農(nóng)村重金屬污染土研究綜述及景觀資源化探討

丁吳萍

（浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江杭州 311300）

土壤是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，植物的生長習(xí)性與土壤的理化性質(zhì)息息相關(guān)，土壤中的重金屬尤其影響植物的生長，重金屬通過食物鏈進(jìn)入植物，進(jìn)而進(jìn)入人體或其他動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行富集，影響人類生命健康[1]。因此，無論是在中國還是世界范圍內(nèi)，對于重金屬污染土的防治和修復(fù)都成為了日益突出的問題[2]。2005 年，中共中央提出了社會(huì)主義新農(nóng)村的具體要求，進(jìn)一步推進(jìn)我國生態(tài)文明建設(shè)和美麗中國建設(shè)，中共十九大會(huì)議上提出農(nóng)村振興的戰(zhàn)略，明確了在社會(huì)主義建設(shè)事業(yè)中生態(tài)建設(shè)的重要性。隨著人類文明的發(fā)展與進(jìn)步，礦產(chǎn)開采、農(nóng)藥化肥的使用以及人類的各類活動(dòng)導(dǎo)致重金屬進(jìn)入到土壤環(huán)境中，造成了不同程度的重金屬污染。據(jù)2007 年《中國環(huán)境狀況公報(bào)》報(bào)道，國土資源部稱我國目前受重金屬、農(nóng)藥等污染物污染的耕地約達(dá)1×107hm2，合計(jì)占全國耕地總面積的10%以上，足見農(nóng)村土壤重金屬污染之重[3]。近30 年來，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者專注于解決這些受到重金屬污染的土壤，對污染土壤進(jìn)行修復(fù)或是作為再生資源利用，然而對于農(nóng)村重金屬污染土的研究依然處于基礎(chǔ)修復(fù)的階段，并且由于資金耗費(fèi)的限制，修復(fù)重金屬污染土這一研究一直得不到有效的解決。在推進(jìn)農(nóng)村建設(shè)的進(jìn)程中，土壤污染問題引起了國內(nèi)外各類專家、企業(yè)和政府的關(guān)注，如何解決重金屬污染土的去向和改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境成為了農(nóng)村建設(shè)中關(guān)鍵問題[4]。因此，以中國知網(wǎng)（CNKI）和Science of Web 數(shù)據(jù)庫作為文獻(xiàn)基礎(chǔ)，針對污染土修復(fù)方式、重金屬污染土資源化進(jìn)行研究，總結(jié)國內(nèi)外當(dāng)前對于重金屬污染土修復(fù)方式和污染土資源化的方向，也提出了一些在農(nóng)村景觀方向資源化的建議，以期為相關(guān)研究者提供參考。

1 我國重金屬污染土現(xiàn)狀

1.1 重金屬污染土概念

土壤重金屬污染是指由于人類的活動(dòng)將重金屬帶入土壤中，致使土壤重金屬含量明顯高于其自然背景值，并造成生態(tài)破壞和環(huán)境質(zhì)量惡化的現(xiàn)象。土壤中的重金屬污染物主要是指含汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu），鎳（Ni）、鈷（Co）、錫（Sn）以及類金屬砷（As）等的污染物[5]。

1.2 重金屬污染土現(xiàn)狀

國家環(huán)境保護(hù)總局在1999 年對我國土地進(jìn)行調(diào)查，數(shù)據(jù)表明，我國有2667 萬hm2農(nóng)田（相當(dāng)于耕地的1/5）受到重金屬、農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)、酸雨沉降、放射性物質(zhì)、礦物油及致病微生物等因素污染，以無機(jī)重金屬污染最為典型，根據(jù)國土資源部統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，我國污染耕地中10%的污染源都是重金屬。

