1、土壤重金屬污染現(xiàn)狀與治理途徑研究進(jìn)展楊蘇才,南忠仁,曾靜靜(蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730000摘要分析了我國土壤重金屬污染現(xiàn)狀,闡明了土壤重金屬的危害,介紹了當(dāng)前污染土壤的各種修復(fù)措施,包括工程修復(fù)措施、物理化學(xué)修復(fù)措施、化學(xué)修復(fù)措施、農(nóng)藝調(diào)控措施以及生物修復(fù)措施等;對各種措施的修復(fù)原理、已取得的研究進(jìn)展以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析,并提出土壤重金屬污染物防治必須重視管理措施的發(fā)展和應(yīng)用。最后對土壤污染防治存在的問題和今后研究的方向進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞土壤污染;重金屬;修復(fù)措施;綜述中圖分類號X53文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611(200603-0549-04Cu

2、rrent Situ ation of Soil Contaminated by H eavy M etals and R esearch Advances on the R em ediation T echniquesYANG Su2cai et al(C ol lege of E arths and Environm ent S ciences,National Lab oratory of W estern Chinas Environm ental S ystems,Lanzh ou University,Lanzh ou,G ansu730000AbstractIn this pa

3、per the harm of heavy m etals in s oil and current situation of s oil contam inated by heavy m etals were discussed,and then the rem edia2 tion techn ologies of heavy m etals contam inated s oils,which included physical2chem ical rem ediation m eth ods,chem ical rem ediation m eth ods,agriculture re

4、2 m ediation m eth ods and biorem ediation m eth ods at h om e and abroad were roundly introduced.T he m anagem ent m eth ods sh ould play a key role in rem adiat2 ing s oils contam inated by heavy m etals.At the sam e tim e,advantages and disadvantages of every rem ediation techn ology and their fu

5、ture developm ent were reviewed.At last,the directions for further research on the rem ediation techniques were pointed out.K ey w ordsS oil pollution;H eavy m etal;Rem ediation technique;Review隨著全球人口的快速增長、工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和城市化的快速發(fā)展,土壤這一人類賴以生存的基礎(chǔ)正承受著越來越大的壓力。目前,全世界平均每年排放Hg約1.5萬t, Cu340萬t,Pb500萬t,Mn1500萬t,N

6、i100萬t1。土壤由于自身的特殊性就成了這些重金屬污染物的歸宿地。于是土壤重金屬污染日益嚴(yán)重、土壤肥力退化、農(nóng)作物產(chǎn)量降低和品質(zhì)下降,嚴(yán)重影響環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。1我國土壤重金屬污染現(xiàn)狀當(dāng)前我國區(qū)域農(nóng)業(yè)環(huán)境惡化現(xiàn)象十分嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì), 1980年我國工業(yè)三廢污染耕地面積266.7萬hm2,1988年增加到666.7萬hm2,1992年增加到1000萬hm22。目前,全國遭受不同程度污染的耕地面積已接近2000萬hm2,約占耕地面積的1/5。我國每年因重金屬污染導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)超過1000萬t,被重金屬污染的糧食多達(dá)1200萬t,合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失至少200億元3。據(jù)農(nóng)業(yè)部環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)近年的調(diào)查

7、,我國24個(gè)省(市城郊、污水灌溉區(qū)、工礦等經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快地區(qū)的320個(gè)重點(diǎn)污染區(qū)中,污染超標(biāo)的大田農(nóng)作物種植面積為60.6萬hm2,占調(diào)查總面積的20%。其中重金屬含量超標(biāo)的農(nóng)作物種植面積約占污染物超標(biāo)農(nóng)作物種植面積的80%以上,尤其是Pb、Cd、Hg、Cu及其復(fù)合污染最為突出4。當(dāng)前我國大多數(shù)城市近郊土壤都受到了不同程度的污染,其中Cd 污染較普遍,污染面積近1000萬hm2,其次是Pb、Zn、Cu、Hg 等;有許多地方糧食、蔬菜、水果等食物中Cd、Cr、As、Pb等重金屬含量超標(biāo)和接近臨界值。其中多數(shù)是由于工業(yè)污水灌溉造成的5。如廣州郊區(qū)老污灌區(qū),土壤中Cd的含量最高達(dá)228mg/kg,平均

