土壤重金属镉污染来源及其修复技术探究

王娜 魏样

摘要：土壤重金属污染日益严重，Cd作为“五毒元素”之一，其污染是目前急需解决的关键问题。本文对目前土壤Cd污染来源、危害及植物修复和钝化修复技术进行了综述，提出了未来土壤Cd污染修复应具有针对性。

关键词：土壤;镉污染;修复技术

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）08-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.08.031

Study on sources of heavy metal cadmium pollution in soil and its remediation technology

Wang Na1，2，3，4 ，Wei Yang1，2，3，4

（1. Institute of Land Engineering and Technology， Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.， Ltd.， Xian Shaanxi 710075， China; 2. Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group， Xian Shaanxi 710075， China; 3. Key Laboratory of Degarded and Unused Land Consolidation Engineering， the Ministry of Natural Resources of China， Xian Shaanxi 710075， China; 4. Shaanxi Provincial Land Consolidation Engineering Technology Research Center， Xian Shaanxi 710075， China）

Abstract： Soil heavy metal pollution is becoming more and more serious. Cd is one of the “five poisonous elements”， and its pollution is a key problem that needs to be solved urgently. In this paper， the current sources of Cd pollution， hazards and phytoremediation and passivation techniques of soils are reviewed. It is proposed that the future soil Cd pollution restoration should be targeted.

Keywods： Soil; Cadmium pollution; Repair technology

土壤是人類赖以生存的重要自然资源，随着全球工业迅速发展，工业污染也在日益加重。在长期污染的情况下，污染物通过大气、水等媒介不断迁移至土壤中。如今为了增加粮食产量促使农田化肥及农药的大面积施用，也不同程度的造成农田重金属污染。重金属Cd与Hg、As、Cr、Pb被称为“五毒元素”[1]，其在地壳中的平均含量为0.2mg/kg，广泛存在于岩石、土壤及沉积物中。由于其迁移性强、难降解、毒性高等特点成为当今环保学者关注的焦点之一。

自日本富山县神通川流域镉污染事件以来，我国镉污染事件频繁发生。例如2005年12月15日广东省孟洲坝电站断面镉超标近10倍、2013年5月的“镉大米”事件、2014年广西大新县的重金属污染事件等，重金属Cd污染成为全民关注的焦点[2]有研究报道，我国农田土壤受Cd污染的面积已超过28ⅹ104hm2，每年因Cd污染所产生的农产品及动物造成的累积性毒害品高达146万t[3]。在2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，在无机污染物中土壤Cd的超标率跃居第一位，超标率达7.0%。 我国部分农田土壤及农作物Cd含量如表1。Cd污染已严重威胁到人类的健康和安全，土壤Cd污染治理迫在眉睫。本文综述了土壤Cd的来源、危害及修复技术，着力于为土壤Cd修复提供参考依据。

1 土壤重金属镉污染来源

重金属镉污染主要有两种途径，一是自然因素;其二是人为因素。通常在岩石风化和火山活动等自然环境中加剧了镉向土壤环境中的传输。重金属在自然环境中常以化合物状态存在，一般情况下含量较低，一般为0.01～0.33mg/kg[5]，不会影响到人体健康。1817年，斯特罗迈尔教授发现Cd以来，Cd被大量应用于核工业、电镀及化工领域，随着这些工业的迅速发展，其产生的废水、废渣、废气污染处理不当或不经过处理直接排入环境中，加剧了Cd的污染。工业“三废”通过大气沉降、污水灌溉、雨水淋溶等途径进入土壤环境。除此之外，农业生产过程中使用农药、化肥等也会加剧土壤Cd的含量。

2 镉污染的危害

2.1 对人类及动物的危害

图1 镉的毒性机制[8]

镉对人体的危害主要通过食物、水、空气等介质由消化道进入人体。镉具有蓄积性，在人体中的潜伏性较长，其生物学半衰期为20～40年，可引起慢性中毒，对人体的各个组织器官都有一定的危害，人体一旦受镉毒害，其治疗也是极为困难的。将含镉物质注入大鼠体内，发现大鼠的肾脏收到损伤，当镉的浓度增加时，损伤程度加重[6]。动物体内镉主要来源为牧草和饲料。动物体内的镉含量过高可导致其食量减少，生产性能下降，从而影响其生育能力。动物体内的镉主要蓄积在肾脏中，导致其肾小管结构发生变化，进而破坏肾脏的排毒功能。据报道，镉在肾脏中的耐受浓度为2.7l×10-4 mg/kg，若超过该值，则会引起中毒[7]。镉与众多疾病相关，例癌症、代谢综合症、神经退化疾病等，这些都与镉的化学性质和毒性机制有关。镉对人类及动物毒性机制如图1所示。

2.2 对植物的危害

Cd是植物生长必须的微量元素，Cd在植物体内积累并富集到一定程度时就会表现出毒害作用，通常植物Cd含量较高时植物生长就会受到抑制，主要表现为生长缓慢、植株矮小、颜色发黄、产量较低等症状。例如受Cd污染的大麦其种子发芽率降低，且随着Cd浓度的升高，种子发芽率降低。植物根系往往是最直接、最严重的毒害器官之一[9]，例如蚕豆苗被Cd污染后其根尖开始变黑直至坏死[10];还有一些植物如玉米、番茄、黄瓜等受Cd胁迫后其叶片发黄，生长缓慢，严重影响了其产量。还有一些研究表明豆科植物在Cd污染下其生理生态可产生一定的影响，例如受Cd 胁迫的豆科作物细胞亚微结构发生变化，并可使DNA 发生变化，诱导细胞衰老[11]。受Cd的胁迫，大豆根部细胞膜的选择通透性和机能受到破坏，由于通透性的增大，加剧了细胞中的一些可溶物质外渗，这就使得细胞内酶及代谢作用原来的区域性发生改变，这势必影响了大豆体内酶的活性。除此之外，Cd污染破坏了豆科植物的细胞亚微结构，且具有遗传性[12]。

