宓彥彥 ，譚長(zhǎng)銀 ，黃道友 ，楊 燕，萬(wàn)大娟，余 霞，孫 花

（1.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081；2.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

我國(guó)是一個(gè)人多地少的國(guó)家，食品安全正面臨多方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其中，土壤污染已成為影響我國(guó)資源、生態(tài)、環(huán)境方面的突出問(wèn)題之一，對(duì)我國(guó)食品可持續(xù)生產(chǎn)能力構(gòu)成潛在威脅[1]。土壤重金屬污染是污染面大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)食品安全和人群健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅的土壤污染類型。重金屬具有毒性、不被生物降解、在土壤中積累，并可通過(guò)食物鏈危害人體健康。在“十一五”期間出現(xiàn)的“砷毒”、“血鉛”、“鎘米”等環(huán)境污染，使得土壤重金屬污染已成為人們當(dāng)前高度關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題之一，《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》也成為首個(gè)獲國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的“十二五”規(guī)劃。

湖南省礦產(chǎn)資源豐富，被譽(yù)為“有色金屬之鄉(xiāng)”，在湖南省境內(nèi)已探明有色金屬礦床多達(dá)340余處。有色金屬的開(kāi)采和冶煉在促進(jìn)湖南經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。有色金屬礦區(qū)產(chǎn)生的廢水、廢渣和粉塵，對(duì)礦區(qū)周圍土壤造成嚴(yán)重的重金屬污染，進(jìn)而通過(guò)食物鏈在動(dòng)植物體內(nèi)富集，危害人體健康。湖南大部分礦區(qū)分布在湘江流域，礦業(yè)活動(dòng)造成了湘江水質(zhì)的惡化和湘江流域土壤的污染。自20世紀(jì)60年代湘江檢測(cè)出Cr、Pb、Mn等重金屬以來(lái)，湘江水質(zhì)一直呈惡化趨勢(shì)?，F(xiàn)在，湘江水污染中的主要重金屬污染已由Hg轉(zhuǎn)變?yōu)镃d和As，這種變化與該湘江流域有色金屬礦產(chǎn)的開(kāi)采和冶煉是分不開(kāi)的，同時(shí)這種變化也帶來(lái)了以Cd為主的礦區(qū)土壤重金屬污染。筆者綜合了近幾十年來(lái)對(duì)湘江流域礦區(qū)土壤Cd污染狀況的調(diào)查結(jié)果，對(duì)湘江流域礦區(qū)Cd污染土壤的不同修復(fù)措施進(jìn)行了比較，通過(guò)湘江流域Cd污染土壤的綜合利用進(jìn)行分析，對(duì)湘江流域礦區(qū)Cd污染土壤今后的污染修復(fù)和綜合利用提出了設(shè)想。

1 湘江流域礦區(qū)土壤Cd污染現(xiàn)狀及成因

1.1 湘江流域礦區(qū)土壤Cd污染的現(xiàn)狀

湖南主要的金屬礦區(qū)大多分布在湘江流域，如郴州市柿竹園鉛鋅礦區(qū)、衡陽(yáng)市常寧市水口山鉛鋅礦區(qū)、株洲市石峰區(qū)清水塘冶煉區(qū)、湘潭市岳塘區(qū)錳礦區(qū)、婁底市冷水江市錫礦山礦區(qū)等。這些金屬礦產(chǎn)的開(kāi)采和冶煉也必然給流域內(nèi)的土壤帶來(lái)重金屬污染。據(jù)報(bào)道，湖南省因有色金屬礦山開(kāi)采導(dǎo)致的Cd、Pb、As等重金屬污染的土地面積達(dá)2.8×104km2，占全省總面積的13%[2]。雷鳴等[3]對(duì)湖南9個(gè)縣市采礦區(qū)和冶煉區(qū)附近的水稻土中Cd等五種重金屬進(jìn)行了調(diào)查和分析。在所調(diào)查的區(qū)域中，有6個(gè)縣市采礦區(qū)和冶煉區(qū)附近的水稻土受到Cd的嚴(yán)重污染，其中衡陽(yáng)常寧市水口山鉛鋅礦區(qū)和株洲清水塘冶煉區(qū)附近的水稻土受到重金屬的嚴(yán)重污染，有四個(gè)礦區(qū)和冶煉區(qū)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)很高（表1）。

