土壤重金属污染与修复措施研究进展（环境生态学课程论文）

土壤重金属污染与修复措施研究进展

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王继宇 201172136 作物(zyxw)S111 农学院 环境生态学 周建利

二○一二年六月

土壤重金属污染与修复措施研究进展

摘要：本文首先综述了国内外土壤重金属污染的现状，揭示了目前土壤重金属

污染问题日益严重，然后论述了土壤重金属污染的内涵、污染物的来源，以及土壤重金属污染的特点和危害，最后阐述了土壤重金属污染的修复措施。

关键字：土壤污染 重金属 来源 特点 修复措施

近年来随着社会经济的快速发展，土壤中重金属含量不断增加，土壤重金属污染已成为普遍的环境问题，越来越受到人们的关注。据统计，1980年我国工业三污染耕地面积266.7万公顷，1988年增加到666.7万公顷，1992年增加到1000万公顷。目前，全国遭受不同程度污染的耕地面积已接近2000万公顷，约耕地面积的1/5。我国每年因重金属污染导致的粮食减产超过1000万吨，被重金属污染的粮食多达1200万吨，合计经济损失至少200亿元[1]。据农业部环监测系统近年的调查，我国24个省（市）城郊、污水灌溉区、工矿等经济发展快地区的320个重点污染区中，污染超标的大田农作物种植面积为60.6万公顷，占调查总面积的20%。其中重金属含量超标的农产品产量与面积约占污染物超标农产品总量与总面积的80%以上，尤其是Pb、Cd、Hg、Cu及其复合污染最为突出。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1000万公顷，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。

据粗略统计，过去50年中，排放到全球环境中的Cd达到2.2万吨、Cu 93.9万吨、Pb78.3万吨、Zn13.5 万吨。其中有相当部分进入了土壤，对土壤造成严重污染[2]。

1、 土壤重金属污染的内涵

重金属系指密度4.0以上约60种元素或密度在5.0以上的45种元素。大多数金属都是重金属，如铜（Cu）、锌（Zn）、铁（Fe）、锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、锡（Sn）、钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti）、汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、钨（W）、铝（Al）、金（Au）、银（Ag）等。环境污染方面的重金属主要是指生物毒性显著的Hg、Cd、Pb、Cr、Cu、Zn、Co、Ni、Sn等，在这些金属元素当中，有些是植物生长所必须的微量元素，如Zn、Cu等，但其含量达到一定值后就成为有害的环境污染元素。另外，砷（As）和硒（Se）虽不属于重金属，但它们的毒性及某些性质与重金属相似，因而通常被列入重金属污染物范围内。

土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属带入到土壤中，致使土壤中重金

属含量明显高于其自然背景含量、并可能造成现存的或潜在的土壤质量退化、生态与环境恶化的现象。

2、 土壤重金属污染物的来源

土壤重金属来源广泛，从大范围来说，主要包括大气沉降、工业污染和农业污染等。 2.1大气沉降

大气中的重金属主要来源于工业生产、汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘等。它们主要分布在工矿的周围和公路、铁路的两侧。大气中的大多数重金属是经自然沉降和雨淋沉降进入土壤的。经过自然沉降和雨淋沉降进入土壤的重金属污染，主要以工矿烟囱、废物堆和公路为中心，向四周及两侧扩散；由城市—郊区—农区，随距城市的距离加大而降低，特别是城市的郊区污染较为严重。此外，还与城市的人口密度、城市土地利用率、机动车密度成正相关；重工业越发达，污染相对就越严重。

例如，南京某生产Cr的重工业厂Cr污染叠加已超过当地背景值4.4倍，污染以车间烟囱为中心，范围达1.5 km2，污染范围最大延伸下限1.38 km。再如，在宁一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，自公路两侧污染强度减弱[3]。 2.2工业污染

目前，国内外由于工矿的开采、冶炼等引起的土壤重金属污染相当严重。据统计，1989年我国有色金属冶炼工业向环境排放重金属Hg为56吨，Cd为88吨，As为173吨，Pb为226吨。

工矿业固体废弃物堆放或处理过程中，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、水体扩散，间接或直接地造成土壤重金属污染。沈阳冶炼厂冶炼锌产生的矿渣主要含Zn、Cd，1971年开始堆放在一个洼地场所，目前已扩散到离堆放场700米以外的范围。武汉市垃圾堆放场，杭州Cr渣堆放区附近土壤中重金属Cd、Hg、Cr、 Cu、Zn、Pb、As等的含量均高于当地土壤背景值。美国科罗拉多州罗拉多流域受采矿的影响，土壤重金属元素Cd、Zn、Pb、As的浓度以污染源最高，并随着与污染源距离延长而逐渐降低[4]。

