楊辰

摘要 在我國加強重視生態(tài)農業(yè)的宏觀背景下，闡述了我國農田土壤重金屬污染的現狀，以及對作物生長發(fā)育、產量、品質和對人體健康的影響，分析了農田土壤重金屬污染形成的原因，介紹了當前我國重金屬污染農田土壤物理、化學、生物修復技術和重金屬低富集品種篩選應用、種植結構調整、農藝措施調控等重金屬污染農田土壤安全生產技術的研究進展。為我國修復重金屬污染農田土壤，實現重金屬污染土壤安全農業(yè)生產提供了理論和現實技術參考。最后，在我國重金屬污染農田土壤修復及安全利用技術研究現狀的基礎上，對今后的研究思路和方法提出了建議。

關鍵詞 農田土壤；重金屬污染；土壤修復；安全生產；中國

中圖分類號 X53 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）03-0164-04

Abstract The paper described the situation of farmland soil heavy metal pollution in China under the macro-background of paying great attention to ecological agriculture and the effects of farmland soil heavy metal pollution on the growth，yield and quality of the crops and people′s health，as well as the causes of the pollution. The research development for the soil remediation and the safety production was also presented，including physical treatment，chemical remediation，bioremediation，selection and breeding of cultivars that accumulate lower levels of heavy metals，adjustment of cropping industrial structure and agronomic regulation，etc. The results provided a theoretical basis and a real reference for the soil remediation and the safety production. Lastly，some suggestion was brought forward for research guideline and methods of farmland soil heavy metal pollution abatement in future according to present condition.

Key words farmland soil；heavy metal pollution；soil remediation；safety production；China

我國是目前世界上人口最多的國家，同時也是耕地資源極為緊張的國家之一[1]。現有耕地的環(huán)境保護和可持續(xù)利用在當前生態(tài)文明建設工作中具有極其重要的意義。2016年中央一號文件強調“必須確立發(fā)展綠色農業(yè)就是保護生態(tài)的觀念，加快農業(yè)環(huán)境突出問題的治理”[2]，為我國今后生態(tài)農業(yè)的發(fā)展指明了道路。隨著近幾十年來我國工農業(yè)的快速發(fā)展，大量的重金屬物質被排放入環(huán)境，并在農田土壤中積累，從而導致農田土壤重金屬污染問題。據相關報道，我國每年因重金屬污染造成糧食減產達1 000萬t，被重金屬污染的糧食達1 200萬t，由此造成的經濟損失超過人民幣200億元[3]。因此，修復受到重金屬污染的土壤或對其進行安全利用是我國生態(tài)農業(yè)建設工作中的重要組成部分。

1 我國農田重金屬污染概述

1.1 我國農田土壤重金屬污染現狀

我國受到重金屬污染的耕地面積達2 000萬hm2之多，約占我國耕地總面積的1/5[4]。農田土壤重金屬污染較為突出的區(qū)域主要存在于采礦區(qū)、冶煉區(qū)周邊和大中城市群郊區(qū)，部分地區(qū)的污染程度嚴重，超過國家Ⅲ級標準[5]。從造成我國農田土壤污染的重金屬種類上來看，Cd、As、Hg、Pb、Cu及其復合污染尤為明顯，其中又以Cd超標最為突出，有13萬hm2耕地因為Cd超標而被迫棄耕[6]。

1.2 農田重金屬污染對農產品質量與人體健康的影響

1.2.1 對作物生長發(fā)育及產量的影響。研究表明，絕大多數情況下重金屬污染土壤會對作物的生長發(fā)育及產量產生顯著負面影響[7]。如土壤中Cd含量較高時，油菜的光合作用受到抑制，地上部生長發(fā)育明顯受阻，株高、葉片數、葉面積和產量均出現明顯下降[8]；花生和產量有關的根瘤生長受到顯著抑制[9]；水稻地上部干重和產量顯著下降[10]。土壤中Pb含量較高時，玉米植株的生長發(fā)育受到顯著的阻礙，產量有所降低[11]；黃瓜根系畸形生長，地上部分生長發(fā)育受到影響并導致減產[12]。Cr含量較高時，Cr6+對于玉米種子的萌發(fā)和早期生長具有明顯的抑制作用[13]，并使得植株細胞膜受損，結構和功能受到破壞而導致減產[14]。Cu含量較高時，水稻分蘗受阻，每穗穎花數減少，產量顯著下降[15]。

