贵州重金属污染土壤修复技术的研究进展

张春鑫 魏 勇 钟卫红 吴毕元,*

（1 毕节生态环境监测中心 贵州毕节 551700 2 毕节职业技术学院 贵州毕节 551700）

引言

土壤重金属污染一般是指由于人为活动对土壤造成的污染，主要表现为受外部环境的影响，不可避免地将重金属带入到土壤中。[1]在时间的积累下，重金属含量超过国家标准，致使土壤被重金属污染破坏。2014年，发布的《全国土壤污染状况调查公报》指出，全国土壤重金属总体超标率为16.1%，数据显示，镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌和镍等金属均超标。[2]有研究表明，土壤重金属的主要来源为工农业活动或人为制造垃圾向土壤中投放，使土壤中的重金属含量超标。“十三五”期间我国工农业迅速发展，人民生活水平的提升，为环境带来了重度压力，如不注重上述重金属污染物来源成因，则会造成土壤重金属污染现象的发生，重金属污染土壤的环境问题受到了社会的关注。众所周知，重金属具有毒性，且不可降解，当重金属进入人体后，经过生物累积效应，会损害人类身体健康。随着人们追求美好生活的需求逐步提高，从人民生命财产安全以及人类身体健康角度来看，推进重金属污染土壤治理技术的发展尤为迫切。研究利用CNKI 文献数据库，以“重金属污染土壤”为关键词进行语料搜索，发现在十三五期间，重金属污染土壤的文献数量为1039 篇，直接相关“重金属污染土壤修复”的文献139 篇。为更好地分析土壤修复技术在重金属污染土壤中的作用，本文对土壤修复技术相关文献进行深入分析，进而分析各项修复技术的优缺点，供相关部门选用参考。

贵州地处祖国西南边陲，地形独特，喀斯特地貌明显，是我国生态环境脆弱区域，在独特的自然条件下，贵州土层较薄、土壤贫瘠，相较于其他地区，贵州土壤对重金属污染的容纳能力较弱，土壤重金属污染波及面大、危害大、且治理难度大。根据文献数理统计，贵州喀斯特区域修复重金属污染的土壤技术近年来以生物修复技术和联合修复技术为主要手段。研究采用中国知网（CNKI）文献数据库的语料，对上述土壤修复技术进行整合梳理。

1 重金属污染土壤的来源

按照土壤污染的来源划分可自然来源和人为来源。顾名思义，因岩石风化、森林火灾等大型自然类灾害中向土壤中释放重金属污染元素地称之为自然来源；因大气降尘、污染灌溉、固定灌溉、固定废弃物和农作物污染等以人为行为导致土壤污染的称为人为来源。人为来源多以工业金属的冶炼、汽车尾气排放、工业废水、生活污水排放等多见。[3]随着城镇化进程的加快，固定废弃物的随意处理，乡村建设过程中农药、化学肥料、塑料大棚等农用物资的不合理使用也是引发土壤污染的原因。

2 重金属污染土壤修复技术发展过程

土壤被重金属污染后的修复技术发展历程，大致可分为四个阶段：

第一阶段，20 世纪60 年代以前，以物理修复技术为代表，如填埋、刮土、覆土等；第二个阶段，20 世纪七八十年代，此阶段仍然以物理修复技术为主要代表，在原有物理修复技术基础上增加了客土、稳定固化等手段；第三阶段，20 世纪90 年代，伴随新兴的生物科技技术发展，生物、物理、化学修复技术应运而生；第四阶段，21 世纪至今，修复技术随着科技进步的发展而多样，如，土壤工作者会选用特定的植物和动物进行相关的人为干预，利用一些化学反应，如氧化还原、淋洗、化学萃取、热脱附等对土壤都有修复功能。

