我国农田土壤重金属污染及其防治策略研究进展

周韬韫

（兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000）

0 引言

土壤是人类赖以生存和发展的基础，也是保障粮食安全生产的重要条件。近些年，随着我国社会经济的快速发展，对土地的利用强度也呈现出逐年递增的态势，由此引发的土壤环境问题也越来越严重。例如工业废水废气的排放、采矿及冶炼过程中产生的重金属废弃物、农药化肥的过量使用等使得土壤中的重金属过量富集，超过土壤生态系统自我净化能力及其所能承受的范围，最终导致土壤重金属污染的发生。如果利用这样的土壤进行农作物的种植，或者利用受污染的污水进行灌溉不仅会导致农作物产量下降，而且人类通过直接或间接的方式食用受污染的农产品会对人体健康造成严重危害。据统计，2014 年我国粮食主产区耕地土壤重金属点位超标率达19.4%，而到了2018 年这一数字增长了近4%，达到了21.49%，且这一数字还再逐年增加[1]。而“血铅事件”“镉大米”“镉小麦”等事件的发生也为我国农田重金属污染防治敲响了警钟[2]。因此，如何有效缓解农田土壤重金属污染问题是我国环保工作目前亟待解决的重要问题。

1 我国农田土壤重金属污染的主要来源

重金属指的是比重超过5.0 的金属，主要包括Cd、Cr、Hg、Fe、Zn、Mn 等元素。农田土壤重金属污染来源途径众多，可归纳为自然因素和人为因素两个方面。

1.1 自然因素

在不同的自然环境下，土壤的成土母质、土壤有机质、植被及土地利用类型、水文气象条件及地形地貌等方面的差异，均会导致土壤中重金属含量差异较大。例如不同土壤类型中，石灰岩母质发育土壤中的Cd、Hg、As 和Cr 等重金属元素的背景值要明显高于风沙母质。在不同母质中，沉积石灰岩中的Cd、Cr、Hg、As 和Cr 等重金属背景含量最高。而造成我国中南和西南高背景地区土壤中Hg、As、Cd、Pb 等重金属元素含量差异的主要因素是两地区成土过程中元素的次生富集作用显著不同[3]。

1.2 人为因素

1.2.1 大气中重金属物质的沉降

大气中重金属物质的沉降是农田土壤重金属污染的重要来源之一。其主要来源于工厂有害气体的排放、采矿过程中产生的粉尘等，这些物质通过大气自然沉降或者降雨的方式流入农田，从而使农田土壤受到重金属污染。特别是在工厂周边及矿坑附近的农田重金属污染的报道屡见不鲜。另外，含铅汽油的燃烧、轮胎磨损等产生的粉尘也会释放出大量含铅、镉、锌等有害气体，从而造成公路和铁路周边的农田土壤受到重金属的污染。

1.2.2 污水灌溉造成的污染

污水灌溉指的是经过处理并达到灌溉水质标准要求的污水为水源所进行的灌溉。污水主要来源于工业生产的废水、污染的地表水以及生活污水等。我国水资源匮乏，污水灌溉是有效是解决农田灌溉问题的有效方法之一。生活污水具有水质好、肥分高，含有较多N，P、K 等多种养分的优点，但是生活污水也会被残留在土壤表面的重金属废弃物污染，虽然经过污水处理，但随着灌溉次数的增多，重金属元素会不断的在农田土壤中积累，最终导致农田受到污染。

电镀、冶金等行业生产过程中产生大量的工业废水，废旧电器等工业固体废物的堆砌或者移动处理过程中残留在土壤表层的重金属等等，都会随着雨水而进入地下水系统或者流入附近的水源地，从而在农田灌溉过程中造成重金属污染。

1.2.3 农业生产造成的污染

我国是农业大国，在农作物种植过程中会使用大量的农药和化肥，长期过量的施用含有Cd、Pb、Hg 等重金属元素的农药和化肥会使得这些重金属元素在土壤中过量的富集，从而造成土壤的重金属污染。地膜具有减缓水分蒸发和保温增温等优点，广泛应用在农作物的种植上。地膜在生产过程中使用的热稳定剂中含有Cd、Pb 等重金属元素，大量的地膜残留物会造成农田重金属污染。在畜禽的集中养殖过程中，饲料中往往会添加含Cu、Zn 等重金属的化学物质饲料添加剂，畜禽食用后会产生带有大量重金属的粪便，随着畜禽粪便有机肥的大量施用，会造成农田土壤重金属污染。

