耕地土壤重金属污染概述及安全利用技术研究

刘 倩 金维政 郭继民

（1.山东省农业生态与资源保护总站，山东 济南 250100；2.潍坊市农业技术推广中心，山东 潍坊 261061）

1 土壤重金属污染概述

1.1 我国土壤重金属污染状况

2014年，原环境保护部和原国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤重金属污染较为严重，其中镉的点位超标率较大（为7.0%），镍的点位超标率达到了4.8%，砷的点位超标率是2.7%，锌的点位超标率为0.9%。据统计，全国每年受重金属污染或导致减产的粮食达2 200万 t，经济损失至少200亿元［1］。因此，无论是从生态效益还是从经济效益来讲，我国土壤重金属污染总体状况不容乐观。近年来，部分地区发生的一些土壤重金属污染事件对农产品质量安全造成了严重威胁，进而影响人们的身体健康，甚至成为导致社会不稳定的因素。

近年来，我国充分汲取国外30余年污染治理经验，初步建立了农用地重金属土壤污染风险管控法律体系、制度体系、标准体系和技术体系，有关土壤中重金属污染治理的研究也逐渐得到重视，治理措施日益多样化，为土壤环境保护提供了科学根据和坚实保障［2］。宋伟等［3］依据我国 138个典型区域耕地土壤重金属污染案例资料和数据，评估测算我国耕地土壤重金属污染概率约为16.67%。张小敏等［4］的研究表明，我国西南地区各种土壤重金属含量普遍较高，其他土壤重金属含量较高的地区为广东省北部与湖南省交界和环渤海地区，湖北省、安徽省等地也出现土壤重金属含量偏高的情况。

1.2 土壤重金属污染来源

土壤中的重金属既有自然来源，又有人为来源。其中，自然来源主要是成土母质中的重金属，而人为来源主要为人类活动导致土壤重金属含量增高，如工业废气和粉尘大气沉降、农业生产过程中使用污水灌溉农田、不合理施用农药和化肥、固体废物堆放等。工业生产过程中产生的气体和粉尘通过自然沉降或者降雨，还有矿山开采、有色金属冶炼等产生的废水，均会将重金属带入土壤。在农业生产过程中，农药、化肥、地膜等均是农作物生长过程中非常重要甚至必不可少的生产资料，而不合理使用这些生产资料就有可能加剧土壤重金属污染。我国农业生产使用污水灌溉的时间较为长久，早在20世纪50年代就已被广泛运用到农业生产中，采用这种方式能够有效缓解淡水资源供应不足的情况［5］。另外，从资源循环利用的角度来看，处理后的污水中含有一定量的氮、磷等养分，有利于农业生产。但是，污水中含有的重金属在灌溉过程中也进入土壤，最终重金属累积造成土壤环境污染。YANG等［6］的研究结果表明，华北平原污灌区13 m深的土壤镉含量可高达3.8 mg/kg。另外，固体废物特别是工业和矿业等产生的大量重金属废物，如果任意堆放或者隔离处置不当，其含有的重金属污染物就会向周边环境扩散，造成环境污染。

1.3 土壤重金属污染特点

第一，强隐蔽性。土壤重金属污染往往不能直观显现，需要通过实验室分析检测，甚至是研究其对人体健康状况的影响才能确定。第二，易累积性。多数重金属污染物在土壤中的活性相对稳定，一旦进入土壤后，很难被自然分解或者从土壤中迁移出来。这样就会导致重金属在土壤中不断累积，对土壤的生态结构和功能稳定产生一定影响。第三，难治理性。土壤重金属污染一旦发生，就很难消除。相关部门若仅切断污染源，则并不能消除已经累积的重金属污染物。要想彻底消除重金属污染物，有时要靠换土、淋洗等方法，而这种治理方法成本较高、周期较长，往往不适宜大面积推广应用。

1.4 土壤重金属污染的危害

从全球范围来看，土壤重金属污染问题越来越普遍。2014年《全国土壤污染调查公报》显示，我国土壤环境重金属污染状况也是比较严重的。重金属在环境中可以通过水-土或者水-气界面进行迁移。在迁移过程中，重金属会通过食物链和食物网富集在生物体内，对生物体造成严重影响。加之重金属污染的强隐蔽性，人们很难直接察觉，当人体内重金属含量累积到一定程度时，就会影响其正常的生命活动，甚至造成致畸、致突变或者致癌等严重后果。例如，有研究表明，人体内的铅含量过高，会对神经系统和造血系统产生比较严重的危害［7］。

