探析农业土壤重金属污染监测技术

王晓霞

（广东省连州市环境监测站，广东 连州 513400）

引言

农业土壤是农作物生长发育的基础，也是农村生态环境中的重要部分。随着城镇化、工业化的不断发展及农药化肥使用量的增多，农业土壤重金属污染问题越来越严重，导致农作物产量降低，农业生态系统遭受破坏，甚至威胁居民的生命安全。据不完全统计，我国有六分之一的土壤受到重金属污染，常见污染物有铅、汞、镉等，不仅会降低土壤肥力，还会影响农作物的生长发育。因此，要积极做好农业土壤重金属污染的监测工作，基于监测结果采用合适的修复治理措施，从而提高土壤资源利用率，维护农业生态环境，实现提高环保效益、经济效益的双重目标。

1 农业土壤重金属污染现状

1.1 重金属污染严重超标

为加强土壤污染治理，保护人类、农作物赖以生存的生态环境，国家环保部门、国土资源部门等相关部门牵头检测多地土壤重金属。调查结果显示，我国农业土壤中重金属超标的物质有Cu、Cd、Zn、Pb等，超标率均在20%以上，其中贵州、江苏、深圳、云南、重庆、广州等地区的重金属超标率较高，严重影响了当地的农作物生产[1]。我国地域辽阔，各地土壤特性存在较大差异，目前尚未形成一套完善的、可在各地推广的重金属检测体系，再加上相关技术、设备的支持力度有限，重金属检测范围比较局限，多集中于冶炼企业、工矿企业附近的土地，对粮食主要种植区的监测较少，而且监测数据的准确性、完整性也不是很高。

1.2 各地重金属污染有差异

由于各地农业活动、农作物种类及土壤特性的差异性，使得受污染的土壤重金属种类、超标率也存在显著差异，具体表现为：（1）在农业土壤重金属污染中，Cd占比最大，其中浙江、江苏等地区的Cd超标率在15%以上，严重地区甚至超过40%。以湖南省为例，主要农作物为水稻，Cd含量在每千克1 mg以上，给当地水稻产业的发展带来了严重影响。（2）粮食种植区的重金属超标率低，在东南沿海、东北平原地区，水稻田内的Cd含量为每千克0.2～0.26 mg，低于全国平均值0.45 mg/kg。

2 农业土壤重金属污染的影响因素

2.1 工业生产活动

大量钢铁、采矿、纺织、石油处理和加工等工业活动所产生的废水、废渣和废气，在重力作用下随雨水或以沉降的方式落到地面、进入土壤，这种现象在我国南方地区比较常见。

2.2 农业生产活动

随着农作物种植的规模化发展，病虫害对农作物品质、产量的影响越发严重。农民为了保证自身利益，通常会大量喷洒农药，但由于施药技术落后，农药利用率不到三分之一，导致农药中Zn、Cu等离子渗透到土壤中，造成土壤污染。另外，在畜牧养殖中，饲料内含有大量Pb、Cd等添加剂，会随着尿液、粪便排出体外，再加上养殖户将牲畜排泄物随意堆放，导致周围的农业土壤受到污染[2]。

2.3 生活垃圾

目前，我国部分城市的生活垃圾未得到有效处理，直接将生活垃圾运到城郊野地填埋处理，其中含有大量电池、废旧电器等废弃物，在长时间的日晒雨淋中，这些废弃物中的重金属逐渐被溶析出来，并渗透到土壤中，造成土壤重金属污染。

2.4 交通污染

这里所指的交通污染是指铁路交通、公路交通产生的污染。以公路交通为例，随着私家车数量的增加，其尾气排放出大量的Hg、Mn、Cd等重金属离子，给周围的农业土壤造成严重污染。调查显示，在武汉、青岛、北京、西安等交通发达的城市，公路附近种植的蔬菜中Cd、Hb等重金属含量较大。

2.5 污水灌溉

我国北方地区干旱、缺水，因此污水灌溉现象比较严重。虽然污水会经过相应处理，但仍含有大量重金属离子。重金属离子随着污水灌溉进入土壤，导致土壤中的重金属含量超标，出现重金属污染的情况。

