隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口的劇增,城市工業(yè)”三廢”和生活污水的排放與日俱增,污水灌溉產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重,其中,重金屬污染問(wèn)題尤為突出,重金屬在土壤中不能為土壤微生物所分解,可為生物富集,成為土壤中不斷積累的污染物,不僅對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量、品質(zhì)有影響,而且通過(guò)食物鏈對(duì)人體健康造成危害。土壤一旦遭受重金屬污染,是較難以消除的。中科院有關(guān)專(zhuān)家指出,目前我國(guó)受重金屬污染的耕地面積約占耕地總面積的1/5,每年因土壤污染而減產(chǎn)糧食約1000萬(wàn)噸,另外還有1200萬(wàn)噸糧食污染物超標(biāo),兩者的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200多億元。尤其是城郊生產(chǎn)的糧食、蔬菜、水果等食物,鎘、鉻、砷、鉛等重金屬超標(biāo)更加嚴(yán)重,有的地區(qū)糧食含鎘量甚至超過(guò)誘發(fā)”痛痛病”的標(biāo)準(zhǔn)。可見(jiàn),對(duì)于土壤重金屬污染的途徑、特點(diǎn),在土壤中的行為特征和控制重金屬污染的研究具有重要的意義。
1土壤重金屬污染的途徑
重金屬污染物進(jìn)入土壤的途徑可分為大氣沉降、污水灌溉和農(nóng)業(yè)措施等三種途徑。
1.1大氣沉降而引起的土壤重金屬污染這種污染途徑較為普遍。
主要由于工業(yè)企業(yè)廢氣排放和汽車(chē)尾氣的排放而造成的。遼寧省是一個(gè)典型的重工業(yè)城市較為集中的省份,通過(guò)大氣沉降而引起的地表土壤重金屬污染較為常見(jiàn),例如對(duì)丹東、撫順、鞍山、朝陽(yáng)四大城市表土元素含量與大氣降塵組分的相互關(guān)系證明:地面塵土中元素鎘、鉛已受到高富集程度的污染。由于大氣降塵而引起工廠周?chē)偷缆穬蓚?cè)的重金屬污染已屢見(jiàn)不鮮。
1.2污水灌溉而引起的土壤重金屬污染在農(nóng)田灌溉中利用超標(biāo)污水進(jìn)行作物灌溉引起土壤中重金屬富集。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),由于污灌而引起土壤重金屬污染的面積已達(dá)1000多萬(wàn)畝。被鎘污染的耕地30余萬(wàn)畝,涉及11個(gè)省、市、25個(gè)地區(qū),每年產(chǎn)生鎘米1億多斤。汞污染農(nóng)田50余萬(wàn)畝,涉及15個(gè)省、市,21個(gè)地區(qū),每年產(chǎn)生汞米3.9億斤。此外還有鉛米、砷米等數(shù)億斤。由于土壤中重金屬污染,已對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了很大不良影響。
1.3農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施引起的土壤重金屬污主要指通過(guò)施用含重金屬的化肥或農(nóng)藥而引起的土壤重金屬污染。
菜地、果園等農(nóng)田施用化肥、農(nóng)藥頻繁,用量較大,易引起土壤中的某些重金屬如鎘、汞等濃度超標(biāo)。
2土壤重金屬污染的特點(diǎn)
2.1普遍性特點(diǎn)
隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,重金屬污染日趨普遍,幾乎威脅著每個(gè)國(guó)家,上世紀(jì)50年代,日本富山通川流域的”骨痛病”就是由于鎘污染而導(dǎo)致糙米中鎘超標(biāo)而引起的。1997年美國(guó)蒙大拿州的兩個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)也由于鎘污染,使當(dāng)?shù)匦←湶荒苁秤谩Ｎ覈?guó)已有很多城市的郊區(qū)和灌區(qū)遭到了不同程度的重金屬污染。如沈陽(yáng)的張土灌區(qū)。
