农田土壤镉污染现状和修复技术探析

张恒张健王焕刘成昆何波

（1格丰科技材料有限公司，江西萍乡 337000；2萍乡市农业环保能源站，江西萍乡 337000）

耕地土壤是人类生存发展的基础，是人类最基础的生活保障。自20世纪80年代以来，我国社会经济快速发展，农业生产和工业活动等给农田土壤带来污染。不断累积的土壤污染问题在21世纪初逐渐显现，对生态环境、农产品质量安全以及人类健康构成了严重威胁。

1 农田镉污染现状和危害

我国环境保护部2014年公布的《全国土壤污染情况调查公报》显示，在被调查的多种重金属污染中，镉点位超标率最高，数值达到7.0%。据统计，我国农田镉污染涉及10余个省（市）共25个地区，面积近1.33万hm2。彭曦[1]对我国22个省水稻土镉含量展开调查，发现被调查的近200个样品中，湖南地区镉含量最高，达到1.12 mg/kg。长沙地区，尤其是部分城乡结合区域内，被镉污染的农田占比达到3/4[2]。其他区域的农田镉污染也比较严重。农田土壤中的镉很难在土壤中分解，更难从土壤中迁出。其胁迫可能引起土壤营养元素缺乏，直接对农作物造成严重的危害，比如会对营养元素在农作物中的吸收和转运产生负面作用，影响农作物的生长发育，进而降低产量[3]。Mendyka等[4]和华 珞等[5]对玉米和小麦研究中发现，当农田土壤中镉含量达到一定值以后，会对相关作物产生毒害作用，同时会造成玉米和小麦减产。我国农田镉污染范围广、面积大、程度严重，对镉污染农田土壤进行修复迫在眉睫。

2 农田镉污染修复技术

物理、化学和生物方法是传统以及现阶段比较常用的农田镉污染修复方法。其中，物理方法通过去除或者分离污染土壤中的镉来达到修复的目的；化学方法通过添加改良剂或者其他有效化学试剂到土壤中，改变土壤pH值、氧化还原电位以及镉的形态，从而降低土壤中镉的活性和生物有效性；生物修复通过利用动物、植物和微生物等修复主体对农田土壤镉进行转化、固定、吸附以及降解，从而起到修复的作用。

2.1 物理修复

常用的物理修复方法包括客土法、换土法、电修复法以及深耕法等。客土法属于工程治理类型的方法，原则上在污染土壤中添加无污染土壤，使作物根系与无污染土壤接触，以减少作物对镉的吸收，最终达到修复的效果。客土法适用范围有限，仅适用于镉污染程度较轻且取客土比较方便的地区[6]。换土法指用无污染土壤替换污染土壤，以达到修复的目的。换土法由于工程量大、适用范围有限，仅在镉污染土壤面积较小时采用，目的是防止污染范围扩大。有研究表明，客土法和换土法能够有效降低稻田土壤镉含量，同时降低稻米中镉含量50%[7]。但是，这2种物理修复方法设备比较复杂，耗时、耗材、耗力，同时会破坏土壤结构，还可能导致二次污染。因此，客土法和换土法在农田镉污染土壤修复中不建议大规模推广和使用。电修复法指通过电极通电使污染土壤中镉离子在电场的作用下向电极区富集，进而使用共沉淀、电镀等方法将土壤中的镉离子分离，最终达到修复的目的[8]。总体而言，物理修复方法缺点明显，在未来镉污染土壤修复领域发展局限性较大。

2.2 化学修复

化学修复是一项技术较为成熟、效果较为显著的修复方法。从目前来看，添加改良剂是化学修复中最为常用的手段。有研究表明，在农田镉污染土壤修复中使用的改良剂大多为膨润土、石灰、磷酸盐以及沸石等，这些改良剂通过调节土壤pH值以及吸附、沉淀、离子交换、络合等化学反应来降低镉的有效性，从而达到修复的目的[9-12]。Basta等[13]在矿区污染土壤中添加化学改良剂，发现镉的有效浓度下降达94.6%。吕高明等[14]研究表明，在污染土壤中添加膨润土，交换态镉含量相比对照降低了7.75%。陈怀满等[15]研究表明，在对镉污染比较严重的沈阳某区域添加大量的石灰，作物籽粒中镉含量较对照降低了50%。Yang等[16]研究表明，在pH值小于6的污染土壤中添加磷化物，重金属元素的降解效果显著提高，容易形成稳定的化合物，最终达到修复效果。目前，向土壤中添加改良剂来修复镉污染有一定的效果，但是从土地可持续发展角度分析，未来的农业生产中应尽量减少化学品的添加。

