浅析我国农田土壤重金属污染修复现状
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作者:刘磊 王宇峰 丁文 黄燕 杜耀 王松岳 卓未龙
摘 要：土壤重金属污染是我国近年来逐渐予以关注的社会问题。农田土壤作为一种独特的土壤类别，其土壤修复的实施是十分困难的。因此，农田土壤的重金属污染修复是我国农业发展面临的巨大挑战。针对我国农田土壤的重金属污染现状，本文具体分析了其对农作物、人类及生态系统造成的危害、污染来源、主要的治理技术、国外的治理经验、当前面临的主要问题与整治策略等内容，以期对我国当前农田土壤的重金属污染现状进行简要分析与展望。
关键词：农田 重金属 土壤 修复
中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）05（c）-0131-05
Abstract：Soil heavy metal pollution is a social problem that China has gradually paid attention to in recent years. As a unique soil type， the remediation of farmland soil is very difficult. Therefore， the heavy metal pollution remediation of farmland soil is a great challenge to China's agricultural development. In view of status quo of farmland soil heavy metal pollution in China， this article analyzes the damage to crops， human and ecosystem， pollution source， main governance technology， foreign governance experience， the current main problems and improvement strategy， etc， the purpose is to analyze and forecast the present situation of heavy metal pollution in farmland soil in China.
Key Words：Farmland;Heavy metal;Soil;Remediation
1 我国农田土壤重金属污染现状
我国的土地资源在面临巨大的人口壓力与严重的环境污染问题时显得尤为紧张。我国的土壤重金属污染问题十分严峻，数据显示，约1/6的耕地受到了不同程度的重金属污染。我国对各地的土壤污染调查结果也令人堪忧，直至2014年，耕地土壤点位超标率为19.4%。造成当前农田土壤重金属污染的主要原因之一是农田土壤重金属污染具有较大的隐蔽性。重金属经过污水农灌、固体废弃物堆放及大气沉降等过程进入土壤中，但该过程不会直接引起人们的重视，更不易开展相应的土壤修复项目，直至诸如“镉大米”事件的曝光，农田土壤重金属污染问题才真正引起社会的广泛关注[1]。
我国对于土壤污染现状的重视主要体现在三次规模较大的全国土壤调查，分别是《中国土壤元素背景值》（1990）、《全国土壤污染状况调查公报》（2005—2013）和全国农用地土壤污染状况详查（2017—2018）。2016年中央一号文件强调“必须确立发展绿色农业就是保护生态的观念，加快农业环境突出问题的治理”，因此保护现有耕地环境的可持续利用性是当前生态农业不断发展的必要研究主题。在考虑农田土壤重金属污染修复现状时，需结合重金属类型、不同土壤吸附能力、修复技术、污染类型与成因等类别进行具体分析。
2 我国农田土壤重金属来源
重金属污染农田土壤的污染源主要包括外源污染与内源污染。不同环境条件下形成的土壤类型不同，其背景值也有差异。因此，内源污染主要是由于受到植被、地形地貌、水文气象等因素的影响。贵州省土壤重金属的背景值是全国最高水平;沉积石灰岩的重金属背景值相较其他类型呈最高水平等。
外源污染的形式很多，主要包括以下4个方面。
2.1 污水灌溉
