关于影响土壤环境的新型环境材料的应用研究

李 涛

((河南大学 环境与规划学院，河南 开封 475000）

1 新型环境材料的概念

新型环境材料也称新型环保材料，90年代被一位世界知名学者山本良一教授首次提出［1］，随后世界各地的学者不断的对其进行各种讨论研究并逐步取得完善。环境友好材料是指一些具有较低环境负荷和较高再生率的新型材料。新型环境材料能够改善环境，对资源和能耗消耗少，对生态和环境污染小，有利于人类健康。这些新型材料的运用、制取、用后处理以及循环再利用的整个过程，都对环境发展起着协同的作用，有助于实现材料的可持续发展。

新型环境材料具有3个主要特征：一是先进性，即主要的功能性；二是环境协调性，这是当代新材料的一个基本性能要求；三是舒适性，亦称经济性，材料在使用中既要舒适美观，又要良好的经济实用性［2］。新型环境材料目前已广泛应用于环保、工业和农业生产等领域。

2 目前我国土壤污染态势

众所周知，我国土壤污染具有以下几个特点：潜伏性、长期性、不可逆性以及污染后果的严重性。一旦土壤环境污染爆发，人类可能就会成为这场灾难性直接受害者。鉴于这种假设，一些学者形象地将土壤污染称之为“化学定时炸弹”［3］。我国的耕地面积只占世界7%，但是却养活着占世界近25%的人口，因此我们不仅要确保土壤生态环境的质量，还要保障土壤资源的可持续利用。我国自90年代以来，经济建设发展迅速，再加上不断的使用一些新的农用化学物质，最终造成土壤污染物的种类和数量发生了明显的变化。换而言之，最近这20年是我国土壤污染比较严重的时期。

2.1 耕地环境日趋严峻，农产品安全无法保障

相关资料显示，我国耕地污染较为严重，不少于1 000万hm2耕地受到程度各异的污染。我国整体利用污水灌溉的农田总面积仅为361.8万hm2，仅占国内总灌溉面积的7.3%，在全国地面水总灌溉面积的比例为9.96%；因大气污染的农田面积约530万hm2；因固体废物堆放占用农田及垃圾、污泥处置不当污染的农田面积90万hm2。这些数据都表明，我国粮食每年因为农田污染而造成的损失多达120亿kg。

全国多数城市近郊土壤都因此受到了不同程度的污染，尤其是多地粮食、蔬菜、水果等食物中镉、铬、砷、铅等重金属含量严重超标和趋近临界值。而且，农业环境污染也会造成土壤污染。通过对23个省(区市）的不完全统计，其中发生的农业环境污染事故多达891起，农田污染多达4万hm2，最终造成的直接经济损失多达2.2亿元。

2.2 稀有金属矿区土壤污染严重，破坏生态，危及饮用水源安全和人体健康

随着农业技术的不断发展，有越来越多的稀土元素(rare earth element，简称RE）深入土壤环境，且进一步参与到生物链和食物链中。由于土壤中新的放射性污染物含量不断递增，将衍变成为新的土壤环境安全问题［4］。多数媒体已有报道，并且环境毒理学研究结果也显示，这些稀土元素容易蓄积在人体脑部，影响人的智力发育，特别是对免疫功能不完善的儿童影响较大。因此由于这些潜在的稀土元素所造成的土壤环境污染问题必然引起国家的高度重视。

2.3 土壤污染易引发其他环境问题

当土壤环境受到污染后，因风力和水力等自然因素的作用，容易使得高浓度的污染表土进入到大气和水体中，引发大气污染、地下水及地表水污染，造成生态系统退化，引发其他次生生态环境问题。不断发生的事实说明，如果没有清洁的土壤环境，也就不会有人们可以放心使用的粮食、空气和水。

