农田重金属污染治理措施

李梦天

（中陕核工业集团二一一大队有限公司，陕西 西安 710000）

土壤是农业生产的重要基础，农田土壤环境恶化将影响粮食安全，进而通过食物链传递危害人类健康，威胁地区社会经济发展的可持续[1]。受工业化、城镇化以及规模化农业生产等因素影响，土壤重金属（如镉、铜、汞、镍、铅、砷、铬、钼等）污染问题日益凸显，土壤环境恶化严重。其中，由于镉元素具备较强的生物毒性和流动性，对人类健康、粮食生产、土壤环境以及生态系统的消极影响最为显著[2]。例如，2013年中国南部发生的稻米镉污染问题，严重威胁相关居民的生命安全；日本也曾发生镉中毒、“骨痛”事件[3]。此外，研究表明，近年来，我国主产粮区土壤镉污染点位超标率从1.32%增加到17.39%，严重影响粮食生产安全[4]。因此，亟需通过各种手段对农田重金属污染进行修复，以保证粮食安全、人类健康，进而维持生态系统和人类社会的平衡。

1 农田重金属污染的危害及来源

1.1 农田重金属污染的危害

1.1.1 农业减产

重金属元素作为人体、动植物生长所需的微量元素，具有重要的生物学意义[5]。一旦农田重金属含量和浓度超标，影响作物生产并导致减产，进而危害粮食安全[6]。一方面，植物体内重金属含量超标，会抑制植物生长酶的活性和蛋白质功能，甚至产生生物毒性，造成植物细胞损伤、官能团位移、氧化应激反映增高以及细胞代谢停滞，进而限制农作物生长[7]；另一方面，单一金属元素超标会限制植物生长所需的其他微量元素的积累，进而限制植物生产力提升。比如，王小庆等[5]在对两种有机废弃物对钼矿区农田污染土壤的修复效果研究中发现，钼含量过量会限制锰、镁、铜等植物生长所需的微量元素积累，进而削弱农作物的生长速率。

1.1.2 农田土壤环境恶化

土壤是农业生产的重要基础，其本身所富含的矿物质和营养物质是实现农作物高质量增产、确保粮食安全以及保证人类生命安全的重要基础[8-9]。比如，Wang et al.[10]对山东济宁和山西关中地区元素含量和人均寿命的关系研究发现，土壤中有益微量元素含量与元素总量之比，与人类寿命显著正相关。近年来，工业化、城镇化以及农业化肥的使用，使得农田重金属含量超标，影响农田动植物的生长发育，损害微生物活性[1]。此外，由于重金属元素沉积性强，不易被农田生态系统自分解，因此会导致土壤养分流失、土壤肥力下降[11]。

1.1.3 危害人体健康

研究表明，镉含量超标的粮食进入人体后，在肝脏、肾脏以及骨骼大量积累并引发贫血、神经痛等症状，损伤身体机能[12]；钼含量超标的食物进入人体会导致腹痛、腹泻、延缓生长、不孕不育等症状[5]；铅含量超标食物进入人体会引起便秘、贫血、呕吐、神经过敏等症状，还会导致儿童智力发育迟缓和行为异常[3]。此外，粮食重金属含量超标可使人体矿物质缺乏，引发“隐性饥饿”问题，从而危害人体健康。据研究，当前矿物质锌缺乏已成为全球近1/3人口所面临的问题[13]。

1.2 农田重金属污染的主要来源

1.2.1 农用化肥的过量使用

当前我国农用化肥主要包括氮肥、磷肥、钾肥以及复合肥。化肥的过量施用易导致土壤发生酸化反应。受降雨和灌溉的影响，土壤中过量的硝酸根离子进入浅层地表水和地下水，参与水循环，将引发人体胃癌等疾病，危害人体健康[14]。而农业生产中所喷洒的农药也含有大量的重金属元素，会在农田土壤中附着沉积，造成土壤污染[11]。

1.2.2 工业“三废”处置不当

由于降水不均，水资源供给不足，我国多数地区旱季的农业生产面临严重的缺水问题。为满足农业生产，部分地区往往采取将生活污水和工业废水用于灌溉的方式浇灌农作物[15]。而其中的重金属污染物将进入农田，造成农田土壤环境恶化。此外，固体废弃物的随地倾倒，也会污染农田。当前我国工业生产的固体废弃物处置方式仍以焚烧、倾倒和堆肥三种方式为主，在此过程中，固废中所贮存的重金属得以释放，并随土壤运动和水文运动扩散，造成土壤污染[11]。此外，人类社会生产、生活行为所产生的污染物，往往以气溶胶形式存在于大气中，参与大气循环，随大气沉降或降雨进入土壤[16]。