2.2隱蔽性特點(diǎn)
重金屬污染的土壤無(wú)色無(wú)味,很難被人的感覺(jué)器官而察覺(jué),一般要通過(guò)植物進(jìn)入食物鏈積累到一定程度時(shí)才能反映出來(lái)。
2.3表聚性特點(diǎn)
土壤中重金屬污染物大部分殘留于土壤耕層,很少向土壤的下層移動(dòng)。這是由于土壤中存在著有機(jī)膠體、無(wú)機(jī)膠體和有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合膠體,它們對(duì)重金屬有較強(qiáng)的吸附和螯合能力,限制了重金屬在土壤中的遷移能力。
2.4不可逆性特點(diǎn)
由于重金屬在土壤中積累到一定程度時(shí),導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)與功能的發(fā)生變化,且由于重金屬很難降解,因此,土壤一旦污染很難恢復(fù)。
3重金屬在土壤中的賦存形態(tài)
目前,大多數(shù)研究工作者認(rèn)為土壤環(huán)境中重金屬賦存形態(tài)可分為:①水溶態(tài)(以去離子水浸提);②交換態(tài)(如以MgCl2溶液為浸提劑);③碳酸鹽結(jié)合態(tài)(如以NaAC—HAC各浸提劑);④鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)(如以NH2OH—HCl為浸提劑);⑤有機(jī)結(jié)合態(tài)(如以H2O2為浸提劑);⑥殘留態(tài)(如以HClO4—HF消化,1∶1HCl浸提)。由于水溶態(tài)一般含量較低,又不易與交換態(tài)區(qū)分,常將水溶態(tài)合并到交換態(tài)中。
研究資料還表明,在不同的土壤環(huán)境條件下,包括土壤類(lèi)型、土地利用方式(水田、旱地、果園、牧場(chǎng)等),以及土壤的pH,Eh,土壤無(wú)機(jī)和有機(jī)膠體的含量等因素的差異,都可引起土壤重金屬元素賦存形態(tài)的變化。
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口的劇增,城市工業(yè)”三廢”和生活污水的排放與日俱增,污水灌溉產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重,其中,重金屬污染問(wèn)題尤為突出,重金屬在土壤中不能為土壤微生物所分解,可為生物富集,成為土壤中不斷積累的污染物,不僅對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量、品質(zhì)有影響,而且通過(guò)食物鏈對(duì)人體健康造成危害。土壤一旦遭受重金屬污染,是較難以消除的。中科院有關(guān)專(zhuān)家指出,目前我國(guó)受重金屬污染的耕地面積約占耕地總面積的1/5,每年因土壤污染而減產(chǎn)糧食約1000萬(wàn)噸,另外還有1200萬(wàn)噸糧食污染物超標(biāo),兩者的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200多億元。尤其是城郊生產(chǎn)的糧食、蔬菜、水果等食物,鎘、鉻、砷、鉛等重金屬超標(biāo)更加嚴(yán)重,有的地區(qū)糧食含鎘量甚至超過(guò)誘發(fā)”痛痛病”的標(biāo)準(zhǔn)。可見(jiàn),對(duì)于土壤重金屬污染的途徑、特點(diǎn),在土壤中的行為特征和控制重金屬污染的研究具有重要的意義。
1土壤重金屬污染的途徑
重金屬污染物進(jìn)入土壤的途徑可分為大氣沉降、污水灌溉和農(nóng)業(yè)措施等三種途徑。
