农田土壤重金属污染及其修复技术研究

孙劲娇

湛江市凯林技术服务有限公司，广东 湛江 524000

0 引言

随着工业化和农业生产的不断发展，农田土壤重金属污染已成为世界范围内亟待解决的问题之一［1］。农田是农业生产的基础，农田土壤重金属污染对粮食安全和生态环境造成了严重威胁。基于此，笔者对农田土壤重金属污染的特点、来源及修复技术进行探讨，以期为农田土壤重金属污染修复提供科学参考和技术指导，推动农业可持续发展，保障粮食安全。

1 农田土壤重金属污染的特点

1.1 积累性

农田土壤重金属污染的积累性是指其长期接受来自不同污染源的重金属输入和累积，导致重金属在土壤中逐渐积聚达到一定水平的现象［2］。重金属可以通过降水、灌溉和冲刷等方式进入土壤层，并逐渐向下渗透至根际层和地下水层。随着时间的推移，这些重金属在土壤中逐渐扩散和积累，从而形成不均匀的污染分布。同时，农田土壤重金属污染的积累性还受土壤理化性质的影响。土壤的质地、pH 值、有机质含量等因素会影响重金属的吸附和释放过程。在一些特定的土壤环境下，重金属容易被吸附在土壤颗粒表面，从而减少其迁移和转化的速率，加剧其积累性。另外，农田土壤重金属污染的积累性还存在一定的地域差异。不同地区的土壤类型、气候条件和人类活动水平等因素，会导致重金属积累的程度和速度不同。例如，工业企业密集地区和农业发达地区的农田土壤重金属积累水平通常较高，而相对偏远地区的农田土壤重金属积累水平通常较低。

1.2 毒性

重金属可以抑制土壤微生物活动，而高浓度重金属对生物体具有毒性。微生物是土壤生态系统的关键组成部分，在有机物分解、养分循环等过程中起着重要作用。高浓度重金属污染会干扰土壤中微生物的代谢活动，抑制微生物的生长和繁殖，从而影响土壤的生物学功能。同时，土壤中的高浓度重金属会通过植物的根系进入植物体内，干扰植物的生理代谢过程，导致植物生长受限，致使光合作用效率、产量及品质降低。甚至重金属会积累在植物的可食部分，对食品安全构成潜在威胁。此外，某些重金属，如铅、镉等，具有潜在的生物积累性，能被生物富集于体内，既危害生物，又可通过食物链危害人体，造成人体某些器官慢性中毒（如神经系统损害、肝肾功能障碍等），威胁人体健康。

1.3 长期潜伏性

农田土壤重金属污染的长期潜伏性是指重金属污染在土壤中的持久存在和潜伏特性，即使在污染源停止输入后，重金属仍然可以长期存在并对环境产生潜在影响。重金属在土壤中的迁移主要依靠水文过程，如土壤水分运动、地下水流动等。重金属一旦进入土壤，其往往会与土壤颗粒形成不可逆的结合态，迁移速率相对较低，导致其在土壤中长期滞留。尤其在重金属被吸附在负离子交换复合体上之后，重金属往往难以被迁移和转化。而且与有机物不同，重金属不会通过微生物分解或生物降解等过程而消失，它们的化学结构相对稳定，难以被生物体降解，因此会在土壤中长期存在。

1.4 不均衡性

农田土壤重金属污染是一个全球性的环境问题，其地域分布存在着明显的不均衡性。不同地区的自然环境、人类活动和经济发展水平等因素，会导致农田土壤重金属污染程度存在差异。工业化程度较高地区的农田土壤通常面临着更严重的重金属污染问题，如中国的华北、华东、华南地区和美国的工业中心地带都面临着较为严重的重金属污染。同时，矿产资源丰富地区的农田土壤往往面临着更严重的重金属污染，如赞比亚共和国等地的铜矿区都存在着严重的重金属污染问题。此外，化工厂周边的农田土壤往往也存在较严重的重金属污染。化工产品的生产通常会产生大量的重金属污染物。这些污染物会通过气体、污水或固体废弃物的排放进入周围土壤，导致重金属污染程度不断加深。