此外，有一些工矿固体废弃物被作为肥料施入土壤，造成土壤重金属污染。磷石膏是化肥工业废物，含有一定量的正磷酸以及不同形态的含磷化合物，并可改良酸性土壤，因而被大量施入土壤，造成了土壤中Cr、 Pb、Mn、As含量增加。磷钢渣作为磷源施入土壤，造成土壤中Cr累积。

2.3农业污染

农业生产所造成的重金属污染主要来源于：（1）污水灌溉；（2）农药、化肥及地膜的不合理使用；（3）污泥的大量施用。 2.3.1污水灌溉

污水灌溉一般指使用经过一定处理的城市污水灌溉农田、森林和草地。城市污水包括生活污水、商业污水和工业废水。由于城市工业化的迅速发展，大量的工业废水涌入河道，使城市污水中含有的许多重金属离子，随着污水灌溉而进入土壤。污灌导致土壤重金属Hg、Cd、Cr、As、Cu、Zn、Pb等含量的增加。例如，淮阳污灌区自污灌以来，金属Hg、Cd、Cr、Pb、As等就逐渐增高，1995~1997年已超过警戒级；太原污灌区的重金属Pb、Cd、Cr含量远远超过其当地背景值，且积累量逐年增高[5]。

2.3.2农药、化肥及地膜的不合理使用

施用含有Pb、Hg、Cr、As等的农药和不合理地施用化肥，都可以导致土壤中重金属的污染。一般过磷酸盐中含有较多的重金属Hg、Cd、As、Zn、Pb，磷肥次之，氮肥和钾肥含量较低，但氮肥中铅含量较高，其中As和Cd污染严重。经过对上海地区菜园土地、粮棉地的研究，施肥后，Cd的含量从0.134 mg/kg升到0.316 mg/kg，Hg的含量从0.22 mg/kg升到0.39 mg/kg，Cu、Zn 增长2/3。再如，由于在果园中长期施用含Cu的农药，导致果园土壤中Cu的大量积累[6]。

近年来，随着地膜的大面积推广使用，大量的地膜残片滞留中，造成土壤的白色污染。同时由于地膜生产过程中加入了含有镉、铅的热定剂，也加重了土壤重金属污染。

2.3.3污泥的大量施用

污泥中含有大量的有机质和氮、磷、钾等营养元素，但同时也含有大量的重金属。随着大量的市政污泥进入农田，农田中的重金属含量不断增高。污泥施肥不仅可导致土壤中Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb含量的增加，而且还会导致农作物中重金属的累积。研究表明[7]，污泥使用量增加，会引起了青菜中的Cd、Cu、Zn、Ni、Pb的增加。

3、 土壤重金属污染的特点及危害

3.1土壤重金属污染的特点 3.1.1普遍性和广泛性

随着工业生产的发展，重金属污染日趋普遍，几乎威胁着每个国家。我国已有很多城市的郊区和灌区遭到了不同程度的重金属污染。另外，世人皆知的世界十大环境公害事件中就有2件与重金属污染有关（在日本九州由Hg引发的水误病事件以及由福污染造成的日本神东川骨痛病事件）。

3.1.2隐蔽性和潜伏性

重金属对动物、人类的危害是通过食物链逐渐积累的，人们往往深受其害而不知所害，不像大气、水体污染被人直接觉察，但是一旦爆发出来，那么将会引起严重的生态危害，有“化学定时炸弹”（Chemical Time Bombs，简称CTBs）的说法。

3.1.3不可逆性和长期性

如果大气和水体受到污染，切断污染源之后通过稀释作用和自净化作用也有可能使污染问题不断逆转，但重金属则很难靠稀释作用和自净化作用来消除，使污染问题逆转。某些被重金属污染的土壤可能要100 ～ 200 年时间才能够恢复。因此，土壤的重金属污染一旦发生通常很难治理，而且其治理成本较高、治理周期较长。

3.1.4综合性和复杂性

在自然界中，单个重金属污染物构成污染有发生，但更多表现为多种金属元素同时产生作用，即多种污染物一起形成复合污染，且污染强度显示出放大性。秦永生等研究表明，Cu与Pb复合污染与单一污染相比，土壤呼吸强度的影响依次表现为Cu与Pb复合污染＞Pb污染＞Cu污染[8]。 3.2土壤重金属污染的危害 3.2.1重金属污染对作物的危害

重金属在土壤—植物系统中迁移直接影响到植物的生长发育，从而影响作物的产量和质量。Cd是危害植物生长的有毒元素，土壤中如果Cd含量过高，会破坏植物叶片的叶绿素结构，减少根系对水分和养分的吸收，抑制根系生长，造成植物生理障碍而降低产量。Pb在植物组织中的累积可导致氧化、光合以及脂肪代谢的强度减弱，同时可导致对水的吸收量减少、耗氧量增大，从而阻碍植物生长，甚至引起植物死亡。Cu、Zn是植物生长必需的微量元素，但在土壤中含量超过一定限度时，作物根部会受到严重损害，使植物对水分养分的吸收受到影响，造成生长不良甚至死亡。

