土壤污染的植物修复技术

土壤污染的植物修复技术——重金属的植物修复目录我国现阶段土壤污染现状土壤污染物植物修复技术植物修复土壤的前景我国现阶段土壤污染现状1引言目前大陆受重金属污染的耕地面积近2000万公顷。约占耕地总面积的1/5。〔1〕，受矿区污染土地达200万公顷，石油污染土地约500万公顷，固体废弃物堆放污染约5万公顷；〔2〕，“工业三废”污染耕地近1000万公顷，污水灌溉的农田面积达330多万公顷，土壤污染使全国农业粮食减产已超过1300万吨；（3）有机物污染，放射性污染，病原菌污染等其他类型的污染所导致的经济损失难以估计。由于污染，土壤的营养功能，净化功能，缓冲功能和有机体的支持功能正在丧失。土壤是生态环境系统的有机组成部分，是人类生存与发展最重要和最基本的综合性自然资源。我们不能坐以待毙，要加强研究，采取措施，切实阻止土壤污染继续扩大的趋势，清除被称为“化学定时炸弹”的土壤污染。2国土壤污染现状土壤重金属污染现状随着工业，城市污染的加剧和农用化学物质种类，数量的增加，我国土壤重金属污染日益严重。污染程度在加剧，面积逐年扩大。根据农业部环保监测系统对全国24个省市，320个严重污染区约548万公顷土壤调查发现，大田类农产品污染超标面积占污染区农田面积的20%,其中重金属污染占80%，对全国粮食调查发现，重金属Pb,Cd,Hg,As超标率占10％。重金属污染物在土壤中移动性差，滞留时间长，大多数微生物不能使之降解。并可经水,植物等介质最终危害人类健康。随着大气沉降进入土壤的重金属人类活动产生的重金属粉尘以气溶胶的形式进入大气,经过自然沉降和降水进入土壤,造成土壤污染。特别是汽车运输对公路沿线污染严重。江苏省高速公路两边的土壤“病情”严重,公路两边100米成为铅污染区，铅对土壤的污染已深达30cm，而这一深度往往正是农作物生长的深度,这直接导致蔬菜等农作物中铅含量超标,在30个观测点中,蔬菜中的铅含量最高超标居然高达6倍。专家研究认为污染来源于汽车尾气排放的铅和未燃尽的四乙基铅残渣以及汽车轮胎磨损产生的粉尘进入土壤。专家呼吁在交通干线两侧多种植树木和花卉，不要种植蔬菜和粮食作物〔4〕。我国地质化学勘查学科的创始人，中科院资深院士谢学锦指出，部分地区土壤重金属污染加重与我国当前粗放式的生产方式有很大关系。由于煤炭等资源消耗量大，加重了大气污染，导致了酸雨增加，从而加速了土壤中镉，汞，铅，砷等重金属的累积，造成“中毒”土壤增加。在宁杭公路南京段两侧的土壤形成Pb，Cr，Co污染带，且沿公路延长方向分布，自公路两侧污染程度减弱。大气中经自然沉降与雨淋进入土壤的重金属污染，与重工业发达程度，城市人口密度，土地利用率，交通发达程度有直接关系。污染强弱顺序为：城市-郊区-农村〔5〕。随着污水灌溉进入土壤的重金属污水按来源和数量可分为城市生活污水，石油化工污水，工矿企业污水和城市混合污水等。由于我国工业迅速发展，工矿企业污水未经分流处理而排入下水道与生活污水混和排放，从而造成污灌区重金属Hg,Cd,Cr,Pb等含量逐年增加。根据我国农业部进行的全国污灌区调查，在约140万公顷的污灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污灌区面积的64.8％，其中轻度污染占46.7％,中度污染占9.7％,严重污染占8.4％〔5〕。根据《2004年辽宁省环境质量通报》披露,辽宁省8个主要污灌区的土壤环境质量均受到不同程度污染,污染面积达6.46万公顷。污灌区主要污染物质为镉，其次为镍，汞和铜。个别重污染区域70-100cm深处土壤中镉和汞仍然超标〔6〕。