農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀及治理措施

樊建瓊

(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

引言

耕地資源作為人類賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)一直以來受到眾多學(xué)者關(guān)注，耕地的重要性與人民群眾切身利益掛鉤。因此，國家政策、地方法規(guī)以及相關(guān)部門均提出要嚴(yán)格落實保護(hù)耕地[1]。根據(jù)第三次全國國土調(diào)查數(shù)據(jù)分析，我國耕地資源總量和優(yōu)質(zhì)耕地資源保有量均產(chǎn)生了負(fù)增長，而土壤重金屬污染問題是糧食安全的重要影響因素之一[2]。重金屬污染是當(dāng)前全球面臨的重要污染問題，隨著工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)活動污染、礦產(chǎn)開發(fā)以及廢棄礦山污染物外排，農(nóng)田土壤易受到來自多方面的重金屬污染。重金屬污染物進(jìn)入土壤后，由于其本身易積累、隱蔽性強(qiáng)和難以根除等特點(diǎn)，會對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和土壤微生物生活空間等造成嚴(yán)重危害。此外，部分重金屬還可以轉(zhuǎn)化形成毒性更強(qiáng)的化合物[3]。作為一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和消費(fèi)大國，耕地土壤安全的重要性不言而喻，受重金屬污染的農(nóng)田不僅可以造成土地資源利用率降低，同時也會降低耕地質(zhì)量，造成農(nóng)作物大面積減產(chǎn)或絕收，更為嚴(yán)重的是部分土壤污染物帶有毒副作用，通過食物循環(huán)進(jìn)入人體各個臟器，引發(fā)慢性中毒等問題，嚴(yán)重?fù)p害人類身體安全[4]。為了更為有效的解決農(nóng)田土壤重金屬污染問題，眾多學(xué)者從農(nóng)田土壤重金屬污染物監(jiān)測、來源、治理方案以及修復(fù)后評價等多個方面開展了試驗研究，但我國農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)的深度和處理能力均相對薄弱，也不能應(yīng)用于大規(guī)模的工程修復(fù)中[5，6]。因此，如何從根本上摸清農(nóng)田中土壤重金屬污染的來源，并制定行之有效的土壤修復(fù)措施，將是提高和改善我國耕地土壤重金屬污染的重點(diǎn)研究方向。

1 農(nóng)田土壤重金屬污染的主要來源

1.1 工業(yè)廢棄物排放引發(fā)的土壤重金屬污染

工業(yè)生產(chǎn)是推進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要力量，而伴隨大量礦產(chǎn)資源開采和消耗均會產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，同時也會產(chǎn)生大量有毒害的重金屬物質(zhì)。如，在煤炭資源開采和燃燒，鉛鋅礦開發(fā)和利用以及含砷金屬礦的開采、冶煉，產(chǎn)生的重金屬物質(zhì)會通過降雨淋溶等渠道流向農(nóng)田，并在農(nóng)田土壤中沉降聚集。而煤矸石的露天堆放，不止會產(chǎn)生大量有毒害廢氣，通過大氣沉降尤其是其產(chǎn)生的SiO2和Al2O3等重金屬污染物質(zhì)，會進(jìn)入農(nóng)田并長期集聚在土壤中導(dǎo)致農(nóng)田污損而無法種植作物[7，8]。另外，隨著城鎮(zhèn)人口和可開發(fā)利用土地資源的飽和，部分工業(yè)企業(yè)將廠址搬遷至農(nóng)村區(qū)域并開展工業(yè)生產(chǎn)和開發(fā)，其排放的工業(yè)污水是目前最常見也最典型的農(nóng)田土壤重金屬污染物來源之一，盡管國家已對工業(yè)廢水、污水排放進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，但在企業(yè)逐利天性的驅(qū)使下，較多未處理或處理不達(dá)標(biāo)的工業(yè)污水直接或間接的排入江河等地表水中，長期使用未被完全降解的污染水源進(jìn)入農(nóng)田灌溉系統(tǒng)，最終被土壤中的膠質(zhì)顆粒和作物根系吸附，進(jìn)而通過食物鏈危害人體健康。