2 农田土壤重金属污染的主要来源

2.1 污水农用

随着城镇化和工业化的快速发展，大量的废水被排放到污水处理厂进行处理。然而，由于污水处理技术限制、管理不善或基础设施建设不完善等原因，部分污水未能得到彻底处理或处理效果不佳，处理后的污水依然含有高浓度的重金属污染物。当此类污水被用于农田灌溉时，重金属会以溶解态或悬浮态存在于灌溉水中，并随着灌溉渗透到土壤中，然后与土壤颗粒发生相互作用，进而沉积在土壤中，逐渐累积形成重金属污染［3］。

2.2 化肥农药使用

化肥和农药的使用是现代农业生产中的重要环节，也是农田土壤重金属污染的主要来源之一。长期滥用化肥和农药，其中的某些重金属元素会在土壤中累积，进而引发土壤重金属污染。化肥中的重金属污染物主要来自矿石或矿石加工过程中含有重金属的杂质。例如，某些磷肥生产中使用的磷矿石中含有镍、钒等重金属元素，而某些钾肥生产中使用的钾矿石中含有铷、铯等重金属元素。当这些矿石被加工成肥料时，其中的重金属元素会被带入肥料，并随着肥料的施用进入土壤，进而在土壤中累积形成重金属污染。在农药生产过程，某些制造方法或原材料涉及使用含有重金属的化合物、农药包装材料中可能含有重金属。这些重金属会渗透到农药中，随着农药使用被释放到土壤中。频繁使用和过量使用农药，特别是长期使用高残留农药，会加剧土壤中重金属的累积。

2.3 大气沉降

工业生产过程中产生的废气往往含有高浓度的重金属污染物，如铅、镉、汞等。这些重金属污染物会随着废气排放到大气中，并随着大气运动和扩散，与空气中的悬浮颗粒物结合形成颗粒污染物，然后通过大气降尘的方式沉降到地表，并随着时间的推移逐渐进入土壤［4］。汽车尾气也含有铅、铬、镉等重金属元素，这些元素以气溶胶或颗粒物的形式排放到大气中。随着交通流量的增加，尤其是在城市地区，汽车尾气排放的重金属污染物也相应增多。这些污染物会与空气中的颗粒物结合，并随着空气流动沉降到地表，进而进入土壤。此外，燃煤和焚烧等活动也会释放大量的重金属污染物到大气中。煤中含有丰富的重金属元素，如汞、铅、镉等。在煤燃烧过程中，这些重金属元素会以气态或颗粒物的形式进入大气。焚烧垃圾也会产生含重金属的烟尘，其中的重金属污染物通过大气悬浮颗粒物的形式被释放到空气中，最终通过大气降尘的方式沉降到地表进而进入土壤。

2.4 固废倾倒

随着社会经济的进步，工业固体废弃物的种类和数量不断增加，如工矿业产生的粉煤灰、金属矿渣、煤矸石，以及城市垃圾、污泥等。这些固体废弃物中可能含有重金属污染物，如铅、镉、汞等。一旦固体废弃物被随意倾倒进农田，重金属污染物就会在土壤中逐渐积累并超过安全标准，导致土壤受到污染。这不仅危害土壤的生态平衡，还可能通过食物链进入人体，对人体健康造成潜在威胁。

3 农田土壤重金属污染修复技术

3.1 物理修复技术

3.1.1 深耕翻土技术

深耕翻土是一种常见且有效的土壤重金属污染物理修复技术。该技术通过将污染层土壤与较为干净的土壤混合，从而降低土壤中重金属污染物的浓度。这种技术适用于小面积的重金属污染土壤，已在许多国家得到广泛应用。然而，对于严重污染和大面积的砂质土壤，深耕翻土技术修复效率较低。

3.1.2 去土和换土技术

去土技术是指将受到重金属污染的表层土壤完全去除。换土技术是指将受污染的土壤挖掘出来，然后填充未受污染的土壤。两种技术均可以有效降低土壤中重金属污染物的浓度，但如果应用于大面积的重金属污染土壤，修复成本和工作量较高。

