農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)最新研究進(jìn)展

摘要：農(nóng)田土壤重金屬污染關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，因此受到了廣泛的關(guān)注。我國農(nóng)田土壤類型多樣，重金屬污染具有來源廣、成分復(fù)雜、隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此防治形勢非常嚴(yán)峻。本文總結(jié)了國內(nèi)最新的農(nóng)田土壤重金屬污染的修復(fù)技術(shù)，列舉了化學(xué)修復(fù)技術(shù)、生物修復(fù)技術(shù)和電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)等領(lǐng)域的典型研究成果，以期為我國農(nóng)田土壤重金屬污染綜合治理與修復(fù)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：重金屬;污染;修復(fù);農(nóng)田;進(jìn)展

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）05-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.05.037

Abstract： Heavy metal pollution of farmland soil is related to the quality and safety of agricultural products， so it has been widely concerned. There are various types of farmland soil in China， and heavy metal pollution has the characteristics of wide source， complex composition and strong concealment， so the control situation is very severe. In this paper， the latest remediation technologies of heavy metal pollution in farmland soil in China are summarized， and the typical research achievements in the fields of chemical remediation， bioremediation and electrodynamic remediation are listed， so as to provide references for comprehensive treatment and remediation of heavy metal pollution in farmland soil in China.

Key words： Heavy metals; Pollution; Remediation; Farmland; Progress

《中華人民共和國土壤污染防治法》于2019年1月1日正式實(shí)施，這標(biāo)志著我國的土壤保護(hù)工作上升到了法律層面，土壤污染防治進(jìn)入了“新紀(jì)元”。農(nóng)田土壤重金屬污染關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，和國民的健康息息相關(guān)，是土壤污染防治的重中之重，因此受到了廣泛關(guān)注[1-2]。我國的農(nóng)田土壤重金屬污染具有來源廣、成分復(fù)雜、隱蔽性強(qiáng)、自凈能力差、風(fēng)險(xiǎn)累積時(shí)間長等特點(diǎn)[3-4]，因此我國農(nóng)田土壤重金屬污染及其防治形勢非常嚴(yán)峻。

農(nóng)田土壤重金屬污染非常復(fù)雜，其修復(fù)技術(shù)是涉及多學(xué)科、多方法的綜合技術(shù)，需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)、生物技術(shù)、農(nóng)藝技術(shù)以及電動(dòng)力學(xué)技術(shù)等是我國常見的農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)。本研究總結(jié)國內(nèi)最新的農(nóng)田土壤重金屬污染的修復(fù)技術(shù)的研究成果，為我國的農(nóng)田土壤重金屬污染綜合治理與修復(fù)提供參考和借鑒。

1 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)修復(fù)技術(shù)是通過填加土壤化學(xué)修復(fù)劑，利用氧化還原、沉淀、絡(luò)合、吸附、溶解等手段，降低污染物的遷移性或有效性，從而達(dá)到修復(fù)的目的[5-6]。Cr是我國農(nóng)田土壤中常見的重金屬，利用可溶性硫化物處理Cr，可以達(dá)到較好的修復(fù)效果。劉增俊等選用連二亞硫酸鈉為修復(fù)劑，并采用正交實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)土壤中的Cr進(jìn)行修復(fù)，結(jié)果表明連二亞硫酸鈉可以大幅降低Cr的生物有效性，連二亞硫酸鈉的劑量是影響Cr生物有效性的主要因素[7]。許超等在機(jī)理層面進(jìn)行了多硫化鈣對(duì)Cr污染土壤的化學(xué)還原穩(wěn)定化修復(fù)的試驗(yàn)，結(jié)果表明，作為一種高效的Cr還原穩(wěn)定化藥劑，多硫化鈣與Cr的反應(yīng)機(jī)理明確，反應(yīng)控制可嚴(yán)格進(jìn)行，因此適用于大規(guī)模生產(chǎn)[8-9]。