虽然污水灌溉是缓解中国水资源短缺的重要途径之一，但经污水灌溉的农田土壤容易致其积累性重金属含量超标，主要导致农田土壤中镉、汞、铜等重金属的大幅增加。重金属主要集中于其表层，自上而下递减，并且越靠近污染源其累积量也越高，这种污灌区在北方干旱区最为常见，主要涉及的省份有天津、湖南、山西、陕西、辽宁和广西等地。
2.2 大气沉降
虽然大气沉降对农田土壤造成的重金属污染主要分为自然来源与人为来源，但人为来源是造成当前农田严重污染的主要原因。人口密度、土地利用率以及重工业发展程度较大都是影响该因素的原因。数据显示，北京农田土壤中镉、砷、汞等元素的沉降输入量占总量的50%以上[2]。成都经济区农田土壤中面临的镉污染有86%受大气干湿沉降的影响[3]。
2.3 农资施用
农药、化肥和地膜等相关农资用品对于农业的发展必然具有巨大的促进作用，但长时间的不合理施用自然会造成严重的环境污染问题。部分农药中含有汞、砷、镉、铅等重金属;磷肥的施用是肥料中重金属含量最高的类型，因为其生产原料磷矿石天然伴生镉，能够被植物吸收的含量不到20%，其他的则会在土壤中不断积累;地膜生产过程中的镉与铅等热稳定剂也是增加土壤重金属污染的原因之一。 2.4 固废倾倒
固体废弃物中的重金属极易向周围土壤及水体迁移，因此固废倾倒也是造成农田重金属污染的主要原因之一。对杭州某铬渣堆放区及苏北某垃圾堆存场中的重金属进行调查发现，镉、铬、铜和汞等重金属含量都显著高于背景值[4]。日常生活产生电子垃圾的倾倒在我国还没有形成较为完善的约束准则，因此它们常常与生活垃圾相同处理，通过堆肥与焚烧等途径进入农田土壤中，如锌、锰、镍等重金属。例如，浙江省台州市路桥区峰江镇废旧电子产品区农田土壤表层的镉、铜、铅和锌污染最为严重[5]。
3 农田土壤重金属污染危害
3.1 重金属污染土壤对农作物的危害
农作物受到重金属的毒害作用后，其株高、叶长、分蘖数等性状表现以及光合作用速率等内在因素都会产生一定影响，导致农作物的生长发育减弱与产量降低。当金属铬含量较高时，玉米种子的萌发和早期生长受到显著抑制，细胞膜受损导致结构与功能受到损伤从而减产[6]。铜含量较高时，水稻分蘖减少，产量也显著下降[7]。
3.2 重金属污染土壤对人体的危害
相对农作物，重金属污染土壤对人体具有间接毒害性。重金属通过食物链向人体传递并在人体内大量富集。由于镉与钙的生理性质较为类似，因此镉进入人体后会影响人的骨骼系统，俗称“痛痛病”[8]。铅进入体内会导致贫血、高血压以及神经错乱等症状[9]。此外，铬和砷等也具有严重的致癌危险[10]。
3.3 重金属污染对农田土壤生态系统的危害
农田重金属污染具有较强的隐蔽性，重金属在土壤中长时间停留，其毒性也在不断累积，形成了复杂的化学效应，它们不仅会导致土壤肥力的下降，还会引发地下水的污染，从而使污染范围不断扩大严重影响生态平衡，对生态环境的可持续发展都产生了严重的威胁。
4 重金属污染农田土壤修复技术
目前，世界各地对于农田土壤重金属污染修复的主要技术包括物理修复、化学修复、生物修复和农业生态联合修复等。
4.1 物理修复
物理修复是指通过各种物理过程将污染物从土壤中去除或分离的技术，包括工程措施、电动修复与热处理。
工程措施包括客土、换土与翻土三种方式，该方法对于污染土壤中重金属含量去除效率较高，但成本较大，工程量大，对土壤结构的破坏也很大，该方法只适用于小面积污染的农田土壤。
电动修复属于原位修复，成本较低，也不会破坏土壤结构，操作简便，但容易造成土壤理化性质的改变，在实际操作过程中土体发热以及pH等变化可能会引起设备成本增加。该方法比较适用于低渗透性的黏土与淤泥土，方便控制污染物的流动方向，二次污染较少。
热处理主要针对土壤中汞、硒等具有挥发性的重金属进行修复处理，工艺简单，但该过程可能会造成土壤中有机质与结构水的破坏，能耗较大，更可能造成大气污染，脱附后的气体需要集中收集，操作费用相对较高。Huang等[11]在处理土壤汞污染过程中，在550℃时汞的浓度能够从1320mg·kg-1降至6mg·kg-1，但会导致土壤中其他重金属的铁-锰氧化物结合态转化成酸溶解态、硫化物及有机结合态和残渣态，对土壤性质造成了严重的影响。该修复方法存在较大的局限性。
4.2 化学修复
目前化学修复方法主要包括化学淋洗法、固化/稳定化修复法、离子拮抗技术。
