土壤重金属污染防治研究进展

钟 正，何冠谛，何腾兵

（1.贵州大学 生命科学学院，贵州 贵阳550025；2.贵州大学 农学院，贵州 贵阳550025）

土壤是人类赖以生存和发展的物质基础，随着现代工业化和城市化的不断发展，工业污染对土壤的危害也愈加严重[1]。当前，土壤不仅遭受工业的污染，生活中产生的未经过严格处理的废水、废物以及农药化肥等直接排放到土壤也对其造成严重的污染。因此，土壤污染尤其是土壤重金属污染的问题日益严峻。据粗略统计，在20世纪的后50年里，排放到全球环境中的镉（Cd）为2.2 万t，铜（Cu）为93.9万t，铅（Pb）为78.3万t，锌（Zn）为135万t，其中有不少最终进入土壤，导致世界各国土壤均受到不同程度的重金属污染[2]。

重金属元素主要通过大气沉降、固体废物、污水灌溉和农业措施等途径进入土壤，因其难降解、毒性强、积累效应显著[3]，极易在土壤和植物中积累，从而对土壤和人类健康产生严重的危害。为此，前人在土壤重金属方面作了大量研究，并取得一定成果。为促进土壤重金属污染治理的持续发展，笔者等对土壤重金属污染防治研究进行综述，探讨土壤重金属污染防治中存在的问题以及发展趋势，以期为土壤重金属污染预防和治理的进一步研究提供参考。

1 土壤重金属污染预防的发展历程

1.1 预防体制

发达国家在20世纪中后期受到了经济快速发展所带来的土壤重金属污染的危害，因此在防治相关的政策上相比我国起步较早。日本在经历痛痛病之后，扩大了《公害对策基本法》中典型公害的种类，将土壤重金属污染增加到典型公害里。随后通过颁布一系列法规，如《农用地土壤污染防治法》《土壤环境标准》《土壤污染对策法》等[4]，逐步健全了土壤重金属污染防治的对策。

我国自改革开放后，经济呈现快速增长的走势，但环境质量却越发下降，国家也逐渐意识到环境保护的重要性，于1989年颁布的《中华人民共和国环境保护法》开始在法律上有了原则性要求，但并未涉及具体操作的规定。随着研究的不断深入，国家也对环境污染愈加重视[5]。张川东等[6]在针对预防烟草重金属污染措施的研究中提到加大环境保护力度，建立生态烟草种植基地，改良烟草品种，从法制、管理、生态3个方面预防烟草重金属污染。这些措施有效地降低或阻止重金属污染对作物的危害，同时也预示着土壤重金属污染的预防工作也需要从源头抓起。2014年4月24日第十二届全国人民代表大会常务委员会第八次会议通过了《中华人民共和国环境保护法》的修订，对污染物排放的限制与处理、以及环境的保护和改善等作了具体的规定。

1.2 预防技术

20世纪70年代欧共体在日内瓦举行的环境领域内国际合作全欧高级会议通过的《少废无废工艺和肥料利用宣言》中提出清洁生产（Cleaner Production）概念，并于1979年宣布推行工业清洁生产的政策。农业清洁生产要求采用先进生产技术，合理利用当地的自然资源，通过科学的方式施用农业化学物品，以此减少农业化学产品的超量使用对土壤所造成的污染，借此生产无污染、无公害的农产品，从而通过科学的途径实现农业废弃物减量化、资源化和无害化，促进生态平衡，保证人体健康，实现持续发展的新型农业生产[7]。这样的生产方式，可以保证土壤长期处于无污染状态，从源头上实现土壤环境清洁性。从当前的研究成果看，清洁生产的推广，能实现农业生产过程科学化，同时随着肥料施用量的显著降低，从源头上减少了土壤中重金属离子的引入。另一方面，清洁生产对农业废弃物处理有严格的要求，从而减少土壤因农业废弃物的堆放而导致的污染。

2 土壤重金属污染治理方法

目前我国对土壤重金属污染主要通过工程、化学、农业和生物等方法进行治理。

2.1 工程治理

主要是指用物理原理治理土壤重金属污染。初期的修复技术有换土、客土、翻土等[8]方法，后来随着研究的不断深入，又发展去表土、淋洗法、电解法、热处理等[9－10]方法。研究表明，工程治理方法具有效果彻底且稳定的优点，但工程治理因其施工复杂，成本较高，同时部分技术（如翻土和去表土等）仅能使用1次或少数几次，翻土等技术还将表层受污染的土壤未加处理就移动至深层，反而造成深层土壤以及水分的污染，部分重金属元素还将随着水分的迁移被移动到更远的地区[11]，造成更大面积的土壤重金属污染。因此，工程治理法使用局限性较多，不适宜大面积土壤重金属污染的治理，仅适合特殊环境条件的局部地区短时间改善表层土壤，很难真正改善土壤的重金属污染现状。

