土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)研究及其應(yīng)用

摘 要：當(dāng)前土壤重金屬污染問題日益凸顯，土壤重金屬污染，嚴(yán)重破壞了土壤內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。不僅會(huì)降低農(nóng)作物產(chǎn)量，還會(huì)對(duì)人類身體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。基于此，從修復(fù)原理、修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用以及修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和不足這幾個(gè)方面重點(diǎn)分析了生物修復(fù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)和物理或化學(xué)修復(fù)技術(shù)在土壤重金屬污染修復(fù)中的實(shí)際應(yīng)用，為土壤重金屬污染修復(fù)相關(guān)工作提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：土壤；重金屬污染；修復(fù)技術(shù)；微生物；生態(tài)

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）09–0-03

土壤中重金屬元素的來(lái)源主要有自然環(huán)境和人為干擾輸入兩種途徑。在自然環(huán)境中，成土母質(zhì)和成土過程對(duì)土壤重金屬含量的影響很大。在各種人為因素中，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通等導(dǎo)致的土壤重金屬污染所占比重較高。土壤重金屬污染不僅會(huì)影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還會(huì)通過食物鏈最終危害到人類的身體健康?；诖?，對(duì)土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究與探討具有重要意義。

1 生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)是指利用生物的新陳代謝對(duì)有機(jī)污染物及氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的同化作用來(lái)改善環(huán)境的治理技術(shù)。其能有效降低受重金屬污染的土壤中重金屬濃度，達(dá)到治理污染的目的。該技術(shù)簡(jiǎn)便易行，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。當(dāng)前，主要的生物修復(fù)技術(shù)有植物修復(fù)技術(shù)和微生物修復(fù)技術(shù)。

1.1 植物修復(fù)技術(shù)

1.1.1 植物修復(fù)技術(shù)概述

植物修復(fù)技術(shù)主要涉及植物抽取、穩(wěn)固及揮發(fā)這三種路徑?！俺槿　敝?，植物通過根部攝取土壤中的重金屬，隨后將重金屬運(yùn)輸?shù)街θ~，并在枝葉中聚集利用特定化學(xué)物質(zhì)激發(fā)或調(diào)整土壤條件，促使特定植物更好地吸收土壤中的重金屬。目前觀察到超過400種植物有能力聚集重金屬，比如鳳尾蕨能吸收砷，狼尾草則對(duì)鎘和鋅有較好的富集能力。“穩(wěn)固”指，植物的根部通過吸附、化學(xué)結(jié)合或沉淀等方法，將土壤中的重金屬元素鎖定，防止其滲透到地下水層或擴(kuò)散到大氣中，比如串葉松香草具備固土神功，對(duì)土壤中頑劣的鎘元素有攔截之效[1]。“揮發(fā)”指借助植物根系分泌的物質(zhì)或者與土壤微生物的聯(lián)合作用，將土壤里的重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性形態(tài)，以此達(dá)到清除的目的，比如洋麻和煙草這類植物，在土壤里能對(duì)金屬汞起到一定的清除作用[2]。

1.1.2 植物修復(fù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的土壤整治手段相比，植物修復(fù)技術(shù)所需的資金成本較少，無(wú)需機(jī)械和化學(xué)品的投入，挑選合適的綠植就能開展整治工作。運(yùn)用特定植物進(jìn)行生態(tài)治理，不僅能改善環(huán)境，而且可以促進(jìn)生態(tài)平衡的恢復(fù)。同時(shí)，利用植物的自我凈化能力，可以顯著提高土壤的有機(jī)成分和肥沃度，助力土壤生態(tài)系統(tǒng)健全發(fā)展，在一定限度上降低了重金屬流向其他地方的風(fēng)險(xiǎn)，遏制了重金屬污染的擴(kuò)散[3]。

1.1.3 植物修復(fù)技術(shù)改善策略

采用植物進(jìn)行環(huán)境修復(fù)并非盡善盡美。面對(duì)土壤重金屬污染，植物的承受能力有限，部分植物僅能在中度或輕度污染的環(huán)境中生存。并且，植物成長(zhǎng)周期長(zhǎng)，土壤治理見效慢。此外，針對(duì)某些特殊的重金屬污染狀況，單一采用植物修復(fù)技術(shù)往往難以奏效，必須與其他治理手段聯(lián)合應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)全面的污染治理。在未來(lái)，以植物為關(guān)鍵的修復(fù)技術(shù)，相關(guān)研究人員可進(jìn)行以下幾方面的調(diào)整與優(yōu)化。

