宓彦彦 ,谭长银 ,黄道友 ,杨 燕,万大娟,余 霞,孙 花
(1.湖南师范大学资源与环境科学学院,湖南 长沙 410081;2.中国科学院亚热带农业生态研究所,湖南 长沙 410125)
我国是一个人多地少的国家,食品安全正面临多方面的严峻挑战,其中,土壤污染已成为影响我国资源、生态、环境方面的突出问题之一,对我国食品可持续生产能力构成潜在威胁[1]。土壤重金属污染是污染面大、持续时间长、对食品安全和人群健康构成严重威胁的土壤污染类型。重金属具有毒性、不被生物降解、在土壤中积累,并可通过食物链危害人体健康。在“十一五”期间出现的“砷毒”、“血铅”、“镉米”等环境污染,使得土壤重金属污染已成为人们当前高度关注的环境问题之一,《重金属污染综合防治“十二五”规划》也成为首个获国务院批准的“十二五”规划。
湖南省矿产资源丰富,被誉为“有色金属之乡”,在湖南省境内已探明有色金属矿床多达340余处。有色金属的开采和冶炼在促进湖南经济发展的同时,也带来了严重的环境问题。有色金属矿区产生的废水、废渣和粉尘,对矿区周围土壤造成严重的重金属污染,进而通过食物链在动植物体内富集,危害人体健康。湖南大部分矿区分布在湘江流域,矿业活动造成了湘江水质的恶化和湘江流域土壤的污染。自20世纪60年代湘江检测出Cr、Pb、Mn等重金属以来,湘江水质一直呈恶化趋势。现在,湘江水污染中的主要重金属污染已由Hg转变为Cd和As,这种变化与该湘江流域有色金属矿产的开采和冶炼是分不开的,同时这种变化也带来了以Cd为主的矿区土壤重金属污染。笔者综合了近几十年来对湘江流域矿区土壤Cd污染状况的调查结果,对湘江流域矿区Cd污染土壤的不同修复措施进行了比较,通过湘江流域Cd污染土壤的综合利用进行分析,对湘江流域矿区Cd污染土壤今后的污染修复和综合利用提出了设想。
湖南主要的金属矿区大多分布在湘江流域,如郴州市柿竹园铅锌矿区、衡阳市常宁市水口山铅锌矿区、株洲市石峰区清水塘冶炼区、湘潭市岳塘区锰矿区、娄底市冷水江市锡矿山矿区等。这些金属矿产的开采和冶炼也必然给流域内的土壤带来重金属污染。据报道,湖南省因有色金属矿山开采导致的Cd、Pb、As等重金属污染的土地面积达2.8×104km2,占全省总面积的13%[2]。雷鸣等[3]对湖南9个县市采矿区和冶炼区附近的水稻土中Cd等五种重金属进行了调查和分析。在所调查的区域中,有6个县市采矿区和冶炼区附近的水稻土受到Cd的严重污染,其中衡阳常宁市水口山铅锌矿区和株洲清水塘冶炼区附近的水稻土受到重金属的严重污染,有四个矿区和冶炼区潜在生态风险很高(表1)。
表1 9个采矿区和冶炼区水稻土中Cd含量、污染程度和潜在风险程度
对湖南郴县东西河流域的土壤调查结果显示,该流域土壤中Cd含量本底区<废矿水污染区<尾矿污染区,尾矿污染区的污染最为严重[4]。李小江等[5]对株洲清水塘地区土壤及农作物重金属含量调查显示,稻田表层土中除铅未出现超标外,砷、Cd、汞均有超标现象,而Cd的超标率为100%最大超标倍数3.67倍,并且旱地表土重金属污染程度比稻田严重,稻谷和包菜中的Cd严重超标。永州铅锌矿尾渣土壤中Cd含量可达105.88 mg/kg,远远超出土壤环境质量标准,铅锌矿尾渣土壤中重金属表现出强生态风险性[6]。已有的资料表明,湘江流域矿区土壤Cd污染严重,有较高的生态风险。
湘江流域有色金属的开采和冶炼所产生的“三废”物质是矿区土壤重金属的重要来源。采矿、运矿、冶炼和排渣过程产生的大量重金属烟尘,通过扩散和沉降进入土壤,造成土壤Cd污染。矿物开采和冶炼过程中排放的废水中也含有大量Cd,未达标排放的矿业废水是造成土壤Cd污染的另一个原因[3]。郴州有色金属矿山所排废水中Cd超过排放标准约1.2~9.0倍,常宁水口山四厂和铅锌矿所排废水中Cd超标265倍,湘江株洲段江底底泥Cd含量已超过日本“骨痛病区”河流中底泥含量的几十倍[7]。另外,金属矿山开采、选矿和冶炼等活动产生的废石、尾矿和废渣是导致土壤Cd污染的重要来源。这些固体废弃物的堆放,其中的硫化物矿物长期暴露于地表,与水圈、大气圈及微生物相互作用发生氧化形成矿山酸性排水,增加了重金属淋溶和扩散[8]。本底值高也是流域内土壤Cd污染的另一个重要原因,郴县东西河流域非污染土壤中的Cd含量远高于湖南同类土壤的本底值,其Cd、As含量超过了国家土壤环境质量三级标准,属高本底区[4]。此外,污水灌溉和农业过程(如化肥和农药的施用)也可能是流域土壤Cd污染的重要来源。
对于重金属污染土壤的修复,从修复原理上分,主要包括物理修复、化学修复和生物修复方法,实际修复过程中,物理修复和化学修复方法也常常结合在一起使用。湘江流域矿区Cd污染的修复实践中,物理修复和化学修复应用相对较多,而随着生物修复技术的日益成熟,生物修复技术的应用也受到越来越多的重视。