3.2.2重金属污染对土壤动物的危害

随着各种重金属元素在土壤中的富集，对土壤动物的生存繁衍带来了严重威胁。孙贤斌研究了淮南市重金属污染对土壤动物群落和多样性影响，得出重金属污染不同程度地对土壤动物构成危害，土壤动物群落的组成与数量随着污染的加重而减少，在重污染的土壤中，优势类群与常见类群的种类明显减少[9]。 3.2.3重金属污染对人类的危害

大多数重金属具有可迁移性差，不能降解等特点，会在生态系统中不断积累，毒性不断增强，从而导致生态系统的退化，并通过食物链影响人体健康。如Pb能伤害人的神经系统，特别对幼儿的智力发有极其不良的影响，另外，Pb能导

致包括人类在内的各种生物的生殖功能下降、机体免疫力降低，当人体内血铅质量比达到600μg/g～800μg/g时会表现为头晕、头疼、记忆力减退和腹疼等一系列症状。Cd的毒性很大，在人体内蓄积会引起泌尿系统功能变化还会影响骨骼发育。长期食用含Cr的食物，人体会出现不同程度的皮肤和呼吸道系统病变，并且出现溃疡和炎症。长期吸入Ni可以引起鼻癌、肺癌，并且可以引起接触性皮炎、肺炎等病症。当金属Hg进入人体后，可与体内酶或蛋白质中许多带负电的基团如巯基等结合，使能量生成、蛋白质和核酸合成受到影响，从而影响细胞正常的功能和生长。在人类历史上，由于土壤污染引起的疾病和环境公害事屡见不鲜。如1995年在日本富山县因土壤受到镉污染，该地区的居民发生一叫\痛痛病”的公害病，Cd使当地居民全身性神经痛、关节痛、骨折，以至死亡[10]。

4、 土壤重金属污染的修复措施

修复重金属污染土壤对于阻断污染物进入食物链，防止对人体健康的损害，促进土地资源的保护与社会和谐发展具有重要的意义。目前，国内外研究土壤重金属污染的治理途径主要从3个方面着手，一是改变重金属在土壤中的存在形态，使其固定和稳定，降低其在环境中的迁移性和生物可利用性；二是从土壤中去除重金属，利用特殊植物吸收后把该植物除去，或用工程技术把土壤中的重金属变为可溶态、游离态，再经过淋洗，然后收集淋洗液中的重金属，从而达到回收重金属和减少土壤中重金属的双重目的；三是使污染地区与未污染地区隔离

[11]

。根据具体的处理手段，又分为以下几种技术：

4.1工程措施

主要包括客土、换土和深耕翻土等措施。轻度污染的土壤用深耕翻土，重污染区常用客土和换土法。工程措施治理土壤重金属污染彻底、稳定，但工程量大、投资费用高，破坏土体结构，引起土壤肥力下降，并且还要对换出的污土进行堆放或处理。 4.2物理措施

物理修复主要包括电动修复、电热修复、土壤淋洗、物理分离技术、蒸汽浸提技术、玻璃化技术等。 4.2.1电动修复技术

电动修复技术的原理类似于电池，在通电的情况下使得重金属离子定向移动，从而把它们从土壤中去除的技术。该方法适用于低渗透的粘土和淤泥土，可以控制污染物的流动方向。在沙土上的实验，土壤中Pb2+、Cr3+等重金属离子

的除去率也可达90%以上。电动修复不搅动土层，修复时间短，是一种经济可行的原位修复技术。但它对土壤环境的要求比较高，限制了它的大规模应用。 4.2.2电热修复技术

电热修复技术是利用一些重金属在高温下快速挥发的特性，用高频电压加热土壤，重金属受热挥发，离开土壤以达到修复土壤重金属污染的目的。该技术可以修复被Hg和Se等重金属污染的土壤。但是，在高温加热的同时也对土壤本身造成了严重的破坏。 4.2.3土壤淋洗技术

土壤淋洗技术是利用淋洗液把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中去，再把富含重金属的废水进一步回收处理。该技术要求寻找一种既能提取各种形态的重金属，又不破坏土壤结构的淋洗液。目前用于淋洗土壤的淋洗液，包括有机或无机酸、碱、盐和螯合剂。 4.2.4物理分离技术

物理分离技术主要是基于土壤介质及污染物的特性而采用过滤或微过滤、沉淀或离心分离、磁分离以及浮选法分离等分离方法将污染物提取分离出来的技术。物理分离技术可以将沙粒和黏粒分离出来，并且可以缩小受污染土壤的体积。 4.2.5蒸汽浸提技术