8、含量為6.68mg/kg;沈陽張士灌區(qū)有2533 hm2土地遭受Cd的污染,其中嚴(yán)重污染的占13%6。2重金屬污染對土壤和作物的影響2.1重金屬對土壤微生物和酶活性的影響土壤微生物活性和酶活性能敏感地反應(yīng)土壤質(zhì)量的健康狀況7。Aceves 等8認(rèn)為,土壤微生物量是判定土壤污染程度的重要指標(biāo),基金項(xiàng)目教育部重點(diǎn)基金(M OE105171。作者簡介楊蘇才(1981-,男,甘肅環(huán)縣人,碩士研究生,研究方向:城市土壤與城市生態(tài)。收稿日期2005211211重金屬污染的土壤,其微生物活性明顯受到抑制。K andeler 等研究指出受Cu、Zn、Pb等污染的礦區(qū)土壤微生物生物量受到嚴(yán)重影響,靠近礦區(qū)附近土

9、壤的微生物生物量明顯低于遠(yuǎn)離礦區(qū)土壤的微生物生物量9。不同重金屬及其不同濃度對土壤微生物生物量的影響效果也不一致。Chander研究了不同重金屬濃度對土壤微生物生物量的影響,結(jié)果表明只有當(dāng)重金屬濃度達(dá)到歐盟制定的土壤重金屬環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的23倍,才能表現(xiàn)出對微生物生物量的抑制作用10。Fliebbach等研究結(jié)果表明,低濃度的重金屬能刺激微生物的生長,增加微生物生物量;而高濃度重金屬則導(dǎo)致土壤微生物量的明顯下降11。土壤酶在有機(jī)物分解和養(yǎng)分循環(huán)過程中起著重要的作用。研究表明,土壤酶活性大小與重金屬污染程度存在一定的相關(guān)性。K uperman等研究發(fā)現(xiàn)隨著重金屬濃度的增加,幾乎所有的土壤酶活性明顯降低

10、了1050倍12。2.2重金屬對農(nóng)作物的影響土壤中不論是植物生長必需還是不需的重金屬元素的濃度在一定范圍內(nèi)不至于影響到植物的生長,但當(dāng)濃度過高,植物富集于體內(nèi)的含量超過了本身的富集閾度值,植物就會發(fā)生毒害,甚至死亡。在美國佛羅里達(dá)州,土壤的含銅量超過50mg/kg時(shí),柑桔幼苗生長受到影響,土壤含銅量達(dá)200mg/kg時(shí),小麥就會枯死13。張祖錫14等的試驗(yàn)表明,污灌小麥3次試驗(yàn)的生物量比對照的分別下降23.3%、28.53%和9.78%。重金屬污染的土壤,其作物品質(zhì)也下降。成都東郊污灌區(qū)內(nèi),Cd在稻米中積累嚴(yán)重,年富積量達(dá)1.549mg/kg,有的已形成鎘米,不能食用15。對Cd污染條件下小白

11、菜和菜豆幼苗生長的研究發(fā)現(xiàn),30m ol/L的Cd使小白菜和菜豆的生長受到抑制,表現(xiàn)為株高、主根長度下降,葉面積銳減等,其原因可能在于Cd對作物光合作用與蛋白質(zhì)合成的干擾以及膜系統(tǒng)損傷造成的代謝紊亂等16。有研究表明,當(dāng)鎘超過一定濃度后,對葉綠素有破壞作用,并促進(jìn)抗壞血酸分解,使游離脯氨酸積累,抑制硝酸還原酶活性17。另外,鎘能減少根系對水分和養(yǎng)分的吸收18,19,也可抑制根系對氮的固定19,20。3土壤重金屬污染防治措施3.1提升管理理念,加強(qiáng)管理手段建設(shè)人類工農(nóng)業(yè)、城市現(xiàn)代化發(fā)展過程中,采礦、冶煉、造紙、交通等人為活動將越來越頻繁,這些過程中產(chǎn)生的“三廢”將會導(dǎo)致大量的重金屬進(jìn)入土壤,造成

12、污染。土壤一旦受到污染,要清除其中的污染物則是一件極其不容易的事。因此應(yīng)提升管理理念和加強(qiáng)管理手段建設(shè),堅(jiān)持預(yù)防為主,綜合防治的原則,推行清潔生產(chǎn),發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),加大“三廢”治理力度,積極回收廢氣、廢渣和污泥中的重金屬,防止其對土壤環(huán)境的二次污染,并要嚴(yán)格執(zhí)行污灌水質(zhì)和污泥施用標(biāo)準(zhǔn),嚴(yán)格控制農(nóng)田灌溉污水和施用污泥中重金屬含量和施用量,以便切斷污染源,有效防治土壤重金屬污染。3.2工程治理措施主要包括客土、換土、去表土和深耕翻土等措施。客土法就是向污染土壤加入大量的干凈土壤,覆蓋在表層或混勻,使污染物濃度降低到危害濃度以下或減少污染物與植物根系的接觸,從而達(dá)到減輕危害的目的。對于淺根植物和移動性