2.2 化学治理

利用化学原理向被重金属污染的土壤中投入特定的改良剂[12]、抑制剂和洗涤剂[13]等，增加土壤中有机质、阳离子代换量和粘粒的含量，改变土壤的理化性质（如pH、Eh 和电导等），降低重金属的生物有效性，减少土壤中重金属离子向植物的转移，从而减少植物的重金属含量[14]。具体的技术有沉淀法、有机质法、吸附法等。化学治理的效果适中，费用较工程法显著降低，能一定程度上改善污染土壤上植物的重金属含量，但由于重金属离子仍存在于土壤中，此方法并未从根本上将土壤中的重金属离子去除或降低，土壤中的重金属离子容易再度活化造成污染；同时化学药剂的引入通过改变土壤的理化性质也会影响植物生长以及土壤肥力等。雷鸣等[15]选择3种含铁材料[FeCl3、Fe（OH）3和FePO4]进行重金属和砷复合污染底泥的稳定化处理表明，3 种含铁材料都不能实现底泥中重金属和砷的同时稳定化。因此，化学治理方法也有较大的局限性，仅能在一定程度上降低污染土壤对植物的影响，不能从根本上解决土壤中的重金属污染问题。

2.3 农业治理

通过合理的耕作管理制度减轻土壤重金属污染对植物的危害。在污染的土壤上种植对该种重金属有较强忍耐能力或低积累的作物；选择合适的化肥，引入能降低土壤重金属污染的元素等。林汲等[16]研究了硅藻土有机肥对Cd、Zn混合污染土壤中重金属元素的形态有效性表明，施用硅藻土有机肥能增强土壤胶体对重金属离子的吸附能力，使土壤中重金属离子数量减少，从而降低植物对重金属元素的吸收。农业治理方法易操作、费用低，但农业耕作周期长，且需要其他治理方法的配合才能有一定的效果。另外，农业治理方法也不能从根本上降低或消除土壤的重金属污染。因此，农业治理方法只能作为其他治理方法的辅助手段，而非核心技术。

2.4 生物治理

利用生物的生命代谢活动来减少环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害，从而使污染的土壤部分或完全恢复到原始状态[17]。生物治理方法包括动物修复、微生物修复和植物修复。其机理是利用生物（主要是微生物、植物和动物）的生理活动，改变重金属元素在土壤中的化学形态，使重金属元素固定或解毒，降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性；或通过动植物的吸收、代谢活动来达到对重金属元素的削减、净化与固定的目标。近年来，随着超累积现象以及超积累植物的发现，植物修复技术已成为生物治理乃至现有的治理技术中前景最好的方法。

2.4.1 动物修复技术 利用土壤中某些低等动物如蚯蚓、鼠类等吸收土壤中的重金属，从而降低土壤中重金属含量。戈峰等[18]研究表明，通过牛粪或垃圾饲养的蚯蚓对硒和铜元素有较强的富集能力，测试所得其最高富集硒和铜的量分别为332.5mg／kg和1 376.0mg／kg。与此同时，蚯蚓还能通过提高土壤重金属的活性使植物吸收重金属的效率增加[19]。动物修复技术的局限在于低等动物吸收重金属后可能再次释放到土壤中造成二次污染，目前还暂无合理有效的提取并去除富集在动物体内的重金属元素的方法。

2.4.2 微生物修复技术 利用土壤中某些微生物对重金属元素的吸收、沉淀、氧化还原作用等，降低土壤中重金属的毒性。Siegel等[20]研究表明，真菌通过分泌氨基酸、有机酸和其他代谢产物溶解重金属以及含重金属的矿物。Chanmugathas 等[21]发现，在土壤中加入有机质同时再加入适量容易被微生物利用的葡萄糖，微生物的活动能促进铅、镉、锌、铜等重金属的溶解，将重金属离子从土壤中转移出来，使未经灭菌处理的淋洗液中重金属离子浓度明显高于灭菌处理的。有研究表明，部分微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌以及某些藻类，能够产生具有大量阴离子基团的胞外聚合物（如多糖、糖蛋白等），与重金属离子形成络合物，将土壤中的重金属离子固定并转移出来，从而有效地去除土壤中的重金属[22]。在重金属的胁迫下，某些微生物能通过自身活动（如氧化、还原、甲基化和脱甲基化等过程），改变土壤环境中重金属元素的存在形态，从而改变其毒性[23]，减轻其对土壤以及植物生长发育的影响。另有研究表明[24]，一些真菌可显著促进植物吸收重金属，提高植物修复的效率。目前对微生物修复技术的研究较少，缺乏如何将微生物固定或溶解的重金属元素提取出来的研究，同时也缺乏对微生物固定或溶解重金属元素效率的研究，从现有的初步研究看，微生物修复技术前景较好，应大幅增加研究力度，同时也应考虑引入一些新的技术如基因工程等，通过改造微生物的方式来增加其对某些特定重金属的固定或溶解强度，增加微生物修复技术的实用性。