1.2.2 對作物品質的影響。在影響作物的生長發(fā)育和產量的同時，重金屬污染也會影響作物的品質。從總體上來看，Cd、Pb、Cr、Cu等重金屬污染會導致作物品質下降[7]。如Cd會導致小白菜葉綠素、還原糖和VC含量下降，粗蛋白和粗纖維含量上升，口感變差[16]。Cr6+的濃度超過10 mg/L時可以顯著降低玉米的活力指數，使玉米的品質趨劣[12]。

1.2.3 對人體健康的影響。農田土壤中的重金屬可以通過食物鏈進行傳遞和富集，最終到達人體，導致多種病癥的發(fā)生[17]。如Cd進入人體后，由于生理性質和Ca近似，會破壞人體的骨骼系統(tǒng)，使人患上“骨痛病”，還會導致高血壓，引起心腦血管等全身疾病[3]；Pb進入人體后可導致貧血、肝炎、腎炎、高血壓、神經錯亂等病癥的發(fā)生[18]；As慢性中毒會導致結膜炎、黑變病和角化過度的發(fā)生，嚴重時還會導致肢體壞疽[19]。除此之外，一些重金屬元素在人體內的慢性積累還具有致癌性，如Cd、Cr、As等[20]。

1.3 我國農田土壤重金屬污染形成的原因

1.3.1 自然原因。導致我國農田土壤重金屬污染的自然原因：一是含重金屬基巖的風化[21]；二是地質作用如火山、地震、侵蝕等因素。

1.3.2 人為原因。除了極少數由自然原因引發(fā)的農田土壤重金屬污染之外，目前我國絕大多數農田土壤重金屬污染主要由下列人為原因所導致。一是污灌和污泥的直接利用。研究表明，土壤中重金屬元素污染和長期污灌以及污泥的直接利用密切相關[22]。二是施用化肥?；手械闹亟饘僭刂饕獊碓从谧鳛樵系牧椎V石和化肥的加工過程[23]。當化肥特別是磷肥持續(xù)過量施用，或者施用未經重金屬含量檢測的化肥就可能導致重金屬在農田土壤中累積[6]。此外，一些重金屬元素如Cu、Zn、Mo等本身就是微量元素肥料的有效成分[3]，當含有重金屬的微量元素肥料或者復合肥施用方法不當，也會導致農田土壤重金屬污染。三是涉重工礦業(yè)的發(fā)展。包括工業(yè)廢渣、廢氣中重金屬的擴散、吸附或沉降導致的重金屬累積，特別是熔點低易揮發(fā)的Hg元素的累積，以及采礦和冶煉重金屬過程中廢渣的排放和含重金屬的廢物堆積等[3]。四是城市垃圾。目前，我國城市垃圾大部分和工業(yè)廢棄物混雜，城市近郊農民又有施用城市垃圾作肥料的習慣，垃圾中自身含有Cu、Pb、As、Cr、Hg等重金屬元素，并且長期使用城市垃圾作為肥料還會減少土壤黏粒對重金屬離子的吸附，使得農田土壤重金屬污染加劇[24]。

2 重金屬污染農田土壤修復及安全利用技術

2.1 重金屬污染農田土壤修復基本技術

在切斷污染源的基礎上對重金屬污染農田土壤進行修復，目前可分為2種思路：一種思路是通過各種修復技術，將重金屬污染物從土壤中移除（活化）；另一種是使重金屬盡可能固定在土壤中，而不是進入作物，特別是食用和飼用作物的可利用部分（鈍化）?，F有的重金屬污染農田土壤修復基本技術都是基于這2種思路進行研發(fā)，可分為物理技術、化學技術和生物技術3個大類（表1）。常見的物理技術包括深耕法、排土法、客土法、電動修復法和熱處理法等[25]；化學技術主要有施用改良劑或抑制劑法、化學淋洗法等；生物技術主要包括植物修復技術、動物修復技術和微生物修復技術[26]。

