农田重金属污染土壤修复技术研究进展

徐伯钧

[摘要]土壤重金属污染作为一个世界性的环境问题受到越来越多的关注，因此开展重金属污染土壤的修复技术研究具有非常重要的科学意义和现实意义。对国内外有关农田重金属污染土壤修复技术（农艺措施、化学调控、工程措施和生物修复）的研究进展进行了综述，以期为农田土壤重金属的治理修复提供科学依据。

[关键词]重金属；土壤；修复技术

[中图分类号]X53 [文献标识码]A

随着我国国民经济的高速发展和城镇人口的急剧增加，各种有毒有害重金属元素通过多种途径进入农田土壤，造成农田土壤中各种有毒有害重金属元素富集，使得各地相继出现了严重的重金属污染事件，而且重金属污染问题日益凸显。环境保护部和国土资源部2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤污染物总超标率为16.1%，污染类型以无机型为主。因此，防治土壤污染，保护土壤资源，修复重金属污染土壤，已成为近年来国内外环境领域研究的热点和难点课题。

目前，针对农业土壤重金属修复主要基于以下三种思路：一是改变土壤重金属的化学形态，使其钝化，减弱重金属的活性和迁移性以阻止其进入食物链；二是利用工程技术将重金属变成可溶态、游离态，再淋洗土壤，收集淋洗液回收重金属；三是利用特殊植物吸收原理，收获植物回收重金属。基于以上修复思路国内外学者们已经研发了许多治理技术，在重金属污染农业土壤实际修复措施中，则主要有农艺措施、化学调控、工程措施和生物修复四大类。

1 农艺措施

農艺措施是通过采取适当的农业措施或添加一些物质达到消减重金属污染危害的方法。影响农作物对重金属的吸收的因素有土壤重金属总量、重金属有效态含量、灌溉方式、施肥类型和土壤理化性质、植物种类、耕作制度等。因此，通过调节土壤水分、pH、有机质等因素可以改变重金属的水溶性和迁移性，达到降低重金属的生物有效性和减轻重金属生物毒性的目的。

日本农林渔业部门鼓励农民在Cd污染农田种植水稻时，尽量做到水稻抽穗前后期农田处于水淹状态，这样土壤会处于还原状态，Cd与硫结合形成CdS，从而降低水稻对Cd的吸收。Murray等开展水稻盆栽试验，发现水稻在抽穗后落干的情况下籽实Cd含量是正常灌水的12倍。对酸性土壤采用生石灰等碱性物质来提高pH值，可降低重金属Cd在土壤中的有效性，其有效态含量降低15%[8-9]，有效抑制植物对Cd的吸收。

2 化学调控

化学调控是利用化学试剂能够螯合或与重金属存在竞争关系等原理，采取叶面喷施或者直接添加到土壤中的方式降低农作物对重金属的吸收和转运。

研究者发现部分化学元素对植物生长发育有促进作用，在植物抵抗生物和非生物胁迫中起保护作用。Vaculik和Liu等发现硅能够提高植物对Cd等重金属的耐性且降低对后者的吸收。研究者在小麦、水稻和大麦等作物中发现Zn对Cd毒害的缓解作用。Filek等研究发现在培养液中添加硒可以缓解Cd 对植物的毒害。此外，Zeng等研究了GSH可以缓解重金属毒害。综上所述，硅、锌、硒和GSH在实验室单独使用均可以显著缓解重金属毒害作用。而对于复杂的农业生产来说，它们能否发挥同样的作用需要进一步验证。

3 工程措施

土壤移除、更换和置换是一种非常有效且快速的解决土壤重金属污染的方法。土壤移除和更换多用于重度重金属污染土地，但由于其成本高、工程量大的特点，因而只适用于污染面积较小的土壤。置换是通过深耕等方式将上下层土壤混匀，以此降低耕作层的重金属含量，此法适用于中、轻度重金属污染土壤。另外，可采用有机酸、螯合剂的溶液将土壤中的重金属冲洗出。Wasay等利用FeCl3 将Cd污染土壤中24%～66%的Cd提取出来。此外，柠檬酸、酒石酸、EDTA冲洗重金属污染土壤，也可显著降低土壤重金属含量，但是容易造成土壤养分的流失和结构的改变。

