农田土壤重金属污染修复技术最新研究进展

2019-08-06沈小帅

环境与发展 2019年5期

摘要：农田土壤重金属污染关系到农产品质量安全，因此受到了广泛的关注。我国农田土壤类型多样，重金属污染具有来源广、成分复杂、隐蔽性强的特点，因此防治形势非常严峻。本文总结了国内最新的农田土壤重金属污染的修复技术，列举了化学修复技术、生物修复技术和电动力学修复技术等领域的典型研究成果，以期为我国农田土壤重金属污染综合治理与修复提供参考和借鉴。

关键词：重金属;污染;修复;农田;进展

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）05-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.05.037

Abstract： Heavy metal pollution of farmland soil is related to the quality and safety of agricultural products， so it has been widely concerned. There are various types of farmland soil in China， and heavy metal pollution has the characteristics of wide source， complex composition and strong concealment， so the control situation is very severe. In this paper， the latest remediation technologies of heavy metal pollution in farmland soil in China are summarized， and the typical research achievements in the fields of chemical remediation， bioremediation and electrodynamic remediation are listed， so as to provide references for comprehensive treatment and remediation of heavy metal pollution in farmland soil in China.

Key words： Heavy metals; Pollution; Remediation; Farmland; Progress

《中华人民共和国土壤污染防治法》于2019年1月1日正式实施，这标志着我国的土壤保护工作上升到了法律层面，土壤污染防治进入了“新纪元”。农田土壤重金属污染关系到农产品质量安全，和国民的健康息息相关，是土壤污染防治的重中之重，因此受到了广泛关注[1-2]。我国的农田土壤重金属污染具有来源广、成分复杂、隐蔽性强、自净能力差、风险累积时间长等特点[3-4]，因此我国农田土壤重金属污染及其防治形势非常严峻。

农田土壤重金属污染非常复杂，其修复技术是涉及多学科、多方法的综合技术，需要耗费大量的人力、物力和财力。物理技术、化学技術、生物技术、农艺技术以及电动力学技术等是我国常见的农田土壤重金属污染修复技术。本研究总结国内最新的农田土壤重金属污染的修复技术的研究成果，为我国的农田土壤重金属污染综合治理与修复提供参考和借鉴。

1 化学修复技术

化学修复技术是通过填加土壤化学修复剂，利用氧化还原、沉淀、络合、吸附、溶解等手段，降低污染物的迁移性或有效性，从而达到修复的目的[5-6]。Cr是我国农田土壤中常见的重金属，利用可溶性硫化物处理Cr，可以达到较好的修复效果。刘增俊等选用连二亚硫酸钠为修复剂，并采用正交实验的方式对土壤中的Cr进行修复，结果表明连二亚硫酸钠可以大幅降低Cr的生物有效性，连二亚硫酸钠的剂量是影响Cr生物有效性的主要因素[7]。许超等在机理层面进行了多硫化钙对Cr污染土壤的化学还原稳定化修复的试验，结果表明，作为一种高效的Cr还原稳定化药剂，多硫化钙与Cr的反应机理明确，反应控制可严格进行，因此适用于大规模生产[8-9]。

原位钝化修复技术具有成本低、操作方便、效果好等优点，在时间和成本上能够较好地满足治理需求，作为降低重金属污染风险的一种修复手段，广泛应用于我国农田土壤重金属污染治理中。原位钝化修复技术的关键是钝化剂的选择，硅钙物质、金属及金属氧化物、含磷物质、生物炭、黏土矿物、有机物料、新型材料及化工肥料等都是常见的钝化剂。孟龙选用了2种不同镉积累水稻品种，在轻中度污染土壤中进行原位钝化小区试验，对比了石灰、生物质炭、土壤调理剂及海藻有机肥对土壤Cd的生物有效性及不同水稻对Cd的富集及转运能力的影响，明确了土壤调理剂具有最佳的钝化效果，并筛选出了低镉积累的水稻品种[10]。

海泡石具有巨大的表面积和丰富的空隙，因此可以作为良好的钝化材料[11]。研究表明，化肥能够不同程度地影响水稻土重金属Cd钝化效果及其稳定性[12]。黄荣等选取了KCl和K2SO4作为钾肥，采用盆栽油菜的方式，研究了海泡石钝化条件下，不同剂量的钾肥对Cd污染土壤修复效应的影响，结果表明K2SO4对钝化效果的影响更小[13]。孙慧采用海泡石与生物炭混合施用的方式研究其对Cd的钝化效果，结果表明海泡石和生物炭混合施用的方式提高了土壤的pH值，从而降低了土壤Cd的有效态含量，并能够明显降低油菜地上及地下部分的Cd含量，达到了安全食用的标准[14]。

总体来看，化学修复技术具有广泛的材料或试剂来源，但对修复技术要求较高，而且会改变土壤的生态结构，再加上修复副产物和修复材料的回收及处理技术规范缺失，因此二次污染的风险较高。

