农田土壤重金属污染的危害及修复技术

闫晓强 李汉杰 周辉 杨泽明 张亚利 陈晓光

摘 要 随着我国经济发展水平的显著提升，农田土壤重金属污染问题逐渐加重，不仅降低了农作物的生产质量及产量，还危及人们的身体健康，因此合理处理农田土壤重金属污染成为当前社会发展的首要任务。为确保农田土壤重金属污染能够得到有效治理，在农田土壤重金属污染处理时，应该因地制宜，结合污染的程度及来源，针对性地选择物理修复技术、化学修复技术、农业生态修复技术、联合修复技术及生物修复技术等进行修复。

关键词 农田土壤;重金属污染;修复技术

中图分类号：X53 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.02.008

在我国农业、工业等产业快速发展背景下，国民经济与科技水平得到有效提升，但同时也产生了一系列的污染问题，农田重金属污染就是其中最具代表性的污染问题。农田重金属污染不仅污染源繁杂、危害大，而且持续时间长、治理难度大，因此相关管理部门应加大对农田重金属污染的重视度，对其进行深入研究，不断创新并优化修复技术，最大程度解决农田重金属污染问题，从而实现我国社会可持续发展的战略目标。

1 危害

1.1 对农作物的危害

在日常的生产生活中会产生大量的重金属，这些重金属可谓无孔不入，它们通过各种途径进入农田土壤中，并在农田土壤中逐渐富集，当富集浓度超过土壤的承载力时，就会对农作物的质量及产量产生巨大的影响，进而降低农民经济收益。此外，重金属的属性不同，对农作物造成的危害也不同，根据相关调查，当Cr2+的浓度达到0.1 mg·L-1时，将严重影响水稻种子的发芽。

1.2 对人体健康的危害

农作物通过生产加工成为食品供人们食用，如果农作物生长在重金属超标的土壤中，那么重金属就会通过食品进入人体，对人们的身体健康造成不利的影响，相关分析发现，土壤及农产品重金属污染对居民身体健康具有明显的健康风险，其中87.5%的健康风险来自于农产品摄入[1]。重金属可以与人体内的酶和蛋白质结合，从而抑制酶的活性，破坏蛋白质结构，危及人们的生命安全。其中，镉是一种毒性较强的重金属，会对人体的肝脏、肾脏功能造成巨大的破坏。镉与钙的生理性质相似，因此能够替代骨骼中部分钙，进而导致人们出现骨质疏松、骨骼变形等不良现象，不利于骨骼系统的正常运行。另外，人体中铅的富集浓度超标会引发贫血、神经紊乱等疾病。人体中铬的富集浓度超标会损害表皮组织，导致皮肤溃烂;铬也能通过呼吸道进入人体，诱发呼吸道疾病;同时，铬具有致癌、致畸、致突变的不良作用。砷也具有一定的致癌危险，砷中毒主要是通过长时间富集产生的，因此其致病作用具有一定的滞后性。

2 来源

2.1 农资不规范使用

在我国农业与科技快速发展背景下，农资用品得到了优化升级，农药、化肥等被广泛应用于农作物生产过程中。农药、化肥等相关农资用品对于农业的发展具有促进作用，可有效提高农作物质量及产量，但如果使用方法不合理或过量会引发农田重金属污染。通过对农业农村部环保监测数据的分析发现，当前我国遭受重金属污染的耕地面积已经超过了10%，每年因此而减产的粮食数量高达1 000万t，甚至还有1 200万t的粮食因重金属含量超标出现了不能食用的情况，所造成的经济损失高达200亿元[2]。因此，在使用这些农资用品时一定要严格把控用量，并采用正確的使用方法，保证农资用品的有效性和生态环保性。

2.2 污水农灌

污水农灌是将一些工业废水、城市中污染严重的地下水及部分污染物超标的地表水用于农作物灌溉，既有利于提高污水的再利用率，也有利于解决农作物的干旱问题。对污水农灌的农田土壤进行研究发现，土壤中含量最多的金属元素为锌、镉、铜及砷，土壤中的盐分堆积也较多。由此可知，如果长时间采用污水灌溉的方式进行农田浇灌，会导致农田土壤重金属污染加重并扩散，进而影响农作物的正常生长。近年来，随着我国社会经济的增长，居民用水需求不断提升，为满足居民的用水需求，一些地区的农民利用污水进行农田浇灌，污水中的重金属也由此进入农田土壤中，长时间的污水农灌致使土壤重金属含量超标，进而降低农作物的质量，影响人们的身体健康。