1.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引發(fā)的耕地土壤重金屬污染

我國長期以來就是以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的農(nóng)業(yè)國家，為了保障全國人口的糧食安全，我國進(jìn)行了長達(dá)幾十年的研究，研究結(jié)果表明，在農(nóng)田中大量使用殺蟲劑，不合理施肥以及地膜等均會造成一定程度的土壤污染。構(gòu)成這些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素的有機(jī)和無機(jī)材料中含有大量的重金屬，如Cu、Zn和As等[9]，此類物質(zhì)的不合理過量使用，會使其含有的重金屬污染物聚集在土壤中，并伴隨作物種植過程中的土壤翻耕、犁璇等措施進(jìn)入土壤耕作層。而農(nóng)藥的噴灑，僅有約30%左右可附著于農(nóng)作物，剩余的70%左右則通過空氣傳播至土壤中，加劇耕地土壤中農(nóng)藥殘留，進(jìn)而引發(fā)土壤重金屬污染，其中的Cu等重金屬污染物漂浮于作物表面和農(nóng)田土壤表面，進(jìn)而造成重金屬污染物超標(biāo)。另外，地膜在我國耕地中已廣泛使用，雖然在一定程度上提高了作物產(chǎn)量，增加了群眾收益，但作物采收之后殘存于耕地土壤中的地膜將對耕作層土壤產(chǎn)生不良影響。截至目前，我國耕地中地膜殘留量約為2×106t，耕作層中的地膜殘留量達(dá)60kg·hm-2，由于地膜中含有Cd和Pb等重金屬元素，農(nóng)民在作物采收后，一般不會對地膜進(jìn)行回收，而是通過翻耕的形式將其繼續(xù)還田，伴隨使用量的加劇，不僅產(chǎn)生白色垃圾污染，也使土壤中的有毒害重金屬污染含量劇增，影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

2 農(nóng)田土壤重金屬污染的現(xiàn)狀

農(nóng)田土壤重金屬污染的主要有Ni、Hg、Cu、Pb、Cr、As等，且一般以離子形式存在于土壤中。重金屬元素在土壤中積累到一定程度，其含量超標(biāo)后會通過釋放毒素影響土壤和作物，在加上土壤腐朽的同時，影響土地質(zhì)量和作物產(chǎn)出率，而結(jié)合土壤重金屬分布特征及污染評級結(jié)果，農(nóng)田土壤中的重金屬污染物主要為Cd和Hg等物質(zhì)。截至2014年，我國受污染耕地多達(dá)8000萬hm2，占全國耕地面積的63.5%，土壤重金屬污染率就已達(dá)16.1%，而其中受到重金屬污染的占比已達(dá)20%[10]。受工業(yè)活動、農(nóng)業(yè)活動以及采礦活動等多種因素影響，對農(nóng)田土壤造成了極大污染。在糧食生產(chǎn)和糧食安全的大背景下，重金屬污染物通過各種渠道進(jìn)入農(nóng)田土壤，不僅會降低和削弱耕地土壤本身的肥力和耕性，同時也會由于重金屬物質(zhì)的本身屬性污染土地，導(dǎo)致農(nóng)田無法進(jìn)行利用。在工業(yè)發(fā)展中的金屬冶煉、礦產(chǎn)資源開發(fā)等產(chǎn)生的粉塵、污染顆粒物、廢水廢渣等均會產(chǎn)生重金屬污染物，此類重金屬污染物的隱蔽性高、持久性強(qiáng)和難降解等特點(diǎn)，且具有很強(qiáng)的復(fù)合性，具備相當(dāng)?shù)闹卫黼y度，不僅需要高昂的治理費(fèi)用也需要較大的技術(shù)可操作性，給農(nóng)田土壤污染防治工作帶來極大的壓力。此外，我國重金屬污染物的排放量仍在持續(xù)增長，每年造成的糧食減產(chǎn)問題超過1000萬t，由此而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失超過200億元。另外在其隱蔽性高的特點(diǎn)下，農(nóng)田土壤重金屬無法快速的被察覺，只能通過作物長勢和專項檢測等方式才能被發(fā)現(xiàn)，而重金屬污染的治理成本和治理周期均較長，尚未形成極具效果的修復(fù)技術(shù)。此外，部分地區(qū)群眾對重金屬污染重視程度不夠，作物采收后會進(jìn)入市場，會隨著食物鏈在人體內(nèi)積累，引發(fā)中毒危害。

