土壤重金属污染现状与治理途径研究进展

1、土壤重金属污染现状与治理途径研究进展杨苏才,南忠仁,曾静静(兰州大学资源环境学院,西部环境教育部重点实验室,甘肃兰州730000摘要分析了我国土壤重金属污染现状,阐明了土壤重金属的危害,介绍了当前污染土壤的各种修复措施,包括工程修复措施、物理化学修复措施、化学修复措施、农艺调控措施以及生物修复措施等;对各种措施的修复原理、已取得的研究进展以及优缺点进行了分析,并提出土壤重金属污染物防治必须重视管理措施的发展和应用。最后对土壤污染防治存在的问题和今后研究的方向进行了探讨。关键词土壤污染;重金属;修复措施;综述中图分类号X53文献标识码A文章编号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随着全球人口的快速增长、工业生产规模的不断扩大和城市化的快速发展,土壤这一人类赖以生存的基础正承受着越来越大的压力。目前,全世界平均每年排放Hg约1.5万t, Cu340万t,Pb500万t,Mn1500万t,N

6、i100万t1。土壤由于自身的特殊性就成了这些重金属污染物的归宿地。于是土壤重金属污染日益严重、土壤肥力退化、农作物产量降低和品质下降,严重影响环境质量和经济的可持续发展。1我国土壤重金属污染现状当前我国区域农业环境恶化现象十分严重。据统计, 1980年我国工业三废污染耕地面积266.7万hm2,1988年增加到666.7万hm2,1992年增加到1000万hm22。目前,全国遭受不同程度污染的耕地面积已接近2000万hm2,约占耕地面积的1/5。我国每年因重金属污染导致的粮食减产超过1000万t,被重金属污染的粮食多达1200万t,合计经济损失至少200亿元3。据农业部环境监测系统近年的调查

7、,我国24个省(市城郊、污水灌溉区、工矿等经济发展较快地区的320个重点污染区中,污染超标的大田农作物种植面积为60.6万hm2,占调查总面积的20%。其中重金属含量超标的农作物种植面积约占污染物超标农作物种植面积的80%以上,尤其是Pb、Cd、Hg、Cu及其复合污染最为突出4。当前我国大多数城市近郊土壤都受到了不同程度的污染,其中Cd 污染较普遍,污染面积近1000万hm2,其次是Pb、Zn、Cu、Hg 等;有许多地方粮食、蔬菜、水果等食物中Cd、Cr、As、Pb等重金属含量超标和接近临界值。其中多数是由于工业污水灌溉造成的5。如广州郊区老污灌区,土壤中Cd的含量最高达228mg/kg,平均

8、含量为6.68mg/kg;沈阳张士灌区有2533 hm2土地遭受Cd的污染,其中严重污染的占13%6。2重金属污染对土壤和作物的影响2.1重金属对土壤微生物和酶活性的影响土壤微生物活性和酶活性能敏感地反应土壤质量的健康状况7。Aceves 等8认为,土壤微生物量是判定土壤污染程度的重要指标,基金项目教育部重点基金(M OE105171。作者简介杨苏才(1981-,男,甘肃环县人,硕士研究生,研究方向:城市土壤与城市生态。收稿日期2005211211重金属污染的土壤,其微生物活性明显受到抑制。K andeler 等研究指出受Cu、Zn、Pb等污染的矿区土壤微生物生物量受到严重影响,靠近矿区附近土

9、壤的微生物生物量明显低于远离矿区土壤的微生物生物量9。不同重金属及其不同浓度对土壤微生物生物量的影响效果也不一致。Chander研究了不同重金属浓度对土壤微生物生物量的影响,结果表明只有当重金属浓度达到欧盟制定的土壤重金属环境标准的23倍,才能表现出对微生物生物量的抑制作用10。Fliebbach等研究结果表明,低浓度的重金属能刺激微生物的生长,增加微生物生物量;而高浓度重金属则导致土壤微生物量的明显下降11。土壤酶在有机物分解和养分循环过程中起着重要的作用。研究表明,土壤酶活性大小与重金属污染程度存在一定的相关性。K uperman等研究发现随着重金属浓度的增加,几乎所有的土壤酶活性明显降低

