浅谈高寒高海拔矿区周边土壤重金属污染及其综合防治

王 宇，龚 航，谢趾东，汤运凯，杜杨帆

（西藏大学，西藏自治区 拉萨 850000）

1 前言

我国高寒高海拔地区主要是指以青藏高原为主体的地理区域。因其独特的气候、海拔、地质结构等自然因素，使该区域成为我国生态环境最脆弱的区域之一。同时，由于高海拔地区独特的地质构造，造就了丰富的矿产资源，据西藏自治区统计局统计数据显示，2011年度采矿行业的产值占自治区工业产值的45.4%；2020年度自治区工业增加值较上一年度增长9.6%，在采矿行业为主要的增长引擎，增长22.3%，且主要产品产量持续增长，铜、铅、锌金属产量分别增长24.8%、97.7%、44.4%。但随着矿业经济的快速增长，即使采用了国际最先进的矿业开采技术，同样会对矿区周边土地产生重金属污染等负面影响，且相关污染问题也接踵而至。如矿区土壤重金属污染会降低矿区周边土壤的质量，破坏当地脆弱的生态系统；而重金属污染严重的区域甚至会对人体健康造成严重威胁。近年来，国内外已有大量文献研究了矿区周边土壤污染的问题，但针对高寒高海拔矿区周边土壤重金属污染的研究相对较少。由此，本文分析了高寒高海拔矿区土壤重金属的来源以及危害，并提出了多种高寒高海拔矿区土壤重金属修复防治的方法。

2 矿区土壤重金属污染的来源

高寒高海拔矿区周边土壤中重金属污染物的来源大致可分为以下两个方面。一方面是矿区内产生的含有较多重金属物质的污废水，包括矿区开采过程中产生的废水、金属矿物处理污水、冶矿废水等。通常，在自然与人为因素的干扰下，这些富含重金属离子的污废水会渗入土壤，并通过一系列理化反应被土壤离子吸附；而另一方面主要是来源于矿区在采矿过程中产生的尾矿，特别是有色金属矿区，如铅、金、铜矿区等，这些尾矿中通常会含有大量的重金属物质，其中，矿渣和低品位矿石中的重金属含量最高。据统计，中国有色金属工业固体废物年排放量达6 590万吨，占全国总排放量的10.6%，但其利用率仅有8%左右[1]。因此，在自然条件下，这些堆在矿区周边的高含量重金属废物可能会因为降雨和酸化而变质，并扩散到周围的耕地区域，从而造成了土壤重金属污染。

3 土壤重金属污染的危害

污染土壤中的重金属元素主要包含汞、镉、铅、铜等具有生物毒性的元素。所以，重金属污染的一大特性就是难降解，而绝大部分重金属物质不像普通的有机物，可以被土壤中的细菌、真菌等微生物利用分解。所以，重金属污染物会随着时间的推移在土壤中慢慢积累，并逐渐影响矿区周边的土壤肥力与利用率，甚至可能会通过理化反应转化为迁移能力与毒性更强的烷基化合物（例如甲基汞），从而被植物或其他生物吸收和富集，再通过食物链的传播在动物体内中逐渐积累，最终影响人类身体健康。例如，铅通过食物链进入人体后会被肠道吸收，然后经血液传播进入到人体的各个器官和组织，最后与骨骼相结合。由于铅化合物的排出速率十分缓慢，所以在人体内的滞留时间较长，这样就可能会导致人体慢性中毒；而食用过量的镉则会使生物体无法吸收钙，最终导致骨质疏松和骨骼软化，严重的还可能会引起骨痛（也称为痛风）；砷化合物通过血液在人体组织中积累，可导致人体中毒，被认为是最具毒性的物质；汞的危害不仅会影响呼吸系统、消化系统中的器官，还会影响中枢神经系统；铬是一种必需的微量元素，对生物体至关重要，铬不足可能导致动脉硬化，但过度摄入可能会损害肾脏和肝脏，甚至会癌症[2-4]。

4 矿区土壤重金属污染的防治措施

4.1 物理、化学修复治理技术

在矿区土壤重金属污染的修复治理过程，物理/化学修复治理技术主要是基于当地土壤自身的理化性质以及其中重金属污染物的不同特性，而对污染土壤进行全方位修复。该技术可通过理化治理手段将污染土壤中的重金属物质从土壤颗粒中分离或固定在土壤颗粒中，从而降低污染物的迁移转化能力，减少对环境和健康造成的风险，进而提高矿区周边土壤的利用率。该技术在实际修复治理过程中，既方便又灵活，且治理时间较短，适用于各种重金属的处理，并广泛应用于重金属污染土壤的修复治理。但物理/化学修复治理技术的工程数量和实施成本相对较高，所以，这在一定程度上限制了该技术的应用范围。

