农田土壤重金属污染及植物修复技术

农田土壤重金属污染及植物修复技术

摘要：

现如今，土壤重金属污染问题日益严重，越来越受到环境和土壤科学研究者的关注。农田土壤中的重金属对作物和人体健康构成了威胁，防治农田土壤重金属污染迫在眉睫。重金属超富集植物及植物修复技术是当前学术界研究的热点领域，本文在此概述了农田土壤重金属污染的来源、防治措施和植物修复技术，探讨了土壤重金属超富集植物的应用潜力以及展望，为实现对重金属污染土壤进行有效的整治与安全高效的利用提供新的技术途径。

关键词：重金属污染 防治 植物修复 超富集

土壤重金属污染是指人类活动将重金属加入到土壤中，致使土壤中重金属含量明显高于原有含量、并造成生态环境质量恶化的现象[1]。许多重金属如铜、锌，都是作物必须的营养元素，对作物生长发育起着十分重要的作用。当金属数量超过某一临界值时，就会对作物产生一定毒害作用，轻则植物体内代谢过程发生紊乱，生长发育受抑制，重则导致作物死亡。

随着工农业生产的发展，三废的排放，矿产的开发和利用，污水的灌溉和农业、除草剂、化肥的使用，金属的产量明显增加，严重污染了土壤、水质、大气，各种重金属环境污染问题随之出现。中国北方大城市的蔬菜基地和部分商品粮基地也存在着不同程度的重金属污染，如北京、天津、西安、济南、郑州等地；南方相对较轻，如福州、宁波、成都等地。土壤重金属污染将会造成生态系统的严重破坏。从中国土壤资源状况看，到2000年底中国人均耕地仅为0.1 hm2，而且随着今后中国经济社会的发展如生态退耕、农业结构调整及自然灾害损毁等，土壤资源将进一步减少。因而如何有效地控制及治理土壤重金属的污染，改良土壤质量，将成为生态环境保护工作中十分重要的一项内容[2]，治理土壤重金属重金属污染迫在眉睫。

1 农田土壤中重金属污染物来源

1.1 大气中重金属沉降

大气中的重金属主要来源于工业生产、汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘等，大气中的大多数重金属是经自然沉降[3]和雨淋沉降进入农田土壤的。公路、铁路两侧农田土壤中的重金属污染主要是以Pb、Zn、Cd、Cr、Cu 的污染为主， 它们来自于含铅汽油的燃烧，汽车轮胎磨损产生的含Zn 粉尘等，汽油中添加的抗暴剂烷基铅会随着汽车尾气污染公路两侧100 m 范围内的土壤[4]，汽车尾气中的铅含量高达20～50μg/L[5]。

1.2 农药、化肥和塑料薄膜的不合理使用

施用含有Pb、Hg、Cd、As 等的农药和不合理地施用化肥，都可以导致农田土壤重金属污染。如As 被大量用于杀虫剂、杀菌剂、杀鼠剂、除草剂而引起土壤的As 污染；一般过磷酸盐中含有较多的重金属Hg、Cd、As、Zn、Pb，其中As和Cd 污染严重[6]；农用塑料薄膜生产应用的热稳定剂中含有Cd 和Pb，在大量使用塑料大棚和地膜过程中都可以造成农田土壤重金属的污染[2]。

1.3 污水灌溉和污泥施肥

污水按来源和数量可分为城市生活污水、石油化工污水、工业矿山污水和城市混合污水等。生活污水中重金属含量一般很少，其余污水中重金属含量较高。污水中的重金属随着污水进入农田后以不同的方式被土壤截留固定从而引起污染。污泥中含有大量的有机质和N、P、K等营养元素，但同时也含有大量的重金属，随着大量的污泥进入农田，农田中的重金属的含量在不断增高，导致农作物中地重金属残留过多，如施用污泥和污水是造成蔬菜重金属留的一个主要原因[7]。污泥施肥可导致土壤中Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb 含量的增加，且污泥施用越多，污染越严重。

1.4 随固体废弃物进入土壤的重金属

固体废弃物种类繁多，成分复杂，不同种类其危害方式和污染程度不同。其中，矿业和工业固体废弃物污染最为严重。这类废弃物在堆放或处理过程中， 由于日晒、雨淋、水洗等，含有的重金属极易移动，以辐射状或漏斗状向周围土壤、水体扩散。还有一些固体废弃物被直接或通过加工作为肥料施入农田，造成土壤重金属污染，如磷钢渣作为磷源施入农田时，土壤中发现有Cr 的累积[8]。