13、較差的污染物,采用覆蓋法較好,客入的土壤應(yīng)盡量選擇比較粘或有機(jī)質(zhì)含量高的土壤,以增加土壤環(huán)境容量。換土法就是把污染土壤取走,換入新的干凈的土壤。該方法對小面積嚴(yán)重污染且污染物具放射性或易擴(kuò)散難分解的土壤是必需的。翻土就是深翻土壤,使聚積在表層的污染物分散到更深的層次,達(dá)到稀釋的目的。該法適用于土層較深厚的土壤,且要配合增加施肥量,以彌補(bǔ)耕層養(yǎng)分的減少。工程措施是治理土壤重金屬污染的一種切實(shí)有效的方法。但是,由于該方法需花費(fèi)大量的人力與財(cái)力,并且在換土過程中,存在著占用土地、滲漏、污染環(huán)境等不良因素的影響。因而,并不是治理土壤重金屬污染的理想方法。3.3物理化學(xué)修復(fù)3.4化學(xué)修復(fù)化學(xué)修復(fù)就是向土

14、壤投入改良劑,使其改變土壤的酸堿性、土壤氧化還原條件或土壤中離子的構(gòu)成情況,進(jìn)而對重金屬的吸附作用、氧化還原作用、拮抗或沉淀作用產(chǎn)生影響,最終降低重金屬的污染。常用的改良劑有石灰、沸石、碳酸鈣、磷酸鹽、硅酸鹽和促進(jìn)還原作用的有機(jī)物質(zhì)。對于受重金屬污染的酸性土壤,施用石灰等堿性物質(zhì)能提高土壤pH值,降低重金屬的溶解性。Naidu在Cd污染的土壤上施用堿性物質(zhì)如石灰,一般土壤施用750kg/hm2石灰,使土壤中重金屬Cd有效態(tài)含量降低15%左右,對減少Cd被作物吸收具有一定的作用27。若將Hg污染的土壤pH 值提高到6.5以上,可使Hg形成難溶的碳酸汞、氫氧化汞或水合碳酸汞,明顯降低汞的有效性28

15、。在重金屬污染嚴(yán)重的土壤中施入含硫物料,能使土壤中的鎘、汞形成CdS、HgS 沉淀29。有機(jī)肥不僅可以改善土壤的理化性狀、增加土壤的肥力,而且可以影響重金屬在土壤中的形態(tài)及植物對其的吸收。研究表明30,向Cd污染土壤中加入有機(jī)肥,可促進(jìn)土壤中的重金屬離子與其形成重金屬有機(jī)絡(luò)合物,增加土壤對重金屬的吸附能力,提高土壤對重金屬的緩沖性。另外根據(jù)土壤環(huán)境中某些重金屬具有拮抗作用,可向某一重金屬元素輕度污染土壤中施入少量的與該金屬有拮抗性的另一重金屬元素,就可有效降低土壤重金屬污染。如化學(xué)性質(zhì)相近的Ca和Sr、Cd和Zn、K和Cs等之間都可能產(chǎn)生拮抗作用31。已有試驗(yàn)證明32,土壤中適宜的Cd/Zn比

16、,可以抑制植物對Cd的吸收,因此,可以通過向Cd污染土壤中加入適量Zn,調(diào)節(jié)Cd/Zn比,減少Cd在植物體內(nèi)的富集。3.5農(nóng)業(yè)修復(fù)措施農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)措施是因地制宜地改變一些耕作管理制度來減輕重金屬的危害。主要包括兩個(gè)方面:一是改變耕作制度,在有條件的地區(qū)旱田改水田;選種抗污染作物品種,或篩選出在食用部位累積污染物少的品種;種植不進(jìn)入食物鏈的植物,如種植樹木、花草等觀賞或經(jīng)濟(jì)作物;選擇能降低土壤重金屬污染的化肥,來降低土壤重金屬污染。二是農(nóng)藝修復(fù)措施。通過增施有機(jī)肥或深耕土地等手段調(diào)節(jié)諸如土壤水分、土壤養(yǎng)分、土壤pH值和土壤氧化還原狀況等土壤理化性質(zhì),實(shí)現(xiàn)對污染物所處環(huán)境介質(zhì)的調(diào)控。實(shí)踐表明,農(nóng)業(yè)