2 生物修复技术

生物修复技术是依靠生物的生命代谢活动来减少土壤环境中有毒有害物的浓度，从而使土壤环境能够部分地或完全地恢复到初始状态。生物修复技术具有环境友好、成本低、对土壤结构扰动小、不易引发二次污染、且易被公众接受等优势，因此具有广阔的应用前景。超富集植物和耐性植物的筛选是目前生物修复重金属污染土壤的主要研究领域[15-17]，尤其是超富集植物，它对重金属的耐受性和吸收富集能力非常强，因此备受科研人员的关注[18]。

研究表明，伴矿景天是一种超富集植物，对Cd和Zn都有明显的富集能力，尤其是在北方温带地区以及长江中下游地区，可以显著降低土壤中的Cd和Zn浓度，达到很好的修复效果[19]。韩存亮等在粤北某矿区周边重金属中度污染稻田中，研究了超富集植物伴矿景天、富集植物杨桃、农作物玉米低积累品种单种及套种几种方式下植物修复和安全利用的效果，结果表明在粤北受镉中度污染稻田土壤中，可以利用伴矿景天和杨桃进行修复且效果明显[20]。

目前超富集植物研究的重点主要集中在拥有更大生物量且对重金属具有较高耐受性的植物筛选与应用领域。曾鹏等通过温室盆栽构树的方式，探讨了构树生长如何影响重金属污染土壤的酶活性以及微生物群落的结构，结果表明构树修复污染土壤可以明显提高土壤酶活性以及微生物的多样性，有效改善重金属污染土壤的环境质量，但是构树并不能明显降低污染土壤中的重金属有效态含量，因此可以通过物理或化学措施来强化构树的生态修复潜力[21]。

3 电动力学修复技术

电动力学修复技术是近些年发展起来的全新的土壤污染修复技术，它采用在污染土壤区域两端放置电极的方式，通过施加电压后形成的电场，使土壤中的带电粒子向阴阳两极定向迁移并逐渐富集，然后再将带电粒子迁出土壤，以此降低土壤污染物的浓度。电动修复技术高效、经济、易操作，因此已得到国内外众多学者的关注。

在电动力学修复技术中，影响修复效率以及电能消耗的重要因素包括土壤类型、电压以及电极材料等。我国土壤类型种类繁多，土壤性质差异较大，因此高效修复的关键就是针对不同的土壤类型选择不同的修复条件和技术。肖惠萍等对比了多种不同土壤类型（黑土、潮土、红壤、水稻土和黄棕壤）的重金属污染电动力学修复效果，结果表明，不同类型土壤在相同的修复条件下具有明显的修复效率差异，而红壤在研究条件下具有最高的Cd迁移率[22]。祝方等选用三种不同的电压强度研究Zn污染土壤的电动修复效果，结果表明随着电压梯度的增加，电流值和重金属的去除率都有明显的提高[23]。方振东等选择了不锈钢、石墨板、钛板和钛网等四种不同的电极，研究电极材料对Cu和Cd污染土壤的电动力学修复效率的差异，结果表明修复效率最佳的电极材料是石墨，并且不同的电极材料不会影响修复过程中重金属的形态[24]。

近年来，随着电动力学修复技术的不断发展，两种以上的修复技术联合使用成为研究的重点，例如周鸣等通过在阴极添加EDTA的方式，通过提高电流值，增加了阴阳极电解液中重金属的累积量，从而提高了重金属的去除率[25]。薛浩等选用乙酸和柠檬酸对土壤进行预处理，以来增强电动力学修复技术的效果，结果表明酸化预处理后，土壤中的部分Cr由碳酸盐结合态转化为更易迁移的水溶态;并且柠檬酸可与Cr发生络合作用，进一步提高Cr的去除效率[26]。张宇等也通过加入螯合剂腐植酸的方式，有效地提高了土壤中Cd的去除率[27]。李青青则采用活性炭纤维（ACF）-电动修复联用技术，修复Cr污染土壤，并研究了阳极电解液pH、电压以及电极间距等如何影响电动修复过程以及修复效率。

4 结论与展望

近些年，我国在农田土壤重金属污染修复技术方面取得了显著的进步，在化学修复、生物修复以及电动力学修复技术领域都积累了不少成果。但值得注意的是，农田土壤重金属污染的修复是一项复杂的系统工程，尤其是我国土壤类型多样，再加上不同土壤重金属的背景值不同、污染成因和积累过程多样化，时空分布特征和规律差异明显，因此在修复技术方法的选取上一定要调查污染场地的土壤类型和污染状况，并综合考虑经济成本、修复周期以及后期管理等因素，尤其对于复杂性污染，优先采用联合修复技术，因地制宜地开展农田重金属污染修复工作，这对于推进我国农田土壤污染防治具有现实意义。

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