3 新型环境材料在受重金属污染的土壤环境修复中的应用

最近几年，我国环境污染和生态破坏态势日趋严峻，对人类的健康和生存造成严重影响，尤其是一些重金属元素对土壤造成的污染和破坏。造成土壤重金属污染的主要来源还是因为一些人类活动，譬如农业种植、矿产开采、金属冶炼等，其中尤以化学生产和金属冶炼两个过程释放的重金属为最。现在我国因受Pb、As、Cd、Cu和Cr所造成的土壤环境污染也比较严重。土壤因 Pb、Cd、As所造成的污染不仅对农作物的品质和产量产生影响［5］，而且还会通过食物链进一步影响到人类的健康。多项研究数据表明，因受到了铅的污染而对不同环境功能区造成影响的实例在全国比比皆是，特别是一些功能区已遭到了严重危害。故此，修复因重金属As、Pb、Cd和Cr等所造成的土壤环境污染已成为目前我国土壤环境科学及其他相关学科研究的热点问题。

近年来，我国对造成土壤环境污染的一些重金属的吸附和解吸进行过一些研究，可是将新型环境材料、培养液的pH值和吸附解吸过程联系起来的系统分析很少有比较客观的数据说明。通过采用模拟方法进行实验，向土壤中加入As、Cd、Pb等重金属配制受污染的土壤，根据不同的培养条件下加入新型环境材料蛇纹石和沸石后进行重金属吸附解吸模拟实验，并对新型环境材料进行吸附前后的扫描电镜分析，这些不但有助于选择土壤重金属固化的材料，而且还可以为这些新型环境材料的应用提供科学依据。

在此主要介绍两种新型环境材料SS(蛇纹石）和FS(材料沸石）对土壤重金属Cd、Pb、As的吸附解吸［6-7］。由于本篇为综述性文章，所以具体实验过程在此没有详细描述。通过实验可以得到以下几个结论：

①碱性条件下的新型环境材料FS(沸石）在受Cd污染的土壤环境中有利于土壤吸附Cd，证明碱性土壤中的FS有助于土壤对Cd的固化。

②酸性条件下的新型环境材料SS(蛇纹石）在土壤对Pb的吸附效果上产生积极的作用，在碱性条件下该效果并不明显。证明酸性土壤中的SS有助于土壤对重金属Pb的固话。

③新型环境材料SS在受As污染的土壤环境中可以增加土壤对As的吸附量，但与土壤的酸碱度无直接关系。

4 新型环境材料在植物修复技术方面的应用

鉴于当前土壤环境污染往往是由有机—无机多种环境污染物所形成的复合土污染，再加上目前在植物修复中发现的超集累植物大多存在生物量小、生长速度缓慢以及一种植物一般只能吸收一种或两种重金属等原因［8］，使得植物修复技术在重金属污染土壤中的实际应用受到了很大的限制。因此借助其他技术的联合植物修复技术与一些生物量大、生长速度快的普通植物便成了有效可行的替代途径，譬如一些金属螯合剂诱导的植物—化学联合修复技术被证实在植物—化学联合修复中发挥显著作用［9-10］。为了能够提高污染土壤的修复效率，缩短修复年限，通常运用螯合剂诱导植物修复技术。我国到目前为止研究较多的螯合剂EDTA在提高植物对重金属污染土壤的修复上面有着显著的作用，但是在其作用的过程中会带来一些因生物不可降解性而产生的次生环境问题。

通过不断的进行研究和探索，目前发现三种新型环境材料——螯合剂ISA(Iminodisuccinic acid）、AES(aspartic acid diethoxysuccinate）和PESA［11］，和EDTA一样同为冬氨酸的衍生物，与金属离子具有很好的亲和力，具备很好的生物可降解性。通过多次研究和不断地进行各种试验，获知新型螯合剂与EDTA、EDDS对受到重金属污染的土壤环境的修复潜力。进而可以使得螯合剂诱导的植物修复技术在受到污染的土壤环境修复过程中起到一定的促进作用。

通过多次进行不同种类及水平的螯合剂对污染土壤修复效率的研究试验，相同溶液培养条件下不同螯合剂对植物吸收重金属的影响试验，螯合剂对土壤中重金属的吸附解吸行为影响试验，可以得到一些结论：