2.3 固废倾倒

如果将固体废弃物倾倒在土壤上，会导致其内部重金属迁移扩散到周围土壤和河流中，对土壤造成严重的重金属污染。此外，由于我国当前电子固废垃圾倾倒法规不健全，缺少科学合理的关于电子垃圾和生活垃圾焚烧、倾倒等指导文件，导致大量电子垃圾和生活垃圾进入农田，加剧农田重金属污染[3]。

2.4 废气飘尘

汽车尾气排放、工业气体排放及煤炭燃烧是导致农田土壤重金属污染的重要因素。在汽车行驶、工业生产及煤炭燃烧过程中会产生许多有害气体，这些气体含有大量重金属元素，它们漂浮在空气中，然后随着降水进入农田，对农田土壤造成污染，最后使得土壤重金属含量超标。例如，有关研究人员对某市不同类型大气中PM10颗粒中11种重金属含量进行分析，结果发现，Pb、Co、Ni、Mn、Cr、Cu和Zn分别是其土壤本底值的39、312、6、291、56、135和777倍。汽车尾气还会对道路两侧的农田土壤造成一定污染，通常道路两侧农田土壤中Co、Pb、Cu、Cd、Cr、Ni、As、Hg、Zn、Se和Mn等重金属元素含量要高于远离道路两侧的农田[4]。此外，重金属冶炼和矿山开采产生的有害气体也是造成农田污染的因素之一。

3 修复技术

3.1 物理修复技术

常见的物理工程措施主要包括深耕翻土、去土、换土等，这些工程措施是通过扩大重金属覆盖面积，降低重金属浓度等修复土壤，这种方法一般适用于小面积污染土壤，目前被英、美等发达国家广泛使用。对于污染程度严重、污染面积较大的砂质土壤，可以根据污染土壤的性质与污染程度，选择最佳的淋滤液，从土壤中成功分离出重金属。电热修复法是常见的物理修复技术，该方法通过将电极插入重金属污染土壤中，使重金属离子在直流电压下进行迁移、富集并修复，并利用高频电压产生的热能加热重金属污染土壤，从土壤中分离出具有挥发性的硒、砷和汞等重金属。玻璃化技术是在高温高压条件下，通过在重金属污染土壤中形成玻璃状结构来固定和稳定重金属的一种技术。冰冻土壤技术是将管道垂直放置在污染源附近，将无害的冷冻溶剂放置在管内形成冻土屏障，避免污染物扩散。由于电热修复技术和玻璃化技术的应用成本较高，目前并未被广泛应用于土壤重金属污染处理中。

3.2 化学修复技术

1）淋洗络合技术。通过将淋洗剂注入到污染土壤中，对污染土壤进行有效的洗脱与清洗，在完成上述工作后，要对其产生的废液进行科学处理，避免出现二次污染现象。淋洗络合技术具有效率高、速度快等特点，常用的淋洗剂包括活性剂、螯合剂及无机溶剂。2）固化/稳定化技术。固化/稳定化技术是将化学药剂注入污染土壤中，并结合土壤污染的实际情况，配制合理的固化药剂与稳定药剂，对污染物起到良好的抑制作用，使土壤处于一个平稳的状态，防止重金属扩散。化学药剂会阻碍重金属进入农作物，保证农作物的产量及质量，进而为人们的身体健康提供有利的保障。当前，市场上固化剂、稳定化药剂种类众多、价格优惠，石灰、蒙脱石使用率相对较高，修复效果明显，维持时间长久，且不会产生二次污染。但是，固化剂稳定化技术也具有一定的不足，该技术治标不治本，重金属仍残留在土壤内部，如果药剂失效，仍会再次面临土壤重金属污染问题，因此要合理应用固化/稳定化技术，并做好后续的跟踪及维护工作。3）离子拮抗技术。重金属离子之间具有一定的拮抗作用，因此在进行土壤重金属污染处理时，可以对重金属离子的拮抗作用进行有效的加工与利用，即把对农作物有利的金属添加到污染土壤中，然后利用拮抗作用，降低农作物中重金属的含量。