1.1大氣沉降而引起的土壤重金屬污染這種污染途徑較為普遍。
主要由于工業(yè)企業(yè)廢氣排放和汽車(chē)尾氣的排放而造成的。遼寧省是一個(gè)典型的重工業(yè)城市較為集中的省份,通過(guò)大氣沉降而引起的地表土壤重金屬污染較為常見(jiàn),例如對(duì)丹東、撫順、鞍山、朝陽(yáng)四大城市表土元素含量與大氣降塵組分的相互關(guān)系證明:地面塵土中元素鎘、鉛已受到高富集程度的污染。由于大氣降塵而引起工廠周?chē)偷缆穬蓚?cè)的重金屬污染已屢見(jiàn)不鮮。
1.2污水灌溉而引起的土壤重金屬污染在農(nóng)田灌溉中利用超標(biāo)污水進(jìn)行作物灌溉引起土壤中重金屬富集。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),由于污灌而引起土壤重金屬污染的面積已達(dá)1000多萬(wàn)畝。被鎘污染的耕地30余萬(wàn)畝,涉及11個(gè)省、市、25個(gè)地區(qū),每年產(chǎn)生鎘米1億多斤。汞污染農(nóng)田50余萬(wàn)畝,涉及15個(gè)省、市,21個(gè)地區(qū),每年產(chǎn)生汞米3.9億斤。此外還有鉛米、砷米等數(shù)億斤。由于土壤中重金屬污染,已對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了很大不良影響。
1.3農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施引起的土壤重金屬污主要指通過(guò)施用含重金屬的化肥或農(nóng)藥而引起的土壤重金屬污染。
菜地、果園等農(nóng)田施用化肥、農(nóng)藥頻繁,用量較大,易引起土壤中的某些重金屬如鎘、汞等濃度超標(biāo)。
2土壤重金屬污染的特點(diǎn)
2.1普遍性特點(diǎn)
隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,重金屬污染日趨普遍,幾乎威脅著每個(gè)國(guó)家,上世紀(jì)50年代,日本富山通川流域的”骨痛病”就是由于鎘污染而導(dǎo)致糙米中鎘超標(biāo)而引起的。1997年美國(guó)蒙大拿州的兩個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)也由于鎘污染,使當(dāng)?shù)匦←湶荒苁秤谩Ｎ覈?guó)已有很多城市的郊區(qū)和灌區(qū)遭到了不同程度的重金屬污染。如沈陽(yáng)的張土灌區(qū)。
2.2隱蔽性特點(diǎn)
重金屬污染的土壤無(wú)色無(wú)味,很難被人的感覺(jué)器官而察覺(jué),一般要通過(guò)植物進(jìn)入食物鏈積累到一定程度時(shí)才能反映出來(lái)。
2.3表聚性特點(diǎn)
土壤中重金屬污染物大部分殘留于土壤耕層,很少向土壤的下層移動(dòng)。這是由于土壤中存在著有機(jī)膠體、無(wú)機(jī)膠體和有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合膠體,它們對(duì)重金屬有較強(qiáng)的吸附和螯合能力,限制了重金屬在土壤中的遷移能力。
2.4不可逆性特點(diǎn)
由于重金屬在土壤中積累到一定程度時(shí),導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)與功能的發(fā)生變化,且由于重金屬很難降解,因此,土壤一旦污染很難恢復(fù)。
3重金屬在土壤中的賦存形態(tài)