原位鈍化修復(fù)技術(shù)具有成本低、操作方便、效果好等優(yōu)點(diǎn)，在時(shí)間和成本上能夠較好地滿足治理需求，作為降低重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的一種修復(fù)手段，廣泛應(yīng)用于我國農(nóng)田土壤重金屬污染治理中。原位鈍化修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵是鈍化劑的選擇，硅鈣物質(zhì)、金屬及金屬氧化物、含磷物質(zhì)、生物炭、黏土礦物、有機(jī)物料、新型材料及化工肥料等都是常見的鈍化劑。孟龍選用了2種不同鎘積累水稻品種，在輕中度污染土壤中進(jìn)行原位鈍化小區(qū)試驗(yàn)，對(duì)比了石灰、生物質(zhì)炭、土壤調(diào)理劑及海藻有機(jī)肥對(duì)土壤Cd的生物有效性及不同水稻對(duì)Cd的富集及轉(zhuǎn)運(yùn)能力的影響，明確了土壤調(diào)理劑具有最佳的鈍化效果，并篩選出了低鎘積累的水稻品種[10]。

海泡石具有巨大的表面積和豐富的空隙，因此可以作為良好的鈍化材料[11]。研究表明，化肥能夠不同程度地影響水稻土重金屬Cd鈍化效果及其穩(wěn)定性[12]。黃榮等選取了KCl和K2SO4作為鉀肥，采用盆栽油菜的方式，研究了海泡石鈍化條件下，不同劑量的鉀肥對(duì)Cd污染土壤修復(fù)效應(yīng)的影響，結(jié)果表明K2SO4對(duì)鈍化效果的影響更小[13]。孫慧采用海泡石與生物炭混合施用的方式研究其對(duì)Cd的鈍化效果，結(jié)果表明海泡石和生物炭混合施用的方式提高了土壤的pH值，從而降低了土壤Cd的有效態(tài)含量，并能夠明顯降低油菜地上及地下部分的Cd含量，達(dá)到了安全食用的標(biāo)準(zhǔn)[14]。

總體來看，化學(xué)修復(fù)技術(shù)具有廣泛的材料或試劑來源，但對(duì)修復(fù)技術(shù)要求較高，而且會(huì)改變土壤的生態(tài)結(jié)構(gòu)，再加上修復(fù)副產(chǎn)物和修復(fù)材料的回收及處理技術(shù)規(guī)范缺失，因此二次污染的風(fēng)險(xiǎn)較高。

2 生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)是依靠生物的生命代謝活動(dòng)來減少土壤環(huán)境中有毒有害物的濃度，從而使土壤環(huán)境能夠部分地或完全地恢復(fù)到初始狀態(tài)。生物修復(fù)技術(shù)具有環(huán)境友好、成本低、對(duì)土壤結(jié)構(gòu)擾動(dòng)小、不易引發(fā)二次污染、且易被公眾接受等優(yōu)勢，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。超富集植物和耐性植物的篩選是目前生物修復(fù)重金屬污染土壤的主要研究領(lǐng)域[15-17]，尤其是超富集植物，它對(duì)重金屬的耐受性和吸收富集能力非常強(qiáng)，因此備受科研人員的關(guān)注[18]。

研究表明，伴礦景天是一種超富集植物，對(duì)Cd和Zn都有明顯的富集能力，尤其是在北方溫帶地區(qū)以及長江中下游地區(qū)，可以顯著降低土壤中的Cd和Zn濃度，達(dá)到很好的修復(fù)效果[19]。韓存亮等在粵北某礦區(qū)周邊重金屬中度污染稻田中，研究了超富集植物伴礦景天、富集植物楊桃、農(nóng)作物玉米低積累品種單種及套種幾種方式下植物修復(fù)和安全利用的效果，結(jié)果表明在粵北受鎘中度污染稻田土壤中，可以利用伴礦景天和楊桃進(jìn)行修復(fù)且效果明顯[20]。

目前超富集植物研究的重點(diǎn)主要集中在擁有更大生物量且對(duì)重金屬具有較高耐受性的植物篩選與應(yīng)用領(lǐng)域。曾鵬等通過溫室盆栽構(gòu)樹的方式，探討了構(gòu)樹生長如何影響重金屬污染土壤的酶活性以及微生物群落的結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明構(gòu)樹修復(fù)污染土壤可以明顯提高土壤酶活性以及微生物的多樣性，有效改善重金屬污染土壤的環(huán)境質(zhì)量，但是構(gòu)樹并不能明顯降低污染土壤中的重金屬有效態(tài)含量，因此可以通過物理或化學(xué)措施來強(qiáng)化構(gòu)樹的生態(tài)修復(fù)潛力[21]。

