矿区中低产农田土壤重金属削减技术

2023-05-30马英群马银花谭志雄张涵张亚琦段仁燕

安徽农学通报 2023年3期

马英群马银花谭志雄张涵张亚琦段仁燕

摘要矿区中低产农田的重金属在土壤中具有可迁移性、多样性、长期隐蔽等特点，是造成农田低产的主要因素。我国矿区中低产农田重金属污染问题十分突出，削减重金属比较困难，有必要对污染修复进行深入系统的研究。本文主要概括了矿区中低产农田土壤特点以及重金属对于农田的危害，归纳整理了目前主要的土壤重金属削减技术，通过对不同削减技术进行比较，对我国矿区中低产农田的重金属污染治理进行了展望。

关键词矿区中低产农田土壤；重金属污染；削减技术

中图分类号 Q89 文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2023）03-0161-04

根据《全国土壤污染状况调查公报》，我国土壤重金属含量超标率高达16.1%，其中土壤污染的类型可以分为无机型、有机型、复合型污染三类，人类活动使得农田土壤污染日渐严重，农作物生长受到影响[1]。采矿中重金属大量流失造成矿区土壤重金属污染的现象层出不穷是目前生态文明建设必须面对的重要环境问题。为此，了解矿区农田土壤重金属污染特点并针对性地采取削减技术修复治理具有重要意义[2]。

1 矿区农田土壤重金属污染的特点

1.1 迁移转化快

重金属流入土壤会伴随着一系列化学、物理反应，重金属会在各种反应过程中迁移和转化，最终存留于土壤间隙被植物体吸收，从而影响农田生态环境。重金属能被土壤中的胶体吸附在表面或被土壤矿物颗粒包含，溶解和沉积在土壤中的重金属元素均能被氧化和被还原，而且重金属元素很难降解，在土壤中长期富集后会转化为有机金属化合物，其毒性和危害性大，抑制土壤生物的活性以及土壤生物酶的活性[3]。另外，土壤在生物地球化学循环中起着关键作用，土壤中的纳米金属颗粒可下渗进入地下水，也可被动植物吸收后经食物链传递富集，纳米金属颗粒在土壤中迁移转化过程中受到土壤环境（pH、离子强度、离子价态、温度、DOM）的影响会发生吸附/解吸、分散/沉降、解离和氧化/还原等迁移转化过程[3]。

1.2 存在形式多变

农田土壤重金属污染程度只有依靠对土壤样品检测和分析或者对农作物、人、动物的检查才能显现。土壤中重金属元素会随着土壤pH的变化发生各种物理和化学反应，其存在形态多样，在不同农田土壤中的毒性、稳定性存在较大差异，从而增加了重金属污染的治理难度。如游离态Cu、Zn、Pb等重金属元素，毒性高于络合物，进一步增加了土壤中重金属元素毒性，此外，土壤中的重金属元素还会通过各种物理和化学反应形成毒性远大于无机物的有机物。

1.3 难以降解

重金属元素一旦流入农田土壤，就将被土壤矿质等吸附和包含，难以被生物分解，无法通过简单的方法去除，另外，土壤中的微生物会将各种重金属元素在生物体内富集，或者转化为毒性更大的甲基化合物。由此可见，农田土壤中重金属元素的难消除性增加了后期处理难度[3]。且农田土壤中的重金属元素在土壤或生物体内长期的积累会给土壤生态系统和人体产生不利影响，短期内难以恢复。

2 矿区农田土壤重金属污染的危害

2.1 影响土壤理化性质

2.1.1 破坏土壤结构。由于能够影响土壤中酶的活性，改变土壤的酸碱度，所以重金属元素富集到一定浓度时可能会破坏土壤结构，导致土壤孔隙度降低、板结，最终影响其通气性与含水量，农田土壤将变得贫瘠。