3 土壤镉污染修复技术

土壤Cd污染的修复治理成为当今环境领域的热门话题。土壤重金属Cd污染修复主要通过两种途径，一种是稳定化处理，即改变重金属在土壤中的存在形态，达到降低重金属活性剂其迁移性;另一种是去污化，将土壤重金属从土壤中分离出去，使土壤中重金属的含量达到或接近背景值。主要包括物理法、化学法、植物修复法、微生物修复法、动物修复法等，其中物理修复一般包括客土法、换土法、热处理和电动修复。本文旨在分析土壤Cd污染的植物修复技术与钝化修复技术。

3.1 镉污染土壤的植物修复

植物修复是利用某些可以忍耐和超富集有毒元素的植物及其共存微生物体系清除污染物的一种环境污染治理技术。同生物修复技术分类方法类似，植物修复技术也具有广义定义和狭义定义。植物修复技术广义上是指利用植物提取、吸收、分解、转化或固定土壤、沉积物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染物技术的总称;狭义上是一种利用自然生长植物或者遗传工程培育植物修复重金属污染土壤环境的技术总称，核心在于重金属污染物浓度逐渐减少。植物修复经济有效、成本低，对环境扰动小，产生的富集重金属的植物可统一处理，甚至可以从这些植物体内回收重金属，可以长期、大面积的田间应用，还可绿化环境。有研究表明印度芥菜地上部对Cd的吸附达到1800mg/kg[13];东南景田达到9000mg/kg[14];龙葵为228.4mg/kg[15];商陆为482.25mg/kg[16];鼠耳芥为157 mg/kg[17];宝山堇菜为1168 mg/kg[18];铁皇冠为2477.74 mg/kg[19]。

3.2 镉污染土壤的钝化修复

钝化修复就是通过施用钝化剂等来降低土壤污染物的水溶性、扩散性和生物有效性，削弱它们进入植物体、微生物体和水体的能力，减轻污染物对生态系统的危害。其技术核心是向污染土壤中加入土壤钝化剂改变土壤的物理、化学性质，通过对重金属的吸附、离子交换、沉淀或共沉淀作用，改变重金属在土壤中的化学形态和存在状态，从而降低其生物有效性和迁移性，减少重金属元素对动植物的毒性及其环境风险。常用的钝化剂包括以下几种类型。

①无机钝化剂：无机钝化剂包括磷酸盐类（羟基磷灰石、磷矿粉、磷酸、石灰、磷肥和骨炭等）、粘土矿物类（膨润土、蒙脱石、海泡石、钾长石、凹凸棒土、麦饭石和沸石等）、工业副产品类（赤泥、飞灰、磷石膏和白云石残渣等）等，还有一些纯化学制品。一般来说，在镉、铅、铜污染的土壤中，施用石灰性物质，可提高土壤pH值，使重金属生成氢氧化物沉淀，降低其在土壤中的活性，减少作物对重金属的吸收。例如，范玉超等研究表明，在Cd污染土壤中添加磷灰石和石灰其表层土壤pH、Cu、Cd含量随钝化剂用量的增加而增加，但是深层土壤中Cu与Cd含量均显著降低[20];王林等研究海泡石和磷酸盐对镉铅污染稻田土壤的钝化修复效应与机理研究，结果表明施用海泡石和磷酸盐后土壤pH增加，促进了污染土壤中Cd、Pb由交换态向残渣态的转化，从而达到钝化Cd、Pb污染土壤的目的[21]。

②有机钝化剂：常用的有机钝化剂主要包括有机堆肥、畜禽粪便、绿肥、草炭等有机肥料。施用腐殖酸类肥料和其他有机肥料，可以增加土壤中腐殖质含量，使土壤对重金属的吸附能力增加，从而减少植物的吸收。同时，腐殖酸是重金属的螯合剂，在一定条件下能与重金属结合，从而降低土壤中重金属元素的危害。吴继阳等研究污泥生物炭对土壤中Pb和Cd的生物有效性的影响，结果表明污泥生物炭对Pb和Cd均有较强的固定作用，且污泥生物炭在复合污染土壤中对Pb 的固定效果优于在单一污染土壤中[22]。

4 结语

《中华人民共和国环境保护法》规定，Cd是一类污染物。随着工农业废弃物与生活污物的任意排放，环境中Cd的含量在不断上升，已经严重影响了人类的健康，因此Cd污染治理势在必行。以往研究的化学修复、物理修复、电动法修复对重金属Cd均有修复效果，但其投资昂贵，设备复杂。植物修复不破坏农田土壤的生态功能，不占耕地，有利于水土保持和生態环境改善;钝化修复费用较低，对一些非敏感区的污染土壤可大大降低修复成本，且能够修复多种重金属复合污染土壤。因此，植物修复和钝化修复技术被广泛应用于土壤Cd污染修复。然而在以往的研究中并非结合重金属Cd污染来源、污染特征等方面有针对性的进行治理。因此，在后续的研究中，研究学者们应总结经验，有针对性的进行修复研究。

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收稿日期：2019-06-10

作者简介：王娜（1990-），女，硕士，助理工程师，研究方向为污损土地修复治理。