农田土壤重金属污染及防治对策

景延秋，袁秀秀，王宇辰，林二阁，鲁 平，张月华，高玉珍，刘英杰（.河南农业大学烟草学院，河南 郑州 000；. 河南中烟工业有限责任公司，河南 郑州006；. 河南中烟工业公司新郑卷烟厂，河南 新郑 0；. 甘肃烟草工业有限责任公司技术中心，甘肃 兰州 7000；. 河南省烟草公司郑州市公司，河南 郑州 0007）



农田土壤重金属污染及防治对策

景延秋1，袁秀秀1，王宇辰1，林二阁1，鲁 平2，张月华3，高玉珍4，刘英杰5
（1.河南农业大学烟草学院，河南 郑州 450002；2. 河南中烟工业有限责任公司，河南 郑州450016；3. 河南中烟工业公司新郑卷烟厂，河南 新郑 451150；4. 甘肃烟草工业有限责任公司技术中心，甘肃 兰州 730050；5. 河南省烟草公司郑州市公司，河南 郑州 450007）

摘 要：概述了农田土壤重金属污染物的来源及其污染特点，提出了综合防治农田重金属的措施，包括控制和消除污染源，制定相应法规和加强宣传管理，传统修复法，生物修复法，探讨农田重金属的研究方向，包括发挥植物修复的优势和作用，回收再利用超富集植物体内的重金属，避免不能回收的植物造成再污染，改进微生物，研究超级积累植物与土壤微生物共存体系的应用，制定合理的农田土壤污染生态补偿机制。

关键词：农田土壤；重金属污染；防治措施

全球经济迅猛发展，工业化和现代化进程不断加快，随之而来的是农田受到大量重金属元素的污染，土壤质量呈持续下降趋势，农产品的产量和质量受到严重影响。作为土壤污染的主要类型之一，重金属污染对农田危害性最为严重，土壤系统中的大量重金属通过食物链在人体内蓄积，达到有害水平最终危害人体健康。其中以毒害较大且易被作物富集的重金属Hg、Cd、Pb、Cr以及类金属As［1］最为引起科研工作者的关注。据统计显示，在目前我国耕地面积持续接近红线的背景下，近0.2亿hm2耕地遭受重金属污染或污染威胁，约占总耕地面积的1/6［2］，粮食安全问题逐渐凸显。现有科技水平下，重金属对土壤的损害和影响不可逆。因此，如何有效缓解农田土壤重金属污染已成为全球关注的热点，研究土壤重金属污染途径和特点、对农田的危害及其防治措施对控制重金属污染具有重要意义。

1　农田土壤重金属污染物的来源

土壤中重金属的来源有多重途径，包括成土母质在内的各自然因素、工农业生产等均与之密切相关，但现代人类的多种生产活动才是重金属污染物进入土壤的最重要原因。

1.1大气中重金属沉降

大气沉降主要是有害气体和粉尘等以工厂、矿业和废物堆为中心而向四周扩散，携带大量重金属元素以大气自然沉降［3］和雨淋沉降方式进入农田土壤。大气降尘组分的相互关系证明，地面尘土重金属富集度高且污染性强。由大气沉降引起的工厂、矿业、废物堆周围和道路两侧的农田土壤重金属污染情况屡见报道。

1.2工矿业和交通运输污染

矿产业、塑料、化工等行业以“三废”形式不断向城乡土壤排放重金属，在某些工矿企业周围，土壤重金属含量具有明显的差异，可能会导致周边地区土壤污染［4-5］。机动车辆尾气排放释放出的Pb、Cd、Cu、Cr和Zn等重金属，显著污染大气，更是公路两侧农田土壤的主要重金属污染源［6-8］。

1.3农业生产带来的污染

在农业生产过程中，肥料、农药和地膜等对农业生产起到重要的作用，但长期不合理使用含有Pb、Hg、Cd和As等元素的农药和化肥，在土壤中一些重金属的富集使农田土壤受重金属污染。随着地膜和塑料大棚的大面积推广使用，大量的地膜残片滞留在土壤中，农用塑料薄膜生产过程中加入的热稳定剂中含有Cd和Pb元素，在使用时都可加重农田土壤重金属的污染［9］。污水灌溉和污泥施肥过程中，污水内的重金属进入农田后以不同的方式被土壤截留固定会引起污染。另外，使用不合格畜禽粪便做肥料也会导致土壤重金属污染，畜牧业饲料添加剂中常含有一定量的重金属，畜禽粪便含有许多体内不能吸收和转化的微量元素和有机污染物，制成农家肥在大田中施用，成为农田土壤重金属的污染源［10］。