2.1.2 影响物质转化。相同含量的重金属元素在不同理化性质（土壤的水分、氧化还原、酸碱度、有机质、温度等）的土壤中可能表现出不同的物质性质和理化状态，影响元素转化和作物对元素的吸收[4]。因此，农田土壤重金属元素会影响土壤中生物与非生物间的反应及交换，如土壤的碳、氮、磷及钾循环，影响农田土壤的质地、pH、孔隙度等，最终改变土壤的结构性质和营养成分。如土壤pH的大小不仅影响植被的生长，更与土壤养分的释放和土壤微生物酶活性有关[5]，是影响土壤肥力的重要因素。

2.2 影响土壤生物生长

2.2.1 影响农作物生长。土壤中的重金属元素会在灌溉水源时通过根、茎、叶等部位进入植株内，使得农作物中重金属元素含量超标，破坏农作物的酶系统、叶绿素合成以及核酸代谢水平等，进而造成品质下降、作物减产。

2.2.2 影响微生物正常代谢。真菌、细菌、藻类等微生物，在土壤的固氮、硫化、硝化以及有机质的分解和养分转化中发挥着重要作用。农田土壤重金属元素超标会抑制微生物代谢甚至致其死亡，造成微生物群落组成和结构发生改变。

2.2.3 影响人体健康。农田土壤重金属通过食物链到达人体，不断累积使得人重金属中毒，严重威胁人类生命安全。

3 矿区农田土壤重金属的削减技术

3.1 物理修复技术

3.1.1 工程治理技术。工程治理技术效果较好，治理体系相对完善，缺点在于治理费用比较高，土壤肥力容易下降，而且开展过程较为复杂[6]。

（1）翻土与客土法。翻土法通过人力或器械深翻土壤，将土壤中上层的重金属深翻入更深层土壤中，稀释土壤中重金属残留浓度。而客土法是将污染物和重金属残留少的土壤混合放到污染土中，降低土壤重金属含量使其达到污染的临界值。翻土法和客土法能够十分有效地治理较轻的土壤污染，在短期内达到既定修复目标。

（2）热处理法。热处理技术是通过高温加热的方式，将一些易挥发的重金属元素从土壤中分离出来。此種方法可以固定部分重金属，降低它们对于环境的污染[7]。

（3）固化法。固化法是在受重金属污染的土壤中加入固化剂，降低重金属的迁移性和生物的有效性，改变土壤的理化性质，从而使重金属物质减少[8]。石灰、水泥、粉煤灰等均可作为固化剂使用。

3.1.2 土壤淋洗。土壤淋洗是用适量的提取剂促使土壤中的重金属向液态方面转变，该过程会导致土壤中部分提取剂残留，但通过清水淋洗就能够将残留的提取剂清除[9]。

3.1.3 玻璃化技术。玻璃化技术是在高温高压的条件下，在土壤中加入一些导电材料使重金属形成稳定玻璃态物质，用于防治重金属污染严重的土壤[10]。

3.2 化学修复技术

3.2.1 化学改良剂或抑制剂。化学修复成功必须以合理地化学制剂使用作为保障[11]。化学改良技术将改良剂加入到土壤中，与其中金属发生反应，从而使金属被固着降低其活性，减小对植物的危害性，最终实现治理和修复土壤[12]。在修复过程中，常见的化学改良剂主要有石灰、石膏、蒙脱石木质素物料、海藻提取物、硫磺粉、腐植酸肥等物质[13]。

3.2.2 化学淋洗法。化学淋洗法是通过注入、抽吸含有一些金属配位体的清洁无污染的提取液淋洗土壤多次，通过配位体与土壤中的重金属络合成化学性质稳定的物质并随淋洗液的抽吸脱离，将吸附在土壤表面的重金属元素去除[10]。