根據(jù)中華人民共和國國家統(tǒng)計(jì)局、中華人民共和國農(nóng)業(yè)部于2010 年2 月6 日聯(lián)合發(fā)布了《第一次全國污染源普查公報(bào)》（《公報(bào)1》）中對我國的水體污染、大氣污染還有土壤污染源進(jìn)行了總結(jié)，我國環(huán)境污染問題較為嚴(yán)重。調(diào)查顯示，經(jīng)過污水處理后的重金屬排放量（鎘、鉻、砷、汞、鉛）達(dá)0.09 萬t。另外，報(bào)告還對工業(yè)固體廢棄物的利用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量38.52 億t，綜合利用量僅為18.04 億t[6]。2014 年4 月17 日，中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部和中華人民共和國國土資源部聯(lián)合發(fā)布了《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》（《公報(bào)2》）中顯示全國土壤環(huán)境狀況總體上不容樂觀，部分地區(qū)的土壤污染嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)土壤污染范圍較廣，全國土壤的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%?！豆珗?bào)2》中顯示土壤污染中，無機(jī)污染是最嚴(yán)重的污染源，其次是有機(jī)污染，無機(jī)污染主要為重金屬污染，重金屬污染土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%。從污染分布上看，我國南方的土壤污染程度遠(yuǎn)高于北方。在報(bào)告中顯示，受到重金屬污染的土壤中，鎘污染是主要的重金屬污染，其次是砷和鉛[7]。

2015 年發(fā)布的《中國耕地地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告》（《報(bào)告3》）調(diào)查顯示，重金屬中-重度污染的耕地面積為2330 萬hm2，占調(diào)查點(diǎn)位的2.5%，輕微-輕度污染的耕地面積為5300 萬hm2，占調(diào)查點(diǎn)位的5.7%[8]。

2 重金屬污染土修復(fù)現(xiàn)狀

經(jīng)過近40 年的研究，目前對于重金屬污染土的修復(fù)方式主要包括工程技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)[9]。其中，工程技術(shù)又包括物理修復(fù)技術(shù)和化學(xué)修復(fù)技術(shù)。

2.1 工程技術(shù)

2.1.1 物理修復(fù)技術(shù)。主要包括客土、翻土法、電解法、玻璃化、熱脫附等方法?？屯?、翻土的方式就是在修復(fù)過程中，從別處運(yùn)回?zé)o污染的土壤進(jìn)行更換為客土。在進(jìn)行一些農(nóng)業(yè)用地的修復(fù)時(shí)，將地下深層并未受到污染的土壤進(jìn)行翻耕，使得上下層的土壤位置調(diào)換，此為翻土[10-11]。

熱脫附法運(yùn)用的原理是利用高溫加熱的方式，將土壤中的重金屬揮發(fā)散去。這種修復(fù)方式的使用較為局限，常用于污染土壤中重金屬汞（Hg）的修復(fù)。

電解法所運(yùn)用的原理是給需要修復(fù)的土壤進(jìn)行通電，讓土壤中的重金屬在電場作用下，進(jìn)行電荷運(yùn)動(dòng)，富集在電極兩端，從而達(dá)到修復(fù)的效果。

玻璃化技術(shù)也被稱為熔融技術(shù)，是指通過高溫加熱，重金屬污染土壤分子熱運(yùn)動(dòng)，土壤中的晶體發(fā)生破壞，等溫度下降土壤內(nèi)分子形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且不易被降解的玻璃質(zhì)感物質(zhì)，這時(shí)重金屬被包裹于玻璃體物質(zhì)內(nèi)，從而達(dá)到對土壤重金屬永久固定目的的技術(shù)[12]。

2.1.2 化學(xué)修復(fù)技術(shù)?；瘜W(xué)修復(fù)技術(shù)就是通過添加土壤改良劑或表面活性劑改變土壤重金屬的理化性質(zhì)，從而降低其有效機(jī)能和遷移能力[13]，主要包括化學(xué)鈍化、化學(xué)強(qiáng)化、化學(xué)淋洗、固化/穩(wěn)定化等方法。

化學(xué)鈍化方式就是向土壤中加入鈍化劑，調(diào)節(jié)重金屬在土壤中的物理性質(zhì)，產(chǎn)生的氧化還原反應(yīng)降低了重金屬的有效性和活性[14]。

化學(xué)強(qiáng)化方式是配合其他修復(fù)方式的一種修復(fù)重金屬的方法，一般結(jié)合生物修復(fù)和物理修復(fù)使用，通過向土壤中加入合適的化學(xué)試劑，加強(qiáng)生物修復(fù)或物理修復(fù)的修復(fù)效果[15]。