淋洗法是指洗脱和清洗土壤中污染物的过程，主要手段是在土壤中添加能够增大土壤中重金属水溶性和迁移性的化学助剂，最典型的有乙二胺四乙酸二钠（EDTA）、柠檬酸、二乙基三胺五乙酸（DTPA）等螯合剂;硫酸和硝酸等酸/碱溶液;环糊精、醋酸等络合剂[12]。在工程操作中，化学淋洗法操作便利，可处理的污染物范围全面，但如果控制不当，淋洗废液反而会造成地下水污染，尤其是对于质地粘重、渗透性较差的土壤处理效果也不佳，因此该方法有待进一步完善。
固化/稳定化技术是指向土壤中施加一类或者几类固化/稳定化化学药剂，该技术能够有效的防止或者减低土壤中有毒重金属的释放过程。经钝化（固化/稳定化）后的土壤，不仅能够降低其本身重金屬的迁移性，更有利于较少有害重金属向农作物迁移的概率，从而降低对人体及其他生物的健康风险。经研究发现，磷灰石、石灰、铁锰氧化物及蒙脱石等都是经济有效的药剂，这些药剂具有二次污染风险低、制备成本低及药效显著且持续等特点。该方法的确有成本较低的优点，但其并未将土壤中的重金属有效根除，经再度活化依然存在二次污染的风险，因此需长期跟踪监测。
离子拮抗技术主要是利用重金属离子之间的拮抗作用，采用对土壤和人体无害，最好是对农作物有促进作用的重金属，从而达到降低作物对有害重金属的吸收。例如向土壤中添加Zn，能够有效减少农作物对Cd的吸收[13]。
4.3 生物修复
生物修复是利用生物的新陈代谢作用吸收去除土壤中的重金属或使重金属形态转化，降低毒性，净化土壤。该方法是运用生物技术治理污染土壤的一种新方法，具体包括微生物修复法、植物修复法等。该修复方式近年来逐渐受到关注，操作性强，对重金属修复具有较大的潜力，但在具体大面积土壤重金属土壤去除时存在一定局限性。
植物修复较物理化学修复方法优势明显，主要体现在达到土壤及周边水体双重修复目标、成本低廉，可回收、修复与美化环境兼顾、提高土壤肥力与有机质含量等方面。但其缺点也较显著，植物的耐性有限、植物修复目标单一，根际分泌物对其他有害重金属可能具有活化作用、修复周期长[14]。
许多研究表明，微生物修复能够有效降低土壤中重金属的毒性。重金属的毒性大小主要取决于其形态。虽然微生物无法降解土壤中重金属，但其可以使其形态转化并且移动，从而使毒性降低，完成修复工作。同样，微生物修复在应用过程中，其方法仍然是需要去改进的，微生物的修复耐性也不高，并且目前还没有大规模的全面应用，其难以从土壤中分离，因此重金属的回收工作很难。 4.4 农业生态修复技术
农业生态修复技术主要是指农艺修复与生态修复。农艺修复主要通过改变耕作制度，选择种植难以进入食物链的农作物品种，合理施用降低重金属污染风险的化肥与有机肥，最终达到提高植物修复效率等目的。生态修复通过改变土壤pH、土壤养分、温度与湿度等生态因子從何达到调控污染重金属的目的。该技术成熟，但修复周期较长。
4.5 联合修复技术
当前主要的联合修复技术主要包括物理化学联合修复技术、生物联合修复技术和物理化学与生物联合修复技术。化学淋洗与深层固定是典型的物理化学联合修复技术。卫泽斌等[15]通过研究发现，铅锌污染水稻土壤经化学试剂淋洗后，固定剂（FeCl3）能够将重金属有效固定于深层土壤。黄细花等[16]采用套种与化学淋洗联合修复的方式对土壤中镉、锌和铅的去除率进行研究后发现，淋洗加套种的修复模式能够有效解决土壤中的重金属污染问题。
5 国外农田土壤重金属污染防治经验
美国从20世纪40、50、70和80年代开展了相应法案并采取鼓励休耕措施对农田土地进行保护;于80年代开展并制订了各种管理体系;美国不仅仅具有农田土壤修复的技术水准，更善于创新各种修复技术[17]。
日本土地资源非常稀缺，农田土地更是十分珍贵，因此日本十分注重对农田土壤的重金属污染防治工作。日本于20世纪70年代颁布了一系列法律条文用以对农田土壤进行检测与修复水平提供支持，更于90年代将76%受到污染的农田治理完毕。日本根据其独特的地质条件与土壤类型设计了一系列能够适用不同类型污染农田土壤的工程技术，主要是指客土法，还对大米的重金属指标进行连续3年的监测工作，不达标地区的稻米将由政府统一处理 [18]。20世纪50年代，日本发生了震惊世界的“水俣病”事件，因此日本对于重金属汞格外重视，通过对各企业进行重金属减排工作后有数据显示，日本对于汞的需求已由20世纪60年代的2500t减少至10t[19]。
欧洲依然将重点贯彻于预防大于治理的防治方针，采用各种先进技术对农田土壤进行实时检测，并制定全面的管理制度。德国专门成立了土壤调查小组;法国与荷兰建立了土壤重金属信息数据库;欧盟也会对各成员国进行土壤重金属含量的调查[20]。