2 农田土壤重金属污染的危害

农作物不仅能够从土壤中吸收生长所需的营养元素，同时也能够不自主地从土壤中吸收重金属元素，当植物体内重金属元素富集到一定程度时，会引起植物体内发生一系列的变化，如细胞器的损伤，细胞膜透性发生改变，代谢过程改变等，进而影响农作物的生长发育，最终导致农作物减产甚至绝收。例如土壤中铬元素浓度超过0.1 mg/L，严重抑制水稻种子的萌发[4]。重金属Cr 可使植物叶绿素含量明显降低。Cr、Pb、Zn影响芦苇根和叶片的电解质渗透率，且随着浓度升高而加剧[5]。对人体来说，如果食用重金属含量超标的农产品，会使得重金属在人体中进行富集而难以排出，导致人体器官产生病变，严重危害人体健康。

3 农田土壤重金属污染的防治策略

农田土壤重金属污染的治理应坚持“预防为主、防治结合、综合治理”的防治策略。同时，应制定相关法律法规，加大宣传、监督和管理工作力度，探索合理的重金属污染的修复方法。

3.1 加强污染源的监管与控制

为了有效预防农田土壤的重金属污染，首先应该从源头上对污染源进行有效的监管，应做到：1）严格执行“工业三废”的排放标准，对重金属污染物含量超标的废水、废气和废渣必须进行先处理后排放，阻断废弃物对水源的污染；2）禁止使用含有重金属的农药、化肥和地膜，防止因农业生产措施而引起的农田重金属污染；3）加强城市污水排放的监测体系，防止重金属进入农田的各种方式；4）提高燃油品质和机动车尾气排放标准。

3.2 制定法规和加强宣传

面对日益严重的农田土壤重金属污染问题，1）政府应建立和完善保障农田土壤污染治理相关的政策和法律法规。2）加强执法层面的管控，做到依法行政，从严处理，绝不姑息。同时鼓励人民群众对各种污染土壤和环境的行为进行举报，这样才能最大程度上抑制重金属污染事件的再次发生。3）各地政府应加强宣传和科普工作，提升人民群众对环境保护的意识，让人们真正意识到保护环境、防治土壤重金属污染的重要性。4）通过植树造林等方式改造自然环境，增强土壤的自我修复能力。让人们真正意识到有效预防土壤重金属污染的方法。

3.3 建立健全的土壤环境监测体系

建立健全的土壤环境监测体系，1）要制定健全的环境保护管理机制，科学协调好土壤环境的监测和治理工作；2）建立健全的土壤环保监测数据共享平台，实时掌握土壤环境的监测数据，能够及时发现污染源并进行处理，降低土壤重金属污染造成的损失；3）通过共享平台，加强各部门之间的交流与配合，做好土壤重金属污染的预防和治理，实现对土壤环境的有效保护[6]。

3.4 探索合理的修复方法

土壤重金属修复指的是对重金属污染的土壤进行修复治理，从而降低其对生态系统的破坏，以达到生物可承受的范围。土壤重金属污染修复法主要包括物理修复法、化学修复法、生物修复法、联合修复法和农业生态修复法。

3.4.1 物理修复法

物理修复法是指通过各种物理过程将土壤中重金属污染物去除或分离出去，主要包括工程治理法、土壤淋湿法、电动修复法、电热修复法、玻璃化法等。工程治理法是通过深耕翻土等措施来治理受重金属污染的土壤。具有操作简单，实施迅速等优点。但该方法存在投入成本较高，易破坏土壤结构，容易造成二次污染等缺点。土壤淋湿法是指用水或者用能够与重金属元素可溶性的试剂，对重金属污染的土壤进行冲洗，然后借助阴离子形成沉淀，避免重金属进入水体。淋洗法是目前应用最早和最多的方法，具有操作周期短等优点，但不能大规模应用，只能应用于工业等重污染场地。电动修复法是指将受重金属污染的土壤通过施加直流电形成电场梯度，在电迁移等作用下，将重金属转移到电场两端，从而实现污染土壤的修复[7]。电热修复法是利用高频电压产生的热量，对被重金属污染的土壤进行加热，使易挥发的重金属从土壤中解析出来。该方法主要针对易挥发性重金属如Hg、As 和Se 等污染的土壤，但该方法具有耗能大，加热过程中易造成土壤的二次污染等缺点。玻璃化法是利用高温熔融重金属污染的土壤，使其形成玻璃体或固结成团，以达到降低土壤中重金属的目的[8]。玻璃化法具有能够从根本上快速的消除土壤中重金属污染物的优点，但是由于处理费用高且工程量大，常用于抢救性的重金属污染土壤的修复。