4.1.1 深耕翻土法、客土法、换土法的修复技术

深耕翻土法、客土法、换土法等物理修复技术只适用于处理小规模的重金属污染土壤。其中，深耕翻土处理法是指将矿区周围受污染的表层土进行翻动，使表层土与深层土进行充分的搅拌混合，从而使表层土中重金属污染物扩散范围变大，最终使重金属污染物的浓度下降到土壤的最大承受值范围内，从而减少重金属污染对环境造成的影响。客土法主要是在受重金属污染的土壤表层覆盖上清洁地区未被污染的土壤，将原本受到污染的土壤掩埋至可耕层以下，从而减少重金属污染对生态的影响；或将清洁地区未受污染土壤与矿区受污染土壤相混合，以此使重金属污染的浓度降低到土壤的最大承受值以下。换土法与客土法相类似，也是通过转移清洁地区未受污染的土壤来替换部分或全部矿区周边受污染的土壤。客土法和换土法所覆盖土壤或替代土壤的厚度必须要大于土壤的可耕层厚度，以便将发生二次污染的风险降到最低范围内。

这些物理修复处理方法在十九、二十世纪已被英国、荷兰、美国等发达国家所采用，在治理技术十分有限的前提下，欧美等发达国家通过此类方法在很大程度上减少了矿区周边重金属污染物造成的损害，所以，这是一种十分有效的处理方法。这种方法效果十分稳定，且治理过程较为完善，工艺体系较为成熟，但其缺点在于治理费用较高，土壤肥力容易下降，同时，开展过程较为复杂，需要大量的人力、财力和物力，造成成本相对较高。此外，这类方法并不能完全消除土壤中的重金属，而且还存在占用土地、渗漏和二次污染等问题。因此，这类方法并不是高寒高海拔矿区控制重金属污染土壤的理想方法。

4.1.2 土壤淋洗修复治理技术

土壤淋洗法主要是指通过使用淋洗剂淋洗土壤，从而去除土壤中重金属污染物的过程，因此，选择有效的淋洗剂是淋洗土壤成功的关键。淋洗法可用于处理污染严重的土壤，特别是轻质土壤和砂质土壤，但对于低渗透土壤效果不是十分理想；同时，土壤淋洗法需要价格昂贵的淋洗剂，而且土壤淋洗很有可能会污染地下水，造成二次污染。此外，土壤中重金属的淋洗和根基营养物质（如Ca和Mg）的淋洗会导致土壤营养物质短缺，从而降低其肥力。因此，在治理高寒高海拔矿区土壤时，需要从淋洗剂的类型和浓度、土壤特性、污染程度和土壤污染物等诸多因素进行可行性评估。

4.1.3 热解吸修复治理技术

热解吸技术主要是直接或间接持续加热受重金属污染的土壤，当温度达到一定数值时，土壤中的某些重金属物质（如Hg、As等）将挥发，同时，可将挥发的重金属收集进行集中处理，以实现清除土壤中重金属污染物的目的。热解吸技术的一个主要缺点是由于加热能耗过大，所以处理成本较高。而另一个显著的问题是如何提高收集和处理处置挥发性重金属污染物的效率，如果以上过程效率不高，有很大可能会使重金属物质逸散到大气中，从而造成环境二次污染。

4.2 生物修复治理技术

在土壤重金属污染的修复治理中，生物修复技术主要是指利用植物或者微生物的生命代谢活动来改变土壤中重金属的化学形态，从而减少毒性或降低其迁移能力。经研究表明，土壤中动物的代谢活动（如蚯蚓）在很大程度上取决于外部条件，不适合在土壤中处置重金属。但在实际应用中，生物修复可以改变土壤中重金属的化学形态，固定重金属物质或使其毒性减弱，并降低其在土壤环境中的迁移能力和生物利用率。并且，生物修复技术具有一系列优势，如良好的恢复效果、低投资、低成本、易于管理和操作且不易产生二次污染等。

4.2.1 植物修复治理技术

在应用该技术修复治理土壤重金属污染时，一般是指通过种植对重金属污染物具有良好耐受性的植物，来吸附、固定、转化、降解土壤中的重金属污染物。通常，植物修复重金属污染的过程会受地理条件、生态类型、人为干预等多种因素的影响，而主要的影响因素为植物种类及数量、矿区周边土壤理化性质以及植物根圈土壤微生物的种类与数量等。植物修复技术不仅包括对重金属污染物的提取和去除，还包括对重金属污染物的固定与转化。其中，植物提取技术是重要的技术环节：该技术是利用植物吸收污染土壤中的重金属，并在植物根系处等部位进行蓄积。在完成重金属污染物初步的富集固定后再将植物收割，从而达到消除污染物的目的，其中，最为关键的步骤是筛选具有超富集能力的植物。近年来，对于植物修复治理技术的研究已成为环境科学中的热点话题，且该技术在实际污染场地的修复治理工程中得到了推广应用。

植物修复技术与传统的物理化学修复技术相比，在技术和经济成本方面具有很大的优势，主要体现在：（1）利用植物修复矿区的污染土壤时，可同时对周边环境污染进行修复；（2）植物修复成本较为低廉，可通过收割的植物，再利用萃取的方式将植物根系的所富集的重金属进行回收；（3）植物修复技术在具有美化环境效果的同时，还可以起到生态修复与景观再造的作用；（4）植物修复可以改善土壤肥力，提高土壤利用率。但与物理化学修复方法相比较，植物修复技术也有美中不足的方面，例如，绝大部分植物对矿区土壤重金属污染物的耐受力有限，所以，植物修复技术只适用于重金属中度污染土壤的修复补救。并且，矿区周边土壤污染往往是多种重金属元素污染，单种植物通常只能吸收富集一种或少数几种重金属元素，同时，存在植物生长缓慢，土壤净化时间长，难以满足受污染土壤的快速净化要求。