①螯合剂因种类和水平的不同造成修复污染土壤的效率不同

新型螯合剂中，ISA处理的植株根及地上部Cu含量、土壤中水提取态Cu含量显著低于EDDS。通过EDTA处理的植株根部及地上部Pb含量显著高于其他螯合剂处理。而PESA对植物影响并不明显。AES处理的植株根部Zn含量及土壤水提取态Zn含量显著高于其他螯合剂作用，而且在根部的表现作用比地上部显著。AES处理后植物地上部Cd含量及积累量显著高于其他螯合剂作用，通过EDTA、EDDS处理的植株根部中Cd含量明显高于其他螯合剂处理。

②相同条件下的不同螯合剂对植物吸收重金属的影响相同的溶液培养条件下，植株根中重金属含量整体水平呈现明显的下降走势。有助于ISA对Cd，AES对Zn的吸收。说明螯合剂对植株地上部位重金属含量的影响在植株地上没有根部明显。

③螯合剂影响土壤对重金属的吸附解析。通过实验数据我们可了解到：在新型生物可降解螯合剂中，新型螯合剂AES对受到污染的土壤环境中的Zn解吸的促进作用明显高于其他螯合剂的作用。新型螯合剂ISA对污染土壤中Cu解吸的促进作用显著高于除 EDDS外的其他螯合剂的作用。新型螯合剂PESA在对污染土壤中Cu、Pb、Zn、Cd的解吸量方面无明显的促进作用。

5 展望

新型环境材料的研究在国内外进展较快，需要不断进行广泛和深入的研究。在研究的同时需要不断的贯彻循环经济和可持续发展的思想，进行新型环境材料的研发工作。国家应根据当前土壤环境的现状制定相关标准，不断进行深化和规范，旨在取得最大化的环境收益。

当今社会越来越多的人都认识到环境保护的意义所在，新型环境材料的功能和应用可以通过越来越多的个例生动的展示在大众的认知范围内。我国目前经济发展迅速，正处于经济和社会的高速发展阶段，资源与能源的消耗日益紧张、土壤环境恶化的现状日益加剧，新型环境材料的广泛应用便成为材料及其产业在资源和环境问题双重制约下，实现我国循环经济和社会可持续发展的必然选择。

［1］山本良一，环境材料［M］.北京：中国化工出版社，1996.

［2］黄占斌，孙在金.环境材料在农业生产及其环境治理中的应用［J］.中国生态农业学报，2013，21(1)：88-95.

［3］林玉锁，李波，张孝飞.我国土壤环境安全面临的突出问题［J］.环境保护，2004，(10)：39-42.

［4］骆永明.中国土壤环境污染态势及预防、控制和修复策略［J］.环境污染与防治，2009，31(12)：27-31.

［5］彭丽成，黄占斌，石宇，等.环境材料对Pb、Cd污染土壤玉米生长及土壤改良效果的影响［J］.中国生态农业学报，2011，19(6)：1386-1392.

［6］章智明，黄占斌，单瑞娟，等.环境材料对污染土壤中Pb、Cd和As吸附解吸研究［J］.环境工程，2013，31(3)：122-126.

［7］刘云，董元华，杭小帅，等.环境矿物材料在土壤环境修复中的应用研究进展［J］.土壤学报，2011，48(3)：629-638.

［8］王庆仁，崔岩山，董艺婷.植物修复—重金属污染土壤整治有效途径［J］.生态学报，2001，21(2)：326-331.

［9］彭自然，王毓芳，徐伯兴.螯合诱导植物修复被重金属污染土壤［J］.上海化工，2001，17.

［10］王红旗，陆泗进，陈延君.污染土壤植物修复中螯合诱导和转基因技术的应用现状与前景［J］.地学前缘，2005，12，特刊.

［11］席梅竹.可降解螯合剂诱导的植物修复重金属污染土壤的潜力［D］.北京：中国地质大学，2008.