生產(chǎn)方面

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，通過推動企業(yè)從原材料到產(chǎn)品的生產(chǎn)全周期采用清潔生產(chǎn)技術(shù)的方式，從源頭減少重金屬廢物的產(chǎn)生和排放。在嚴(yán)格控制工業(yè)廢棄物的超標(biāo)準(zhǔn)排放的同時，也要盡量降低廢棄物中重金屬的含量。加強固體廢棄物的處置，如加強含重金屬廢物如電池的回收和煤矸石山、尾礦山的綠化及整治。

在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，應(yīng)建立完善的重金屬污染土壤監(jiān)測體系，對重金屬的排放進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測與控制。通過對受污染區(qū)域進(jìn)行長期或定期監(jiān)測，確保及時發(fā)現(xiàn)問題，準(zhǔn)確評估治理效果，為后續(xù)治理工作提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)語

綜上所述，土壤重金屬污染問題，不僅涉及地球生態(tài)環(huán)境，更直接影響到農(nóng)作物品質(zhì)及人類飲食安全與生活質(zhì)量。在生產(chǎn)實踐中，應(yīng)根據(jù)不同需求與條件，通過定性源識別或定量源解析兩大途徑，對土壤重金屬污染進(jìn)行科學(xué)精準(zhǔn)地分析。通過源頭控制、土壤修復(fù)、監(jiān)測評估以及法律法規(guī)與公眾參與的綜合措施，有效減輕重金屬污染帶來的危害，從而更好地保護土壤環(huán)境和保障人類健康。

參考文獻(xiàn)

[1] 周生路，李如海，王君櫹，等. 耕地資源質(zhì)量與土壤環(huán)境監(jiān)測評價新方法[M].北京：科學(xué)出版社，2021（11）：149-152.

[2] 王文興，童莉，海熱提，2005. 土壤污染物來源及前沿問題[J].生態(tài)環(huán)境，2005（14）：1—5.

[3] 俄勝哲，楊思存，崔云玲，等. 我國土壤重金屬污染現(xiàn)狀及生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2009（19）：9104-9106.

[4] 曹慶軍，楊粉團，姜曉莉等. 長期施用有機肥對農(nóng)田土壤重金屬污染的影響[C].第十五屆全國玉米栽培學(xué)術(shù)研討會會議論文集，2017：22-23.

[5] 吳紹華. 經(jīng)濟快速發(fā)展下土壤重金屬積累過程及風(fēng)險預(yù)測預(yù)警[D].南京：南京大學(xué).2009.

[6] 史貴濤. 痕量有毒金屬元素在農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)中的生物地球化學(xué)循環(huán)[D]. 上海：華東師范大學(xué)，2009.

[7] 趙其國，駱永明. 論我國土壤保護宏觀戰(zhàn)略[J]. 中國科學(xué)院院刊，2015（30）：452-458.

[8] XIONG X， LI Y，LI W，et al. Copper content in animal manures and potential risk of soil copper pollution with animal manure use in agriculture [J]. Resources Conservation and Recycling， 2010（54）：985-990.

[9] ZHOU D，HAO X，WANG Y，et al. Copper and Zn uptake by radish and pakchoi as affected by application of livestock and poultry manures [J]. Chemosphere，2005（59）：167—175.

[10] XU Y，YU W，MA Q，et al. Accumulation of copper and zinc in soil and plant within ten-year application of different pig manure rates[J]. Plant Soil and Environment，2013|（59）：492-499.

[11]WANG T，TAN C，CAO X，et al. Effects of long-term fertilization on the accumu-lation and availability of heavy metals in soil [J]. Journal of Agro-Environment Science，2017（36）：257-263.

[12] YIN S，WU Y，XU W，et al. Contribution of the upper river，the estuarine region，and the adjacent sea to the heavy metal pollution in the Yangtze Estuary[J]. Chemosphere，2016（155）：564-572.

[13 ]YANG Y，Christakos G，GUO M，et al.Space-time quantitative source apportionment of soil heavy metal concentration increments[J]. Environmental Pollution，2017（223）：560-566.