2 重金属污染土壤安全利用和治理修复技术

目前，农艺调控、土壤改良、生物修复等多种措施被广泛应用于重金属污染土壤安全利用和治理修复。重金属污染土壤修复技术原理主要有以下两点。第一，通过各种修复措施，将重金属污染物从土壤中移除，降低土壤中重金属含量。第二，通过改变土壤中重金属元素的存在形态，使其被固定或钝化，从而减少重金属在环境中的迁移和在生物体内的富集。从当前我国耕地土壤污染治理修复的实践来看，将重金属污染物从土壤中移除的难度较大，可行性不高，主要还是以改变重金属存在形态、减少作物吸收、保障农产品质量安全为目标。

2.1 农艺调控类措施

农艺调控是指在农业生产过程中，通过采用农艺措施降低重金属污染物的活性，减少其向农产品转移，从而实现农产品中重金属含量不超标，保障耕地土壤环境质量安全的措施。农艺调控类措施包括石灰调节、优化施肥、品种调整、水分调控、叶面阻控及深翻耕等。

2.1.1 石灰调节。石灰调节主要适用于被重金属污染的酸性土壤，通过向土壤中施用适量的石灰，提高土壤pH值，使土壤中的重金属阳离子发生沉淀进而降低其活性，同时可为作物提供钙素营养。李明等［8］的研究表明，施加石灰在提高土壤pH值的同时降低了土壤中重金属的活性。这种方法适用于镉污染的偏酸性稻田，缺点是连续多年或者过量施用石灰会破坏土壤团粒结构，易导致土壤板结。

2.1.2 优化施肥。优化施肥主要是根据土壤环境状况与当前种植作物的特征，选择适宜的有机肥或者化肥种类，优化有机肥或化肥施用技术，进而修复重金属污染土壤。在采用这种调控措施时，相关部门对肥料的选择要结合当地耕作制度、气候、土壤和水利等条件，同时要避免因施用化学肥料而导致重金属污染物活化的情况发生。吴文成等［9］研究发现，硅肥、钙镁磷肥和有机肥对重金属污染水稻土修复效果显著，添加8 g/kg钙镁磷肥能将可交换态镉、铜、铅和锌比例分别减少62.5%、69.0%、69.6%和73.0%。该方法适用于所有耕地土壤，但肥料施用中应注意施用量，把握适度原则，防止过量施肥引起土壤养分不平衡、酸化，甚至是二次污染等问题。

2.1.3 品种调整。品种调整的原理是不同种类农作物或同一种类农作物的不同品种对重金属的富集能力不同，可通过品种筛选，在被重金属污染的土壤上种植对重金属富集能力弱，但生长和产量基本不受影响的品种，从而抑制重金属污染物通过农产品进入食物链，达到有效降低农产品重金属污染风险的目的。刘娜［10］在镉污染农田（镉浓度为0.322 mg/kg和0.421 mg/kg）对黄淮海平原主推的72个小麦品种进行镉积累特性研究，发现不同小麦品种的籽粒镉积累能力（籽粒镉浓度和富集因子）差异显著，小麦籽粒镉浓度变化范围为0.061～0.160 mg/kg，籽粒镉富集因子变化范围为0.19～0.49。由于我国地域广阔，各地种植的农作物也有较强的区域性，每种农作物都有其特定的适宜种植地区，因而在品种推广上有一定的局限性。此外，相关部门采用此措施时需要定期开展跟踪监测，一旦发现农产品重金属含量超标，要尽快查明原因，妥善处置并调整种植方案。

2.1.4 水分调控。水分调控是通过对酸性土壤采取淹水措施，使其呈还原状态，提高土壤的pH值，使重金属镉形成硫化物沉淀，从而降低镉的活性，减少作物对镉的吸收。李剑睿等［11］通过试验证明，长期淹水有利于土壤镉的黏土钝化过程。该方法主要适用于土壤pH值低于6.5的镉污染酸性稻田。稻田淹水后土壤呈还原状态，有利于水稻吸收营养元素，但还原性过强会对植物根系产生毒害作用，因此淹水灌溉期间相关部门应注意加强水质监测和作物病虫害的防控。

2.1.5 叶面阻控。叶面阻控是通过向作物叶面喷施含有硅、硒等有益元素的阻控剂，提高作物的抗逆性，抑制重金属污染物通过作物根系向可食部位转移，从而降低作物可食部位的重金属含量。邹成林等［12］研究表明，施用硒肥可对作物中的重金属产生拮抗作用，在糯玉米大喇叭口期喷施不同浓度微量硒肥，不同品种糯玉米的镉含量随喷施硒肥浓度的增加而降低，最大降幅为52.9%。该方法适用于镉污染稻田，特别是有效硅、有效锌缺乏的镉污染稻田。叶面阻控剂不仅可有效调节作物对营养元素的平衡吸收，还可通过叶面喷施，避免对土壤造成二次污染，且操作相对简便。