土壤蒸汽浸提技术的基本原理是在污染土壤内引入清洁空气产生驱动力，利用土壤固相、液相和气相之间的浓度梯度，在气压降低的情况下，将其转化为气态的污染物排出土体外的过程。该技术的优点是可操作性强，不破坏土壤结构以及对回收利用废物有潜在价值等，缺点是可能对大气产生污染。 4.2.6玻璃化技术

玻璃化技术是利用热把重金属污染物融化为玻璃状或玻璃—陶瓷状物质，从而达到处理重金属污染物的目的。该技术的优点是玻璃化产物体积变小，处理更为方便；化学性质稳定，抗酸淋滤作用强，能有效阻止其中污染物对环境的危害。缺点是成本比较高。 4.3化学措施

化学修复是指根据土壤和重金属的性质，向土壤中施改良剂、沉淀剂、增溶剂、抑制剂等，对重金属进行沉淀、吸附、氧化、还原等作用，降低重金属的生物有效性。该技术关键在于选择经济有效的改良剂，常用的改良剂有石灰、骨炭、沸石、磷酸钙、碳酸钙、硅酸盐和促进还原作用的有机物质等，不同改良剂对重金属的作用机理不同。施用石灰或碳酸钙主要是提高土壤pH值，促使土壤中CA、Cu、Hg、Zn等元素形成氢氧化物或碳酸盐结合态盐类沉淀。化学修复是在土壤原位上进行的修复技术，简单易行，但并不是一种永久的修复措施，因为

它只改变了重金属在土壤中存在的形态，金属元素仍保留在土壤中，容易再度活化导致 “二次污染”。 4.4生物措施

生物修复是指利用生物的某些习性来适应、抑制和改良重金属污染。与其他传统方法相比，生物修复具有治理效果好、无二次污染、运行成本低等特点，是目前世界范围内的研究热点，也是土壤污染治理的环境友好技术。生物修复技术主要包括微生物修复和植物修复。 4.4.1微生物修复技术

微生物修复法就是利用土壤中的某些微生物的生物活性对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用，把重金属离子转化为低毒产物，从而降低土壤中重金属的毒性。它主要包括生物吸附和生物氧化-还原两方面。生物吸附是重金属被生物体吸附，如蓝细菌、硫酸还原菌以及某些藻类能够产生具有大量阳离子基团的胞外聚合物如多糖、糖蛋白等，并与重金属形成络合物；生物氧化-还原是微生物对重金属离子进行氧化、还原、甲基化和脱甲基化作用，降低土壤环境中重金属含量。该处理技术具有费用低、对环境影响小、效率高等特点，是一项廉价的绿色治理方法。 4.4.2植物修复技术

植物修复是采用重金属超积累植物将土壤中某种过量的元素大量转移到植物体内(特别是地上部)，从而修复土壤的技术，这种方法修复潜力大，可维持土壤肥力和营造良好的生态环境，已成为全球研究的热点。根据修复植物在某一方面的功能和特点可将植物修复分为植物提取、植物挥发和植物稳定三种。植物提取是依靠重金属超积累植物从土壤中吸取重金属离子，接着收割地上部分并进行处理。连续种植该植物，可有效降低或去除土壤重金属。目前已发现700多种超积累重金属植物。植物挥发是依靠植物根系吸收重金属，将其转化为气态物质挥发到大气中。目前研究最多的是Hg和Se。植物稳定是依靠耐重金属植物或超累积植物降低重金属的活性，防止重金属被淋洗到地下水或扩散至空气中[12]。其机理是让金属在根部积累、沉淀或被根表吸收，以达到固化的目的。 4.5农业生态措施

农业生态修复包括农艺修复和生态修复。前者改变耕作制度，调整作物品种，种植不进入食物链的植物，选择能降低土壤重金属污染的化肥，或增施能够固定重金属的有机肥等来降低土壤重金属污染；后者调节土壤水分、养分、pH值和土壤氧化还原状况及气温、湿度等生态因素，调控污染物所处环境介质。优点是易操作、费用较低，缺点是周期长、效果不显著。

5、 结语

土壤重金属污染来源广、毒性大，因此在未来很长时间内重金属污染仍将是我国乃至世界所面临的重要环境问题之一，迫切需要解决。本文作者认为以下几点是未来土壤金属污染的研究热点：（1）生物修复以其高效性，良好的社会、生态综合效益而被大众接受，应用前景广阔；（2）筛选与培育吸收能力强，吸收重金属种类多，且生物量大的超富集植物必将是生物修复的一个重点；（3）利用基因工程技术提高植物修复能力将取得突破性进展；（4）将物理、生物、化学修复手段和生物修复手段结合起来将成为治理土壤重金属污染的一个方向。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3fao.html