截止到目前，已經有一些運用修復技術取得顯著成效的實例，如對來自北京市區(qū)和云南省昆明市郊區(qū)土壤的污泥堆肥試驗表明，粉煤灰對污泥中的Cu、Zn、Pb有一定的鈍化效果[27]。在湖南省、廣西省等南方省份的研究證實，施用硅肥可顯著降低水稻[28]、甘蔗[29]等作物對Cd、As等重金屬的吸收。我國油菜產區(qū)通過篩選得到2種優(yōu)良的Cd超積累油菜品種溪口花籽和川油Ⅱ-10[30]，在利用植物修復技術防治Cd污染方面具有很大潛力。從北京市延慶區(qū)某鉛礦廠周邊土壤中篩選得到的1株青霉菌對人工培養(yǎng)基中有效Pb的去除率超過95%[31]，為利用微生物修復技術防治重金屬污染開辟了新途徑。

2.2 重金屬污染農田安全利用基本技術

在運用重金屬污染修復技術修復被重金屬污染的土壤時，也需要結合對重金屬污染特別是污染程度較輕的農田進行安全利用，安全利用的方式包括低富集品種篩選與應用、調整種植結構和農藝措施調控等。

2.2.1 低富集品種篩選與應用?；谕环N作物的不同品種對重金屬的吸收和富集程度的差異，按照國內外相關標準允許限量或推薦限量，篩選重金屬低富集品種，減少農田土壤重金屬向食物鏈中遷移富集，是輕微、輕度重金屬污染農田安全生產的有效途徑。國內針對常見的作物，開展了許多相關工作。如在河南省全省種植面積較大的20個小麥品種中篩選出輕微、輕度重金屬污染土壤Pb低積累品種2個[32]。在四川省種植面積較大的21個玉米品種中篩選出Hg低積累品種4個、As低積累品種5個，其中2個品種為Hg、As低積累品種[33]。另外，某些作物品種同時具有可利用部分重金屬低富集和其他部分重金屬高富集2種特性，如玉米的可食部分和其余部分對Pb的富集[18]。這類作物可同時對重金屬污染農田土壤進行生物修復以及安全生產，實現邊種植邊修復，可以顯著提升重金屬污染農田土壤恢復的效率。

2.2.2 種植結構調整。在重金屬低富集品種的篩選與應用的基礎上，用其他作物替代食用或飼用作物，或用重金屬低富集食用或飼用作物種替代較高富集作物種，是重金屬污染農田實現安全生產的另一途徑。如在Cd污染的土壤上，用Cd低富集作物種類如番茄、西葫蘆、甘藍等來替代易積累Cd的作物種類，如白菜、菠菜、大豆、萵筍[34]等。特別是在重金屬中度—重度的農田，短時間內實現食用或飼用作物安全生產的難度極大。因此，這類農田在應用重金屬農田土壤修復技術進行初步修復后往往需要調整種植結構，種植其他作物。在浙江某地進行的示范試驗結果表明，中度—重度重金屬污染的農田，在適度運用化學技術進行修復之后，可以進行甘蔗等能源植物的生產[35]。

2.2.3 農藝措施調控。具體包括以下3個方面內容：

（1）間作、套作和輪作技術。根據當地氣候、土壤等環(huán)境條件和農作物種植習慣，選擇適宜植物品種進行間作、套作或輪作也能降低農田土壤的重金屬含量。間作、套作和輪作的基本思路是將重金屬高富集植物和低富集作物種植在一起或者將重金屬高富集植物先于重金屬低富集作物種植，通過重金屬高富集植物吸收富集土壤中的重金屬來保護低富集植物[36]。例如，在湖南省的定位試驗結果表明，與冬閑模式相比較，采取冬種輪作模式可顯著降低土壤中As、Cd、Hg、Pb等重金屬的含量，對土壤重金屬污染具有一定的消減作用，其中冬種紫云英—雙季稻輪作模式可同時降低Cd、Hg、As的含量，具有較好的消減效果，并且在土壤重金屬污染程度較為嚴重時，冬種輪作模式還可減少大米中重金屬的富集量。此外，該模式還可以提高水稻產量，提升大米品質[37]。

