农村重金属污染土研究综述及景观资源化探讨

2021-06-02丁吴萍

现代园艺 2021年11期

丁吴萍

（浙江农林大学，浙江杭州 311300）

土壤是地球生态系统的重要组成部分，植物的生长习性与土壤的理化性质息息相关，土壤中的重金属尤其影响植物的生长，重金属通过食物链进入植物，进而进入人体或其他动物体内进行富集，影响人类生命健康[1]。因此，无论是在中国还是世界范围内，对于重金属污染土的防治和修复都成为了日益突出的问题[2]。2005 年，中共中央提出了社会主义新农村的具体要求，进一步推进我国生态文明建设和美丽中国建设，中共十九大会议上提出农村振兴的战略，明确了在社会主义建设事业中生态建设的重要性。随着人类文明的发展与进步，矿产开采、农药化肥的使用以及人类的各类活动导致重金属进入到土壤环境中，造成了不同程度的重金属污染。据2007 年《中国环境状况公报》报道，国土资源部称我国目前受重金属、农药等污染物污染的耕地约达1×107hm2，合计占全国耕地总面积的10%以上，足见农村土壤重金属污染之重[3]。近30 年来，国内外众多专家学者专注于解决这些受到重金属污染的土壤，对污染土壤进行修复或是作为再生资源利用，然而对于农村重金属污染土的研究依然处于基础修复的阶段，并且由于资金耗费的限制，修复重金属污染土这一研究一直得不到有效的解决。在推进农村建设的进程中，土壤污染问题引起了国内外各类专家、企业和政府的关注，如何解决重金属污染土的去向和改善农村生态环境成为了农村建设中关键问题[4]。因此，以中国知网（CNKI）和Science of Web 数据库作为文献基础，针对污染土修复方式、重金属污染土资源化进行研究，总结国内外当前对于重金属污染土修复方式和污染土资源化的方向，也提出了一些在农村景观方向资源化的建议，以期为相关研究者提供参考。

1 我国重金属污染土现状

1.1 重金属污染土概念

土壤重金属污染是指由于人类的活动将重金属带入土壤中，致使土壤重金属含量明显高于其自然背景值，并造成生态破坏和环境质量恶化的现象。土壤中的重金属污染物主要是指含汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu），镍（Ni）、钴（Co）、锡（Sn）以及类金属砷（As）等的污染物[5]。

1.2 重金属污染土现状

国家环境保护总局在1999 年对我国土地进行调查，数据表明，我国有2667 万hm2农田（相当于耕地的1/5）受到重金属、农业化学物质、酸雨沉降、放射性物质、矿物油及致病微生物等因素污染，以无机重金属污染最为典型，根据国土资源部统计结果显示，我国污染耕地中10%的污染源都是重金属。

根据中华人民共和国国家统计局、中华人民共和国农业部于2010 年2 月6 日联合发布了《第一次全国污染源普查公报》（《公报1》）中对我国的水体污染、大气污染还有土壤污染源进行了总结，我国环境污染问题较为严重。调查显示，经过污水处理后的重金属排放量（镉、铬、砷、汞、铅）达0.09 万t。另外，报告还对工业固体废弃物的利用进行统计，工业固体废物产生量38.52 亿t，综合利用量仅为18.04 亿t[6]。2014 年4 月17 日，中华人民共和国环境保护部和中华人民共和国国土资源部联合发布了《全国土壤污染状况调查公报》（《公报2》）中显示全国土壤环境状况总体上不容乐观，部分地区的土壤污染严重，农业土壤污染范围较广，全国土壤的点位超标率为16.1%。《公报2》中显示土壤污染中，无机污染是最严重的污染源，其次是有机污染，无机污染主要为重金属污染，重金属污染土壤点位超标率为19.4%。从污染分布上看，我国南方的土壤污染程度远高于北方。在报告中显示，受到重金属污染的土壤中，镉污染是主要的重金属污染，其次是砷和铅[7]。

2015 年发布的《中国耕地地球化学调查报告》（《报告3》）调查显示，重金属中-重度污染的耕地面积为2330 万hm2，占调查点位的2.5%，轻微-轻度污染的耕地面积为5300 万hm2，占调查点位的5.7%[8]。

2 重金属污染土修复现状

经过近40 年的研究，目前对于重金属污染土的修复方式主要包括工程技术和生物修复技术[9]。其中，工程技术又包括物理修复技术和化学修复技术。

2.1 工程技术

2.1.1 物理修复技术。主要包括客土、翻土法、电解法、玻璃化、热脱附等方法。客土、翻土的方式就是在修复过程中，从别处运回无污染的土壤进行更换为客土。在进行一些农业用地的修复时，将地下深层并未受到污染的土壤进行翻耕，使得上下层的土壤位置调换，此为翻土[10-11]。