表1 9個(gè)采礦區(qū)和冶煉區(qū)水稻土中Cd含量、污染程度和潛在風(fēng)險(xiǎn)程度

對(duì)湖南郴縣東西河流域的土壤調(diào)查結(jié)果顯示，該流域土壤中Cd含量本底區(qū)<廢礦水污染區(qū)<尾礦污染區(qū)，尾礦污染區(qū)的污染最為嚴(yán)重[4]。李小江等[5]對(duì)株洲清水塘地區(qū)土壤及農(nóng)作物重金屬含量調(diào)查顯示，稻田表層土中除鉛未出現(xiàn)超標(biāo)外，砷、Cd、汞均有超標(biāo)現(xiàn)象，而Cd的超標(biāo)率為100%最大超標(biāo)倍數(shù)3.67倍，并且旱地表土重金屬污染程度比稻田嚴(yán)重，稻谷和包菜中的Cd嚴(yán)重超標(biāo)。永州鉛鋅礦尾渣土壤中Cd含量可達(dá)105.88 mg/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，鉛鋅礦尾渣土壤中重金屬表現(xiàn)出強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性[6]。已有的資料表明，湘江流域礦區(qū)土壤Cd污染嚴(yán)重，有較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 湘江流域礦區(qū)土壤Cd污染的成因

湘江流域有色金屬的開(kāi)采和冶煉所產(chǎn)生的“三廢”物質(zhì)是礦區(qū)土壤重金屬的重要來(lái)源。采礦、運(yùn)礦、冶煉和排渣過(guò)程產(chǎn)生的大量重金屬煙塵，通過(guò)擴(kuò)散和沉降進(jìn)入土壤，造成土壤Cd污染。礦物開(kāi)采和冶煉過(guò)程中排放的廢水中也含有大量Cd，未達(dá)標(biāo)排放的礦業(yè)廢水是造成土壤Cd污染的另一個(gè)原因[3]。郴州有色金屬礦山所排廢水中Cd超過(guò)排放標(biāo)準(zhǔn)約1.2～9.0倍，常寧水口山四廠和鉛鋅礦所排廢水中Cd超標(biāo)265倍，湘江株洲段江底底泥Cd含量已超過(guò)日本“骨痛病區(qū)”河流中底泥含量的幾十倍[7]。另外，金屬礦山開(kāi)采、選礦和冶煉等活動(dòng)產(chǎn)生的廢石、尾礦和廢渣是導(dǎo)致土壤Cd污染的重要來(lái)源。這些固體廢棄物的堆放，其中的硫化物礦物長(zhǎng)期暴露于地表，與水圈、大氣圈及微生物相互作用發(fā)生氧化形成礦山酸性排水，增加了重金屬淋溶和擴(kuò)散[8]。本底值高也是流域內(nèi)土壤Cd污染的另一個(gè)重要原因，郴縣東西河流域非污染土壤中的Cd含量遠(yuǎn)高于湖南同類土壤的本底值，其Cd、As含量超過(guò)了國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，屬高本底區(qū)[4]。此外，污水灌溉和農(nóng)業(yè)過(guò)程（如化肥和農(nóng)藥的施用）也可能是流域土壤Cd污染的重要來(lái)源。

2 湘江流域礦區(qū)Cd污染土壤修復(fù)實(shí)踐

對(duì)于重金屬污染土壤的修復(fù)，從修復(fù)原理上分，主要包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)方法，實(shí)際修復(fù)過(guò)程中，物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)方法也常常結(jié)合在一起使用。湘江流域礦區(qū)Cd污染的修復(fù)實(shí)踐中，物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)應(yīng)用相對(duì)較多，而隨著生物修復(fù)技術(shù)的日益成熟，生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用也受到越來(lái)越多的重視。