2　农田土壤重金属污染的特点

2.1形态多样且毒性不同

重金属大多属于过渡元素，表现出具有多种氧化态的变价特点，同一重金属的不同价态其毒性也各不相同。如Cr6+的毒性大于Cr3+，主要原因是Cr3+不易通过细胞膜［11］。重金属在离子状态下的比络合状态下的毒性大，如Cu、Zn、Cd和Pb的离子态毒性分别远大于其络合态［12］。重金属的有机化合物态常比无机态的毒性大，如Cd（CH3）2大于CdCl2、C8H20Sn大于SnO2和CH3ClHg大于HgCl2的毒性等。重金属的生物可利用性和迁移率往往取决于其在土壤中的存在形态。离子态或络合态的重金属能够通过扩散作用、沉积作用、水解反应、氧化还原反应和甲基化反应等在迁移转化过程中发生多种物理、化学变化。因此，了解农田重金属在土壤中的存在形态在重金属毒害评估中十分必要，否则可能无法把握防治重点，甚至得出相反的结论。

2.2具有隐蔽性和滞后性

相对而言，大气、水体和废弃的污染比较直观，感官就能发觉；而农田土壤重金属污染感官难以察觉，多是通过植物进入食物链积累到一定程度后才反映出来。因此农田土壤重金属污染是一个相当长的过程，存在滞后性和隐蔽性的特点。在重金属污染严重的农田土壤中生产的作物极大程度地威胁人类健康。从病理学角度来讲，重金属摄入人体后缓慢积累，具有较长的毒性潜伏期，一般不会表现出器质性损伤和临床医学特征，往往经过几年或几十年时间病变才会显示。如日本富山县神通川流域的“骨痛病”经过了10～20 a后才被人们所发现［13］。

2.3不可逆性且难治理

大气和水体是具有有限自净功能的流体，通过稀释、吸附、氧化还原等作用，不再与污染源接触后其污染程度将会持续减轻。当农田土壤中的重金属积累到一定程度，土壤结构与功能将发生变化，很难靠自净化作用来稀释或消除重金属。土壤的重金属污染则是一个不可逆的过程，参与自然界自净作用转化中的重金属仅发生形态上的转变，从高浓度转变成低浓度，或是从一处转移到另一处。通常情况下农田土壤重金属污染一旦发生，就不能被降解消除。

2.4具有表聚性

因为土壤中存在的无机胶体、有机胶体和有机—无机复合胶体对重金属有较强的吸附作用和螯合能力，所以在一定程度上土壤中重金属的迁移能力受到了限制，使重金属污染物很少向土壤下层移动，大多残留在土壤耕层。重金属对土壤微生物有一定毒性，土壤酶活性受抑制，致使农作物污染，进而危害人类生存健康。

3　农田重金属污染的防治措施

由农田土壤重金属污染特点可知，要解决农田土壤重金属污染的问题，应坚持“预防为主、防治结合、综合治理”，从预防和治理两个方面着手［14］。对于未被污染的土壤提前做好防护措施，其关键是减少污染源；对于已污染的土壤要积极采取合理的治理措施。

3.1农田土壤重金属污染的预防

3.1.1控制和消除污染源 防治农田土壤污染的根本措施是控制污染物进入农田土壤的数量和速度，控制重金属污染源，使土壤将其自然缓慢地降解，控制其不超过土壤承受能力而引起土壤污染［15-16］。做到以下几点可控制重金属进入农田土壤：（1）在工业“三废”方面做到严格控制，严格执行工业“三废”排放标准。（2）对于机动车尾气排放，通过改进现有汽车发动机的结构、性能等措施来控制移动源的排放，另外提高燃油品质、研究开发新代用燃料和新动力装置等等。（3）合理使用化肥、农药和地膜等，严禁使用国家明令禁止的农药中含Hg、As，化肥中含Cd、Hg，地膜中含Cd、Pb的农用品，防止因农业生产措施而引起的农田重金属污染。（4）对污水污泥的监测加强管理，农田灌溉用水符合《农田灌溉水质标准》后才能灌溉施用，防止重金属进入农田的各种方式；改进灌溉方式，发挥土壤对污染物的净化功能。

3.1.2制定相应法规和加强宣传管理 目前我国土壤重金属污染已经极其严重，使土壤防治工作步入规范化已刻不容缓，制定《土壤污染防治法》法规制度［17］。在畜禽饲料中含有Cu、Pb等微量元素，其未被畜禽吸收的元素将随粪便排出，这样的畜禽粪便用于还田可能造成农田土壤重金属污染，中国现行的《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596-2001）应将其考虑在内。此外，还应加大宣传、监督和管理工作力度［18］，建立健全的技术服务体系，进一步促进土壤环境保护工作的开展。

3.2农田土壤重金属污染的修复

3.2.1传统修复法 传统修复已被重金属污染的农田土壤有多种方法，如吸附法、客土法、淋滤法、沉淀法和络合浸提法等物理方法和化学方法。这些传统方法治理效果好、历时短，但投资成本高、管理复杂、可能造成二次污染，且只适合使用于污染面积较小的地块［19］。