第一，應(yīng)深入挖掘更多具備超強(qiáng)積累本領(lǐng)的植物品種，研究它們的生長(zhǎng)習(xí)性，以及在土壤修復(fù)方面的能力。

第二，應(yīng)著力提升植物修復(fù)技術(shù)在凈化環(huán)境方面的效能，簡(jiǎn)化操作流程，加快處理速度，提高植物對(duì)重金屬的吸收效率，例如借助土壤修復(fù)劑加速植物生長(zhǎng)等來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。

第三，應(yīng)深入研究各種修復(fù)技術(shù)組合使用的可能性，旨在提高修復(fù)效率和速度，深入探索植物修復(fù)技術(shù)在多樣環(huán)境下的實(shí)際運(yùn)用，充實(shí)研究成果，為之后工程項(xiàng)目提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)根據(jù)和技術(shù)保障。

1.2 微生物修復(fù)技術(shù)

在治理土壤重金屬污染過程中，微生物擔(dān)任著重要角色。它們通過吸附、沉淀、氧化還原等方式有效削減土壤的重金屬負(fù)載。例如，研究人員在香蒲的根部附近發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的微生物，其能將土壤中如銅和鎘這類有害金屬轉(zhuǎn)化為不易溶解狀態(tài)，有效降低有害金屬對(duì)土壤及其周邊環(huán)境的潛在危害[5-7]。在土壤重金屬治理中，細(xì)菌、真菌、藻類這類微生物的主要功效表現(xiàn)在多個(gè)關(guān)鍵層面。

第一，吸附作用。微生物所擁有的活性位點(diǎn)能有效捕捉土壤溶液中的重金屬離子，使這些有害物質(zhì)失去效能，進(jìn)而顯著減少土壤的重金屬負(fù)載。

第二，沉淀作用。微生物在其代謝活動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生諸如胞外多糖之類的代謝產(chǎn)物，這些產(chǎn)物能與重金屬離子結(jié)合形成不溶性沉淀，從而將重金屬固定在土壤中，降低其在土壤中的溶解度和生物可利用性。

第三，氧化還原作用。某些微小生物擁有氧化還原反應(yīng)的能力，可以扭轉(zhuǎn)土壤中重金屬的化學(xué)形態(tài)，減弱其毒害效果，或助其凝聚淘汰，進(jìn)而降低土壤里重金屬的毒害效果[8]。

綜上所述，借助微生物的吸附、沉淀和氧化還原等作用機(jī)理，可以顯著減少土壤中重金屬的含量，從而提升土壤品質(zhì)，維護(hù)生態(tài)環(huán)境及人類健康。在未來(lái)，相關(guān)研究人員需要進(jìn)一步深入挖掘微生物在治理土壤中重金屬污染方面的機(jī)理，升級(jí)微生物修復(fù)技術(shù)，從而提高治理效率，力求為土壤重金屬污染問題提供更高效的解決策略。

2 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)

農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)是通過因地制宜地調(diào)整農(nóng)作物耕作管理，以及在受重金屬污染的土壤中種植不進(jìn)入食物鏈的植物等，改變土壤中重金屬活性，從而降低重金屬含量或減少重金屬遷移，達(dá)到治理土壤重金屬污染效果[9-11]。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)重金屬污染方法主要有改變耕作制度、控制土壤水分，以及合理施用肥料等。

2.1 改變耕作制度

改變耕作制度方法的使用需踐行因地制宜的理念。在受到嚴(yán)重重金屬污染的地區(qū)，可通過多次連續(xù)種植和收割種植超富集植物來(lái)實(shí)現(xiàn)重金屬的有效移除。而在一些輕度重金屬污染的土壤周圍，可通過種植重金屬耐性植物，以達(dá)到減少重金屬在植物中的累積、保障農(nóng)作物安全的目的。