目前,大多數(shù)研究工作者認(rèn)為土壤環(huán)境中重金屬賦存形態(tài)可分為:①水溶態(tài)(以去離子水浸提);②交換態(tài)(如以MgCl2溶液為浸提劑);③碳酸鹽結(jié)合態(tài)(如以NaAC—HAC各浸提劑);④鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)(如以NH2OH—HCl為浸提劑);⑤有機(jī)結(jié)合態(tài)(如以H2O2為浸提劑);⑥殘留態(tài)(如以HClO4—HF消化,1∶1HCl浸提)。由于水溶態(tài)一般含量較低,又不易與交換態(tài)區(qū)分,常將水溶態(tài)合并到交換態(tài)中。
研究資料還表明,在不同的土壤環(huán)境條件下,包括土壤類(lèi)型、土地利用方式(水田、旱地、果園、牧場(chǎng)等),以及土壤的pH,Eh,土壤無(wú)機(jī)和有機(jī)膠體的含量等因素的差異,都可引起土壤重金屬元素賦存形態(tài)的變化。
4重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化特征
4.1物理遷移
土壤溶液中的重金屬離子或絡(luò)離子可以隨水遷移至地面水體。而更多的是重金屬可以通過(guò)多種途徑被包含于礦物顆粒內(nèi)或被吸附于土壤膠體表面上,隨土壤水份的流動(dòng)或以塵土飛揚(yáng)的形式而被機(jī)械搬運(yùn)。
4.2物理化學(xué)遷移和化學(xué)遷移
土壤環(huán)境中的重金屬污染物與土壤無(wú)機(jī)膠體結(jié)合,發(fā)生非專(zhuān)性吸附或?qū)Ｐ晕?或被土壤中有機(jī)膠體絡(luò)合或螯合,或者由有機(jī)膠體表面吸附;另外,重金屬化合物的溶解和沉淀作用,是土壤環(huán)境中重金屬元素化學(xué)遷移的重要形式,它主要受土壤pH、Eh和土壤中存在的其他物質(zhì)(如富里酸、胡敏酸)的影響。
4.3生物遷移
土壤環(huán)境中重金屬的生物遷移,主要是指植物通過(guò)根系從土壤中吸收某些化學(xué)形態(tài)的重金屬,并在植物體內(nèi)積累起來(lái)。另外,土壤微生物的吸收以及土壤動(dòng)物啃食重金屬含量較高的表土,也是重金屬發(fā)生生物遷移的一種途徑。
5重金屬污染土壤治理技術(shù)
重金屬污染土壤治理技術(shù)分為兩大類(lèi):一是試圖將重金屬?gòu)耐寥乐腥コ募夹g(shù);二是將重金屬滯留于土壤中而脫離食物鏈的技術(shù)。
5.1將重金屬?gòu)耐寥乐腥コ募夹g(shù)
由于重金屬與土壤物質(zhì)的結(jié)合形態(tài)及在土壤中變化的復(fù)雜性以及去除重金屬后要保持土壤的生物活性的要求,該方法研究進(jìn)展不大,國(guó)內(nèi)國(guó)外報(bào)道甚少,從已有報(bào)道可以看出有如下幾種類(lèi)型。
該類(lèi)技術(shù)是利用重金屬主要污染土壤表層的特性,將表層被污染土壤去掉后,耕作活化下層土壤或覆蓋未被污染活性土壤的方法。該類(lèi)方法是目前較徹底地清除污染土壤的重金屬的最切實(shí)可靠的方法。將被污染表土去除后,原地土壤污染源的控制和土壤活化是非常重要的。土壤科學(xué)及環(huán)境科學(xué)上已有切實(shí)可行的辦法。對(duì)于被污染表土的處理,由于考慮到技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的可能性和可行性,目前大體上有兩種趨向:①將被污染的表層土壤轉(zhuǎn)移至非農(nóng)用地上。諸如林地、花卉苗圃地、作建筑回填土等,使重金屬脫離食物鏈,而達(dá)到防止重金屬對(duì)人類(lèi)健康危害的目的。該法已廣泛地被采用,但該類(lèi)方法沒(méi)能徹底清除環(huán)境中的污染,其中的重金屬尚有通過(guò)淋洗滲透的方式污染地下水和通過(guò)塵土擴(kuò)散污染空氣的可能,也就是說(shuō)它尚可成為二次污染源。故以上治理方法及技術(shù)尚需進(jìn)一步研究,防止造成二次污染。②將取出的污染土固化轉(zhuǎn)移。這一類(lèi)方法是在借鑒了污泥利用技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。在污染土壤與一般粘土的化學(xué)性質(zhì)及容重基本一致的情況下,可以生產(chǎn)符合建筑要求的成品磚。但考慮到工程量大、經(jīng)濟(jì)效益及生態(tài)效益等方面的因素,該類(lèi)方法只適合于受重金屬?lài)?yán)重污染的、面積較小且集中的土壤處理,不太適合輕度污染且污染范圍廣泛的土壤處理。