3.2.2生物修复法 近年来生物修复已成为土壤重金属污染修复的热点，生物治理法包括植物修复、动物修复和微生物修复，能大规模、低成本治理土壤重金属污染物。

某种特定植物对土壤中的某污染元素能特殊吸收富集，然后将该植物收获进行妥善处理称为植物修复，该方法即可将该重金属移出土体，以达到治理修复的目的［20］。筛选修复重金属污染植物的方法主要有野外调查—重金属浓度梯度法、特殊植物—重金属浓度梯度法和土壤种子库—重金属浓度梯度法3种［21］，植物修复方式包括植物提取、植物固定、植物转化和植物挥发等4种［22］。目前，已被发现的具有Cu、Co、Ni、Mn、Cd、Pb和Zn元素 超富集作用的植物种类超过500种，但其缺陷也显而易见：绝大多数的超积累植物其富集作用具有特异性，只针对1种重金属元素，只有少数可同时积累2种或以上重金属。对受重金属污染严重的土壤，为在避免重金属污染物进入食物链的同时提高土地利用率，要替代种植非食用性作物，如被Cd严重污染的土壤可种植麻类、棉花、花卉、桑苗等作物。利用超富集植物修复重金属污染的土壤是一个绿色安全的治理方法，具有极大的开发价值［23］。

土壤中的某些低等动物如蚯蚓、鼠类等，它们具有吸收土壤中重金属的能力，在一定程度上达到减少或消除重金属污染物的目的，即称为动物修复［24］。如某些种类的蚯蚓能在重金属污染的土壤中存活，并将一定量的重金属富集体内，还可提高土壤重金属的生物有效性，修复污染的土壤［25］。

利用土壤微生物的生物活性将土壤中的重金属亲和吸附或转化为低毒产物，降低重金属毒性的修复方法称为微生物修复法［26］。微生物修复有多种方式，如革兰氏阳性菌可吸收Cd、Cu、Ni和Pb等重金属元素［27］；蓝细菌、动胶菌、硫酸还原菌以及某些藻类能产生多糖、糖蛋白等物质的微生物富集作用［28］。许多异养微生物可把毒性大的As、Cr、Co和Au等元素还原成毒性小的价态的氧化还原作用［29］。

4　农田土壤重金属污染治理的研究方向

为保护农业生态环境，必须采取有效的防治措施。农田土壤修复可加强以下几个方面的研究：（1）探索植物对重金属超积累的作用机理，进而寻找、培育出提高超积累重金属含量的植物，开发丰富野生资源，发挥植物修复的优势和作用；（2）研究如何回收再利用超富集植物体内的重金属以及如何避免不能回收的植物造成再污染；（3）研究土壤环境条件下对重金属微生物有效制约的机理，利用分子工程技术改进微生物，使其在各种农业环境条件下更好地应用；（4）研究超积累植物与土壤微生物共存体系的应用。另外，农田土壤重金属污染农户是主要受害者，也是污染治理的执行者和主要参与者。制定合理的以农户为本的农田土壤污染生态补偿机制，保障农户的基本生产生活，如补偿主体、补偿标准、补偿期限和补偿方式等，同时还可加大投入沼气建设，推广新农村建设、畜牧产业和退耕还林等建设项目［30］，以发挥农户的主动性和积极性，从而全面有效的推动我国农田土壤重金属污染防止工作的顺利实施。

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（责任编辑：肖彦资）

Heavy Metal Contamination in Cropland Soil and Control Measures

JING Yan-qiu1，YUAN Xiu-xiu1，WANG Yu-chen1，LIN Er-ge1，LU Ping2，ZHANG Yue-hua3，GAO Yu-zhen4，LIU Ying-jie5
（1.College of Tobacco Science， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， PRC； 2. Henan Tobacco Industry Limited Liability Company， Zhengzhou 450016， PRC； 3. Xinzheng Cigarette Factory of Henan Tobacco Industry Company， Zhengzhou 451150， PRC；4.Technology Center of Gansu Tobacco Industrial Limited Liability Company， Lanzhou 730050， PRC；5. Zhengzhou Tobacco Company of Henan Province， Zhengzhou 450007， PRC）

Abstract：The article summarized the main source and pollution characteristic of heavy metals in farmland soils， and put forward several countermeasures of comprehensive control as follows： control and remove pollutant sources， make relevant regulations and strengthen the propagation and management， utilize traditional remediation methods as well as biological remediation methods， and explore the research directions on heavy metals in farmland， including fully taking advantage of plant remediation， utilizing recycled heavy metals accumulated in hyperaccumulators， avoiding the pollution caused by plants not being able to be recycled， improving microorganisms， researching the application of co-existence system of hyperaccumulators and soil microorganisms， and making reasonable ecological compensation mechanism of farmland soil pollution， in order to provide some reference for the control of soil heavy metal pollution.

Key words：farmland soil； heavy metal pollution； control measure

中图分类号：X53

文献标识码：A

文章编号：1006-060X（2016）03-0042-04

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.03.014

收稿日期：2015-11-24

基金项目：河南省烟草公司郑州市公司资助项目（HYKJ201305）

作者简介：景延秋（1972-），女，河南南阳市人，副教授，主要从事烟草化学研究。

通讯作者：刘英杰