利用超富集植物的超強(qiáng)吸收能力對(duì)土壤中的污染物進(jìn)行自然降解。這類植物對(duì)重金屬有著極強(qiáng)的忍受力和吸收力，它們能在重金屬肆虐的土壤里茁壯成長(zhǎng)，并且把這些有害物質(zhì)集中在自己的地上部分，通過不斷地輪作農(nóng)作物，將土壤表層的重金屬隨著作物一同收割，達(dá)到整治和恢復(fù)土壤重金屬含量的目的[12-14]。

重金屬耐性植物可在輕微受污染的土質(zhì)中茁壯成長(zhǎng)，它們將從土壤中吸收的重金屬轉(zhuǎn)移到根部或地下，從而降低了地上部分的重金屬含量，采用特定植物來(lái)吸納重金屬，以此削減作物內(nèi)重金屬的堆積，確保食物鏈的安全無(wú)虞。

此外，調(diào)整農(nóng)作物的種類和農(nóng)業(yè)耕作方式也能有效降低土壤重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。農(nóng)戶可挑選那些既能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境，又能夠抵御重金屬侵害的農(nóng)作物進(jìn)行種植，有效減少重金屬在土壤中的沉積量，同時(shí)，也能降低重金屬對(duì)環(huán)境和人體健康可能造成的威脅。通過變換農(nóng)作方式，實(shí)施作物輪換、周期性讓地休息、施用生態(tài)肥料等策略，能夠顯著優(yōu)化土壤構(gòu)造，增強(qiáng)土壤的抗病能力和自我恢復(fù)力，降低重金屬在土壤中的累積速度，減少其在食物鏈中的傳遞過程。

2.2 控制土壤水分

土壤的水分狀況對(duì)作物的氧化還原情況影響深遠(yuǎn)，其能調(diào)節(jié)土壤的干濕程度，改變作物氧化還原屬性，進(jìn)而減少重金屬對(duì)土壤的毒性影響。

在水稻田中，農(nóng)戶可運(yùn)用灌溉技術(shù)對(duì)水資源進(jìn)行合理管理。灌溉后，土壤表層會(huì)浮上一層水，有利于作物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。與此同時(shí)，土壤中的重金屬離子會(huì)跟硫化氫結(jié)合，進(jìn)而生成溶解度較低的硫化物沉淀，通過這種沉淀作用，能顯著移除土壤中的重金屬元素，有效降低它們的活性及毒性[15]。除人工灌溉，農(nóng)戶還可通過更換排水設(shè)施或替換地表層物料等方式控制土壤中的含水量。

2.3 合理施用肥料

濫用或誤用肥料和殺蟲劑，是引起土壤重金屬污染的重要因素之一。這些蘊(yùn)含重金屬的化學(xué)物質(zhì)若使用過量或者處理不當(dāng)，會(huì)在土壤里累積，造成重金屬含量超出標(biāo)準(zhǔn)。在農(nóng)田作業(yè)過程中，科學(xué)、合理地施用化肥、有機(jī)肥料及農(nóng)藥，可以顯著減少土壤中重金屬的污染風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)此，相關(guān)部門應(yīng)主動(dòng)普及肥料和農(nóng)藥的施用技巧，以避免農(nóng)戶對(duì)化肥和農(nóng)藥的過量施用，進(jìn)而降低重金屬在土壤中的沉積量。合理施用肥料包括運(yùn)用精準(zhǔn)的土壤檢測(cè)與匹配技術(shù)，針對(duì)土壤的養(yǎng)分水平和作物的具體需求，有針對(duì)性地挑選合適的肥料種類及確認(rèn)其合適的施用量，從而減少重金屬通過土壤進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的情況。

此外，施用有機(jī)肥料也是減輕土壤中重金屬污染問題的一個(gè)切實(shí)可行的方法。有機(jī)肥料一般源自動(dòng)物與植物殘余的有機(jī)質(zhì)，這種肥料所含重金屬較少，不會(huì)像化學(xué)肥料那樣使得土壤中重金屬含量上升。采用有機(jī)肥不僅能增加土壤的養(yǎng)分并增強(qiáng)其持水功能，還能減少對(duì)無(wú)機(jī)肥料的依靠，規(guī)避土壤重金屬污染的問題。