中国科学院地理科学与资源研究所陈同斌研究员研究发现广西、云南等地遇到洪水时,上游堆积的开采矿产中含高浓度重金属的污水就顺势蔓延下来,造成下游上百公里的河道和农田遭受污染,从而大面积稻田严重减产,甚至绝收。郑州污灌区中Hg的浓度达0.242mg/kg,而土壤中Hg含量0.194mg/kg就会造成严重污染〔5〕。据许书军,魏世强等对三峡重庆16个市,县,区污灌旱地和水田土样分析,库区土壤重金属As,Cd,Cu,Ni的含量均超标，Cd有最大超标。淮阳污灌区土壤Hg,Co,Cr,Pb,As等重金属早在1995年就超过警戒线,其他灌区部分重金属含量也远远超过当地背景值〔7〕。江苏宜兴污灌区，经中科院南京土壤研究所赵其国院士的检测发现，其稻米中含有120多种致癌物质。该所在江苏省部分地区检测也发现，其小麦，大米，面粉里铅检测率高达88.1％，根据无锡市疾病预防控制中心副主任徐明透露，无锡市最近几年肝癌，胃癌，肺癌发病率明显上升，据分析人士透露这与宜兴污灌区的大米一度畅销有关，而江苏宜兴的陶瓷企业废水违规排放仍在进行〔1〕。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。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，水洗重金属极易移动，以辐射状，漏斗状向周围土壤扩散。我国固体废弃物堆放污染约5万公顷〔2〕，其中的废旧电池对土壤的污染危害巨大。浙江省地质调查研究院对长兴县蓄电池企业最为集中的煤山镇进行调查结果显示，长兴县煤山镇一带的重金属镉，铅含量已超过国家标准。其污染源就是蓄电池废旧材料的乱堆放。土壤污染使长兴县林城镇上狮村玫瑰花种植基地玫瑰花铅含量超标，销路困难，不光玫瑰花，上狮村的大米，茶叶，桃子，青梅等农产品都被检测含铅量超标，市场前景暗淡〔8〕。而由于固体废弃物的大量堆积，南京城老居民区土壤中含铅量平均值达到141.6mg/kg，远远超过24.8mg/kg的土壤背景值〔8〕。随着电子产业的发展，废旧干电池，锂电池，蓄电池等电子垃圾目前已成为重要的土壤污染源。据测算，1节一号含汞电池烂在土壤中，可以使1平方米土地失去利用价值，江苏宜兴的大量陶瓷企业乱堆乱放的废料废渣同样是造成当地土壤重金属含量超标的重要原因。2007年3月26日据湖南省株洲市有关部门证实，茶陵县洣江乡一家炼铅企业的堆放废料污染土壤造成14名儿童铅中毒，株洲市环保局在含铅废料堆积处附近约3平方公里范围内采集样本进行检测，发现土壤，蔬菜，稻谷铅含量均超标，个别严重超标〔9〕。对武汉市垃圾堆放场，杭州路渣堆放区附近土壤重金属含量的研究发现，这些区域土壤中Cd,Hg,Cr,Cu,Zn,Pb,As等重金属含量均高于当地背景值〔10〕。一些含重金属固体废弃物因含有一定养分而被大量作为肥料施入农田，造成了农田土壤重金属含量超标〔5〕。磷石膏属于化肥工业废物，由于其含有一定量的正磷酸以及不同形态的含磷化合物，可以改良酸性土壤，从而被大量施入土壤，造成了土壤中Cr,Pb,Mn,As含量增加〔5〕。北京农田施入燕山石化污泥一年后，Hg,Cd浓度均超标〔5〕。据房世波，潘剑君等对南京市土壤污染调查表明，南京市近郊土壤污染以汞和锌为主，江宁县附近为污染重区，污染原因有工矿企业废物的乱堆放，生活垃圾的农用，和各类肥料和农药的施用〔11〕。湖南省彬州市一砷制品厂附近村民被检测尿砷超标143人，共249人住院治疗，具廖晓勇，陈同斌等人调查发现，砷厂附近的水，蔬菜，土壤，谷物均受到不同程度的砷污染，因砷污染导致该区域约50公顷稻田及菜地弃耕荒芜，在污染土壤上种植的大白菜，萝卜，菠菜等砷含量严重超标，原因是该砷厂所产生的废渣都倾倒在厂区附近的自然洼地上〔12〕。