3.1.3 电热修复技术

电热修复技术是一种先进的土壤重金属污染物理修复技术，尤其适用于含有挥发性重金属的农田土壤。该技术通过在受到重金属污染的土壤中插入电极，利用直流电压来迁移、富集重金属离子。同时，高频电压产生的热能可以加热土壤，从而分离出具有挥发性的重金属，如硒、砷、汞等。研究表明，针对不同重金属污染物，电热修复技术可以降低30%～90%的重金属浓度，能够有效限制重金属污染物的迁移，使其在受控的加热区域内逐渐减少。电热修复法具有操作简便、修复效率高、周期相对较短等优点。

3.1.4 玻璃化技术

玻璃化技术是一种在高温高压条件下处理重金属污染土壤的物理修复方法。该技术的主要原理是在高温条件下，使土壤与玻璃形成剂发生熔化，导致土壤中的有机物和无机物经历热解、分解和蒸发等反应，同时玻璃形成剂在高温下熔化成液态，随后在高压条件下迅速冷却，使熔融的土壤和玻璃形成剂迅速固化，形成玻璃状结构。这样可将重金属固定在土壤中，能有效防止重金属的进一步迁移和释放，从而降低土壤中重金属的毒性。玻璃化技术的应用成本较高，需要考虑其可行性和适用性。

3.2 化学修复技术

化学修复技术主要是利用添加改良剂的方式，通过吸附、氧化还原、拮抗或沉淀等作用，降低土壤中重金属的生物有效性，从而减轻其对农作物和环境的危害［5］。

3.2.1 石灰调节技术

石灰调节技术主要是利用碱性物质的特性中和土壤酸性，提高土壤的pH 值。在碱性环境下，重金属更容易与土壤颗粒结合或沉淀，从而降低其在土壤中的可迁移性和生物毒性。一项针对镉污染的实地研究发现，在添加石灰前，土壤中镉的平均生物有效性为0.5 mg/kg；而在适量添加石灰后，土壤中镉的平均生物有效性降至0.1 mg/kg，说明添加石灰可以有效降低土壤中重金属的生物有效性。此外，高pH值条件还能增加土壤中重金属的吸附和沉淀作用，有助于将其转化为难溶于水的形态，从而降低重金属的溶解度和生物可利用性，以及重金属在土壤中的毒性和迁移性。需要注意的是，石灰调节技术适用于pH 值为4.5～6.5的土壤，不适用于碱性土壤。

3.2.2 螯合剂处理技术

螯合剂处理技术是利用螯合剂（如氨基酸、有机酸等）与土壤中的重金属离子形成稳定的络合物。螯合剂中的活性官能团与重金属离子发生配位反应，形成稳定的络合物，将重金属离子包裹在其中，可显著降低土壤中重金属的毒性和生物有效性。同时，络合物的形成能减少重金属在土壤中的溶解度，阻止重金属进一步迁移和释放。需要注意的是，螯合剂处理技术也存在一些应用限制，如螯合剂用量过高或过低会导致过度或不完全的螯合，影响修复效果。因此，在实际应用中需要综合考虑多种因素，如螯合剂的选择性和适用性、处理剂用量和土壤pH值的控制等。需要仔细考虑这些因素，以确保螯合剂处理技术能够在土壤重金属污染修复过程中发挥最佳效果。

3.2.3 离子交换技术

离子交换技术是基于离子交换树脂的强大的选择性吸附作用，通过吸附和固定土壤中的重金属离子，从而有效减少重金属在土壤中的迁移和积累。在应用该技术时，有关人员需要控制适当的操作条件，如pH值、温度和接触时间等。适宜的pH 值会影响树脂表面的电荷状态，进而影响吸附效果；合适的温度和适当的接触时间则能提高吸附速率和效率，以达到最佳修复效果。离子交换技术也存在一些局限性，如该技术的应用成本较高，不仅包括树脂材料的购买费用和操作费用，而且对使用过的树脂进行回收处理也需要额外的投入。