3.3 农业生态修复技术

农业生态修复技术主要是通过改变农业耕作方式，并利用难以进入食物链、且对重金属具有吸收作用的植物，从土壤中吸收和去除重金属。与其他农田土壤重金属污染修复技术相比，农业生态修复技术具有低成本、易操作与高效率等一系列优势，但农业生态修复技术的修复周期较长，不适用于重金属污染严重、急需修复的土壤。

3.4 联合修复技术

单一的农田土壤重金属污染修复技术虽然具有一定的治理效果，但其发展受到各自缺点的限制，因此联合修复技术成为农田土壤重金属污染处理的必然选择。当前，我国科研人员已经在联合修复技术方面取得了显著成果，卫泽斌等首先采用淋洗技术对重金属污染土壤进行淋洗，然后利用固定剂（FeCl3）使铅、锌等重金属钝化于农田深处[5];张猛将电场和植物进行有效联合，并利用其联合作用处理土壤中的镉、铅、锌等重金属，实验数据显示，电场能够有效提高相应植物对重金属的吸收能力，并借助植物成功去除土壤中的重金属[6]。

3.5 生物修复技术

生物修复技术是农田土壤修复的重要手段之一，是一种利用生物吸收、转化、消解环境污染物的技术方法[7]。例如，老鼠或蚯蚓可以富集土壤中的重金属。按所利用的生物种类，可分为微生物修复技术与植物修复技术。

1）微生物修复技术。土壤中的微生物可以吸附重金属，微生物修复技术可以降低土壤重金属含量，改善土壤性质。但微生物修复技术也有一定的局限性，例如，微生物遗传稳定性差、易发生变异，一般不能将污染物全部去除;微生物对重金属的吸附和累积容量有限，而且须与土壤原始菌株竞争，受环境影响显著。

2）植物修复技术。植物修复技术通过采用耐重金属植物降低重金属在土壤中的移动性，减轻农田土壤重金属污染程度。植物修复具有操作简单、成本低、不破坏土壤理化性质等优点[8]，植物一般利用其根系积累和沉淀重金属，以此改变重金属的形态，还可利用根系对重金属进行吸附固定，最大限度降低重金属对土壤、周边农田及地下水的污染程度。此外，植物根系在生长过程中会分泌一些物质，对土壤的根际环境具有积极的改善作用。现阶段，麻风树、芦苇、芦竹、纤维大麻及红麻等经济植物被广泛应用于我国某些地区的农田土壤重金属污染修复过程中。

3.6 工程措施

工程措施也是当前普遍采用的降低农田重金属污染的一种手段。例如，通过向被污染土壤中加入清洁土壤并混合，以达到稀释重金属的效果，降低单位土壤中的重金属含量;同时，利用清洁土壤覆盖被污染土壤表层，为农作物提供一个相对健康的生长环境。但是，工程措施不能从根本上解决农田土壤重金属污染问题，也不适用于污染较严重的土壤。

4 结语

通常情况下，土壤环境可以将进入其内部的污染物慢慢分解，在一定程度上具有自净功能，但当重金属富集过多，严重超出土壤本身的承受力时就会将土壤环境的平衡打破，致使土壤受到大量污染，极大地改变土壤本身的性质，使其功能漸渐消失，土壤肥力下降，而农作物也会因此出现减产甚至死亡。在这种环境下生长出的农作物对人体健康会造成很大影响。因此，对土壤重金属污染问题及其修复技术要给予高度重视。

参考文献：

[1] 黄颖.不同尺度农田土壤重金属污染源解析研究[D].杭州：浙江大学，2018.

[2] 康春景，魏长雨，高轩，等.土壤重金属污染修复及效果评价研究进展[J].中国金属通报，2019（11）：152-153.

[3] 杨启豪.农田土壤重金属污染现状及修复技巧探讨[J].科学技术创新，2019（31）：5-6.

[4] 张晓艺.农田土壤重金属污染状况及修复技术研究[J].中国资源综合利用，2019，37（4）：86-88.

[5] 卫泽斌，郭晓方，吴启堂.化学淋洗和深层土壤固定联合技术修复重金属污染土壤[J].农业环境科学学报，2010，29（2）：407-408.

[6] 张猛.浅析农田土壤重金属污染及修复技术[J].农业与技术，2020，40（1）：114-116.

[7] 周成铭.研究农田土壤重金属污染状况及修复技术[J].花卉，2017（14）：216-217.

[8] 王烁.我国农田土壤重金属污染修复技术、问题及对策的探讨[J].环境与发展，2019，31（1）：57-58.

（责任编辑：张春雨）