4 生物修复

生物修复是利用植物、微生物和动物去除土壤重金属的方法，经过新陈代谢过程，生物可以将土壤中的重金属形态发生变化或进行吸收，从而降低重金属毒性、达到净化土壤的目的。目前，我国对生物修复技术的研究大多集中在植物修复和微生物修复两方面。而植物修复技术较于微生物及动物修复技术方面，植物修复土壤重金属污染的治理机理较为简单、操作更为简便、易于得到预期治理效果。

4.1 动物修复

动物修复技术是利用土壤动物（如蚯蚓、线虫、节肢动物甲螨）通过食物链等作用吸收、降解或转移重金属，以降低土壤中重金属的浓度。国外动物修复的研究已有较长时间，国内起步较晚，尚处于探索阶段。孙艳芳等指出土壤无脊椎动物群落的多样性指数、蜱螨目和弹尾目的种群数量可以指示土壤重金属污染程度。伏小勇等经试验发现蚯蚓对重金属有一定的忍耐和富集能力，用于修复重金属污染土壤具有一定的应用价值。

4.2 微生物修复

微生物修复是利用微生物的生物活性对重金属的亲和吸附或转化为低毒产物，降低重金属的污染程度。国内外利用微生物（细菌和酵母等）减轻或消除重金属污染已有报道，微生物通过改变重金属的化学或物理特性而影响其在环境中的迁移与转化其修复机理包括细胞代谢、表面生物大分子吸收转运、生物吸附、空泡吞饮和氧化还原反应等。微生物对土壤中重金属活性的影响主要体现在四个方面：①溶解和沉淀作用；②生物吸附和富集作用；③氧化还原作用；④菌根真菌对土壤重金属的生物有效性影响。

4.3 植物修复

植物修复是利用植物来转移、容纳或转化土壤污染物以使土壤得到净化的一种方法。植物通过对重金属吸收、挥发、降解和稳定等作用，可以降低土壤中重金属含量。具体植物修复类型包括有植物提取、植物稳定、植物固定和根际过滤四种。其中，采用超富集植物进行重金属污染土壤的修复技术逐步成熟，已得到众多科学家的倡导和推崇。该项技术的前提和重点在于超富集植物的筛选和培育，超富集植物多生长在矿区等重金属污染严重地区，通过野外调查得到。而通过人工驯化栽培，同样可显著提高某些植物对重金属的吸收富集能力。

迄今為止，在美国、新西兰等国家已经报道的超积累植物有700种。其中Ni 的超富集植物277 种。至2010年，国内发现Cd超富集植物已达20余种，主要有东南景天、宝山瑾菜、龙葵 、三叶鬼针草、龙共葵、球果蔊菜、小飞蓬、商陆、水葱、杨桃等；Cd富集植物已达60种，主要有水稻、甜高粱、芦竹、龙须草、小麦、香根草、桑树、马尾松、露松等。国内报道Pb超富集植物主要有密毛白莲蒿、白莲蒿、小鳞苔草、金丝草以及Pb/Zn/Cd超富集植物圆锥南芥。

4.4 联合修复

植物-微生物联合修复技术是利用植物与微生物之间相互作用以提高修复效率的技术，植物-动物-微生物联合修复技术则是植物、动物与微生物三者共同作用完成修复过程。近年来，联合修复技术逐渐引起各学者的研究兴趣。田伟莉等发现Cd、Cu、Pb修复效果分别较单个动物修复和植物修复的简单叠加效果高11.5%、7.2%、5.0%。杨柳等[33]研究了在Pb2+、Cd2+胁迫作用下蚯蚓、菌根菌及其联合作用对植物修复的影响，结果显示蚯蚓可以显著提高植物地上部分的生物量，菌根菌可以提高植物地上部分的重金属积累浓度，同时接种蚯蚓与菌根菌所能提高植物吸收的重金属总量的幅度最大。

5 结语

随着对农田土壤重金属污染认识的深入，对农田土壤修复也就提出了更高的要求。单单一种修复技术很难对复合污染进行理想的修复治理，因此，联合多种修复技术实现复合污染土壤治理修复方面已经成为未来发展的趋势。

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