热脱附法运用的原理是利用高温加热的方式，将土壤中的重金属挥发散去。这种修复方式的使用较为局限，常用于污染土壤中重金属汞（Hg）的修复。

电解法所运用的原理是给需要修复的土壤进行通电，让土壤中的重金属在电场作用下，进行电荷运动，富集在电极两端，从而达到修复的效果。

玻璃化技术也被称为熔融技术，是指通过高温加热，重金属污染土壤分子热运动，土壤中的晶体发生破坏，等温度下降土壤内分子形成结构稳定且不易被降解的玻璃质感物质，这时重金属被包裹于玻璃体物质内，从而达到对土壤重金属永久固定目的的技术[12]。

2.1.2 化学修复技术。化学修复技术就是通过添加土壤改良剂或表面活性剂改变土壤重金属的理化性质，从而降低其有效机能和迁移能力[13]，主要包括化学钝化、化学强化、化学淋洗、固化/稳定化等方法。

化学钝化方式就是向土壤中加入钝化剂，调节重金属在土壤中的物理性质，产生的氧化还原反应降低了重金属的有效性和活性[14]。

化学强化方式是配合其他修复方式的一种修复重金属的方法，一般结合生物修复和物理修复使用，通过向土壤中加入合适的化学试剂，加强生物修复或物理修复的修复效果[15]。

化学淋洗法是指向受到重金属污染的土壤中加入有特殊化学成分的淋洗液，利用水力学或机械搅动土壤颗粒洗脱并清洗土壤中污染物的方法[16]。

固化/稳定化是指向土壤中注入合适的化学试剂，化学试剂与土壤中的重金属产生的化学反应，通过改良的方式使得重金属存在的形态发生改变，从而达到去除毒性的效果[17]。

2.2 生物修复技术

指利用生物的某些特性来适应、抑制和改良土壤中重金属含量的方法，包括植物修复法和微生物修复法[18]。

1977 年，生物学家布鲁克斯（Robert Richard Brooks）首次提出了“超富集植物”的概念。植物修复法就是通过在重金属污染土地上种植抗性植物，利用目的植物生长特性对土壤中金属离子进行吸附、分解、提取、转化或是固定的方式，达到降低土壤中的重金属含量[19]。

微生物修复法的核心是借助于高效降解菌对污染物的降解作用,微生物可以改变根际微环境，从而提高植物对重金属的吸收、挥发或固定效率。土壤中的低等生物例如蚯蚓、蚂蚁等也可以通过自身的运动改善土壤的物理性质，自身体内携带的微生物也可以提高土壤中的微生物含量，加强土壤自身的修复功能[20]。

以上介绍的2 种对于重金属污染土的修复方式，在进行修复的时候各有优点和侧重点，也有各自的缺点和不足，详见表1[21]。

表1 重金属污染土修复方式比较

综合文献和目前的研究可以发现，结合骆永明等对我国土壤修复技术的研究展望，我国在受重金属污染的农村土壤重金属的修复方式目前可总结为以下3类：I 类技术（植物提取与资源化技术）有一定的基础，往产业化的方向靠拢，仍是研究热点；II 类技术（重金属钝化与替代种植技术）在逐渐成熟，开始进入产业化阶段，由于修复资金的限制，技术缓慢发展；Ⅲ类技术（植物阻隔与稳定化技术）已有研究基础，正在加快产业化进程，快速发展[22]。

3 资源化研究现状

面对全球资源严重浪费和短缺的现状，大量的重金属污染土得不到有效修复，国内外的学者开始转变研究思路，将重金属污染土壤通过一定的处理转化成新的再生资源。目前国内外重金属污染土资源化的研究有以下方向：

3.1 制作砖材

自从1986 年李爱明[23]通过工业废渣制备免烧砖获得国家专利之后，各类生活垃圾、建筑废弃物生产砖材的研究成为了热潮。2014 年，赵冀[24]通过电石渣、水泥、重金属污染土制备免烧砖的实验表明，当材料比例合适时，可以制备高质量的免烧砖。任伯帜等[25]采用重庆市某给水厂污泥、粉煤灰、黏土作为原料研究生产混合砖的试验，结果表明，在混合砖原料中掺入体积为30%～45%的给水厂污泥，最终制备成的砖成品能够符合国家标准要求。

3.2 制作生态水泥

日本很早就在进行生态环保材料的研究，是世界上最早研究生态水泥制作的国家之一，在1997 年利用城市垃圾和市政污染泥土进行生产高强度的生态水泥的研究。美国也是研究污染土壤制备水泥最早的国家之一。我国从21 世纪初开始研究，哈尔滨水泥厂最先引进国际先进技术开始利用城市废弃物进行生产，慢慢转变到重金属污染土的研究，金漫彤[26]研究重金属土壤聚合物制备生态水泥，研究发现：制备过程中，污染土壤的添加量不能超过8%。重金属污染土作为制备水泥的材料添加量还是较少的。