該類(lèi)方法也是目前被廣泛研究的、為人們所接受的切實(shí)有效的方法。國(guó)外稱(chēng)該方法為“植物修復(fù)技術(shù)”。其方法的關(guān)鍵在于確定對(duì)重金屬具有高忍耐和高選擇吸收富集(超積累)能力的植物種類(lèi)。由于重金屬種類(lèi)多,植物對(duì)每種重金屬的吸收富集能力不同,則要分類(lèi)進(jìn)行高富集植物選擇。20世紀(jì)70年代末到90年代初人類(lèi)開(kāi)始對(duì)超積累植物進(jìn)行研究。人們從對(duì)一些特定植物體(器官)的重金屬含量分析,發(fā)現(xiàn)了某些對(duì)重金屬具有選擇性吸附積累能力的植物。
20世紀(jì)70年代末有人對(duì)富鎳地區(qū)的植物標(biāo)本分析鑒定出對(duì)鎳富集的植物達(dá)168種。林治慶等對(duì)幾種木本植物汞吸收特性研究顯示,木本植物對(duì)土壤中汞的富集較強(qiáng)。不同種類(lèi)植物富集力有顯著差別。人們正不斷探索尋求各類(lèi)重金屬富集植物,并試圖用以治理污染土壤。目前尚應(yīng)注意的問(wèn)題是,富集重金屬植物體的處理問(wèn)題。為了使其不成為新的污染,可以設(shè)想的途徑是集中處理凈化,如集中低溫干灰化,回收重金屬。從前人的研究經(jīng)驗(yàn)可以看出,重金屬富集植物應(yīng)具備一些特征,即選擇性富集率高,當(dāng)年生長(zhǎng)量大,植株個(gè)體不能太大以便集中處理。
試圖從土壤中通過(guò)化學(xué)方法將重金屬以可售形態(tài)回收,將處理后的土壤回填入場(chǎng)地上[4,12],獲得了較好的處理效果。該法的缺點(diǎn)在于不能回避重金屬種類(lèi)形態(tài)的復(fù)雜性,處理過(guò)程復(fù)雜程度較高,可能破壞土壤生物活性,故只適合小面積嚴(yán)重污染土壤的處理。另一種方法是在水飽和土壤中通過(guò)一定強(qiáng)度電流,使重金屬離子富集于陰極工作范圍,再用工程方法回收重金屬。該法可以在田間現(xiàn)場(chǎng)操作,而較好地回避了重金屬種類(lèi)及形態(tài)的復(fù)雜性,一次可回收多種金屬。但對(duì)于難用水飽和的旱地土壤實(shí)用性較差。以上方法尚處于探索之中,要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用,尚需進(jìn)一步研究。
5.2土壤滯留、脫離食物鏈的技術(shù)
由于重金屬在土壤中難移動(dòng),去除難度大,考慮到技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上的各種因素,人們目前更多關(guān)注的是在不去除重金屬的前提下,怎樣減少重金屬在食物鏈中的傳遞,為此,人們?cè)囼?yàn)研究了不同的方法,歸納起來(lái)有以下幾種。
客土稀釋是治理污染土壤的傳統(tǒng)方法,利用非污染土壤覆蓋的辦法對(duì)降低重金屬向食物傳遞起到了明顯作用。實(shí)踐證明,這是治理農(nóng)田重金屬污染的切實(shí)有效的方法。汪雅各等的研究表明,客土能大幅度降低蔬菜體內(nèi)重金屬含量,提高蔬菜產(chǎn)量,不同來(lái)源客土和不同客土深度的效果不同。客土方法有兩種表現(xiàn)形式,一是異地客土,即將非污染的異地土壤較遠(yuǎn)距離搬運(yùn)客土,該法雖切實(shí)有效,但由于工作量太大,只適合于嚴(yán)重污染的小范圍內(nèi)的土壤處理。二是就地客土,即深翻,將被污染土翻于深層,深層未污染土翻于表層,活化種植。該法較前者工程量略小,比較適合較大面積操作。
