我国农田土壤重金属污染修复及安全利用综述

2017-03-28杨辰

现代农业科技 2017年3期

杨辰

摘要在我国加强重视生态农业的宏观背景下，阐述了我国农田土壤重金属污染的现状，以及对作物生长发育、产量、品质和对人体健康的影响，分析了农田土壤重金属污染形成的原因，介绍了当前我国重金属污染农田土壤物理、化学、生物修复技术和重金属低富集品种筛选应用、种植结构调整、农艺措施调控等重金属污染农田土壤安全生产技术的研究进展。为我国修复重金属污染农田土壤，实现重金属污染土壤安全农业生产提供了理论和现实技术参考。最后，在我国重金属污染农田土壤修复及安全利用技术研究现状的基础上，对今后的研究思路和方法提出了建议。

关键词农田土壤；重金属污染；土壤修复；安全生产；中国

中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）03-0164-04

Abstract The paper described the situation of farmland soil heavy metal pollution in China under the macro-background of paying great attention to ecological agriculture and the effects of farmland soil heavy metal pollution on the growth，yield and quality of the crops and people′s health，as well as the causes of the pollution. The research development for the soil remediation and the safety production was also presented，including physical treatment，chemical remediation，bioremediation，selection and breeding of cultivars that accumulate lower levels of heavy metals，adjustment of cropping industrial structure and agronomic regulation，etc. The results provided a theoretical basis and a real reference for the soil remediation and the safety production. Lastly，some suggestion was brought forward for research guideline and methods of farmland soil heavy metal pollution abatement in future according to present condition.

Key words farmland soil；heavy metal pollution；soil remediation；safety production；China

我國是目前世界上人口最多的国家，同时也是耕地资源极为紧张的国家之一[1]。现有耕地的环境保护和可持续利用在当前生态文明建设工作中具有极其重要的意义。2016年中央一号文件强调“必须确立发展绿色农业就是保护生态的观念，加快农业环境突出问题的治理”[2]，为我国今后生态农业的发展指明了道路。随着近几十年来我国工农业的快速发展，大量的重金属物质被排放入环境，并在农田土壤中积累，从而导致农田土壤重金属污染问题。据相关报道，我国每年因重金属污染造成粮食减产达1 000万t，被重金属污染的粮食达1 200万t，由此造成的经济损失超过人民币200亿元[3]。因此，修复受到重金属污染的土壤或对其进行安全利用是我国生态农业建设工作中的重要组成部分。

1 我国农田重金属污染概述

1.1 我国农田土壤重金属污染现状

我国受到重金属污染的耕地面积达2 000万hm2之多，约占我国耕地总面积的1/5[4]。农田土壤重金属污染较为突出的区域主要存在于采矿区、冶炼区周边和大中城市群郊区，部分地区的污染程度严重，超过国家Ⅲ级标准[5]。从造成我国农田土壤污染的重金属种类上来看，Cd、As、Hg、Pb、Cu及其复合污染尤为明显，其中又以Cd超标最为突出，有13万hm2耕地因为Cd超标而被迫弃耕[6]。

1.2 农田重金属污染对农产品质量与人体健康的影响

1.2.1 对作物生长发育及产量的影响。研究表明，绝大多数情况下重金属污染土壤会对作物的生长发育及产量产生显著负面影响[7]。如土壤中Cd含量较高时，油菜的光合作用受到抑制，地上部生长发育明显受阻，株高、叶片数、叶面积和产量均出现明显下降[8]；花生和产量有关的根瘤生长受到显著抑制[9]；水稻地上部干重和产量显著下降[10]。土壤中Pb含量较高时，玉米植株的生长发育受到显著的阻碍，产量有所降低[11]；黄瓜根系畸形生长，地上部分生长发育受到影响并导致减产[12]。Cr含量较高时，Cr6+对于玉米种子的萌发和早期生长具有明显的抑制作用[13]，并使得植株细胞膜受损，结构和功能受到破坏而导致减产[14]。Cu含量较高时，水稻分蘖受阻，每穗颖花数减少，产量显著下降[15]。

1.2.2 对作物品质的影响。在影响作物的生长发育和产量的同时，重金属污染也会影响作物的品质。从总体上来看，Cd、Pb、Cr、Cu等重金属污染会导致作物品质下降[7]。如Cd会导致小白菜叶绿素、还原糖和VC含量下降，粗蛋白和粗纤维含量上升，口感变差[16]。Cr6+的浓度超过10 mg/L时可以显著降低玉米的活力指数，使玉米的品质趋劣[12]。

1.2.3 对人体健康的影响。农田土壤中的重金属可以通过食物链进行传递和富集，最终到达人体，导致多种病症的发生[17]。如Cd进入人体后，由于生理性质和Ca近似，会破坏人体的骨骼系统，使人患上“骨痛病”，还会导致高血压，引起心脑血管等全身疾病[3]；Pb进入人体后可导致贫血、肝炎、肾炎、高血压、神经错乱等病症的发生[18]；As慢性中毒会导致结膜炎、黑变病和角化过度的发生，严重时还会导致肢体坏疽[19]。除此之外，一些重金属元素在人体内的慢性积累还具有致癌性，如Cd、Cr、As等[20]。