2.1 湘江流域礦區(qū)Cd污染土壤的物理和化學(xué)修復(fù)

物理修復(fù)主要是通過(guò)換土、客土、深耕翻土、固化或鈍化等措施降低土壤重金屬的濃度或者使土壤重金屬失去活性；化學(xué)修復(fù)就是通過(guò)添加一些改良劑，改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，從而降低土壤重金屬的遷移性和生物有效性。湘江流域礦區(qū)Cd污染土壤修復(fù)實(shí)踐中，投資較大的物理或工程方法應(yīng)用相對(duì)較少，改良劑的應(yīng)用相對(duì)較多。廖立兵等[9-12]以海泡石、膨潤(rùn)土和生石灰為材料對(duì)株洲地區(qū)Cd污染農(nóng)田土壤進(jìn)行修復(fù)，結(jié)果顯示，膨潤(rùn)土、海泡石和石灰的組合對(duì)降低小白菜中Cd含量效果顯著。朱奇宏等[13]在湖南省某工業(yè)城市市郊Cd污染區(qū)進(jìn)行了田間小區(qū)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用改良劑（石灰、鈣鎂磷肥、海泡石和腐殖酸等）有效改變了土壤Cd的存在形態(tài)，降低了農(nóng)作物中的Cd含量，其中施用海泡石可使糙米Cd含量降低37.6%。

2.2 湘江流域礦區(qū)Cd污染土壤的生物修復(fù)

生物修復(fù)技術(shù)（特別是其中的植物修復(fù)）主要是通過(guò)在污染土壤上種植超積累植物，利用其對(duì)重金屬的吸收和積累去除土壤重金屬，由于具有成本低、不破壞土壤結(jié)構(gòu)、不造成地下水及其他環(huán)境二次污染等優(yōu)點(diǎn)，受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注[14-15]。近年來(lái)，植物修復(fù)技術(shù)在湘江流域Cd污染土壤的修復(fù)實(shí)踐中應(yīng)用較廣。佘瑋等[16]研究苧麻對(duì)湖南冷水江銻礦區(qū)Sb、Cd、As和Pb 4種重金屬的吸收富集能力時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然苧麻體內(nèi)Cd含量沒(méi)有達(dá)到超積累植物的含量（富集系數(shù)小于1），但苧麻對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)（轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為1.45）。說(shuō)明苧麻能夠從污染土壤中吸收Cd，并將其中的大部分轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分積累于組織器官中。湖南柿竹園有色金屬礦區(qū)修復(fù)植物的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)植物對(duì)重金屬的吸收表現(xiàn)出3種特征：將重金屬累積于體內(nèi)的富集型植物（如蜈蚣草和苧麻），吸收了大量重金屬但地上部重金屬含量較少的根部囤積型植物（如攀倒甑和木賊）和少量吸收重金屬的規(guī)避型植物（如蔓出卷柏和芒草）。其中，蜈蚣草可用于修復(fù)As、Cd、Pb、Zn等重金屬?gòu)?fù)合污染土壤，苧麻是Cd的富集植物，也是As的耐性植物[17]。劉益貴等[18-21]調(diào)查了湖南湘西鉛鋅礦區(qū)六個(gè)礦業(yè)廢棄地的植被組成，分析結(jié)果顯示：滿天星葉片中Cd含量最高，為310 mg/kg，其次是加拿大楊和地枇杷，其葉片中Cd含量分別為231、212 mg/kg。地上部分Cd含量超過(guò)100 mg/kg的植物還有大田灣的醴腸、鬼針草、苦蘵和半邊蓮，以及三立的蒼耳和野艾蒿等，這些植物可能都具有超積累Cd的潛力。