物理修复主要是通过换土、客土、深耕翻土、固化或钝化等措施降低土壤重金属的浓度或者使土壤重金属失去活性;化学修复就是通过添加一些改良剂,改变重金属在土壤中的存在形态,从而降低土壤重金属的迁移性和生物有效性。湘江流域矿区Cd污染土壤修复实践中,投资较大的物理或工程方法应用相对较少,改良剂的应用相对较多。廖立兵等[9-12]以海泡石、膨润土和生石灰为材料对株洲地区Cd污染农田土壤进行修复,结果显示,膨润土、海泡石和石灰的组合对降低小白菜中Cd含量效果显著。朱奇宏等[13]在湖南省某工业城市市郊Cd污染区进行了田间小区试验发现,施用改良剂(石灰、钙镁磷肥、海泡石和腐殖酸等)有效改变了土壤Cd的存在形态,降低了农作物中的Cd含量,其中施用海泡石可使糙米Cd含量降低37.6%。
生物修复技术(特别是其中的植物修复)主要是通过在污染土壤上种植超积累植物,利用其对重金属的吸收和积累去除土壤重金属,由于具有成本低、不破坏土壤结构、不造成地下水及其他环境二次污染等优点,受到人们越来越多的关注[14-15]。近年来,植物修复技术在湘江流域Cd污染土壤的修复实践中应用较广。佘玮等[16]研究苎麻对湖南冷水江锑矿区Sb、Cd、As和Pb 4种重金属的吸收富集能力时发现,虽然苎麻体内Cd含量没有达到超积累植物的含量(富集系数小于1),但苎麻对Cd的转运能力较强(转运系数为1.45)。说明苎麻能够从污染土壤中吸收Cd,并将其中的大部分转运到地上部分积累于组织器官中。湖南柿竹园有色金属矿区修复植物的调查发现,矿区植物对重金属的吸收表现出3种特征:将重金属累积于体内的富集型植物(如蜈蚣草和苎麻),吸收了大量重金属但地上部重金属含量较少的根部囤积型植物(如攀倒甑和木贼)和少量吸收重金属的规避型植物(如蔓出卷柏和芒草)。其中,蜈蚣草可用于修复As、Cd、Pb、Zn等重金属复合污染土壤,苎麻是Cd的富集植物,也是As的耐性植物[17]。刘益贵等[18-21]调查了湖南湘西铅锌矿区六个矿业废弃地的植被组成,分析结果显示:满天星叶片中Cd含量最高,为310 mg/kg,其次是加拿大杨和地枇杷,其叶片中Cd含量分别为231、212 mg/kg。地上部分Cd含量超过100 mg/kg的植物还有大田湾的醴肠、鬼针草、苦蘵和半边莲,以及三立的苍耳和野艾蒿等,这些植物可能都具有超积累Cd的潜力。
物理修复、化学修复和生物修复各有优缺点,实际应用过程中往往可组合使用。污染土壤修复的目的是实现污染土壤的安全高效利用,在现有技术和经济条件下,并非受到污染的土壤一定要修复以后才可以利用。另外,在修复过程中,放弃土壤的利用价值也是一种土地资源的浪费。因此,在污染修复过程中应当根据污染物种类和污染的严重程度对污染土壤进行分类综合利用。
近年来,湘江流域矿区Cd污染土壤的综合利用有过不少尝试。综合利用主要通过两条途径:一是通过种植非食用植物,如耐性高大乔木等,这样可以切断重金属在食物链中的传递;二是根据污染途径和程度,有针对性的改变农业种植模式从而达到污染土壤的安全高效利用。在湖南安化某铀矿区采用桑蚕生产模式替代粮食生产模式,这种模式中断了土壤Cd污染在食物链中的传递,使污染土壤得以修复,农田年均产值比种水稻提高2 880元/hm2,比种玉米提高8 880元/hm2,耕层土壤Cd含量年平均下降1.33 mg/kg[22]。曾清如等[4]在郴县东西河流域根据重金属污染程度不同,考虑不同的栽培制度、收获部位以及利用方式,采用综合防治和利用措施,取得了一定的综合利用成效。
在轻污染区(高本底区)通过施用石灰、钙镁磷肥和有机肥来改良土壤,在改良的土壤上种植了水稻、玉米、大豆、辣椒、豆角和茄子等,结果农作物长势也良好,产量达到正常水平,Cd含量也未见超标。在中污染区(废矿水污染区),建立繁育水稻良种基地,将繁育的种子在非污染区种植,籽实Cd含量未见超标;种植油菜,其生长良好,产量与品质均未见降低。在重污染区(尾矿污染区)化学改良剂的治理效果差,大部分作物中Cd含量超过国家农产品卫生标准,此区域主要考虑种植非食用植物,如对重金属具有抗性的经济乔木和繁育果树苗木,包括杨树、果苗(如柑桔、奈李、梨等苗木)及其他花卉苗木。
湘江流域矿区土壤(特别是农田土壤)Cd污染严重,其成因与湘江流域有色金属的开采和冶炼产生的“三废”物质有关,也与流域内本底值偏高、污水灌溉和农业过程等因素有关。在流域Cd污染土壤治理方面已有了物理、化学和生物方法等多种修复方法的实践。近年来,在湘江流域矿区Cd污染土壤的综合利用方面也进行了有益的尝试。流域内未来的土壤修复和综合利用工作有以下几个思考的方向:(1)多种修复措施的组合与集成,以期对矿区Cd污染土壤(特别是严重污染的土壤)取得更好的修复效果;(2)在强调Cd污染土壤修复的同时,通过各种农业技术措施,对轻度污染的土壤进行综合利用;(3)建立一套比较完善的适合于湘江流域矿区Cd污染土壤的污染修复和高效利用方法体系,并进行大面积示范推广。
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