2.1.6 深翻耕。一般情况下，表层土壤受环境扰动大，重金属含量较高，而犁底层或母质层的土壤重金属含量低，深翻耕土壤可将表层与犁底层甚至是母质层的土壤充分混合，从而稀释表层土壤重金属的含量。该方法对于一般耕地土壤均适用，但对耕作层厚度有一定要求，且在降低表层土壤重金属含量的同时，也降低了表层土壤中有机质和养分的含量，因此，深翻耕一般需要配套施肥措施才能满足农作物生长需要。

2.2 土壤改良类措施

土壤改良是通过向土壤中施用可以降低重金属污染物活性的钝化剂、调理剂等，达到减少农作物对土壤中重金属污染物的吸收和富集的目的。

2.2.1 原位钝化。原位钝化是通过向土壤中添加钝化物质，将土壤中的重金属离子从有效态转化为化学性质不活泼的形态，从而降低其在土壤中的生物毒性和有效迁移能力。目前，常见的钝化剂有蒙脱土、海泡石、黏土矿物粉、铁锰氧化物及泥炭等。姜洋［13］等研究表明，添加固定剂（蒙脱土、磷矿石、重钙和钙镁磷肥）对土壤中的镉有不同程度的钝化作用，且随着时间的推移，钙镁磷肥及其配施石灰组和磷矿石配施石灰组钝化持久性最好。该方法受农业生产、农时、地域和气候的影响较小，但在大面积应用前，相关部门应加强对技术的适应性试验研究，避免二次污染和长期使用对土壤环境产生其他负面影响。

2.2.2 定向调控。定向调控主要基于土壤化学或微生物学原理，通过调节土壤中重金属的氧化还原、沉淀、吸附等过程，使其从高有效性形态转化为低有效性形态、由高毒性转化为低毒性，从而定向控制土壤中重金属的迁移，减少其在农作物中的富集。目前，相关部门通常采用具有特殊功能的材料，如海泡石、木质素、腐殖酸肥等，配制成土壤调理剂，实现定向调控。龙炜凡等［14］研究表明，使用矿物基土壤调理剂能有效降低土壤重金属含量，其中对镉的降低效果最明显。该方法适用于一般重金属污染地块，但在大面积推广前相关部门应进行充分完善的试验研究，以保证修复成效。

2.3 生物修复类措施

生物修复是利用生物的生命代谢活动来降低土壤中重金属浓度或使重金属达到无害化的技术，包括微生物修复和植物提取等技术措施，其中生物可以是天然或人工改造的。

2.3.1 微生物修复。微生物修复主要是通过微生物的生物代谢来降低土壤中重金属的活性，微生物可以是细菌、真菌或藻类。目前，我国使用的微生物既有天然的，又有人工驯化培养的。张欣［15］研究表明，通过施入微生物菌剂，菠菜单株鲜质量平均增长18.8%，干质量平均增长15.7%，菠菜植株镉含量显著减少，平均下降幅度为14.5%。该方法比较安全，应用成本较低，且二次污染问题较少，对环境的影响较小。

2.3.2 植物提取。植物提取是利用超（高）富集植物或络合诱导植物高效吸收污染土壤中的重金属，并在地上部积累，通过将植物地上部分收割，达到去除土壤中重金属的目的。该方法成本较高，一般适用于小面积重金属污染耕地。

2.4 综合类措施

实际农业生产过程中，由于土壤重金属污染本身具有一定的复杂性，且田间环境影响因素复杂多变，若采用单一措施难以降低农作物可食部位重金属污染物含量，因此，相关部门往往需要结合当地耕地土壤污染类型、污染程度，利用物理-化学-生物联合的技术措施，因地制宜建立耕地安全利用技术模式，加强土壤重金属污染防治。向玲等［16］的研究表明，施用矿物基土壤调理剂和微生物菌剂，水稻稻米镉含量降低61.22%，比单独施用矿物基土壤调理剂提高了5.74个百分点。

3 总结与展望

近年来，我国已经意识到保护土壤环境的重要性，国家对土壤环境的监测和管理能力不断增强。自2016年以来，国家相继出台了《土壤污染防治行动计划》《中华人民共和国土壤污染防治法》和《环境影响评价技术导则土壤环境》等相关法律法规和标准，土壤污染防治监管体系逐渐完善。保护耕地，人人有责，耕地质量直接影响着国家粮食安全。因此，各地相关部门应进一步探索可复制、可推广、适宜当地土壤污染特征和农业生产实际的耕地安全利用技术模式，实施风险管控，分类别、分作物、分阶段实施耕地安全利用技术模式，改善土壤环境质量，保障农产品质量安全。