3.4.2 化学修复法

化学修复法是利用化学改良剂与土壤中重金属发生氧化还原、吸附、螯合、共沉淀等化学反应来改变土壤中重金属的形态，削弱其在土壤环境中的生物有效性和迁移性，从而降低土壤中重金属对动植物的毒害作用[9]。使用化学法修复土壤重金属时，要严格控制试剂配比及实验条件，否则容易造成二次化学污染。化学修复法具有治理周期短，治理效果明显等特点，但是不能确保治理效果的长期稳定性。另外，化学修复法并没有将土壤中的重金属转移除去，只是改变了其形态以降低其危害。

3.4.3 生物修复法

生物修复法主要是利用具有强生命力和降解能力的生物体（动物、植物和微生物）对土壤重金属元素进行吸收、转化、降解，降低土壤中重金属元素的含量，最终实现土壤环境修复的作用。相较于物理和化学修复法，生物修复法具有操作简单、治理成本低、整体作用更好等特点。近年来利用生物法进行土壤重金属修复得到了广泛的应用，是未来土壤重金属污染治理的主要研究方向。

1）植物修复法。植物修复法是通过种植对重金属吸收和富集能力强的植物，然后通过收获植物将重金属从土壤中转移出来，从而达到降低土壤中重金属含量的目的。目前已经发现有超过500种植物对Cr、Co、Ni、Cu、Pb、Mn、Zn等重金属元素具有超富集能力[10]。例如羊齿类铁角蕨属植物，对于土壤中Cd 的吸收率可达到10%，连续多年种植能够降低土壤中一半以上Cd含量[11]。在镉含量100 mg/kg的土壤上种苎麻，5年后土壤中镉含量平均降低了26.17%[10]。

2）动物修复法。动物修复法是利用动物（蚯蚓、蛆类和鼠类等）的活动对土壤中的重金属进行吸收和转化，从而达到降低或去除重金属毒性。目前应用比较广泛的动物修复法就是利用蚯蚓对土壤重金属污染进行修复[12]。蚯蚓能够在受重金属污染的土壤中存活，并且通过吞食等活动将土壤中的重金属富集到体内，从而降低土壤中重金属的含量。另外，蚯蚓还可以改善土壤的透气性和透水性，优化土壤结构。

3）微生物修复法。除了使用动、植物修复之外，研究人员还使用微生物对土壤中的重金属污染物进行修复。微生物修复法是利用某些微生物对土壤中特定的重金属具有吸收、沉淀、氧化还原、溶解等作用，从而降低土壤中重金属的有效性。例如带有阴离子型基团的微生物，能够通过离子交换、螯合、静电吸附以及共价吸附等方式与土壤中带正电荷的重金属离子发生作用，减少土壤中游离的带正电荷重金属含量，从而降低土壤中的重金属的毒性[13]。另外，有些高价态的重金属元素如Cr、Mn 等具有很强的毒性，土壤中的某些微生物能够将高价态金属离子还原成低价态，从而使得一些重金属元素毒性下降或者消失。

3.4.4 联合修复法

联合修复法是指将两种或两种以上的修复方法联合使用，形成联合修复技术。联合修复法能够结合每一种修复技术的优势，提高污染土壤的修复速率与效率。例如利用吊兰和蚯蚓修复土壤中重金属镉，效果显著优于单一的植物或动物修复效果[14]，利用化学淋洗剂增加土壤溶液中重金属浓度，提高植物油葵修复、净化土壤中的重金属镉[15]。利用植物与电场的联合作用，提高植物对重金属的吸收能力[16]。

3.4.5 农业生态修复法

农业生态修复法是指通过调整农作物耕作模式来改善土壤的生态环境，从而达到减轻或阻断重金属对人体造成的危害。土壤重金属生态修复应做到因地制宜，

在重金属污染严重区域，种植不进入食物链的高富集重金属植物，如花草、树木等，这样既能美化环境，又能净化土壤。在重金属低污染区域种植低富集重金属的作物品种，减少重金属在作物中的累积[17]。农业生态修复法具有修复周期长且修复效果不显著等缺点。

4 结语

随着农业化进程的快速发展，现阶段我国农田土壤重金属污染问题已经比较严重，极大的影响着农业和社会的可持续发展。农田土壤重金属污染具有隐蔽性强、易积累性、地域差异大以及治理难等特点。因此，要求一方面要从源头对土壤重金属的污染进行治理，切断污染源。另一方面，加强科技创新，制定合理的修复策略，实现对土壤重金属污染的科学化治理，从而保障我国粮食安全和促进农业与社会可持续发展。