3 重金属污染土壤修复技术

3.1 物理治理技术

物理治理技术应用至今，利用物体的物理特性，如封装、玻璃化、电热法、电动修复法等，完成土壤的修复。具有代表性的封装技术，在一个封闭的系统中，将污染土壤放入其中。封装技术可以保证污染物的场外扩散，避免污染土壤中的重金属二次扩散。换土法是将污染土壤替换到土壤底层，然后在污染后的土壤上覆盖一些清洁的土壤，然后将污染土壤移走替代清洁土壤，进而达到修复的目的。[4]玻璃化技术是将重金属隔离在小体积的玻璃材料中，利用高温原理将土壤中的矿物质熔化的过程。电动修复法利用正负极产生的低功率直流电场，使重金属离子发生定向移动，以沉淀、抽出或离子交换的方式去除土壤中的重金属。电热修复技术法是根据污染物的挥发程度，针对熔点较低或挥发性较强的重金属（如Hg 和Se）污染土壤而进行的土壤修复技术。[5]热处理技术是通过负压或用载气装置，使土壤中的污染物在蒸汽、红外辐射等作用下充分挥发。

优缺点：物理治理技术是较为传统的土壤修复技术，应用范围较广，技术操作水平适中。操作过程需要消耗大量的人力、物力，成本较高，投入较大，属于经典型土壤修复技术。早期物理治理技术仅仅是将受污染的土壤中污染物简单的转移，再对这些转移的污染物进行处理，该技术主要是应用在一些突发的紧急土壤污染事件中。随着社会的发展，更多具有新工艺、新技术特点的物理治理技术出现，经济效益高，应用性强，不破坏土壤结构，产生的废物可回收等。

3.2 化学治理技术

化学治理技术因其效果好、成本低、见效快等特点被广泛应用。它主要包括化学淋洗法、化学固定法、化学稳定法和化学萃取法等。化学治理技术以化学为手段，通过化学反应的变化稀释土壤中的重金属，降低土壤重金属浓度。化学治理技术中，经常使用的淋洗液包括表面活性剂、无机盐、螯合剂、无机酸、水等。它的作用机制是将淋洗液浇灌到土壤中，帮助土壤中的重金属与淋洗液发生溶解和解析，以达到去除重金属的目的，最后再将含有重金属成分的淋洗液回收处理。化学固定法是向土壤中添加固化/稳定剂，改变重金属在土壤中的存在形态，降低重金属的生物有效性。[6]化学稳定法是通过化学物质将土壤中重金属污染物的性质转变形态，使污染物的迁移能力、溶解性和毒性等变弱，以达到稳定状态。化学萃取法是使用萃取剂对土壤重金属污染物进行萃取，萃取后对重金属进行分离，并回收处理循环使用的方法。

优缺点：不同的方法有各自的优势和适用范围，在修复土壤重金属污染进行选择时，要充分结合实际情况选择最适宜的方法治理以达到预期的治理效果。化学治理技术适用于面积较大的重金属污染土壤，灵活性强，但因需要用到化学试剂，在操作过程中容易产生二次污染，需要格外注意化学治理技术操作过程中的使用规范，在规定范围内，降低危害性。

3.3 生物治理技术

3.3.1 植物修复

植物修复技术，顾名思义，借用植物生长过程中的吸收转运、根际稳定等方式，使重金属在土壤中消解。植物修复技术主要包括4 种方法：提取法、挥发法、稳定法和降解法。提取法主要是利用植物发达的根系吸收土壤重金属污染物，利用不同植物的特点和吸收特性来修复污染土壤的治理技术。挥发法主要有两种形式，一种是植物的根系的特殊分泌物将重金属污染物转化为挥发态；另一种是植物通过吸收后将重金属污染物转化为气态物质的形式。稳定法是植物通过生长代谢循环将重金属污染物的活性降低，使其成为稳定态。降解法是植物通过根系及根际微生物的共同作用将重金属污染物降解的过程。研究表明，利用植物修复技术是一种生态环保的生物治理技术，一方面，植物修复技术可以减少土壤修复的二次污染；另一方面，利用大自然中的植物净化土壤，实现以物治物，充分体现了生态环保的特点。

优缺点：植物修复技术对土壤特性的有着严格的要求，在贵州喀斯特地区，因其独特的喀斯特地貌，利用植物修复土壤前景广阔，修复土壤的同时还能够起到生态优化、水土保持的作用。