3 农业土壤重金属污染监测技术

3.1 光谱技术

在农业土壤重金属污染监测中，光谱技术是比较常用的监测技术，主要利用光的散射、发射作用及监测仪器，对相关元素的光谱特征、强度进行监测，从而分析出重金属含量。现阶段，光谱技术有原子荧光光谱法和原子吸收光谱法。前者的原理是经原子蒸气吸收光辐射，使原子蒸气产生原子荧光。在相关标准均符合要求的情况下，土壤中的重金属污染物原子浓度、原子荧光辐射有正向关系，通过对荧光波长的分析，获得土壤重金属的污染浓度[3]。该方法具有操作简便、灵敏度高的优势，但同时也存在一些缺陷，即只能用于特定条件下，且推广范围受限。为此，想要实现预期效果，需要在实际操作中添加特定试剂；后者是在高温环境下，将化合物分解成基态原子蒸气，而原子蒸气能够同时吸收多种元素的辐射单色光，在此基础上基于特征谱线的变化情况，对土壤中的重金属元素含量进行检测。该方法的优势是适用范围广、灵敏度高，缺点是操作复杂、成本高。需要注意的是，运用光谱技术必须使用X射线，由于X射线的电离性较强，使用过程中会给人体带来伤害。因此，在光谱技术的应用中，相关人员要佩戴专业的防护设施，并掌握相关的操作技能，避免受到X射线的伤害。

3.2 化学比色技术

化学比色技术包括液相色谱、试纸等方法。前者通过样品和化学试剂的接触发生反应，根据颜色变化对检测物的含量进行定性和定量分析。其中，液相色谱法基于有机试剂、重金属离子的反应产生络合物（有色），当络合物经过色谱柱时会分离，采用紫外线可见光光度法对分离物的含量进行检测；试纸法主要在试纸上附着显色剂，当显色剂和重金属离子接触后，试纸颜色发生变化，将颜色变化和比色板比较，即可获得检测物的含量范围。试纸法的优势是成本低、操作简便，可用于现场监测；缺点是易受外界因素影响、检出限高，常用于半定量、定性分析。

3.3 土壤磁化率监测技术

随着激光诱导击穿光谱技术的发展，土壤磁化率监测技术逐渐被用于农业土壤重金属污染监测中，由于该技术操作简单，在检测土壤成分时能够快速、准确地检出土壤中的有机盐、水分等信息。磁化率高的土壤重金属含量也比较丰富，通过对其磁化程度的监测，即可检出土壤重金属污染物含量和程度。在实际应用中，磁化率监测技术具有成本低、灵敏度高等优势，故操作起来比较便利，同时也能提高监测工作的效率[4]。另外，磁化率监测技术也存在一些不足，其易受重金属元素污染、水分状况、有机质等方面影响，需要和其他方法联用才能精准检出重金属污染物的浓度。

3.4 电化学分析技术

在农业土壤重金属污染监测中，电化学分析技术比较成熟，且应用广泛，工作原理是利用电化学传感器对土壤重金属进行检测。电化学分析技术主要包括离子选择性电极法、极谱法等。前者在监测土壤重金属时，将电极放在监测试剂内，使电极敏感膜、试液界面产生作用，并和待测物元素呈对数关系，通过对电位数的分析检测重金属含量。该方法具有操作方便、监测效率高等优势，缺点是监测电位窄、易受外界影响等；后者具有灵敏度高、分辨率高的优势，缺点是监测电位窄、待测物易污染等。总的来讲，电化学分析技术具有能耗低、操作简单、分析时间短等优势，但也存在监测电位窄、前期处理复杂等弊端。此外，在应用电化学分析技术检测土壤重金属时，由于其准确性易受土壤污染物的影响，因此在日后的研究中，相关人员要以电化学传感器为重点，尤其是抗干扰能力强、灵敏度高的电化学传感器。