17、修復(fù)措施在治理輕度污染土壤時(shí)效果較好,但也存在修復(fù)時(shí)間較長等不利因素。3.6生物修復(fù)措施實(shí)踐表明,雖然采取適宜的工程和農(nóng)藝調(diào)控措施,能夠在一定程度上有效地減少重金屬通過食物鏈進(jìn)入人體的機(jī)會,并可獲得較好的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。055安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2006年到目前為止,在美國、澳大利亞、新西蘭等國已發(fā)現(xiàn)能富集重金屬的超積累植物500多種,其中有360多種是富集Ni 的植物。我國開展這方面的工作較晚,到目前為止,已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了錳超積累植物商陸(Phytolaccaceae43,As超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata44,大葉井口邊草(P.cretica45,Cd超富集植物寶山堇菜(Viol

18、a bao shanensis46,Zn超富集植物東南景天(Sedumalfredii47以及Cu超富集植物海州香薷(Ell2 sholtziasplendens48和鴨跖草(Commelina communis49。植物修復(fù)技術(shù)作為一種新興高效、綠色廉價(jià)的生物修復(fù)途徑,具有良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)綜合效益,并且易被大眾接受,因此,具有廣闊的應(yīng)用前景。但隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)超積累植物往往植株矮小,生物量較低,生長速度慢,生長周期長,而且受到氣候、土壤肥力、水分、鹽度、酸堿度等的影響較大,通常一種植物只能忍耐或吸收1種或2種重金屬元素,對土壤中其他濃度較高的重金屬則表現(xiàn)出某種中毒癥狀,由于根系較淺,

19、對深層土壤污染修復(fù)能力較差,不易于大規(guī)模應(yīng)用5054。4土壤重金屬防治措施研究展望目前,世界各國對土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究,取得了可喜的進(jìn)展。但在如何將植物修復(fù)、生物修復(fù)、物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)科學(xué)地結(jié)合起來方面,目前缺乏深入的研究;對植物修復(fù)中涉及的誘導(dǎo)作用如何避免二次污染,特別是對地下水的污染缺乏研究;有關(guān)植物收獲后如何處理的報(bào)道目前很少見到;另外,植物修復(fù)尚處于實(shí)驗(yàn)室和大田的試驗(yàn)、示范階段,缺乏污染土壤的修復(fù)實(shí)踐,與污染土壤修復(fù)產(chǎn)業(yè)化的形成相距甚遠(yuǎn)。目前在污染土壤防治措施方面,人們更關(guān)注工程修復(fù)、生物修復(fù)、物理化學(xué)修復(fù)等技術(shù)措施,而沒有對環(huán)境管理給予足夠重視。其實(shí),若管理理念能

20、得到提升、管理技術(shù)能得到改進(jìn)、管理手段能得到加強(qiáng),土壤污染勢頭就能得到有效遏止,污染治理的壓力就能得到緩解,因而有必要將管理措施提高到重金屬污染防治的首要位置,確立“防重于治”的原則。今后,我們更應(yīng)在管理方法上下功夫,鼓勵(lì)新方法、新標(biāo)準(zhǔn)的制定和推廣使用。在修復(fù)措施方面,應(yīng)積極尋找、篩選對重金屬具有超積累能力的植物,進(jìn)行超積累植物資源調(diào)查,了解其分布規(guī)律、生長特點(diǎn)、生長環(huán)境,收集并建立超積累植物的數(shù)據(jù)庫;研究超積累植物的遺傳機(jī)制及基因定位,并通過基因工程等分子生物學(xué)手段培育出生物量較大的超積累植物;另一方面,根據(jù)超積累植物對重金屬的耐性機(jī)制,將其主控基因通過分子生物學(xué)手段轉(zhuǎn)移給農(nóng)作物,以便在“不

21、安全”的土壤上生產(chǎn)出符合食用標(biāo)準(zhǔn)的“安全”農(nóng)產(chǎn)品。再者,通過了解超積累植物對重金屬超量吸收及其解毒機(jī)制,培育可食用部位重金屬積15534卷3期楊蘇才等土壤重金屬污染現(xiàn)狀與治理途徑研究進(jìn)展累少的農(nóng)作物。參考文獻(xiàn)1周澤義.中國蔬菜重金屬污染及控制J.資源生態(tài)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)研究動態(tài), 1999,10(3:21-27.2張從,夏立江.污染土壤生物修復(fù)技術(shù)M.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2000.3韋朝陽,陳同斌.重金屬超富集植物及植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展J.生態(tài)學(xué)報(bào),2001,21(7:1197-1203.4孫波.基于空間變異分析的土壤重金屬復(fù)合污染研究J.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2003,22(2:248-251.5

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