總之，巧妙利用化肥、有機(jī)肥料及農(nóng)藥，能顯著減輕土壤重金屬污染的危機(jī)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，相關(guān)部門應(yīng)引導(dǎo)農(nóng)戶科學(xué)地使用化學(xué)肥料與農(nóng)藥，挑選與土壤和作物實(shí)際需求相匹配的肥料種類并控制其用量，同時(shí)大力宣傳有機(jī)肥料的優(yōu)勢(shì)，從而保護(hù)土壤生態(tài)的完整性與農(nóng)作物的品質(zhì)安全。

3 物理或化學(xué)修復(fù)技術(shù)

土壤受到重金屬的侵?jǐn)_，其本質(zhì)是重金屬的固有屬性與土壤的物理化學(xué)特性相互作用的結(jié)果，采用物理或化學(xué)的修復(fù)策略對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行摘除或穩(wěn)定處理，目的在于削減土壤中重金屬帶來(lái)的環(huán)境威脅，達(dá)到凈化土壤的效果。物理或化學(xué)的修復(fù)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、周期較短的優(yōu)勢(shì)，然而也存在工程量大、費(fèi)用高昂等缺陷。

3.1 淋洗土壤

淋洗法是一種有效的土壤修復(fù)技術(shù)，適用于廣闊地塊、污染嚴(yán)重區(qū)域，以及砂性或疏松類型土壤。在進(jìn)行土壤修復(fù)時(shí)，選擇合適的淋洗添加劑至關(guān)重要。淋洗液作為清洗介質(zhì)可以剝離土壤中頑固的重金屬污染。這些添加劑可以是化學(xué)物質(zhì)，如酸、堿或螯合劑，也可以是生物可降解的物質(zhì)，如生物界面活性劑。添加劑的選擇取決于土壤中存在的重金屬類型和濃度以及修復(fù)的具體目標(biāo)。例如，對(duì)于含鉻污染的土壤，可選擇使用堿性添加劑來(lái)促進(jìn)鉻的溶解和移動(dòng)[16]。

同時(shí)，淋洗液的濃度也需要進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。濃度過高可能導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞或者重金屬在土壤中重新沉積，而濃度過低則可能無(wú)法有效去除污染物。土壤的質(zhì)地、孔隙結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量等都會(huì)影響淋洗液與土壤顆粒之間的相互作用，從而影響重金屬的遷移和去除效率。

此外，受污染的程度也需要在修復(fù)過程中進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于重度污染的土壤，需采取更加激進(jìn)的淋洗策略，例如增加淋洗液的濃度或淋洗頻率，或者結(jié)合其他修復(fù)技術(shù)，如植物修復(fù)或熱解吸附。并且，重金屬在土壤中的存在形態(tài)也會(huì)影響淋洗修復(fù)的效果，某些形態(tài)的重金屬可能比其他形態(tài)更難去除，因此需要針對(duì)性地選擇淋洗液和調(diào)節(jié)淋洗條件。

3.2 客土、換土、翻土等方式

針對(duì)一定范圍內(nèi)受重金屬污染的土壤，農(nóng)戶可采取更換、翻動(dòng)或注入外來(lái)土壤的方法進(jìn)行整治。

采用客土法，就是向被重金屬侵害的土壤里補(bǔ)充新鮮土壤，或者將干凈土壤和污染土壤混合均勻，這樣可以將土壤里重金屬的含量降至安全標(biāo)準(zhǔn)以下，達(dá)到凈化土壤的目的[17]。

實(shí)施土壤更換是指把臟土全部或部分換成干凈的土壤，更換的深度要超過耕作的層次。同時(shí)，采取特制土壤調(diào)理技術(shù)，針對(duì)受重金屬污染的地表土壤特性，通過農(nóng)業(yè)措施激活深層土壤。

翻土技術(shù)即改變土壤層次，擴(kuò)大重金屬分布范圍，以此減輕土壤中重金屬的濃度，確保土壤中的重金屬濃度在安全水平之內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)的種類繁多，每種技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與局限。在實(shí)際選擇與操作時(shí)，農(nóng)戶及相關(guān)技術(shù)人員需綜合考量重金屬污染物的特性、土壤的實(shí)際情況、污染的嚴(yán)重程度及期望的修復(fù)成果等因素，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高土壤修復(fù)成效。

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收稿日期：2024-06-11

作者簡(jiǎn)介：陳金祖（1977—），男，福建福州人，研究方向?yàn)榄h(huán)境工程。