3.5 生物化学技术

近年来，随着交叉科学的融合发展，生物化学技术成为土壤重金属污染监测的热点话题。生物化学技术是一种融合化学技术和生物技术，以生物技术为基础的重金属监测技术，包括生物传感器、酶抑制两种技术。前者通过对特异性蛋白、综合金属离子的应用，对蛋白结构进行改变，同时利用电容信号传感器定量检测重金属，以便工作人员了解重金属含量的变化情况。其优势是准确性好、易操作等，缺点是选择性差、监测成本高，而且对生物活性的要求也比较高，故这种技术未得到广泛应用；后者是通过酶活性因子、重金属离子间的甲硫基反应，使酶活性因子的性质、结构发生变化，以降低酶活力，然后运用相关设备检测土壤中的重金属[5]。在实际应用中，工作人员能直接观察电导率、试剂颜色的变化情况，并经放大光电信号显示重金属、酶系统间的关系。目前，该技术主要用于食品的重金属检测中。

3.6 其他技术

除上述监测技术外，还有免疫分析技术、生物量间接测定技术。其中，免疫分析技术主要采用免疫分析法对土壤重金属进行检测，其具有极高的灵敏度，应用期间要注意以下问题：（1）合理运用络合物，以便有效综合重金属离子，并为其预留部分空间结构，便于顺利进行氧化还原反应。（2）保证载体蛋白接收综合金属离子，从而产生免疫原。同时，工作人员还要选择特异性好的抗体综合重金属离子化合物，确保免疫分析的准确性。生物量间接测定技术基于生物基因的发光特性，使用遥感技术接收信号，分析土壤重金属污染物成分与含量。现阶段，生物量间接测定技术尚处于试验阶段，还未用于野外现场监测工作中。

4 农业土壤重金属污染防治措施

4.1 完善土壤重金属污染监测制度

污染状况不明是我国农业土壤重金属污染修复和防治工作的主要问题，20世纪90年代以来，相关部门在一些地区先后开展了农业土壤重金属污染监测工作，但并未向社会公示监测结果。目前，很多资料文献都表明，我国的农业土壤重金属污染问题严重。因此，制定完善的土壤重金属污染监测制度，是我国开展土壤治理工作的重点，各地要建立以县为单位的监测点，动态监测农作物、土壤中的重金属含量。以农产品无公害为标准，基于土壤重金属的测定值、临界值，对区域内农作物土壤环境的适应性进行评估[6]。

4.2 加强环保知识宣传

我国农业土壤重金属污染形势严峻，主要原因是我国农民缺乏环境保护意识、重金属污染防治意识。对此，相关部门要加大此方面的宣传力度，帮助农民掌握科学、绿色的种植技术，引导农民如何在种植农作物的过程中安全使用农药、化肥等，积极推广绿色技术。同时，利用报纸、广播等宣传媒介，向农民宣传环保知识，增强其环境保护意识和能力。由于电子废弃物的随意丢弃会污染农业土壤，故要在全国范围内宣传循环经济、垃圾分类理念，科学处置电子废弃物，实现减少土壤重金属污染、保护环境的目的。

4.3 做好土壤污染预防

首先，结合地区内的农业规模、发展现状，制定科学的土壤重金属污染防治规划，从顶层做好土壤污染预防设计工作；制定农业土壤重金属污染监测、评价机制，借助第三方的力量和技术完成重金属污染常态化监测，及时了解当地土壤重金属污染现状；其次，环保、农业等部门加大合作力度，发挥各方的聚合、协同效应，共同做好重金属污染的防治与修复工作；最后，减少化肥用量，积极推广测土配方，大力研发无残留、无毒农药，加强工业生产活动的“三废”源头治理，降低农业土壤重金属的污染风险。