3 湘江流域礦區(qū)Cd污染土壤的綜合利用

物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中往往可組合使用。污染土壤修復(fù)的目的是實(shí)現(xiàn)污染土壤的安全高效利用，在現(xiàn)有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件下，并非受到污染的土壤一定要修復(fù)以后才可以利用。另外，在修復(fù)過(guò)程中，放棄土壤的利用價(jià)值也是一種土地資源的浪費(fèi)。因此，在污染修復(fù)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)污染物種類和污染的嚴(yán)重程度對(duì)污染土壤進(jìn)行分類綜合利用。

近年來(lái)，湘江流域礦區(qū)Cd污染土壤的綜合利用有過(guò)不少嘗試。綜合利用主要通過(guò)兩條途徑：一是通過(guò)種植非食用植物，如耐性高大喬木等，這樣可以切斷重金屬在食物鏈中的傳遞；二是根據(jù)污染途徑和程度，有針對(duì)性的改變農(nóng)業(yè)種植模式從而達(dá)到污染土壤的安全高效利用。在湖南安化某鈾礦區(qū)采用桑蠶生產(chǎn)模式替代糧食生產(chǎn)模式，這種模式中斷了土壤Cd污染在食物鏈中的傳遞，使污染土壤得以修復(fù)，農(nóng)田年均產(chǎn)值比種水稻提高2 880元/hm2，比種玉米提高8 880元/hm2，耕層土壤Cd含量年平均下降1.33 mg/kg[22]。曾清如等[4]在郴縣東西河流域根據(jù)重金屬污染程度不同，考慮不同的栽培制度、收獲部位以及利用方式，采用綜合防治和利用措施，取得了一定的綜合利用成效。

在輕污染區(qū)（高本底區(qū)）通過(guò)施用石灰、鈣鎂磷肥和有機(jī)肥來(lái)改良土壤，在改良的土壤上種植了水稻、玉米、大豆、辣椒、豆角和茄子等，結(jié)果農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)也良好，產(chǎn)量達(dá)到正常水平，Cd含量也未見(jiàn)超標(biāo)。在中污染區(qū)（廢礦水污染區(qū)），建立繁育水稻良種基地，將繁育的種子在非污染區(qū)種植，籽實(shí)Cd含量未見(jiàn)超標(biāo)；種植油菜，其生長(zhǎng)良好，產(chǎn)量與品質(zhì)均未見(jiàn)降低。在重污染區(qū)（尾礦污染區(qū)）化學(xué)改良劑的治理效果差，大部分作物中Cd含量超過(guò)國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，此區(qū)域主要考慮種植非食用植物，如對(duì)重金屬具有抗性的經(jīng)濟(jì)喬木和繁育果樹(shù)苗木，包括楊樹(shù)、果苗（如柑桔、奈李、梨等苗木）及其他花卉苗木。

4 結(jié)語(yǔ)

湘江流域礦區(qū)土壤（特別是農(nóng)田土壤）Cd污染嚴(yán)重，其成因與湘江流域有色金屬的開(kāi)采和冶煉產(chǎn)生的“三廢”物質(zhì)有關(guān)，也與流域內(nèi)本底值偏高、污水灌溉和農(nóng)業(yè)過(guò)程等因素有關(guān)。在流域Cd污染土壤治理方面已有了物理、化學(xué)和生物方法等多種修復(fù)方法的實(shí)踐。近年來(lái)，在湘江流域礦區(qū)Cd污染土壤的綜合利用方面也進(jìn)行了有益的嘗試。流域內(nèi)未來(lái)的土壤修復(fù)和綜合利用工作有以下幾個(gè)思考的方向：（1）多種修復(fù)措施的組合與集成，以期對(duì)礦區(qū)Cd污染土壤（特別是嚴(yán)重污染的土壤）取得更好的修復(fù)效果；（2）在強(qiáng)調(diào)Cd污染土壤修復(fù)的同時(shí)，通過(guò)各種農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，對(duì)輕度污染的土壤進(jìn)行綜合利用；（3）建立一套比較完善的適合于湘江流域礦區(qū)Cd污染土壤的污染修復(fù)和高效利用方法體系，并進(jìn)行大面積示范推廣。

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