框架-剪力墙结构在水平地震作用下，框架部分计算所得的剪力一般较小。按多道防线的概念设计，墙体是第一道防线。在设防地震、

2 国内外农田重金属污染现状

随着人类生产力的提高和工业化、城镇化进程的加快，农田重金属污染已成为全球土壤环境修复、农业生产所面临的重大挑战。据研究发现，当前全球平均每年排放汞15 000万吨、铜340万吨、铅500万吨、锰150万吨和镍100万吨[1]。基于对美国1 200份水稻样本的分析，Huang et al.[17]发现铅、铬、镍、铜等重金属污染严重的样本高达63%；基于对日本农田重金属污染状况的观测，Parr[18]发现日本的镉污染农田约占全国污染农田的82%。此外，美国、欧洲、澳大利亚以及俄罗斯，农田镉污染最为严重[19]；墨西哥和意大利主要以铜、铅和锌污染为主[20]。

在我国，农田重金属污染来源复杂，且以镉、汞、铅、砷、铬五种元素为主。其中，镉元素由于污染性强，占我国农田重金属污染之首。截至2014年，我国重金属镉污染农田面积高达1 300万公顷，镉污染超标率在各项重金属含量中最高，达7.0%[21]。此外，由于我国工业化、城镇化发展存在地区差异，重金属污染程度南方较北方严重[22]。吕律等[23]对河南省平顶山火葬场周围农田重金属含量、分布以及来源进行了分析，发现人为因素如火葬场的烟尘排放是农田重金属含量超标的主要原因；郑铭洁等[24]对浙江省三种地质类型（运积型、残坡积型、次生风化富集型）农田重金属污染的特征进行分析，发现运积型地质农田重金属污染最为严重，且pH值是影响三种地质类型下农田土壤中镉元素生物有效性的关键因子。

3 农田重金属污染治理的措施

3.1 源头管控

在农业生产过程中，遵循作物生长习性和生长规律，严格管控农用化肥以及农药的施用量以及频次，严格控制农业灌溉水的来源。要综合考虑地区差异，因地制宜发展具有区域特色优势的绿色生态农业，不断加大作物改良的科技投入，大力推广绿色生态有机肥。

3.2 技术修复

3.2.1 原位钝化技术

向土壤投入钝化剂是农田土壤重金属污染修复的主要手段。当前我国选取的钝化剂主要有以下三种：无机类钝化剂、有机类钝化剂和新型环境功能型钝化剂。王小庆等[5]选用城市区污水处理厂的污泥、有机肥为钝化修复剂，对三种钼污染程度的农田进行分别处理，结果发现有机肥的钝化修复作用较污泥明显；马婵华[12]选用生石灰、生物炭、生物有机肥三种钝化剂，对成都平原轻度镉污染的水稻田进行分别处理，发现添加“石灰＋生物炭”的组合钝化剂对成都平原镉污染修复效果优于单一钝化剂；而解晓露等[25]则对当前修复中碱性金属污染土壤的钝化剂进行总结，得出钙镁磷肥、椰壳生物炭、油菜秸秆生物炭和腐殖酸所形成的复合型材料修复效果最佳。

3.2.2 物理修复

物理修复是目前国内外使用最普遍的土壤重金属污染治理方法。其主要是通过采用一些工程性的措施比如客土法、换土法以及热处理对重金属污染土壤进行处理。但是该方法仅适用于小范围的土壤污染，难以支撑大范围土壤污染修复工作。随着修复技术的提升，有研究提出一种新型土壤物理修复技术，即土体有机重构技术。该技术强调在对污染土壤进行置换时，考虑新土壤理化性质、养分水平以及土体结构的合理性和适应性。基于土体有机重构技术，董起广等[26]对陕西省铜川市耀州区瑶曲镇污染土壤进行修复，有效提高了渭北地区山地的利用效率；庞喆等[27]对韩城黄河滩地的土壤污染进行修复，显著提高了该地区的耕地水平和耕地质量，优化了黄河沿岸湿地的生态环境。此外，一些农艺举措如轮作、翻种等也被证明可改善农田土壤污染状况，维持土壤生产力[28]。