4.4 加强土壤污染源管理

土壤污染源管理是土壤重金属污染治理工作的主要途径，重金属污染治理中要格外关注污染物来源，科学管控农业、工业等活动生成的污染物，防止污染物扩散，保证农业土壤环境的安全性[7]。同时，根据重金属污染调查结果，全方位分析污染源，充分了解农业、工业活动的污染物排放情况，采取有效措施对污染源进行控制。为了能够彻底消除土壤重金属污染，要适当调整工业布局，实时关注工业企业的改扩建、新建等工程，发现污染物后及时处理。此外，加强土壤污染情况的调查，了解区域范围内企业污染物的排放情况，加大监察力度，要求企业通过工艺改造、技术革新等手段实现升级，防止出现重金属污染土壤的情况。

4.5 合理选择修复与治理技术

对于环境监测中发现的土壤重金属污染问题，要及时采取相应措施，做好土壤污染的治理与修复工作。实际工作中，可从以下几点着手：（1）物理治理。包括热处理法、翻土法、换土法、电解法等。其中，热处理法是通过对重金属污染土壤的加热处理，收集土壤中易挥发的污染物，从而进行针对性的回收处理；电解法是指在电泳、电渗、电解的作用下，移走重金属中的阴极和阳极。虽然上述治理方法效果好，但实施起来有一定难度，而且费用也比较高，易降低土壤肥力。（2）生物治理。是指根据生物习性，对重金属污染进行抑制和改良。比如，用鼠类、蚯蚓等吸引土壤重金属，或用某种植物吸收重金属的特性，从而消除土壤中的重金属物质。虽然生物治理法操作简单，投资少，不会破坏环境，但治理效果不够理想，日后要加强此方面的研究。（3）化学治理。是指向受污染的土壤内添加抑制剂、改良剂，以改变土壤性质，促使土壤中的重金属发生沉淀、氧化、抑制作用，从而降低重金属污染的风险。相较于其他治理方法，化学治理法的费用和治理效果比较适中，但易出现再度活化的情况。

4.6 加强信息技术的应用

在农业土壤重金属污染防治和修复工作中，可利用先进的智能自动化技术、信息技术等，加大对土壤的监测力度。在实际工作中，要全面落实环保机制，实现数据共享，以更好地对土壤环境进行保护。具体来讲，由于土壤修复涉及的参数多，如肥力、水分、有机质等，故要根据具体的污染情况开展治理工作，过程中注意保持土壤肥力。因此，在开展土壤修复工作时，相关人员和单位要发挥出信息技术的作用，加强对污染土壤的监测，制定完善的环保机制，科学协调土壤监测工作，明确各部门的工作范围和职责，特别是大数据、物联网等技术的应用，能够实时掌握土壤修复进度，并通过信息平台加强部门间的合作，减少土壤污染隐患，提高土壤修复的质量。

4.7 其他措施

除上述措施外，还可从以下方面治理土壤重金属污染：（1）实施生态补偿。生态补偿可使用土壤处理和修复技术，保证各项工作的实用性。首先，在当地政府的引导下，深入研究土壤修复技术，通过相互之间的交流与探讨，加强对土壤重金属污染的控制，以改善农业生态环境[8]；其次，积极防治农业土壤重金属污染，设置专门的生态补偿和防控资金，扩大资金筹集范围，有效解决土壤污染问题。（2）推广先进的农业技术。农业技术的应用能够减少化肥、农药的使用量，在土壤污染治理过程中，要加强对农业技术的推广，大力宣传农药、化肥不合理使用的危害，构建完善的农药、化肥管理体系。在农业生产中，要严格按要求使用化肥和农药，降低土壤环境的污染风险；积极研发先进的生产技术，推广有机肥、生物防治措施，还要引导农民学习先进的农业技术，确保农业生产活动规范化开展。

5 结语

综上所述，随着现代科技的发展，化学肥料、农业技术等被不断用于农业土壤中，再加上工业企业“三废”的不合理排放，使得农业土壤重金属污染问题日益加剧，给生态环境、居民的身体健康安全等产生了严重的影响。为有效遏制农业土壤重金属污染问题，做好重金属污染的监测、治理工作迫在眉睫。因此，相关人员和单位要从生物、物理等方面入手，深入研究土壤重金属污染监测技术，并结合实际情况和需求选择治理措施，以解决土壤污染问题，保证土壤环境质量。