总的来说：工业化程度越高的地区污染越严重，市区高于远郊和农村，地表高于地下，污染区污染时间越长重金属积累就越多，以大气传播媒介土壤重金属污染土壤的具有很强的叠加性，熟化程度越高重金属含量越高[1]。

2. 农田土壤重金属污染的防治措施

2.1 对未被污染的农田土壤的预防措施

2.1.1 加大监测力度，规范合理的使用化肥、农药和农膜 一些农田土壤中的重金属是由于某些磷肥中含有Cd、Hg，一些杀菌杀虫剂中含有Hg、As， 农膜中含有Cd、Pb 造成的，我们必须加强对化肥、农药、农膜的检测，严格控制其重金属含量，同时要加大监测力度，加大宣传教育力度，使农民规范合理的使用化肥、农药和农膜，防止由于农业生产措施造成的农田土壤重金属污染。

2.1.2 严格控制工业“三废”农田土壤重金属污染在很大程度上是由于工业“三废”污染源造成的，因此应严格控制污染物排放，严格执行国家颁布的工业“三废”排放标准，使污染尽可能控制在排放之前。

2.2 对已经被重金属污染的农田土壤的治理措施

2.2.1 翻耕、客土与换土 翻耕是把污染重的表层翻至下层，而把污染轻的下层翻为表层。客土是指在污染的土壤上覆盖一层净土。换土则是把污染的表土挖走，然后再填入同等厚度的新土。通常以处理30 厘米深的土层为宜。这三种方法以换土方法最好，但采用换土措施会带来如何处置被挖走污污染的土壤问题，处理不好，就很可能导致二次污染。由于这类物理措施都需要大量人力物力，通常它们只用于污染较重的土壤。

2.2.2 水洗和淋溶 水洗法是采用清水灌溉稀释或洗去重金属离子，使重金属离子迁至较深的土层中，以减少表土中重金属离子的浓度；或者将含重金属离子的水排出田外。淋溶法是用试剂和土壤中重金属离子作用，形成溶解性的重金属离子或金属络合物，从提取液中回收重金属离子，并循环利用提取液的技术。应用EDTA 络合去除土壤中的Cu、Ni、Cd、Zn， 0.01mol/千克、EDTA 能去除初始浓度为100~3001mol/千克重金属的80%。这两种技术的运用要慎重，特别注意防止二次污染[9]。

2.2.3 提高土壤pH 例如Cd 的活性通常受土壤酸碱性的影响很大，一方面随着pH 升高，可增加土壤表面负电荷对Cd2 + 吸附；另一方面则由于是生成CdCO3 沉淀，使其活性逐渐降低。Naidu 在Cd 污染的土壤上施用碱性物质如石灰，一般每公顷土壤施用750kg石灰，使土壤重金属有效态含量降低15 %左右，从而使酸性土壤可被植物利用的Cd 的活性降低，对减少Cd 被作物吸收具有一定的作用[10]。在发育于不同母质的旱地黄筋泥、水田黄筋泥、旱地红砂土、水田红砂土上施加石灰，有效态Cd 明显减少[11]。因此，在被镉污染的土壤上施用石灰是降低植物吸收镉有效措施之一。

2.2.4 增施有机肥 有机肥不仅可以改善土壤的理化性状、增加土壤的肥力，而且可以影响重金属在土壤中的形态及植物对其的吸收。 向Cd 污染土壤中加入有机肥，由于有机肥中大量的官能团和较大比表面积的存在，可促进土壤中的重金属离子与其形成重金属有机络合物，增加土壤对重金属的吸附能力，提高土壤对重金属的缓冲性，从而减少植物对其的吸收，阻碍它进入食物链[12]。因此，在Cd 污染土壤中施加有机肥是一种十分有效的治理方法。

但利用有机肥改良Cd 污染土壤存在一定的风险，主要是由于有机肥在矿化过程中分解出的低分子量的有机酸和腐殖酸组分对土壤中的Cd 起到了活化作用，关键取决于腐殖酸组分和土壤环境条件，如果能够系统地研究不同pH 、Eh 、质地等土壤条件下， 腐殖酸组分对Cd 的移动性和生物有效性的影响，合理施用有机肥就可以一方面对农田Cd污染起到了净化的作用，另一方面也克服了传统治理方法中既需消耗大量资金，又造成营养元素流失、二次污染等问题[13]不适于大面积污染的治理。