3.3.2 动物修复

动物修复技术是以动物为修复媒介，通过人工控制或自然条件，利用动物在土壤中生存的状态，帮助动物在土壤中进行生长、发育、成长、运动等活动，加快土壤中的污染物分解效率，破坏土壤中的污染物有效成分，进一步消化污染物，从而使土壤得到净化。比如，利用蚯蚓的生存条件以及活动规律，可以使蚯蚓吸收、富集土壤中残留的农药等污染物，并通过自身的代谢作用，将农药等污染物分解为无毒或低毒的产物。现实生活中，如果在复垦后的土地中加入一些蚯蚓等动物，可以帮助土壤中的有机物快速分解，提高土壤肥力。蚯蚓对重金属的富集作用，可有效降低土壤中的重金属污染。

优缺点：动物修复技术主要以蚯蚓、线虫为主。蚯蚓可以增加土壤有机质，起到改善土壤环境的作用。土壤动物修复技术未来的发展方向是将土壤动物人工化培育，作为一种“转化剂”投入到被重金属污染的土壤中，来提高土壤动物对重金属污染的修复效能。

3.3.3 微生物修复

微生物修复技术通过微生物的吸附及转化等作用，降低重金属浓度。利用微生物修复技术可以通过直接作用和间接作用降低土壤中重金属的毒性，改善土壤环境，进一步提高植物对土壤污染物的吸附能力。[7]例如，黄青霉就是很好的微生物修复对象，其具有较强的吸附能力，能够对重金属污染土壤起到有效的净化作用。未来发展过程中，其有望成为优良的吸附剂。

优缺点：利用微生物自身的代谢功能，改善土壤环境，提升土壤质量。相比其他修复技术，微生物修复技术成本较小，污染较少。从目前的来看，土壤微生物修复技术是未来最具有开发潜力的修复技术，培育富集重金属优势菌群，最终实现针对性强、高效能、成本低、适用范围广的微生物修复技术工程化应用。

3.4 联合修复技术

联合修复技术是一种基于单一土壤修复技术的弊端而应运而生的土壤修复技术。国内部分学者已就联合修复技术开展相关的研究，取得了良好的土壤修复效果。实际运用过程中，常见的有三种联合修复形式：一是土壤动物和微生物、植物联合修复，如使用动物修复技术的过程中，可以结合植物修复技术。例如，蚯蚓—菌根相互作用对土壤、植物系统中迁移转化作用时，蚯蚓的活动有利于黑麦草根部根瘤菌的富集，从而促使黑麦草根向上移动，在这个过程中，运用植物修复技术，通过植物保持土壤含水量、分泌有机酸、调节土壤pH 值等功能，为土壤中动物的生存环境提供了重要保障，从而加强了动物修复的处理能力。二是植物和微生物联合修复，如土壤中的细菌对植物的生长具有刺激和保护作用，能够直接或间接地对植物的生长产生影响。相关研究表明，植物与专性降解菌的联合修复技术能够有效地治理重金属污染，如俄罗斯科学院斯克里亚宾生物化学与微生物生理学研究所的科学家培育出一种可以抵抗重金属污染并有效保护植物生长的细菌，这种细菌在有Zn、Cd、Ni 和Co 的条件下可以产生抗生素，它的细胞虽然不具备稳定的基因，但是处于染色体外能够自动复制的环状DNA 分子能够有效遏制重金属离子进入细胞，同时刺激并保护植物的生长。三是微生物和化学法联合修复，目前微生物与化学法联合修复分为两大类。如现场注入季铵盐阳离子表面活性剂，把土壤中含有的黏土转变为有机黏土矿物，有机黏土矿物可以有效地吸附和固定土壤中的污染物，然后利用微生物对富集起来的污染物进行吸收降解。又如利用表面活性剂来增加疏水性物质的溶解度，使土壤中的污染物被分配到表面活性剂胶束相中，使微生物更加容易进行新陈代谢作用。因此，利用微生物与化学法相结合的修复技术可加快受损土壤的生态修复速度。