3 農(nóng)田土壤重金屬污染的修復(fù)舉措

3.1 生物修復(fù)方法

生物修復(fù)方法主要包含植物修復(fù)和動物修復(fù)等。植物修復(fù)技術(shù)是將可吸收污染物的植物多次種植在污染區(qū)域內(nèi)，可以有效去除土壤污染物的一種技術(shù)。該技術(shù)具有一定的局限性，一般僅修復(fù)污染源單一且不嚴(yán)重的土壤，若土壤受到嚴(yán)重污染，將無法進(jìn)行修復(fù)，并且會使植物發(fā)生死亡。這些植物如果被動物食用，可能會導(dǎo)致污染面積擴(kuò)大，該項修復(fù)技術(shù)，使用周期最短3年，因此在選擇時間需結(jié)合修復(fù)目的與污染程度綜合考慮。生物修復(fù)技術(shù)是將有機(jī)營養(yǎng)物加入修復(fù)土壤中，或著合理控制土壤中的氧氣含量，利用微生物正常生理代謝過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸可較為有效的對土壤中重金屬污染物進(jìn)行吸收，以此實現(xiàn)土壤污染修復(fù)，最終達(dá)到修復(fù)效果。但值得注意的是，微生物在土壤中新陳代謝是一項十分復(fù)雜的生理過程，其微生物菌群之間是否會發(fā)生紊亂或者由于環(huán)境變化導(dǎo)致微生物菌群死亡，也有對土壤造成二次污染的可能性。微生物修復(fù)技術(shù)適合于大面積的土壤污染治理，但治理周期較長，并且由于土壤性質(zhì)和傳播方法等因素，造成有機(jī)物無法均勻分散現(xiàn)象。

3.2 物理修復(fù)方法

物理修復(fù)方法主要包含電動修復(fù)技術(shù)、客土換土技術(shù)和熱脫附修復(fù)技術(shù)等。電動修復(fù)技術(shù)是以電子在電場中的遷移為基礎(chǔ)進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)過程中，通過電場作用，遷移土壤內(nèi)存在的金屬電離子，達(dá)到修復(fù)治理污染的效果。電動修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢在于可定期對土壤進(jìn)行修復(fù)，并且不會破壞土壤的自身結(jié)構(gòu)，應(yīng)用范圍較廣，操作方法簡單、便捷。缺點(diǎn)在于修復(fù)期間存在較多資源的消耗，可能會導(dǎo)致突然酸堿度發(fā)生變化，無法達(dá)到穩(wěn)定的修復(fù)效果。在實際應(yīng)用中，一般采用活性劑作為強(qiáng)化劑，提高修復(fù)效果。客土換土修復(fù)技術(shù)主要針對污染較小的土壤，該技術(shù)是將干凈的土壤摻入污染土壤中，以此將污染問題減輕并起到修復(fù)作用。換土是將污染的土壤用干凈土壤替換，使原始受污染的土壤得以改善。以上2種方法，都存在較多的缺點(diǎn)，并且受限制影響因素較多，因此在實際應(yīng)用較少。物理修復(fù)的主要特點(diǎn)在于雖然污染土壤在經(jīng)處理過后會較為有效地改善土壤條件，污染物去除效果也較為顯著，其所耗費(fèi)的時間也較短，但其修復(fù)成本較高，且在修復(fù)過程中易引起二次污染等問題，不能實現(xiàn)大范圍改良土壤的效果。