2.3 生物修复

生物修复主要包括植物、动物以及微生物修复。其中，植物修复通常指通过提取、挥发以及降解等方式进行农田镉污染土壤修复，而植物提取是最适用、最常见的方式，其中以超富集植物效果最好。超富集植物是指对镉吸附和富集能力强且转运系数较大的植物，目前我国发现的镉超富集植物有20种以上[17]。动物修复指通过一些低等动物在土壤中的代谢活动来对镉进行吸收、转化以及分解，最终达到修复镉污染土壤的目的。Ramseier等[18]研究表明，在镉含量严重超标的土壤中添加蚯蚓，蚯蚓富集镉含量达到120 mg/kg，进而降低了土壤中镉含量。成杰民等[19]在镉污染土壤中添加蚯蚓后发现，镉的生物有效性较对照显著降低，同时作物的产量有所提高。微生物修复指利用某些微生物通过氧化还原反应来降低土壤镉含量，在修复镉污染土壤方面效果显著。有研究表明，在污染严重的矿区筛选出的高抗性微生物可以分泌胞外聚合物，吸附固定重金属，使其形成难溶物质，进而降低有毒离子的迁移性和生物可利用性[20]。Suksabye等[21]研究表明，铜绿芽孢杆菌的添加能使污染土壤中的钙、镁等离子浸出，并对植物吸收镉产生竞争，在降低水稻籽粒镉含量的同时，增加植物干重和籽粒中矿质养分的积累；Treesubsuntorn等[22]研究表明，添加枯草芽孢杆菌可以降低水稻植株各部分的镉积累量，同时其具有溶解磷酸盐、产生生长素的作用。

2.4 联合修复技术

同时采用2种及以上修复技术可以提高土壤镉污染修复效率，还可以弥补单一土壤镉污染修复技术的不足。近年来，植物化学、植物微生物、微生物化学以及动植物等联合修复技术不仅修复效果显著，而且修复方法较为环保。Ma等[23]使用电修复+化学修复的研究表明，电动（EK）处理表层土镉去除率可以达到9.38%，1%氯化钾+EK处理的镉去除率可达到84.06%，该组合技术可减轻种植水稻和蔬菜的土壤镉污染。刘金[24]在其研究中使用植物修复+化学修复发现，草酸淋洗联合矿山型东南景天修复镉污染土壤，可以提高镉去除效果。娄晨[25]使用生物修复+化学修复的研究中发现，该复合体系在镉污染土壤中修复效果显著，土壤总镉和有效态镉含量分别降低14.93%～16.57%和33.79%～35.04%。刘晓月等[26]对比了由多种天然矿物复配的土壤调理剂、由赤泥与农业固体废弃物复配的调理剂以及由生石灰、磷酸盐和复合肥复配的调理剂。结果发现，所选择的调理剂均能提高土壤pH值，同时降低有效镉含量和镉的生物有效性。

2.5 新材料修复

随着科学技术的发展，介孔材料、功能膜材料以及石墨烯材料等新型材料在农田土壤重金属修复研究中成为热点。比如，纳米零价铁具有强反应活性、较高的还原效率和速度、较强的吸附能力，同时比表面积大，这些优点在污染土壤修复中对土壤环境扰动小且对土壤和作物的风险低，是极具潜力的修复材料[27]。0.10%（质量比）海藻酸钠改性的纳米零价铁可使底泥中残渣态镉的比例提高41.79%[28]。另外，有研究表明，使用复合材料调理剂能够大大提高农田镉污染修复效率，从而降低镉含量。黄腐酸本身是植物生长调节剂，同时具有吸附、络合重金属的作用，在黄腐酸中加入微生物菌剂可增强黄腐酸对土壤的综合调理性能，可同步实现土壤修复和培肥[29-30]。曹庭悦等[31]研究发现，在污染土壤中添加硅和磷新材料，水稻中镉的吸收和转运受到了抑制。

3 结语

就未污染土壤而言，防治镉污染最关键的环节是控制污染来源，让化工企业、交通道路等污染源远离农田，同时严格控制农业投入品、灌溉水等的质量。随着科技的进步，人们对镉污染的认识和重视程度逐步提高，修复技术也在不断进步。本文对我国农田镉污染及其修复技术进行简单的综述，并指出联合修复和新材料修复技术是未来农田土壤镉污染修复技术研究和应用中不可缺少的一部分，以期强化土壤污染管控和修复，有效防治农业面源污染。