3 植物修复技术

生物治理法作为一种新兴的高科技方法为大规模、低成本治理重金属污染带来了希望，农田中，主要是利用植物对重金属污染进行修复，利用生物削减、净化土壤中的重金属或降低重金属毒性。由于该方法效果好，易于操作，日益受到人们的重视，成为污染土壤修复研究的热点。

植物修复技术(Phytoremediation)是指将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上，而该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力，将植物收获并进行妥善处理(如灰化回收)后即可将该种重金属移出土体，达到污染治理与生态修复的目的[14]。根据其作用过程和机理，修复方式包括植物提取、植物转化、植物挥发、植物固定等4 种[15]。其中最有前景的是植物萃取， 亦即通常的植物修复。

3.1 植物萃取作用( Phytoextraction)是指利用重金属超积累植物从土壤中吸取一种或几种重金属，并将其转移、储存到地上部，随后收割地上部并集中处理，连续种植这种植物，以使土壤中重金属含量降低到可接受水平。

3.2 植物挥发作用( Phytovolatil ization)是利用植物的吸收、积累和挥发而减少土壤中一些挥发性污染物(如Hg 和Se) ，即植物将污染物吸收到体内后将其转化为气态，释放到大气中。

3.3 根际过滤作用( Rhizof iltration)植物通过改变根际环境(pH、Eh) 使重金属的形态发生化学改变，通过在植物的根部积累和沉淀，减少重金属在土壤中的移动性。目前，植物修复主要是指植物萃取作用，即利用某些特定的植物对重金属超富集能力清除土壤重金属污染的技术。

所有的植物都有从土壤中吸收多种类的金属特性。有一类特殊植物却能忍受、吸收和转移对其它生物产生毒害的较高水平的重金属，这样的植物被称为超富集植物。超富集植物生长在富含重金属的土壤中，地上部含金属量＞100 毫克/千克；Cd＞1 000毫克/千克Ni、Pb、Cu；＞10 000 毫克/千克Zn、Mn （干重）的植物各类。到目前为止，在美国、澳大利亚、新西兰等国已发现能富集重金属的超积累植物500 多种。植物修复技术的处理费用很低，与常规的填埋法相比具有明显的优势；植物修复技术属于原位修复技术，具有保护表土、减少侵蚀和水土流失的功效，对环境影响小，可广泛应用于矿山的复垦、重金属污染土壤的改良，是目前最清洁的污染处理技术；与其它处理方法相比，植物修复技术产生的废物量较少，并且可以回收重金属[1６]。

这种超积累重金属能力，使得利用植物修复技术治理重金属污染的环境越来越受到关注。但这项新技术也有其局限性，还不能大规模推广。现在绝大多数超积累植物只能积累一种重金属，而环境中重金属污染往往都是复合性的。超积累植物往往植株矮小，生物量较低，生长速度慢，生长周期长，而且受到土壤水分、盐度、酸碱度的影响，实际应用较困难。而且超积累植物多为野生植物，对其生物学性状知之不多；对这些植物聚集、转动及地上部分累积重金属的生理过程还不很清楚。

4 结论

对于重金属污染的土壤，采用植物修复技术是有效途径。虽然目前对于可利用超富集体的生物量、适生条件等还不够令人满意。但是如果能够根据污染土壤特性、污染的程度、当地的农业生产习惯、气候条件、经济技术水平及预期达到的修复目标综合考虑，将植物修复技术与电化法、冲洗络合法、农艺调控措施等重金属污染土壤治理法结合起来应用到土壤的修复中，可以做到取长补短，比单一的方法效果好，达到高效、低耗的效果。同时，人们注意到能否应用现代生物技术将超积累植物的相关基因克隆，然后转移到生物量较大的植物或作物体内，培养出新的超积累植物品种，将其应用到污染土壤的修复上，必将大大提高对污染土壤的修复能力，减少重金属在食物链中的积累。以保证日益严重的重金属污染条件下的农业生产顺利进行，对于保护生态环境、治理环境污染和生产出合格的绿色食品具有重要的意义。