化學(xué)淋洗法是指向受到重金屬污染的土壤中加入有特殊化學(xué)成分的淋洗液，利用水力學(xué)或機(jī)械攪動(dòng)土壤顆粒洗脫并清洗土壤中污染物的方法[16]。

固化/穩(wěn)定化是指向土壤中注入合適的化學(xué)試劑，化學(xué)試劑與土壤中的重金屬產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，通過改良的方式使得重金屬存在的形態(tài)發(fā)生改變，從而達(dá)到去除毒性的效果[17]。

2.2 生物修復(fù)技術(shù)

指利用生物的某些特性來適應(yīng)、抑制和改良土壤中重金屬含量的方法，包括植物修復(fù)法和微生物修復(fù)法[18]。

1977 年，生物學(xué)家布魯克斯（Robert Richard Brooks）首次提出了“超富集植物”的概念。植物修復(fù)法就是通過在重金屬污染土地上種植抗性植物，利用目的植物生長特性對土壤中金屬離子進(jìn)行吸附、分解、提取、轉(zhuǎn)化或是固定的方式，達(dá)到降低土壤中的重金屬含量[19]。

微生物修復(fù)法的核心是借助于高效降解菌對污染物的降解作用,微生物可以改變根際微環(huán)境，從而提高植物對重金屬的吸收、揮發(fā)或固定效率。土壤中的低等生物例如蚯蚓、螞蟻等也可以通過自身的運(yùn)動(dòng)改善土壤的物理性質(zhì)，自身體內(nèi)攜帶的微生物也可以提高土壤中的微生物含量，加強(qiáng)土壤自身的修復(fù)功能[20]。

以上介紹的2 種對于重金屬污染土的修復(fù)方式，在進(jìn)行修復(fù)的時(shí)候各有優(yōu)點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)，也有各自的缺點(diǎn)和不足，詳見表1[21]。

表1 重金屬污染土修復(fù)方式比較

綜合文獻(xiàn)和目前的研究可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)合駱永明等對我國土壤修復(fù)技術(shù)的研究展望，我國在受重金屬污染的農(nóng)村土壤重金屬的修復(fù)方式目前可總結(jié)為以下3類：I 類技術(shù)（植物提取與資源化技術(shù)）有一定的基礎(chǔ)，往產(chǎn)業(yè)化的方向靠攏，仍是研究熱點(diǎn)；II 類技術(shù)（重金屬鈍化與替代種植技術(shù)）在逐漸成熟，開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，由于修復(fù)資金的限制，技術(shù)緩慢發(fā)展；Ⅲ類技術(shù)（植物阻隔與穩(wěn)定化技術(shù)）已有研究基礎(chǔ)，正在加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，快速發(fā)展[22]。

3 資源化研究現(xiàn)狀

面對全球資源嚴(yán)重浪費(fèi)和短缺的現(xiàn)狀，大量的重金屬污染土得不到有效修復(fù)，國內(nèi)外的學(xué)者開始轉(zhuǎn)變研究思路，將重金屬污染土壤通過一定的處理轉(zhuǎn)化成新的再生資源。目前國內(nèi)外重金屬污染土資源化的研究有以下方向：

3.1 制作磚材

自從1986 年李愛明[23]通過工業(yè)廢渣制備免燒磚獲得國家專利之后，各類生活垃圾、建筑廢棄物生產(chǎn)磚材的研究成為了熱潮。2014 年，趙冀[24]通過電石渣、水泥、重金屬污染土制備免燒磚的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)材料比例合適時(shí)，可以制備高質(zhì)量的免燒磚。任伯幟等[25]采用重慶市某給水廠污泥、粉煤灰、黏土作為原料研究生產(chǎn)混合磚的試驗(yàn)，結(jié)果表明，在混合磚原料中摻入體積為30%～45%的給水廠污泥，最終制備成的磚成品能夠符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 制作生態(tài)水泥