1.3 我国农田土壤重金属污染形成的原因

1.3.1 自然原因。导致我国农田土壤重金属污染的自然原因：一是含重金属基岩的风化[21]；二是地質作用如火山、地震、侵蚀等因素。

1.3.2 人为原因。除了极少数由自然原因引发的农田土壤重金属污染之外，目前我国绝大多数农田土壤重金属污染主要由下列人为原因所导致。一是污灌和污泥的直接利用。研究表明，土壤中重金属元素污染和长期污灌以及污泥的直接利用密切相关[22]。二是施用化肥。化肥中的重金属元素主要来源于作为原料的磷矿石和化肥的加工过程[23]。当化肥特别是磷肥持续过量施用，或者施用未经重金属含量检测的化肥就可能导致重金属在农田土壤中累积[6]。此外，一些重金属元素如Cu、Zn、Mo等本身就是微量元素肥料的有效成分[3]，当含有重金属的微量元素肥料或者复合肥施用方法不当，也会导致农田土壤重金属污染。三是涉重工矿业的发展。包括工业废渣、废气中重金属的扩散、吸附或沉降导致的重金属累积，特别是熔点低易挥发的Hg元素的累积，以及采矿和冶炼重金属过程中废渣的排放和含重金属的废物堆积等[3]。四是城市垃圾。目前，我国城市垃圾大部分和工业废弃物混杂，城市近郊农民又有施用城市垃圾作肥料的习惯，垃圾中自身含有Cu、Pb、As、Cr、Hg等重金属元素，并且长期使用城市垃圾作为肥料还会减少土壤黏粒对重金属离子的吸附，使得农田土壤重金属污染加剧[24]。

2 重金属污染农田土壤修复及安全利用技术

2.1 重金属污染农田土壤修复基本技术

在切断污染源的基础上对重金属污染农田土壤进行修复，目前可分为2种思路：一种思路是通过各种修复技术，将重金属污染物从土壤中移除（活化）；另一种是使重金属尽可能固定在土壤中，而不是进入作物，特别是食用和饲用作物的可利用部分（钝化）。现有的重金属污染农田土壤修复基本技术都是基于这2种思路进行研发，可分为物理技术、化学技术和生物技术3个大类（表1）。常见的物理技术包括深耕法、排土法、客土法、电动修复法和热处理法等[25]；化学技术主要有施用改良剂或抑制剂法、化学淋洗法等；生物技术主要包括植物修复技术、动物修复技术和微生物修复技术[26]。

截止到目前，已经有一些运用修复技术取得显著成效的实例，如对来自北京市区和云南省昆明市郊区土壤的污泥堆肥试验表明，粉煤灰对污泥中的Cu、Zn、Pb有一定的钝化效果[27]。在湖南省、广西省等南方省份的研究证实，施用硅肥可显著降低水稻[28]、甘蔗[29]等作物对Cd、As等重金属的吸收。我国油菜产区通过筛选得到2种优良的Cd超积累油菜品种溪口花籽和川油Ⅱ-10[30]，在利用植物修复技术防治Cd污染方面具有很大潜力。从北京市延庆区某铅矿厂周边土壤中筛选得到的1株青霉菌对人工培养基中有效Pb的去除率超过95%[31]，为利用微生物修复技术防治重金属污染开辟了新途径。

2.2 重金属污染农田安全利用基本技术

在运用重金属污染修复技术修复被重金属污染的土壤时，也需要结合对重金属污染特别是污染程度较轻的农田进行安全利用，安全利用的方式包括低富集品种筛选与应用、调整种植结构和农艺措施调控等。

2.2.1 低富集品种筛选与应用。基于同一种作物的不同品种对重金属的吸收和富集程度的差异，按照国内外相关标准允许限量或推荐限量，筛选重金属低富集品种，减少农田土壤重金属向食物链中迁移富集，是轻微、轻度重金属污染农田安全生产的有效途径。国内针对常见的作物，开展了许多相关工作。如在河南省全省种植面积较大的20个小麦品种中筛选出轻微、轻度重金属污染土壤Pb低积累品种2个[32]。在四川省种植面积较大的21个玉米品种中筛选出Hg低积累品种4个、As低积累品种5个，其中2个品种为Hg、As低积累品种[33]。另外，某些作物品种同时具有可利用部分重金属低富集和其他部分重金属高富集2种特性，如玉米的可食部分和其余部分对Pb的富集[18]。这类作物可同时对重金属污染农田土壤进行生物修复以及安全生产，实现边种植边修复，可以显著提升重金属污染农田土壤恢复的效率。