10、了1050倍12。2.2重金属对农作物的影响土壤中不论是植物生长必需还是不需的重金属元素的浓度在一定范围内不至于影响到植物的生长,但当浓度过高,植物富集于体内的含量超过了本身的富集阈度值,植物就会发生毒害,甚至死亡。在美国佛罗里达州,土壤的含铜量超过50mg/kg时,柑桔幼苗生长受到影响,土壤含铜量达200mg/kg时,小麦就会枯死13。张祖锡14等的试验表明,污灌小麦3次试验的生物量比对照的分别下降23.3%、28.53%和9.78%。重金属污染的土壤,其作物品质也下降。成都东郊污灌区内,Cd在稻米中积累严重,年富积量达1.549mg/kg,有的已形成镉米,不能食用15。对Cd污染条件下小白

11、菜和菜豆幼苗生长的研究发现,30m ol/L的Cd使小白菜和菜豆的生长受到抑制,表现为株高、主根长度下降,叶面积锐减等,其原因可能在于Cd对作物光合作用与蛋白质合成的干扰以及膜系统损伤造成的代谢紊乱等16。有研究表明,当镉超过一定浓度后,对叶绿素有破坏作用,并促进抗坏血酸分解,使游离脯氨酸积累,抑制硝酸还原酶活性17。另外,镉能减少根系对水分和养分的吸收18,19,也可抑制根系对氮的固定19,20。3土壤重金属污染防治措施3.1提升管理理念,加强管理手段建设人类工农业、城市现代化发展过程中,采矿、冶炼、造纸、交通等人为活动将越来越频繁,这些过程中产生的“三废”将会导致大量的重金属进入土壤,造成

12、污染。土壤一旦受到污染,要清除其中的污染物则是一件极其不容易的事。因此应提升管理理念和加强管理手段建设,坚持预防为主,综合防治的原则,推行清洁生产,发展循环经济,加大“三废”治理力度,积极回收废气、废渣和污泥中的重金属,防止其对土壤环境的二次污染,并要严格执行污灌水质和污泥施用标准,严格控制农田灌溉污水和施用污泥中重金属含量和施用量,以便切断污染源,有效防治土壤重金属污染。3.2工程治理措施主要包括客土、换土、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净土壤,覆盖在表层或混匀,使污染物浓度降低到危害浓度以下或减少污染物与植物根系的接触,从而达到减轻危害的目的。对于浅根植物和移动性

13、较差的污染物,采用覆盖法较好,客入的土壤应尽量选择比较粘或有机质含量高的土壤,以增加土壤环境容量。换土法就是把污染土壤取走,换入新的干净的土壤。该方法对小面积严重污染且污染物具放射性或易扩散难分解的土壤是必需的。翻土就是深翻土壤,使聚积在表层的污染物分散到更深的层次,达到稀释的目的。该法适用于土层较深厚的土壤,且要配合增加施肥量,以弥补耕层养分的减少。工程措施是治理土壤重金属污染的一种切实有效的方法。但是,由于该方法需花费大量的人力与财力,并且在换土过程中,存在着占用土地、渗漏、污染环境等不良因素的影响。因而,并不是治理土壤重金属污染的理想方法。3.3物理化学修复3.4化学修复化学修复就是向土

14、壤投入改良剂,使其改变土壤的酸碱性、土壤氧化还原条件或土壤中离子的构成情况,进而对重金属的吸附作用、氧化还原作用、拮抗或沉淀作用产生影响,最终降低重金属的污染。常用的改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐和促进还原作用的有机物质。对于受重金属污染的酸性土壤,施用石灰等碱性物质能提高土壤pH值,降低重金属的溶解性。Naidu在Cd污染的土壤上施用碱性物质如石灰,一般土壤施用750kg/hm2石灰,使土壤中重金属Cd有效态含量降低15%左右,对减少Cd被作物吸收具有一定的作用27。若将Hg污染的土壤pH 值提高到6.5以上,可使Hg形成难溶的碳酸汞、氢氧化汞或水合碳酸汞,明显降低汞的有效性28

15、。在重金属污染严重的土壤中施入含硫物料,能使土壤中的镉、汞形成CdS、HgS 沉淀29。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。研究表明30,向Cd污染土壤中加入有机肥,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。另外根据土壤环境中某些重金属具有拮抗作用,可向某一重金属元素轻度污染土壤中施入少量的与该金属有拮抗性的另一重金属元素,就可有效降低土壤重金属污染。如化学性质相近的Ca和Sr、Cd和Zn、K和Cs等之间都可能产生拮抗作用31。已有试验证明32,土壤中适宜的Cd/Zn比