日本很早就在進(jìn)行生態(tài)環(huán)保材料的研究，是世界上最早研究生態(tài)水泥制作的國家之一，在1997 年利用城市垃圾和市政污染泥土進(jìn)行生產(chǎn)高強(qiáng)度的生態(tài)水泥的研究。美國也是研究污染土壤制備水泥最早的國家之一。我國從21 世紀(jì)初開始研究，哈爾濱水泥廠最先引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)開始利用城市廢棄物進(jìn)行生產(chǎn)，慢慢轉(zhuǎn)變到重金屬污染土的研究，金漫彤[26]研究重金屬土壤聚合物制備生態(tài)水泥，研究發(fā)現(xiàn)：制備過程中，污染土壤的添加量不能超過8%。重金屬污染土作為制備水泥的材料添加量還是較少的。

3.3 制作陶粒

楊威[27]在研究固體廢棄物的資源化時(shí)，將鉻污染土與煤矸石、粉煤灰等材料共同制備陶粒，對制備而成的陶粒進(jìn)行耐久性能以及毒性浸出方面的測試，對陶粒成品的使用性能和環(huán)境安全系數(shù)進(jìn)行全面分析，最終發(fā)現(xiàn)，重金屬污染土可以作為制備陶粒的材料。呂浩陽[28]利用復(fù)合重金屬污染土壤制備免燒陶粒，研究發(fā)現(xiàn)合適的配比可以使得重金屬污染土也能夠滿足環(huán)境對于重金屬含量的要求。

3.4 路基填料

為了實(shí)現(xiàn)重金屬污染土的資源化利用，陳蕾等[29]添加水泥對重金屬污染土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泥的添加量在7.5%以上時(shí)，得出的資源化產(chǎn)品就可以符合路基的強(qiáng)度要求，并且浸出毒性也能夠滿足浸出標(biāo)準(zhǔn)。Yan-Jun Du 等[30]研究水泥與不同穩(wěn)定劑對于重金屬污染土的影響，對固化后的資源化產(chǎn)品進(jìn)行浸出毒性和抗壓強(qiáng)度的檢測，發(fā)現(xiàn)水泥與磷礦石結(jié)合可以符合抗壓強(qiáng)度的要求，這一研究也同樣表明了重金屬污染土與水泥或其他的穩(wěn)定材料結(jié)合產(chǎn)生的資源化產(chǎn)品可以作為路基的填料。

3.5 綠化土壤

將污染土用于植物培育，其實(shí)也是植物修復(fù)方式的實(shí)踐，重金屬污染土壤為植物提供生長基質(zhì)，植物又可以在不影響土壤結(jié)構(gòu)和肥力的情況下去除土壤中的重金屬有害物質(zhì)。所以，一些可以經(jīng)過植物修復(fù)的重金屬污染土，也可以成為一種植物培育基資源[31]。侯淑貞[32]在對輕度污染和中度污染的重金屬污染土進(jìn)行修復(fù)時(shí)，將鎘污染土壤作為植物盆栽的種植基地。

4 景觀資源化的探討

根據(jù)張治國等[10]統(tǒng)計(jì)了近30 年來的關(guān)于重金屬污染土研究的論文發(fā)現(xiàn)，我國在這方面的研究處于世界領(lǐng)先的地位，但是多數(shù)的研究集中于各類修復(fù)方式下的材料選擇，對于重金屬污染土資源化的研究相對較少，與相鄰學(xué)科的交叉研究較少。我國農(nóng)村建設(shè)中的重金屬污染土壤堆放和廢棄是一個(gè)不容忽視的問題，相比耗費(fèi)巨資修復(fù)污染土，將其作為農(nóng)村建設(shè)的再生資源是一個(gè)更好的方向。因此，針對重金屬污染土在景觀上的資源化提出以下幾點(diǎn)建議：

4.1 重金屬污染土總量的確定

農(nóng)村土壤的污染源是多樣的，首先得確定重金屬污染土的位置和估算出土壤的總量。國土部門應(yīng)該對農(nóng)村土壤進(jìn)行全面的調(diào)查，農(nóng)業(yè)部門對農(nóng)村土壤進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源上的調(diào)查，政府對于調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存檔，讓農(nóng)村土壤的信息實(shí)現(xiàn)完整的共享和公開的體系，并且建議保持?jǐn)?shù)據(jù)庫的不斷更新，長期追蹤農(nóng)村土壤的污染情況，針對污染位置、污染程度調(diào)整重金屬污染土的資源用途，最大程度地保障農(nóng)村農(nóng)業(yè)產(chǎn)品安全和土壤資源的利用率。