2.2.2 种植结构调整。在重金属低富集品种的筛选与应用的基础上，用其他作物替代食用或饲用作物，或用重金属低富集食用或饲用作物种替代较高富集作物种，是重金属污染农田实现安全生产的另一途径。如在Cd污染的土壤上，用Cd低富集作物种类如番茄、西葫芦、甘蓝等来替代易积累Cd的作物种类，如白菜、菠菜、大豆、莴笋[34]等。特别是在重金属中度—重度的农田，短时间内实现食用或饲用作物安全生产的难度极大。因此，这类农田在应用重金属农田土壤修复技术进行初步修复后往往需要调整种植结构，种植其他作物。在浙江某地进行的示范试验结果表明，中度—重度重金属污染的农田，在适度运用化学技术进行修复之后，可以进行甘蔗等能源植物的生产[35]。

2.2.3 农艺措施调控。具体包括以下3个方面内容：

（1）间作、套作和轮作技术。根据当地气候、土壤等环境条件和农作物种植习惯，选择适宜植物品种进行间作、套作或轮作也能降低农田土壤的重金属含量。间作、套作和轮作的基本思路是将重金属高富集植物和低富集作物种植在一起或者将重金属高富集植物先于重金属低富集作物种植，通过重金属高富集植物吸收富集土壤中的重金属来保护低富集植物[36]。例如，在湖南省的定位试验结果表明，与冬闲模式相比较，采取冬种轮作模式可显著降低土壤中As、Cd、Hg、Pb等重金属的含量，对土壤重金属污染具有一定的消减作用，其中冬种紫云英—双季稻轮作模式可同时降低Cd、Hg、As的含量，具有较好的消减效果，并且在土壤重金属污染程度较为严重时，冬种轮作模式还可减少大米中重金属的富集量。此外，该模式还可以提高水稻产量，提升大米品质[37]。

（2）施肥技术。一是化肥施用技术。合理施用重金属含量符合标准的化肥，改变化肥施用的种类、比例和方法[36]。另外，适度施用特定种类的化肥与土壤污染修复技术相结合，还可以增强修复效果。二是气肥施用技术。由于CO2气体气源广泛，制造成本较低，因此很早就成为农业生产中公认的气肥，我国在20世纪70年代末就开展利用CO2作为气肥进行施肥效果的研究，至今已经发展成为一项成熟的技术。现在普遍认为适当的增加CO2浓度对植物生长具有积极作用。运用气肥施用技术主要是和植物修复技术相结合，针对目前所获得的重金属高富集植物多数生长慢、生物量小的不足，如果能够恰当运用气肥施用技术，使其产量和生物量显著增加，则这一不足可以大大緩解[38]。

（3）生物质焦利用技术。近年来，生物质焦利用技术作为一种新兴的土壤污染修复技术受到学术界的广泛认可。生物质焦对土壤中的重金属离子具有较强的吸附能力，可有效降低土壤中重金属离子的有效性。如对湖南省郴州市和福建省龙岩市的矿区污染土壤的生物质焦修复研究表明，施用生物质焦可显著降低污染土壤上种植的油菜对Cd、Pb的富集[39]。

2.3 技术集成

随着新技术的进步，特别是信息技术的不断发展，将原有分散使用、各有利弊的一系列修复和安全利用技术加以整合成为可能。如使用地理信息系统（GIS）技术对土壤重金属污染进行空间分布特征分析和污染评价[40]，根据上述信息并结合相应技术的成本分析，确定特定区块的最佳修复技术，并制作图集对修复技术具体运用予以指导，在后期加以评估和改进[41]。借助人工神经网络（ANN）技术的功能相似性，既可以使其与点位测量和GIS技术相结合[42]发展为复合技术，又可以用于分析农民使用意愿调查结果和评估优化，因为农民使用意愿调查结果分析和技术应用评估优化所需的数据量更大，分析难度更高，使用ANN技术可显著提升分析和优化效率，取得更好的效果。另外，可在现有农产品安全生产基地建设的基础上[43]，建设综合性的农产品安全生产新技术研发与示范应用基地或者整合平台，为新技术的研发、集成及示范应用提供空间。技术集成的具体框架如图1所示。

3 展望

到目前为止，我国在农田土壤重金属污染、重金属污染土壤的修复及安全利用方面开展了很多研究工作，与国外特别是发达国家对这个问题的重视时间几乎保持同步，借鉴国外先进技术和思路，并结合我国的具体国情和实际，取得了大批特色鲜明的成果。但同时也要看到，目前我国针对农田土壤重金属污染的研究还存在技术零散、技术水平低、集成度不高、运用最新技术有限等问题，针对多种重金属协同修复和农田土壤重金属污染治理和防控技术体系方面的报道不多，成果转化有限[44]。

随着我国对生态农业重视程度的进一步提高，建议结合农田调控技术、农艺运筹技术和生物技术、信息技术等高新技术，进一步研发低成本、易操作、副作用小、符合我国农业生产实际需要的重金属污染农田土壤修复和安全生产技术；建立与之对应的重金属污染农田土壤修复技术体系和重金属污染农田土壤安全利用技术体系；加大研发成果体系的推广力度，继续推进信息技术主导下的农田重金属污染土壤修复与安全利用技术集成，更有效地实现对我国重金属污染农田修复与安全利用，为我国生态农业建设工作提供帮助。

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