這一類(lèi)方法是近年來(lái)研究最多的方法,其主要思路是采用一系列物理及化學(xué)的方法,改變污染重金屬的價(jià)態(tài)或化學(xué)形態(tài),使其在植物吸收上表現(xiàn)出惰性,進(jìn)而減少對(duì)植物的危害及在食物鏈中的傳遞,采用較多的方法是施用改良劑,如石灰、有機(jī)肥,胡敏酸等。試驗(yàn)結(jié)果表明,各類(lèi)改良劑對(duì)不同種類(lèi)、同一種類(lèi)不同價(jià)態(tài)重金屬的鈍化效果不同,表現(xiàn)在作物吸收量的不同。石灰、有機(jī)質(zhì)對(duì)氟均有鈍化效果,以石灰效果最好,若在施用石灰基礎(chǔ)上增加磷肥及有機(jī)質(zhì)效果更佳,由于鉻在土壤中存在價(jià)態(tài)變化,改良劑對(duì)各價(jià)態(tài)作用機(jī)制不同,則改良效果有差異。總的來(lái)說(shuō),幾種改良劑復(fù)合利用較好。另外有人用添加人造沸石對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行鈍化,減少了重金屬進(jìn)人食物鏈的可能性。加強(qiáng)田間水分管理,調(diào)節(jié)重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化,達(dá)到鈍化目的,也是一種切實(shí)有效的方法。
這種方法是改變被污染土壤(地)的利用方向,以避免污染物進(jìn)人食物鏈,這在污染嚴(yán)重的郊區(qū)或廠礦區(qū)土壤是一種較好的利用方式,目前多采用調(diào)整作物布局,利用污染土壤種植非食用植物,如花卉,林木;或?qū)⒊菂^(qū)附近被污染土地規(guī)劃作城區(qū)建設(shè)用地。對(duì)農(nóng)區(qū)內(nèi)污灌等引起廣泛污染的土壤,也可種植麻類(lèi)、棉花等非食用植物以減弱重金屬在食物鏈中的傳遞。有人建議將污染土壤用作良種繁育基地,也是十分有效的,而且可以不影響人類(lèi)食物生產(chǎn)。
這種方法是合理安排茬口,減少植物對(duì)重金屬吸收的一種方法。與普通輪作相比,有明顯減少重金屬進(jìn)人食物鏈的效果,還可明顯提高植物產(chǎn)量及產(chǎn)值,既達(dá)到了降低重金屬吸收的目的,又不增加過(guò)多的投資,是一種值得研究推廣的辦法。只是不同地區(qū)及污染類(lèi)型的土壤上具體的低富集輪作方法,尚需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。
6小結(jié)
我國(guó)土壤重金屬污染已影響到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和資源的永續(xù)利用。因此,必須堅(jiān)持“預(yù)防為主、防治結(jié)合、綜合治理”的方針,保護(hù)生態(tài)環(huán)境。重金屬污染土壤治理技術(shù)研究及應(yīng)用雖有一定的發(fā)展,但尚處于試驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段。首先要弄清楚重金屬污染土壤的途徑和特點(diǎn),要控制或消除污染源,對(duì)已經(jīng)污染的土壤要采取積極措施,減少和消除土壤中的污染物,摸清其在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律和影響因素,控制重金屬在土壤中的溶解度,使其不易被作物吸收而不能進(jìn)入食物鏈,從而將土壤重金屬污染控制在最低限度。
(審核編輯: 小王子)
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