土壤有机物污染现状土壤中的有机物污染物质主要来源有机农药和“工业三废”，较常见的有有机农药类、多环芳烃（PAHs）、有机卤代物中的多氯联苯（PCBs）和二恶英（PCDDs）以及油类污染物质、邻苯二甲酸酯等有机化合物。另外，农膜对土壤的污染也相当严重。部分污染物质由于其独特的热稳定性能，化学稳定性能和绝缘性能，在生产和生活中用途很广，常造成严重的累积后果，特别是某些有激素效应的种类，对人和其他动物的生殖功能有干扰作用或负面影响，对其毒害效果的消除治理是人类面临的一大环境课题。2.2.1有机农药我国是农药生产和使用大国，每年使用的农药量达到50-60万吨,其中约有80%的农药直接进入环境,每年使用农药的土地面积在2.8亿公顷以上〔26〕。农药品种有120余种〔16〕，大多为有机农药。田间施药大部分农药将直接进入土壤环境中。另外，大气中的残留农药及喷洒附着在作物上的农药，经雨水淋洗也将落入土壤中，污水灌溉和地表径流也是造成土壤农药污染的原因。我国平均每公顷农田施用农药13.9kg，比发达国家高约1倍，利用率不足30％，造成土壤大面积污染〔3〕。据陈同斌等人统计，我国目前受农药污染的土地面积已超过1300-1600万公顷〔25〕。有机农药按其化学性质可分为有机氯类农药，有机磷类农药，氨基甲酸酯类农药和苯氧基链烷酸酯类农药。前两类农药毒性巨大，且有机氯类农药在土壤中不易降解，对土壤污染较重，有机磷类农药虽然在土壤中容易降解，但由于使用量大污染也很广泛。后两类农药毒性较小，在土壤中均易降解，对土壤污染不大。（1）有机氯类农药（2）有机磷农药（3）除草剂类农药（苯氧基链烷酸酯类农药）多环芳烃土壤中多环芳烃的污染源较复杂，其中主要包括矿物油，化石燃料燃烧及木材燃烧产物等〔19〕。土壤中的PAHs对人类健康危害巨大。许多PAHs可致癌，还具有破坏造血和淋巴系统的作用，并能使脾，胸腺和隔膜淋巴结退化，抑制骨骼形成。多环芳烃（PAHs）已成为我国土壤中一类较为常见的有机污染物，由此导致全国主要的农产品中PAHs超标率高达20％以上。天津是中国重要的工业基地，污染严重，土壤中多环芳烃来源复杂，石油，煤，及其不完全燃烧产物为其主要来源。此外，由于水资源短缺，天津自1958年利用污水灌溉，污灌区面积140000公顷，污灌区土壤遭受严重污染，大气沉降进一步加剧了土壤多环芳烃污染，目前污灌区土壤大多呈黑褐色，有机质含量较高。最大达23.1mg/g（TOC/干土）〔20〕。根据张枝焕等对天津地区表层土壤中芳香烃污染物的化学组成及分布特征研究表明，天津地区不同环境功能区表层土壤中分布有多种类型的烃类污染物，已经检测到的多环芳烃化合物有100种单体化合物，含量较高的主要有菲，甲基菲，萤蒽，芘等〔19〕。但含量差别显著，污灌耕地和滨海盐土耕地四环以上芳香烃含量较高且随深度降低较大，而非污灌耕地和北部山区烷基取代物含量较高且随深度降低小，但剖面深部（＞40cm）芳香烃化合物组成特征基本趋于一致。这说明天津地区四环以上芳香烃污染土壤较重，且主要分布于污灌耕地和滨海盐土耕地〔20〕。二恶英随着我国杀虫剂，除草剂，防腐剂等的生产，金属冶炼以及部分其它农药的使用等，都会使二恶英（PCDDs）进入土壤。城市垃圾焚烧残渣，汽车尾气沉降，纸浆的漂白水任意排放是土壤中PCDDs的主要来源过程。我国从1959年起在长江中下游地区用五氯酚钠防治血吸虫病，其杂质二恶英已造成区域二恶英类污染。洞庭湖，鄱阳湖底泥中的二恶英含量也很高〔17〕。据研究二恶英具有强脂溶性，可渗入人体细胞核中，与蛋白质结合，改变DNA的正常遗传功能，控制相应的基因活动，从而扰乱内分泌并致癌。