优缺点：联合修复技术是随着科学技术发展应运而生的土壤修复技术，该技术可以弥补修复技术之间的弊端，整合修复技术优势，达到修复土壤的目的。

4 重金属污染土壤修复技术展望

贵州冬无严寒夏无酷暑的独特气候为土壤污染修复技术提供了得天独厚的自然条件，但其林地多、耕地少的现状，也对重金属污染土壤修复技术提出了更高的要求。健康的土壤环境是提升土壤利用率的必要条件，从生态学系统角度出发，重金属污染土壤修复技术需要以生态环境为依托，运用生态环保理念，因地制宜，选择适宜于土壤修复的关键技术。综合上述土壤修复技术的使用条件，不难发现重金属污染土壤修复技术正在朝着绿色、环保、可持续的方向发展。通过进行可持续性修复，提升现代生物技术水平的研究，结合地域特征，取其所长，寻求生态环保、成本低的修复方案。结合当前各种土壤修复的特点及土壤污染状况，提出以下建议：

第一，善于运用国内外先进重金属污染土壤修复技术，关注土壤发展前沿动态，注重使用联合修复技术，根据土壤现实情况优化修复方案，在修复过程中以生态环保理念为引领，避免二次污染，避免修复过程带来的次生损害。综合运用多种修复技术的优点，在同等条件下，达到成本低、效率高的土壤修复预期成效。

第二，注重结合贵州喀斯特地区的土壤现状，因地制宜选用相应的土壤修复技术。目前已经发现并在重金属污染土壤修复中应用较广的超富集植物大概有700 多种。[8]但是，由于贵州地处喀斯特地区，植物生长条件较为恶劣，在偏僻地区或石漠化区域，植物生长的存活率较低，不容易直接使用相关的土壤修复技术。因此，通过现代生物技术手段，利用好基因工程、细胞工程，以及现代分子生物学技术对植物的适应性进行相应的重整与调试，以适应贵州地区土壤修复的基本条件。

第三，提升生态环保的修复功能材料，研发可降解、高效吸附能力的介子材料，运用现代技术完善土壤修复的新材料，科学有效筛选生物修复的优势物种。注重开发一些高效吸附能力、环保友好的环境功能材料，使其具有高吸附能力、高螯合能力。组织专业研究人员改进修复功能材料的特性，就地取材，研发适宜于贵州地貌土壤修复功能材料。

第四，运用微生物技术改善土壤重金属污染程度。微生物世界是人类探索的未知世界，数以万计的微生物王国中，藏匿着可供人类选择培育的微生物物种。运用现代生物手段，使用微生物组织技术是改善重金属污染土壤的关键环节，达到去除土壤重金属污染的现状，提升土壤的环境质量。

结语

贵州地处亚热带地区，土壤在形成过程中受气候和地貌影响较为明显。针对省域土壤林地多、耕地少的现状，加之大部分土壤带有高原土壤的独特特性，如何有效开发土壤利用率，增强贵州省土壤肥力，以及更好地在乡村振兴大背景下，积极开发乡村土壤建设使用效率，是土壤工作者在未来研究过程中值得注意的重要问题，也是贵州土壤研究领域亟待解决的难题。换言之，贵州独特的地貌结构，土壤分布区域根据其所属区域也呈现出不同的特性，如，黔中高原地区、黔西北地区，以及黔南地区，不同区域的土壤特点已有学者展开相关论述。针对土壤自身的滞后性和不可逆转性，倘若土壤被重金属污染，短时间内无法快速达到自我修复的目的，必须选用适合的土壤修复技术，采用人为处理方式，有针对性地进行土壤修复。本文希望能够在土壤修复技术方面给予相关土壤研究工作者一定的参考借鉴。另一方面，技术提升的根本是人的综合素养提升，在提升技术手段的同时，加强对人们环境保护意识的教育引导，提升广大居民的生态环保意识，从源头上，避免人为土壤污染，减少人为垃圾对土壤的损害，减少工业化生产进程中，对土壤造成的直接或间接损害。只有政府、企业，以及广大居民齐心协力，以生态环保理念与大自然和谐相处，土壤健康发展才能够真正实现与经济发展的同频共振。