2.4.3 植物修复技术 利用部分植物能忍耐和超量积累某种或多种重金属元素的特性降低土壤中重金属的含量。其修复机理主要包括植物的吸收、转化、降解与合成；根系分泌物促进土壤微生物（细菌、真菌、放线菌等）的降解、转化及生物固化；根系的机械阻留、根系的离子交换和吸附。植物修复技术主要分为植物提取、根际过滤、植物稳定、植物挥发4种。植物对重金属元素的选择吸收早在20世纪前就被人们所认识，随着近年来超累积现象和超积累植物的发现，促成植物提取技术在土壤污染治理方面的快速应用与发展。通过超积累植物的应用，植物提取技术相对于其他修复技术具有得天独厚的优势[25]。由于超积累植物对重金属元素有很强的选择吸收能力，因此已有人找到了多种具有超积累能力的植物：如遏蓝菜（Thlaspicaerulescens）富集Zn和Cd，高山甘薯（Ipooeadouarrei）富集Cu，庭芥属（Alyssumbertolonii）可富集Ni，而芥菜（Brassica juncea）可 以 吸 收 和 积 累Pb、Cd、Zn 等 多 种 金属[26－27]。以As为例，在As等重金属污染修复方法中，植物修复与传统修复所采用的客土法、化学冲洗、电化学等方法比较，有成本低、效果良好、不破坏环境等优点[28]，成为普遍推崇的重金属污染治理方法。特别是国内研究人员在湖南发现世界上第一种砷的超累积凤尾蕨植物——蜈蚣草（Pterisvittata）能够超富集土壤中的As以来，As超富集植物及As污染土壤植物修复研究从理论到应用日益深入。研究表明，As超富集植物蜈蚣草能够将土壤中的As吸收并转运到植物的地上组织中，其地上部分As含量达到植物干重的2.3%[29]。

2.5 综合治理

2.5.1 植物－农业修复技术 吴启堂等[30]提出，可以选择将重金属超积累植物和低积累作物套种，能进一步提高超积累植物提取重金属元素的效率，同时低积累作物也能生产出符合食品卫生标准的产物，这样可实现边治理边生产。这个模式的应用需注意超积累植物和低积累作物之间的搭配，同时考虑到我国受污染土壤大多为多种重金属共同污染，可以考虑将多种不同重金属超积累植物种植在一起，从而提高修复的效率。

Robinson[31]研究发现，施用氮肥可以使超积累植物Alyssumbertolonii的生物量提高2倍的同时不影响其地上部Ni的含量。但肥料使用是有限度的，少量的氮肥能提高某些植物的生物量，若施用过量，植物的重金属积累会出现“稀释作用”，可能导致植物对重金属元素积累的降低。聂俊华等[32]发现，少量氮肥可以提高Pb 超积累植物的生物量，同时还能促进超积累植物对Pb 的吸收，但随着氮肥量的增加，植物对Pb的吸收能力则逐渐下降。

2.5.2 植物－微生物修复技术 Leung[33]等研究表明，AM 真菌能同时提高蜈蚣草地上部的生物量和As浓度，从而显著提高蜈蚣草对As的累积量。杨秀敏等[34]研究发现，在接种菌根后，东南景天对Pb、Cd、Zn 的吸收有显著的增加。刘灵芝等[35]发现，从重金属污染土壤中分离的丛枝菌根真菌能促进万寿菊对Cd的吸收和累积。唐明灯[36]对海州香薷接种无色菌之后发现，海州香薷对Cu的吸收能力明显提高，同时其植株的生长明显提高。

2.5.3 植物－化学修复技术 何冰等[37]研究不同植物生长调节剂下东南景天镉的积累表明，在重金属污染土壤的植物修复中，适量施用脱落酸（ABA）、生长素（1AA）、细胞分裂素（6－BA）可提高东南景天对镉污染土壤的修复效率。不同植物生长调节剂对重金属积累能力的影响差异很大，在合理生长调节剂的施用下，能在一定程度上提高植物修复效果。李佳华等[38]研究表明，EDTA 能促进金丝垂柳对Cd的吸收，其茎和叶对Cd的富集量显著增加。李正强等[39]发现，有机肥、石灰、蛭石和白云石等4种改良剂能不同程度地提升土壤pH 值，还能显著降低重金属在光叶紫华苕植株的积累，使光叶紫华苕能较好地生长和发育。