3 電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)

電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)是近些年發(fā)展起來的全新的土壤污染修復(fù)技術(shù)，它采用在污染土壤區(qū)域兩端放置電極的方式，通過施加電壓后形成的電場，使土壤中的帶電粒子向陰陽兩極定向遷移并逐漸富集，然后再將帶電粒子遷出土壤，以此降低土壤污染物的濃度。電動(dòng)修復(fù)技術(shù)高效、經(jīng)濟(jì)、易操作，因此已得到國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。

在電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)中，影響修復(fù)效率以及電能消耗的重要因素包括土壤類型、電壓以及電極材料等。我國土壤類型種類繁多，土壤性質(zhì)差異較大，因此高效修復(fù)的關(guān)鍵就是針對(duì)不同的土壤類型選擇不同的修復(fù)條件和技術(shù)。肖惠萍等對(duì)比了多種不同土壤類型（黑土、潮土、紅壤、水稻土和黃棕壤）的重金屬污染電動(dòng)力學(xué)修復(fù)效果，結(jié)果表明，不同類型土壤在相同的修復(fù)條件下具有明顯的修復(fù)效率差異，而紅壤在研究條件下具有最高的Cd遷移率[22]。祝方等選用三種不同的電壓強(qiáng)度研究Zn污染土壤的電動(dòng)修復(fù)效果，結(jié)果表明隨著電壓梯度的增加，電流值和重金屬的去除率都有明顯的提高[23]。方振東等選擇了不銹鋼、石墨板、鈦板和鈦網(wǎng)等四種不同的電極，研究電極材料對(duì)Cu和Cd污染土壤的電動(dòng)力學(xué)修復(fù)效率的差異，結(jié)果表明修復(fù)效率最佳的電極材料是石墨，并且不同的電極材料不會(huì)影響修復(fù)過程中重金屬的形態(tài)[24]。

近年來，隨著電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)的不斷發(fā)展，兩種以上的修復(fù)技術(shù)聯(lián)合使用成為研究的重點(diǎn)，例如周鳴等通過在陰極添加EDTA的方式，通過提高電流值，增加了陰陽極電解液中重金屬的累積量，從而提高了重金屬的去除率[25]。薛浩等選用乙酸和檸檬酸對(duì)土壤進(jìn)行預(yù)處理，以來增強(qiáng)電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)的效果，結(jié)果表明酸化預(yù)處理后，土壤中的部分Cr由碳酸鹽結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化為更易遷移的水溶態(tài);并且檸檬酸可與Cr發(fā)生絡(luò)合作用，進(jìn)一步提高Cr的去除效率[26]。張宇等也通過加入螯合劑腐植酸的方式，有效地提高了土壤中Cd的去除率[27]。李青青則采用活性炭纖維（ACF）-電動(dòng)修復(fù)聯(lián)用技術(shù)，修復(fù)Cr污染土壤，并研究了陽極電解液pH、電壓以及電極間距等如何影響電動(dòng)修復(fù)過程以及修復(fù)效率。

4 結(jié)論與展望

近些年，我國在農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)方面取得了顯著的進(jìn)步，在化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)以及電動(dòng)力學(xué)修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域都積累了不少成果。但值得注意的是，農(nóng)田土壤重金屬污染的修復(fù)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，尤其是我國土壤類型多樣，再加上不同土壤重金屬的背景值不同、污染成因和積累過程多樣化，時(shí)空分布特征和規(guī)律差異明顯，因此在修復(fù)技術(shù)方法的選取上一定要調(diào)查污染場地的土壤類型和污染狀況，并綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本、修復(fù)周期以及后期管理等因素，尤其對(duì)于復(fù)雜性污染，優(yōu)先采用聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，因地制宜地開展農(nóng)田重金屬污染修復(fù)工作，這對(duì)于推進(jìn)我國農(nóng)田土壤污染防治具有現(xiàn)實(shí)意義。

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收稿日期：2019-03-06

作者簡介：沈小帥（1986-），男，工程師，研究方向?yàn)槲廴緢龅卣{(diào)查及土壤、地下水修復(fù)。