3.3 生物修复技术

生物修复技术是通过利用植物、微生物等生物因素来降解、转化或积累重金属污染物，从而实现土壤恢复和生态系统健康的目标。

3.3.1 植物修复技术

土壤重金属污染植物修复技术包括植物提取、植物挥发和植物稳定3 种类型。植物提取是利用植物的根系和地上部分吸收并富集土壤中的重金属，将重金属从土壤中转移到植物组织中，然后对植物进行收获和处理，最终降低土壤中重金属污染物浓度。该技术的缺点是修复过程相对较慢，需要较长时间来实现理想的修复效果，并且需要解决吸收了重金属的植物的再利用和处理问题。植物挥发是通过植物的根系和地上部分释放挥发性有机物来修复土壤重金属污染。这些挥发性有机物具有螯合和还原重金属的能力，可以与土壤中的重金属形成络合物或还原为难溶性形态，从而减少重金属的可迁移性和生物毒性。该技术具有较快的修复速度和较好的修复效果，同时具有环境友好性和可持续性。植物稳定是通过植物根系分泌物分泌、根际微生物共生及根系表面吸附等机制，促进重金属的吸附和沉淀，形成难溶性或难可逆的络合物，从而降低土壤中重金属的迁移性和生物毒性。该技术的优点是修复效果持久稳定、适用性广泛，缺点是植物生长周期较长、修复速度较慢。

3.3.2 微生物修复技术

微生物修复技术是通过使用特定的微生物，如细菌、真菌和藻类等，降解、转化或固定重金属污染物，最终将重金属从土壤中去除或降低重金属在土壤中的可迁移性和生物毒性。微生物具有特定的代谢能力，可以将重金属离子转化为难溶性沉淀物或形成稳定的络合物。这种转化作用能够降低重金属在土壤中的可迁移性和生物毒性。同时，微生物通过生物降解和沉淀作用可将重金属离子固定在其细胞壁或细胞内部。此过程有助于将重金属从土壤中去除并固定在微生物体内。此外，某些微生物具有螯合重金属离子的能力，可以通过与重金属形成稳定的络合物而降低其毒性，且有助于降低重金属对农作物和环境的毒害效应。微生物修复技术具有高效性、环境友好性和可持续性，且微生物具有多样的代谢途径和适应性，能够适应不同的土壤环境和重金属污染情况，应用成本相对较低，在大规模应用时具有较好的可行性。

3.4 联合修复技术

联合修复技术是农田土壤重金属污染修复中的一种综合应对策略，通过综合应用多种修复方法和技术，以达到更有效、全面的土壤修复效果。例如，利用物理修复技术（深耕翻土、换土和去土等）可以降低土壤中重金属的浓度和缩小重金属的扩散范围，而利用化学修复技术（添加改良剂、吸附剂和沉淀剂等）能够降低重金属的毒性和生物有效性。将物理修复技术与化学修复技术结合应用，可以在减少土壤中重金属浓度的同时，改善土壤环境，降低重金属对农作物和生态系统的潜在风险。再如，利用生物修复技术（植物或微生物修复技术等）吸收、转化或稳定土壤中的重金属，利用化学修复技术（添加改良剂、络合剂或氧化剂等）改变土壤环境和重金属形态。联合应用生物修复技术和化学修复技术，可以充分利用生物和化学物质的相互作用加快修复速度、提高修复效率，并在修复过程中减少对生态系统造成的负面影响。联合修复技术的应用优势在于可以综合利用不同修复技术，弥补单一修复技术的局限性，提高修复效果和效率。但应用该技术也面临着技术协调性、成本管理和适用性等方面的问题。因此，在选择和应用联合修复技术时，需要综合考虑土壤特征、重金属污染程度、修复目标和经济可行性等因素。

4 结束语

为了保障粮食安全和推动农业可持续发展，相关人员应加强合作，探明农田土壤重金属污染的特点和来源，针对农田土壤重金属污染实际情况，科学选用物理、化学、生物修复技术，共同应对和解决农田土壤重金属污染问题。