4.2.2 微生物修复治理技术

土壤是微生物栖息的第一天然场所，矿区土壤也是如此。而土壤中含有的大量不同种类的微生物，有相当一部分的细菌、藻类等可通过矿化作用或共代谢作用，来降解转化土壤中的重金属物质。以细菌为例，细菌中的细胞壁富含羧基阴离子和磷酸阴离子，是细菌直接接触土壤重金属的部位，在细菌与重金属物质相接触时，细胞壁中的羧基阴离子和磷酸阴离子会与重金属离子相结合，从而吸附固定土壤中的重金属物质；同时，细菌及其分泌物会进一步降解重金属元素，从而达到修复治理的目的。所以，根据矿区周边土壤的污染情况，接种合适的菌株是治理矿区周边土壤重金属污染的良好方式之一。所以，优良真菌种类的选择以及其在植物修复中的应用是今后微生物修复的发展方向。

但利用该技术治理土壤重金属污染的一个显著不足之处就是，微生物对重金属污染物的耐毒性较差，当重金属污染物浓度过高时，微生物的活性会下降，从而影响治理修复效果。所以，普通的微生物处理方式一般只适用于矿区周边轻度或偏中度的重金属污染。但对于重金属污染较为严重的区域，可采用固定化微生物技术对环境进行修复治理。固定化微生物技术治理矿区周边重金属污染的主要机制是：通过包埋法、吸附法等固定化方法将微生物进行固定化处理，使其重金属耐毒性得到大幅度提升，从而提高微生物的活性，并使其生物化学特性能得到有效维持，进而实现净化修复土壤环境的目的。

4.3 农业生态修复技术

农业生态修复技术主要是根据当地自然条件调整某些农业种植系统，并在受污染的土壤中广泛栽种不属于当地食物链且具有金属富集能力的植被，从而降低重金属污染对环境以及生物的危害。农业措施主要包括控制土壤湿度、改善耕作系统、合理使用农药和化肥、调整农作物种类等。

4.3.1 合理使用化肥、杀虫剂等

使用化肥和杀虫剂等是农业生产中最基本的农业措施。研究表明，使用有机肥料不仅可以改善土壤中的有机物，还可以吸附或络合固定土壤中的部分重金属。通过指导矿区周边种植农田的农民合理使用化肥和农药，可有效控制土壤的重金属污染。以施用氮肥为例，不同形式的氮肥对于土壤重金属吸附的效果不同。当植物吸收铵根离子和氨时，其根部会分泌不同的离子。当植物吸收铵根离子时，会引起氢离子的分泌，导致根际酸化；而当植物吸收氨时，会引起氢氧根的分泌，导致根际碱化。所以，对于大多数受重金属污染的土壤而言，施用硝酸盐氮肥料可有效降低重金属污染的生物毒性与迁移能力。

4.3.2 改善耕作制度和调整农作物种类

改善当地的耕作制度，并调整农作物的品种及类型是减少矿区周边重金属污染风险的有效措施。在污染土壤中，种植对重金属元素具有抗性的耐金属植物品种，可减少重金属在植物可食用部分的积累，从而确保农产品的质量和安全，也可以减少重金属对环境和健康造成的风险。而且，在高度污染地区种植对重金属元素富集能力强的农作物，并通过持续种植和收割，可有效防止重金属再次进入污染地区。需要注意的是，在一些矿区周边重金属中低浓度污染的农田中，还要兼顾不改变当地的种植习惯，尽量在治理土壤重金属污染时不影响粮食生产。

5 研究展望

随着高原地区矿业经济的蓬勃发展，矿山开采范围逐渐扩大，也因此加剧了矿区周边土壤重金属污染的程度，并严重影响了高原地区的土壤环境，这对矿区周边居民的身体健康产生了巨大的安全隐患。同时，土壤重金属污染与农产品安全息息相关，而部分重金属污染物会通过大气、水等环境介质进行迁移转化，从而最终影响高原脆弱的生态环境。所以，开展高寒高海拔矿区周边土壤重金属污染修复治理技术的研究，对于提高当地的土地利用率，改善矿区周边的生态结构，以及加快污染地区的环境修复，促进周边农田农产品质量安全，保障周边居民的生命健康具有重大意义。而矿区土壤重金属污染修复技术与工程实践经过多年的探索与努力，已取得了长足的发展。但由于土壤重金属污染问题的复杂性，再加上目前的修复治理技术还较为有限，所以，当前的重金属污染土壤的修复治理效果与人们的期望值仍存在较大差距。因此，研发高效率、低成本、可操作性强的土壤修复技术，且将这些修复治理技术进行验证、推广，并应用于实际的治理工程中是当前环境工程领域研究的热点。