3.3 化學(xué)修復(fù)方法

化學(xué)修復(fù)方法主要包括固化技術(shù)和土壤淋洗技術(shù)，固化技術(shù)是向土壤中加入固化劑，使土壤污染物與固化劑發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，最終在固態(tài)材料中充分封固污染物，將污染物轉(zhuǎn)化為具有穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)，再將其進(jìn)行擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移，使得土壤得到有效修復(fù)。該項技術(shù)應(yīng)用范圍更廣，且發(fā)展應(yīng)用較為成熟，但在應(yīng)用過程中，需要數(shù)量巨大的固化劑，最終產(chǎn)生的效果并不理想，同時也可能影響土壤自身性質(zhì)，若處理不當(dāng)，還可能發(fā)生二次污染。因此在修復(fù)治理前，需對土壤污染情況進(jìn)行充分了解，同時明確修復(fù)目標(biāo)。土壤淋洗技術(shù)是將土壤和化學(xué)洗滌劑進(jìn)行混合，使有害物質(zhì)和洗滌劑物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而將土壤和污染物之間進(jìn)行分離，完成分離后將其及時回收，最后實現(xiàn)修復(fù)目的達(dá)到修復(fù)效果。該項技術(shù)的缺點(diǎn)在于無論洗滌劑是何種成分，在使用后都會降低土壤肥力。洗滌劑按成分可分為堿性和酸性2類，酸性洗滌劑具有良好的修復(fù)效果，但會嚴(yán)重破壞土壤，導(dǎo)致土壤性質(zhì)出現(xiàn)改變。目前，化學(xué)洗滌劑內(nèi)部成分通常都通過生物表面活性劑替代，可減少土壤受到破壞的情況，使得污染土壤得到有效修復(fù)。但在實際應(yīng)用中仍存在較大可能導(dǎo)致土壤二次破壞現(xiàn)象發(fā)生，所以該項修復(fù)技術(shù)應(yīng)用較少。因此還要不斷積極探索研究該項措施和其他技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，使得土壤遭受破壞的程度降到最低，與此同時提高污染土壤修復(fù)效果，只有這樣才能大范圍應(yīng)用和推廣。

3.4 聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

重金屬污染的農(nóng)田土壤中，一般并非單一的污染源，而是有多種污染源和多種污染組合方式并存的形式存在，由此而產(chǎn)生的污染程度及污染厚度均非單一的重金屬污染源所能比擬。因此，單一的修復(fù)技術(shù)往往較難徹底的修復(fù)農(nóng)田土壤重金屬污染物，協(xié)調(diào)2種甚至多種土壤聯(lián)合修復(fù)技術(shù)則成為將來需重點(diǎn)研究的方向。聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，是將微生物-植物-動物聯(lián)合修復(fù)、化學(xué)生物聯(lián)合修復(fù)、物理化學(xué)聯(lián)合修復(fù)以及生物炭、蒙脫石散修復(fù)等多種技術(shù)相結(jié)合，既能提高受污染土壤的整體修復(fù)效率和速率，也可以克服單項技術(shù)的一些局限性。但截至目前，聯(lián)合修復(fù)技術(shù)尚處于持續(xù)研究階段，各種組合形式也尚需進(jìn)一步試驗驗證其修復(fù)效果，并對后期環(huán)境是否產(chǎn)生影響也是需要注意的研究方向。

4 結(jié)語

土壤重金屬污染治理的主要機(jī)制是對土壤中的重金屬有毒害物質(zhì)進(jìn)行祛除，在盡可能還原土壤本質(zhì)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對土壤重金屬污染物的控制，其基本方式是根據(jù)物理、化學(xué)和生物或相結(jié)合的原理來進(jìn)行污損土壤修復(fù)。我國于2016年提出《土壤污染防治行動計劃》，為我國開展農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)的發(fā)展提供了政策依據(jù)。本文從土壤重金屬污染物的主要來源出發(fā)，分析了農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀，并針對性地提出了修復(fù)土壤重金屬污染物的修復(fù)技術(shù)，以期更好地為農(nóng)田土壤重金屬修復(fù)工作服務(wù)，切實保障國家糧食安全。