3.3 生物修复技术

3.3.1 植物修复技术。植物修复技术是采用植物吸附、径流、蒸腾等作用将重金属大量地转移到植株体内实现修复土壤的目的[12]。此种方法有许多优点，比如修复面积广、成本低、对土壤干扰小、操作方便、管理简单和无二次污染等[14]。但植物修复在重金属污染土壤中处理时间长，易受重金属浓度影响，其在突发重金属污染土壤事件中的應用依然面临挑战。本研究提供一种树脂-植物联合修复的方法，在短时间内树脂抑制土壤中重金属的迁移，保护植物初期生长，随后重金属缓慢释放，被修复植物吸收，最终将重金属污染物从土壤中去除[15]。

3.3.2 微生物修复技术。微生物修复技术是指在适宜的环境中，利用不同类型微生物代谢等生理作用，将重金属降解或将高毒有机物转化成低毒或无毒。土壤中的细菌表面具有某些特殊结构可以吸附重金属物质，真菌与细菌处理土壤重金属污染有相似机理，能够与汞、铅等重金属元素发生配位络合作用，形成稳定的络合物。藻类对重金属具有一定的耐性机制，能够诱导有机物质自由基或活性氧的生成，利用藻类生物处理修复技术是土壤重金属污染常用的修复方式之一，其吸附性能往往高于其他细菌、真菌等生物[16]。

3.3.3 动物修复技术。动物修复能够通过动物取食重金属有效减少土壤中重金属的含量，在不影响这些动物的正常生长的同时能够改良土壤结构、分解枯枝落叶、增加土壤肥力、促进营养物质循环等[17]。

3.4 联合修复技术

因为土壤的理化性质不同，所以各地区土壤污染类型及特征也存在差异。针对不同的土壤污染，需要采取联合修复技术替代单一修复技术，发挥各项技术的联合修复优点。“微生物-植物”联合修复可强化微生物与植物的共生关系、增强微生物去除污染物的能力；“植物-动物”联合修复可通过动物或其排泄物的作用改善土壤环境、促进植物生长，同时通过植物根系改善动物的生存环境；“微生物-动物”联合修复可在动物搬运摄食、消化排泄等过程中强化微生物的生长代谢能力[18]。其中，联合修复技术主要有：降解菌/真菌-超积累植物的组合修复；土壤动物-植物-微生物组合修复；络合增溶-强化植物修复；化学氧化-生物降解修复；生物-蒸汽浸提修复；光催化纳米材料修复[7]。

3.5 农业生态修复技术

3.5.1 农艺修复。农艺修复措施是一种与养地制度相适应的栽培制度，如施用重金属含量少的肥料，增施固定肥，合理种植作物，调整作物品种，以减少农作物对重金属吸收[19]。

3.5.2 生态修复。生态修复措施是利用调节土壤的水分、酸碱度和氧化还原电位等因素，降低重金属的活性和生物有效性。土壤中的重金属大多为过渡元素，元素的化合价变化多样，随着农田土壤水分、酸碱度、氧化还原电位等外界环境条件的变化，土壤金属存在形式以及理化性质也不同。因此，调节土壤的水分、酸碱度和氧化还原电位，能够有效降低重金属的活性和生物有效性，是农田土壤重金属污染修复重要的举措[19]。

4 结论

矿区中的重金属元素主要通矿物金属、固体废弃物、固体沉降的方式浸入农田土壤中。重金属污染导致农田肥力降低，土质变差，很难达到高产优质的要求。重金属削减技术可以有效减少或降低矿区低产农田重金属含量[20]，使农田土壤能够快速恢复高产，同时减少重金属的富集，使人体通过食物链摄取的重金属含量降低。

5 参考文献

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[3] 欧阳文婷.农田土壤重金属污染及综合治理研究[J].资源节约与环保，2021（7）：26-27.

[4] 周立国，朱江源，范伟顺，等.浅析土壤理化性质对元素迁移转化的影响[J].山东国土资源，2021（9）：46-51.

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[8] 丛苗苗. 新形势下土壤重金属污染物理修复若干方法探讨[J]. 黑龙江国土资源，2018（1）：49.

[9] 赵盈丽，黄祖浩.金属矿区污染修复技术选择简析[J].内蒙古煤炭经济，2019（20）：200-201.