3.3 制作陶粒

杨威[27]在研究固体废弃物的资源化时，将铬污染土与煤矸石、粉煤灰等材料共同制备陶粒，对制备而成的陶粒进行耐久性能以及毒性浸出方面的测试，对陶粒成品的使用性能和环境安全系数进行全面分析，最终发现，重金属污染土可以作为制备陶粒的材料。吕浩阳[28]利用复合重金属污染土壤制备免烧陶粒，研究发现合适的配比可以使得重金属污染土也能够满足环境对于重金属含量的要求。

3.4 路基填料

为了实现重金属污染土的资源化利用，陈蕾等[29]添加水泥对重金属污染土进行研究，发现当水泥的添加量在7.5%以上时，得出的资源化产品就可以符合路基的强度要求，并且浸出毒性也能够满足浸出标准。Yan-Jun Du 等[30]研究水泥与不同稳定剂对于重金属污染土的影响，对固化后的资源化产品进行浸出毒性和抗压强度的检测，发现水泥与磷矿石结合可以符合抗压强度的要求，这一研究也同样表明了重金属污染土与水泥或其他的稳定材料结合产生的资源化产品可以作为路基的填料。

3.5 绿化土壤

将污染土用于植物培育，其实也是植物修复方式的实践，重金属污染土壤为植物提供生长基质，植物又可以在不影响土壤结构和肥力的情况下去除土壤中的重金属有害物质。所以，一些可以经过植物修复的重金属污染土，也可以成为一种植物培育基资源[31]。侯淑贞[32]在对轻度污染和中度污染的重金属污染土进行修复时，将镉污染土壤作为植物盆栽的种植基地。

4 景观资源化的探讨

根据张治国等[10]统计了近30 年来的关于重金属污染土研究的论文发现，我国在这方面的研究处于世界领先的地位，但是多数的研究集中于各类修复方式下的材料选择，对于重金属污染土资源化的研究相对较少，与相邻学科的交叉研究较少。我国农村建设中的重金属污染土壤堆放和废弃是一个不容忽视的问题，相比耗费巨资修复污染土，将其作为农村建设的再生资源是一个更好的方向。因此，针对重金属污染土在景观上的资源化提出以下几点建议：

4.1 重金属污染土总量的确定

农村土壤的污染源是多样的，首先得确定重金属污染土的位置和估算出土壤的总量。国土部门应该对农村土壤进行全面的调查，农业部门对农村土壤进行农业面源上的调查，政府对于调查数据进行分类存档，让农村土壤的信息实现完整的共享和公开的体系，并且建议保持数据库的不断更新，长期追踪农村土壤的污染情况，针对污染位置、污染程度调整重金属污染土的资源用途，最大程度地保障农村农业产品安全和土壤资源的利用率。

4.2 村民意识的提高

农村重金属土壤的资源化，在一定程度上来说，需要村民的配合。政府部门可以定期向村民宣传农村污染的严重性和资源利用的必要性，提高农民保护土壤的意识，让村民意识到重金属污染会危及到农产品的产值和健康安全性。同时，政府相关部门还应该给予水、肥、药的使用指导和监管，推广测土配方施肥、病虫害综合防治等无公害农产品、绿色食品和有机农产品生产技术，减少使用农药化肥不当对土壤环境造成的污染。

4.3 重金属污染土应用于景观的建设方式

重金属污染土应用于农村景观建设中，不仅能够提升农村环境，还符合了节约型园林的要求。在园林景观建设中，园路的施工必不可少，农村中重金属污染土可以经过适当的修复方式，符合环境使用标准之后与建筑碎渣等材料混合使用，作为园林施工中的基层调料。在农村景观规划设计中，农村景墙和一些标识系统的施工材料，同样可以采用重金属污染土作为再生建材。根据学者们做过的研究可知，重金属污染土与水泥、石灰、矿渣等材料经过合适的比例可以制作成免烧砖，只要确保砖体的强度能够达到非承重墙的要求，重金属经过水泥固化对村民和环境造成的影响控制在安全范围内，将重金属污染土作为农村景墙和标识系统建设的材料是非常有意义的应用方式。

如果农村中的重金属污染土总量较大，那么土壤不仅可以用于当地农村中的建设，也可以通过村民的双手做简易的资源化处理，资源化产品得到量产，运送到别处的农村景观建设中，给村民带来一定的经济收入，同时也响应了农村振兴战略中的产业振兴要求。

重金属污染土应用于农村景观的技术手段如图1。