3.2.3 生物修复

3.2.3.1 超富集植物修复

“超富集植物”的概念由Brook于1977年首次提出，之后美国环境保护署将其解释为：基于植物具有吸收和富集、分解和转化以及稳定螯合的特性，清除或减少土壤环境中的重金属有害物质[1]。其主要包含三种方式：植物挥发、植物固定以及植物提取。植物挥发指植物通过蒸腾作用促使污染物挥发释放到大气中，主要适用于金属汞等可挥发污染物。植物固定是指通过在污染区域建立植被覆盖层，通过根系积累减少污染物的流动。作用过程主要包括根系生长、减少浸滤、控制侵蚀、于根系区创造有氧环境等，主要适用于金属镉污染的土壤修复。植物提取指的是通过吸收和运输的方式储存和处理土壤中的一种或多种重金属元素，从而减少土壤中的重金属含量。这种方法具有生态环保意义，在目前的植物修复方法中较为新颖。其利用植物修复土壤的方式具备低成本优势，维持土壤特性的同时亦不会产生“重污染”。但其修复时限较长，且农田污染的程度需在超积累植物的正常修复水平之内。

3.2.3.2 土壤动物修复

土壤动物指的是生命历史在某一时期中所接触的生活在土壤表层或土壤中的动物，通常按照其体宽分为小型（原生动物、线虫等）、中型（跳虫、螨虫等）、大型（蚯蚓、多足类等）和巨型（鼹鼠等）[29]。其中，蚯蚓由于其独特的食性特征和较强的适应性，已成为当前土壤动物修复重金属污染的研究热点[30，31]。蚯蚓对农田重金属污染的修复作用主要从以下方面入手：其一，蚯蚓在污染土壤中活动以及活动时分泌大量黏液，可提高其中重金属的生物活性及有效性，进一步加快重金属元素被超积累植物吸收的速率。同时也会促进微生物繁殖加快，活性增强，进而降低土壤污染程度[32，33]；其二，由于蚯蚓自身含有大量酶，如过氧化氢酶、谷胱甘肽还原酶以及脂质过氧化保护酶系统[31]，因此受重金属刺激，蚯蚓体内应激酶活性增加，进而利用体内消化系统的泡囊对重金属元素进行分离或固定[34]。

3.2.3.3 微生物修复

由于人口增加、城镇化加剧、粮食安全问题日益突出，传统土壤修复技术难以满足上述发展所需，因此利用微生物的生物化学属性，合理修复土壤日益成为研究的热点。首先，研究表明，微生物（细菌、真菌、放线菌）以及澡类物质具备生物吸附功能，不同类型微生物的吸附能力存在差异[2]。例如，刘悦畅[35]以小白菜（Brassica campestris L.ssp.chinensis Makino）为实验对象，对沼泽红假单胞菌（Rhodopseudanonas palustris）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）在修复农田土壤重金属镉污染中的单一效果和联合效果进行研究，发现二者联合使用在增加土壤镉的固定态，以及降低其生物有效性方面最为显著。但是，微生物吸附重金属之后，需要进行解析回收或焚烧。而解析回收的成本较高，对大多数研究区暂不适用，焚烧处理则需要防止二次污染。

4 总结

当前，农业可持续发展以及粮食安全已成为全球广泛关注的热点话题。尽管我国农业重金属污染治理颇有成效，但仍面临较大问题。在农田土壤污染防治时，还应注意以下几点：（1）根据相关的政策规范，对重金属污染农田做科学的风险评估，针对其污染程度选用差异化的种植方式，以最大化提高农田的生产效率；（2）可根据农田污染程度选取适宜种植的超积累植物，对污染土壤进行改良。例如，在重金属严重污染的农田上，不可继续种植农作物，可选取蜈蚣草等超积累植物进行种植[4]；（3）根据农田重金属污染的程度和类型，选取与修复区农田土壤结构、养分水平一致，且符合研究区经济发展状况的修复方法，做到因地制宜、科学修复；（4）加强公民在土壤污染修复中的个人意识，可通过选取节能减排的生活方式和出行方式，降低污染物以大气沉降、降雨附着或地下渗透等形式进入农田的可能性。