2.2.4邻苯二甲酸酯邻苯二甲酸酯（PAEs）主要用作塑料的增塑剂，主要用于聚氯乙烯（PUC）加工行业，也可用作农药载体，驱虫剂，化妆品，润滑剂和去泡剂的生产原料。该化合物具有一般毒性和特殊毒性（如致畸，致突变，或具有致癌活性），可造成人体生殖功能异常，发挥着类雌性激素的作用，干扰内分泌，被人们称为第二个全球性PCB污染物。农业土壤中PAEs主要来源于大气污染物（涂料喷涂，塑料垃圾焚烧和农用薄膜增塑剂挥发等的产物以及工业烟尘）的沉降，污水和污泥农用，化肥，粪肥和农药的施用，以及堆积的大田薄膜和塑料废品等长期受雨水浸淋对土壤生成的污染。其中土壤污灌可使土壤中DBP和DOP含量增加49倍和72倍之多2.2.5农膜我国由于大量使用农膜，致使农膜污染土壤面积超过780万公顷，且回收率低，导致其在土壤中残留，影响土壤通气透水，使土壤养分迁移受阻，并因此影响作物的生长发育。不合理施肥造成的土壤污染我国化肥施用量折纯达4100多万吨，占世界总量的1/3，成为世界第一化肥消费大国〔2〕。目前我国约50％以上的耕地微量元素缺乏，20％-30％的耕地氮养分过量〔14〕。与发达国家相比，我国的化肥施用量偏高，特别是氮肥施用量更高。由于有机肥投入不足，化肥施用不平衡，造成耕地土壤退化，耕层变浅，耕性变差，保水肥能力下降，污染了土壤，增加了农业生产成本，降低了农产品品质。近几年西北，华北地区大面积频繁出现沙尘暴，与耕地理化性状恶化，团粒结构破坏，沙化有十分密切的关系。而有机肥施用量增加很少，部分地块甚至减少，有机态养分占总施用养分的比例明显偏低。这可能是近几年来引发许多土壤环境问题的重要原因。中科院侯彦林教授说，化肥污染隐蔽性强，且具有长期潜伏性。化肥对土壤质量的影响是多方面的。①单独施用化肥将导致土壤结构变差，融重增加，空隙度减少。②施用化肥可能使土壤的有机质上升减缓，甚至下降，部分养分含量较低或养分间不平衡，不利于土壤肥力的发展。③单独施用化肥将导致土壤中有益微生物减少。④由于部分化肥中含有污染成分，过量施用(尤其磷肥)将对土壤造成污染。⑤不均衡施肥致使土壤中氨氮元素过多，会造成土壤对其它元素吸收性能下降，从而破坏土壤的内在平衡。由于长期大量施用氨氮化肥，农田土壤系统中输出的大量营养物质形成对水域富营养化的严重威胁，仅化肥氮淋洗和径流损失每年就约174万吨。长江，黄河和珠江每年输出的无机态氮达97.5万吨。成为近海赤潮的主要污染源〔2〕。河南省环保局监测境内淮河沿岸土壤时发现，土壤中氨氮含量非常高，残留在土壤中的化肥被暴雨冲刷后汇入水体，加剧了水体“富营养化”，导致水草繁多，许多水塘，水库，湖泊因此变臭，成为“死水”〔2〕。根据河北省地理科学研究所裴青对石家庄地表水源氮，磷污染特征的研究也表明岗南水库氮磷污染来源于上游土壤中过量的氮磷〔22〕。据刘付程，史学正等研究也表明近几年来，太湖流域土壤中磷的含量总体不断上升，普遍出现盈余。研究区域土壤耕层全磷含量平均值为0.57g/kg,高于第二次土壤普查时的土壤耕层全磷平均含量0.50g/kg。放射性物质对土壤的污染土壤辐射污染的来源有铀矿和钍矿的开采，铀矿浓缩，核废料处理，核武器爆炸，核实验，放射性核素使用单位的核废料，燃煤发电厂，磷酸盐矿开采加工等。近几年来，随着核技术在工农业，医疗，地质，科研等领域的广泛应用，越来越多的放射性污染物进入土壤中，这些放射性污染物除可直接危害人体外，还可通过食物链进入人体，损伤人体组织细胞，引起肿瘤，白血病，遗传障碍等疾病。研究表明，我国每年土壤氡污染致癌5万例，而天津市区公众肺癌23.7%是由氡及其子体造成的〔17〕。