4.2 村民意識的提高

農(nóng)村重金屬土壤的資源化，在一定程度上來說，需要村民的配合。政府部門可以定期向村民宣傳農(nóng)村污染的嚴(yán)重性和資源利用的必要性，提高農(nóng)民保護(hù)土壤的意識，讓村民意識到重金屬污染會(huì)危及到農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)值和健康安全性。同時(shí)，政府相關(guān)部門還應(yīng)該給予水、肥、藥的使用指導(dǎo)和監(jiān)管，推廣測土配方施肥、病蟲害綜合防治等無公害農(nóng)產(chǎn)品、綠色食品和有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)，減少使用農(nóng)藥化肥不當(dāng)對土壤環(huán)境造成的污染。

4.3 重金屬污染土應(yīng)用于景觀的建設(shè)方式

重金屬污染土應(yīng)用于農(nóng)村景觀建設(shè)中，不僅能夠提升農(nóng)村環(huán)境，還符合了節(jié)約型園林的要求。在園林景觀建設(shè)中，園路的施工必不可少，農(nóng)村中重金屬污染土可以經(jīng)過適當(dāng)?shù)男迯?fù)方式，符合環(huán)境使用標(biāo)準(zhǔn)之后與建筑碎渣等材料混合使用，作為園林施工中的基層調(diào)料。在農(nóng)村景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中，農(nóng)村景墻和一些標(biāo)識系統(tǒng)的施工材料，同樣可以采用重金屬污染土作為再生建材。根據(jù)學(xué)者們做過的研究可知，重金屬污染土與水泥、石灰、礦渣等材料經(jīng)過合適的比例可以制作成免燒磚，只要確保磚體的強(qiáng)度能夠達(dá)到非承重墻的要求，重金屬經(jīng)過水泥固化對村民和環(huán)境造成的影響控制在安全范圍內(nèi)，將重金屬污染土作為農(nóng)村景墻和標(biāo)識系統(tǒng)建設(shè)的材料是非常有意義的應(yīng)用方式。

如果農(nóng)村中的重金屬污染土總量較大，那么土壤不僅可以用于當(dāng)?shù)剞r(nóng)村中的建設(shè)，也可以通過村民的雙手做簡易的資源化處理，資源化產(chǎn)品得到量產(chǎn)，運(yùn)送到別處的農(nóng)村景觀建設(shè)中，給村民帶來一定的經(jīng)濟(jì)收入，同時(shí)也響應(yīng)了農(nóng)村振興戰(zhàn)略中的產(chǎn)業(yè)振興要求。

重金屬污染土應(yīng)用于農(nóng)村景觀的技術(shù)手段如圖1。

圖1 重金屬污染土應(yīng)用于農(nóng)村景觀的技術(shù)手段

5 總結(jié)與展望

目前，我國農(nóng)村土壤受重金屬污染的形勢依舊嚴(yán)峻，探索合適高效的修復(fù)方式和資源化途徑是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。國內(nèi)外對重金屬污染土的修復(fù)方式主要有工程技術(shù)和生物技術(shù)，使用最多的是工程技術(shù)，近年來研究最多的是植物修復(fù)方式，植物修復(fù)的修復(fù)前景較大。

將農(nóng)村重金屬污染土作為景觀資源用于農(nóng)村景觀提升建設(shè)工程中，能夠緩解我國資源短缺的現(xiàn)狀，但是還需要更多的研究將污染土現(xiàn)狀與景觀資源化系統(tǒng)化、模式化，尋求一條切實(shí)可行的提高農(nóng)村重金屬污染土利用率、有效改善農(nóng)村環(huán)境的途徑，促進(jìn)建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村事業(yè)和農(nóng)村振興戰(zhàn)略發(fā)展。

重金屬污染土的資源化還處于不斷探索中，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和學(xué)者研究逐漸深入，將土壤的資源化與其他領(lǐng)域相互融合，加大重金屬污染土的資源利用率會(huì)有新的發(fā)展和突破。