6 我国重金属污染农田土壤修复面临的问题及防治对策
6.1 重金属污染农田土壤修复面临的问题
目前我国对于土壤修复的产业发现在不断加快，但这种发展大多集中于城市场地，农田土壤的修复治理工作仍然十分薄弱。即使许多理论研究已经进行了较为全面的探索，但实际工程技术层面的应用较难推广。这主要归因于目前的研究技术仍不成熟，相关设备、技术需要依靠进口，因此相应的治理成本会很高，该现象并不利于土壤修复企业的发展。
重金属污染土壤的修复技术很多，但就单一技术来看，任何一种修复技术都有其局限性，难以达到预期效果，进而无法大力推广。而且土壤重金属污染修复作为一项系统工程，不仅需要土壤学、植物生理学、遗传学、环境工程学、分子生物学等多个学科的共同努力，还需要多种修复技术的综合应用，即将物理修复、化学修复、生物修复科学地结合起来，取长补短，才能达到更好的效果。
农田污染与修复领域的相关法律还不够系统，我国环保部于2015年新修订实施《环境保护法》，该方法能有效保障排污责任制度，相对于过去由政府主导的环境管理制度，是未来发展的主要趋势，但该举措仅停留在政策阶段，具体实施的相关法律条例仍不明确，所以无论是资金还是责任追求都无法得到具体的保障。
此外，近年来发展数量过于迅猛的国内环保企业并没有达到应有的技术水平，加之我国对于土壤修复企业的资质也没有较为明确的标准，这种现象直接导致当下国内的农田土壤修复市场混乱。即使当前环保企业增长过猛，但关于农田土壤重金属污染修复在企业发育仍不成熟的情况下很难有高回报，因此我国对于该方向的投资主要依靠国家财政支出，一般少有普通行业投资者。
6.2 重金属污染农田土壤修复治理策略
面对我国当前农田土壤重金属污染现状，若要有效治理农田土壤，必须将“来源控制”与“有效整治”结合实施。2016年5月，国务院印发了《土壤污染防治行动计划》，简称“土十条”，明确以保障农产品质量和人居环境安全为出发点，坚持预防为主、保护优先、风险管控[20]。
农田土壤重金属污染十分困难，因此在污染前能够有效预防更加有意义，必须建立健全农田土壤污染修复制度。我国于20世纪90年代以来的确对一些农田土壤的重金属污染进行了检测调查，但没有形成完善的检测体制。因此需要在如此严峻的环境条件下制定合理的检测体系，依据总体污染情况与变化趋势制定对应的政策。例如，经过风险评估后的农田土壤一般需要控制其使用直至恢复正常的甚至必须达到对人体健康无害的标准，因此可综合各评估制定农田土壤环境指导值，例如《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）。更有利于对农田土壤的修复管理。对于土壤自身的改变较难，我们更需要加强对农田土壤中所施加的化肥、农药及添加剂等相关农资用品的清洁使用，只有不断加强农民的环保意识，才能从源头上加强对农田土壤污染的防治。开展农业技术培训、发放农业补贴、提供土壤污染大数据、开通监督监管平台等措施都有利于农田土壤重金属污染防治的民众参与度。
技术、资金与管理都是修复治理重金属污染农田所需要解决的关键问题：
真正能够应用于实际农田的技术现阶段还不理想。为了彻底整治现阶段已污染农田，需要因地制宜地去考虑每个区域农田自身污染程度、污染类型等指标，以此为依据设计能够针对各种类型农田的技术手段。
土壤修复的成本巨大，一般土地所有者与经营者是无力承担全部的修复费用的，即使政府等相关部门以及土地开发商能够承担资金支持，但资源十分有限，从而导致弃耕或弃管等现象出现。因此可以借鉴国外治理经验，制定环境保险制度，由污染者承担主要责任。 相关管理制度是提高治理能力的必要条件，开展分级管理，严加监管农业种植行为、污染行为。“土十条”为保障农业生产安全环境安全，着力推进农用地分类管理。按污染程度将农用地划为三个类别，未污染和轻微污染的划为优先保护类，轻度和中度污染的划为安全利用类，重度污染的劃为严格管控类，以耕地为重点，分别采取相应管理措施，保障农产品质量安全。明确监管重点，将重点监测土壤中镉、汞、砷、铅、铬等重金属。可以预料，随着国家相关管理制度的推进，我国农田环境污染问题，尤其是重金属污染问题将会得到有效遏制，并逐步解决，保障我国的农产品安全。
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