磷矿石中常伴有U,Th,Ra等天然放射性元素，因而磷肥施用会对土壤产生放射性污染。对我国8个省，地区的磷肥进行测定，磷肥的放射性强度在1.7*10-12-8.21*10-10(Ci.g-1)之间，土壤对核素有富集作用，但有一定限度〔16〕。区域性土壤退化植物修复的前景植物修复除了可以治理重金属和有机污染物以外，对放射性污染物的治理也有很大的潜力。核反应装置运行产生的放射性物质是环境中一类重要污染物。这些反射性核素长期存在于土壤中，对人类及生物的健康造成很大的威胁，如果农业生产系统被污染则会引起很多问题。植物可从污染土壤中吸收并积累大量的放射性核素，因此用植物去除大面积低浓度的放射性核素污染是很有意义的方法。植物对放射性核素的吸收不仅与植物的种类有关，还与土壤的性质有着密切的联系。突然的离子交换能力越强，植物对放射性核素的吸收能力越强。另有研究表明在土壤中加入有机物，螯合剂和化肥可通过改变突然的化学物理特征，增加土壤中放射性核素的植物可利用性和降低这类污染物在土壤中的流动性。综上所述，在土壤污染的修复治理中，以植物修复最为重要。目前，全球范围的相关研究与实践正在不断地推动着这种修复理论和技术应用的快速发展，植物修复技术已衍生出多个分支领域。但是，植物修复从理论到技术都尚存在一些问题或制约因素。植物修复技术的优点植物修复技术较其他物理的，化学的和生物的方法更受社会欢迎。该技术成本较低，据美国的实践，植物修复比物理化学处理的费用低了几个数量级，此技术在清洁土壤中金属的同时，还可清楚污染土壤周围的大气或水体中的污染物，有美化环境的作用，易为社会所接受。此外，植物修复重金属污染的过程也是土壤有机质含量及土壤肥力增加的过程，被植物修复过得干净农田更适合多种农作物生长。生物固化技术能使地表长期稳定，控制风蚀，水蚀，有利于生态环境改善，而且维持成本较低。植物的蒸腾作用还可以防止污染物向下迁移，同时，植物把氧气供给根际可促进根际有机物的降解。植物修复技术的局限性及影响因素植物是活的生物体，需要有合适的生存条件，因此植物修复有其局限性：a要针对不同污染状况的突然选择不同的生态型植物。重金属污染严重的土壤，适宜选用超积累植物，而污染较轻的土壤则需要选用耐重金属植物。b植物修复过程通常较为缓慢，对土壤肥力，气候，水分。盐度，酸碱度，排水与灌溉系统等条件和认为条件有一定的要求。c植物修复往往会受土壤毒物毒性的限制，一种植物常常只能吸收一种或两种重金属，对土壤中其他浓度较高的重金属会表现出某些中毒症状，从而限制了植物修复技术在多种重金属污染土壤治理方面的应用。d用于清理重金属污染土壤的超累积植物通常都比较矮小，生物量低，生长缓慢，生长周期较长的类型，因而修复效率低，不利于机械作业。e用于清理重金属污染的植物往往会通过器官腐烂，落叶等途径使重金属污染物重返土壤。因此必须在植物落叶前收割处理。为了植物修复修复污染土壤的效率，在设计植物修复技术方案时必须事先考虑如下因素：首先了解受重金属污染的土壤所处的地理，海拔条件，以便选择合适生长在该条件下的耐受重金属植物和超累积植物种类进行污染土壤的植物修复；将整个需要治理的污染土壤纳入土地使用和规划管理方案中进行总体设计与考虑；对土壤的酸碱度，植物的耐盐度进行调查；了解治理土壤的含水量及水分供给状况；掌握拟治理土壤的营养供给状况，以便拟定合适的施肥计划；调查重金属污染土壤的污染状况，了解重金属的化学形态及植物的可利用性，以便从土壤化学的角度采取相应措施增加植物对重金属的吸收量。此外，对植物遭受自然灾害的复原能力，植物病虫害，良好的灌溉与排水系统也是需要考虑的因素。植物修复技术的发展趋势植物修复技术是一种很有前途的新技术，不仅成本较低，而且具有良好的综合经济