2.5.4 植物－动物修复技术 俞协治等[40]最新研究表明，蚯蚓活动能明显提高红壤中铜元素的生物有效性，使红壤中提取态铜含量明显增加，从而提高植物对重金属的吸收和富集效率。动物修复技术能在一定程度上减少土壤重金属含量（如蚯蚓对硒和铜的富集），同时也能辅助提高植物对重金属元素的吸收和富集，在一定程度上降低和减轻土壤重金属的污染[41]。

3 讨论与展望

1）在我国土壤重金属污染防治方法的发展中，不论是土壤环境保护法律法规的实施，还是污染治理技术的研究，都取得了长足的进步。但从土壤环境质量的检测结果看，形势还不容乐观。从预防角度看，我国现有的法律法规对土壤环境的保护和防治起到了积极作用，但随着工业和农业的不断发展，当前的法律法规越发难以解决现有以及未来可能出现的土壤重金属污染问题，我国也缺乏类似《土壤保护法》等直接能用于土壤环境保护的相关法律法规，部分企业因环保设施设备投入成本大，宁可交罚款也不增加环保设备降低污染，使现有的法律法规表现力不从心。参考发达国家法规的发展情况，我国目前迫切需要一份以土壤环境保护为核心的法律来督促各地方政府或企事业单位加强环境保护工作，以法律的形式强制性对土壤环境保护和治理设立最低标准，从而使土壤环境保护和治理工作能有有法可依，实施起来也将更有效果。

2）目前我国对于清洁生产以及清洁能源已经开始从理论阶段转变为实践阶段，全国范围内逐渐建立生态农业基地及农业园区即是较好的例子，从现有的建设情况看，虽然成果较好，但仍存在不少问题。目前，很多基地和园区的建设一般是参考当地传统农业生产模式以及经济发展情况来制定建设方向，并没有通过对当地进行全面透彻的调查研究来确定方案，部分地区的项目也是匆忙上马，导致结果与目标偏差较大。

3）从治理的角度看，植物修复技术是当前治理技术中前景最好的。植物修复技术具有费用低、成效高以及可操作性强等优点，对比其他治理方法有着得天独厚的优势。随着一系列超积累植物的发现与应用，植物提取技术也逐渐成为当前植物修复技术的核心。植物提取的关键在于所选植物能在体内积累多种类或高浓度的重金属，且生长快、生物量大、抗病能力强。但目前的研究表明，植物提取修复技术仍存在一些障碍，使植物修复技术还未能进行大面积的田间应用。植物修复技术一是要求植物组织能积累高浓度的金属元素，二是要求植物的生物量高。但现在发现的许多超积累植物生长缓慢，植株矮小，地上部生物量小，成了实际应用中最大的限制。未来的重点应该放在提高超积累植物的生物量或提高其对重金属的积累浓度。

4）利用基因技术提高植物修复能力是当前最新的研究结果，同时也被认为是可行的方向。基因技术的核心基于以下3点：首先，改造过的植物必须能溶解和转移与土壤粒子绑定的重金属离子；其二，必须有从根部向上运输重金属离子的机制；第三，重金属离子必须被储存在特定的区域里，以防止其影响细胞的新陈代谢。基因技术可以进一步提高植物对重金属的忍耐及超量积累，同时还可让某些植物能够同时忍耐及超量积累几种重金属元素。通过基因技术的引入提高植物自身的生存能力和生长效率或提高其对重金属的吸收、运输和富集，从而达到更加理想的土壤重金属污染治理效果。

5）目前大多数修复技术均受到不同条件的约束，但某些技术如果结合使用，很可能不仅会打破现有的约束条件，还可能在一定程度上提高对重金属元素固定的效率。如蚯蚓能提高红壤中铜的生物有效性，促进植物对该重金属元素的吸收与富集。与此同时，植物的根系分泌物能促进微生物的生长，如果引入合适的微生物，或许能进一步提高红壤中铜的固定和转移，从而以更高效率改善土壤重金属污染。但当前的研究仅仅是对修复技术间的合作进行了实验性质的研究，发现其中还是存在一些问题，如动物或植物积累的重金属离子如何有效提取，搭配的化学试剂或肥料需找寻最佳的配方等，都需要更深入的研究与实验，才能尽快将真正行之有效的治理手段投入到实际治理当中。

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