16、,可以抑制植物对Cd的吸收,因此,可以通过向Cd污染土壤中加入适量Zn,调节Cd/Zn比,减少Cd在植物体内的富集。3.5农业修复措施农业生态修复措施是因地制宜地改变一些耕作管理制度来减轻重金属的危害。主要包括两个方面:一是改变耕作制度,在有条件的地区旱田改水田;选种抗污染作物品种,或筛选出在食用部位累积污染物少的品种;种植不进入食物链的植物,如种植树木、花草等观赏或经济作物;选择能降低土壤重金属污染的化肥,来降低土壤重金属污染。二是农艺修复措施。通过增施有机肥或深耕土地等手段调节诸如土壤水分、土壤养分、土壤pH值和土壤氧化还原状况等土壤理化性质,实现对污染物所处环境介质的调控。实践表明,农业

17、修复措施在治理轻度污染土壤时效果较好,但也存在修复时间较长等不利因素。3.6生物修复措施实践表明,虽然采取适宜的工程和农艺调控措施,能够在一定程度上有效地减少重金属通过食物链进入人体的机会,并可获得较好的经济、社会和环境效益。055安徽农业科学2006年到目前为止,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,其中有360多种是富集Ni 的植物。我国开展这方面的工作较晚,到目前为止,已陆续发现了锰超积累植物商陆(Phytolaccaceae43,As超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata44,大叶井口边草(P.cretica45,Cd超富集植物宝山堇菜(Viol

18、a bao shanensis46,Zn超富集植物东南景天(Sedumalfredii47以及Cu超富集植物海州香薷(Ell2 sholtziasplendens48和鸭跖草(Commelina communis49。植物修复技术作为一种新兴高效、绿色廉价的生物修复途径,具有良好的经济、生态综合效益,并且易被大众接受,因此,具有广阔的应用前景。但随着研究的深入,人们发现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,而且受到气候、土壤肥力、水分、盐度、酸碱度等的影响较大,通常一种植物只能忍耐或吸收1种或2种重金属元素,对土壤中其他浓度较高的重金属则表现出某种中毒症状,由于根系较浅,

19、对深层土壤污染修复能力较差,不易于大规模应用5054。4土壤重金属防治措施研究展望目前,世界各国对土壤重金属污染修复技术进行了广泛的研究,取得了可喜的进展。但在如何将植物修复、生物修复、物理修复和化学修复科学地结合起来方面,目前缺乏深入的研究;对植物修复中涉及的诱导作用如何避免二次污染,特别是对地下水的污染缺乏研究;有关植物收获后如何处理的报道目前很少见到;另外,植物修复尚处于实验室和大田的试验、示范阶段,缺乏污染土壤的修复实践,与污染土壤修复产业化的形成相距甚远。目前在污染土壤防治措施方面,人们更关注工程修复、生物修复、物理化学修复等技术措施,而没有对环境管理给予足够重视。其实,若管理理念能

20、得到提升、管理技术能得到改进、管理手段能得到加强,土壤污染势头就能得到有效遏止,污染治理的压力就能得到缓解,因而有必要将管理措施提高到重金属污染防治的首要位置,确立“防重于治”的原则。今后,我们更应在管理方法上下功夫,鼓励新方法、新标准的制定和推广使用。在修复措施方面,应积极寻找、筛选对重金属具有超积累能力的植物,进行超积累植物资源调查,了解其分布规律、生长特点、生长环境,收集并建立超积累植物的数据库;研究超积累植物的遗传机制及基因定位,并通过基因工程等分子生物学手段培育出生物量较大的超积累植物;另一方面,根据超积累植物对重金属的耐性机制,将其主控基因通过分子生物学手段转移给农作物,以便在“不

21、安全”的土壤上生产出符合食用标准的“安全”农产品。再者,通过了解超积累植物对重金属超量吸收及其解毒机制,培育可食用部位重金属积15534卷3期杨苏才等土壤重金属污染现状与治理途径研究进展累少的农作物。参考文献1周泽义.中国蔬菜重金属污染及控制J.资源生态环境网络研究动态, 1999,10(3:21-27.2张从,夏立江.污染土壤生物修复技术M.北京:中国环境科学出版社,2000.3韦朝阳,陈同斌.重金属超富集植物及植物修复技术研究进展J.生态学报,2001,21(7:1197-1203.4孙波.基于空间变异分析的土壤重金属复合污染研究J.农业环境科学学报,2003,22(2:248-251.5

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