（2）施肥技術。一是化肥施用技術。合理施用重金屬含量符合標準的化肥，改變化肥施用的種類、比例和方法[36]。另外，適度施用特定種類的化肥與土壤污染修復技術相結合，還可以增強修復效果。二是氣肥施用技術。由于CO2氣體氣源廣泛，制造成本較低，因此很早就成為農業(yè)生產中公認的氣肥，我國在20世紀70年代末就開展利用CO2作為氣肥進行施肥效果的研究，至今已經發(fā)展成為一項成熟的技術。現在普遍認為適當的增加CO2濃度對植物生長具有積極作用。運用氣肥施用技術主要是和植物修復技術相結合，針對目前所獲得的重金屬高富集植物多數生長慢、生物量小的不足，如果能夠恰當運用氣肥施用技術，使其產量和生物量顯著增加，則這一不足可以大大緩解[38]。

（3）生物質焦利用技術。近年來，生物質焦利用技術作為一種新興的土壤污染修復技術受到學術界的廣泛認可。生物質焦對土壤中的重金屬離子具有較強的吸附能力，可有效降低土壤中重金屬離子的有效性。如對湖南省郴州市和福建省龍巖市的礦區(qū)污染土壤的生物質焦修復研究表明，施用生物質焦可顯著降低污染土壤上種植的油菜對Cd、Pb的富集[39]。

2.3 技術集成

隨著新技術的進步，特別是信息技術的不斷發(fā)展，將原有分散使用、各有利弊的一系列修復和安全利用技術加以整合成為可能。如使用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術對土壤重金屬污染進行空間分布特征分析和污染評價[40]，根據上述信息并結合相應技術的成本分析，確定特定區(qū)塊的最佳修復技術，并制作圖集對修復技術具體運用予以指導，在后期加以評估和改進[41]。借助人工神經網絡（ANN）技術的功能相似性，既可以使其與點位測量和GIS技術相結合[42]發(fā)展為復合技術，又可以用于分析農民使用意愿調查結果和評估優(yōu)化，因為農民使用意愿調查結果分析和技術應用評估優(yōu)化所需的數據量更大，分析難度更高，使用ANN技術可顯著提升分析和優(yōu)化效率，取得更好的效果。另外，可在現有農產品安全生產基地建設的基礎上[43]，建設綜合性的農產品安全生產新技術研發(fā)與示范應用基地或者整合平臺，為新技術的研發(fā)、集成及示范應用提供空間。技術集成的具體框架如圖1所示。

3 展望

到目前為止，我國在農田土壤重金屬污染、重金屬污染土壤的修復及安全利用方面開展了很多研究工作，與國外特別是發(fā)達國家對這個問題的重視時間幾乎保持同步，借鑒國外先進技術和思路，并結合我國的具體國情和實際，取得了大批特色鮮明的成果。但同時也要看到，目前我國針對農田土壤重金屬污染的研究還存在技術零散、技術水平低、集成度不高、運用最新技術有限等問題，針對多種重金屬協(xié)同修復和農田土壤重金屬污染治理和防控技術體系方面的報道不多，成果轉化有限[44]。

隨著我國對生態(tài)農業(yè)重視程度的進一步提高，建議結合農田調控技術、農藝運籌技術和生物技術、信息技術等高新技術，進一步研發(fā)低成本、易操作、副作用小、符合我國農業(yè)生產實際需要的重金屬污染農田土壤修復和安全生產技術；建立與之對應的重金屬污染農田土壤修復技術體系和重金屬污染農田土壤安全利用技術體系；加大研發(fā)成果體系的推廣力度，繼續(xù)推進信息技術主導下的農田重金屬污染土壤修復與安全利用技術集成，更有效地實現對我國重金屬污染農田修復與安全利用，為我國生態(tài)農業(yè)建設工作提供幫助。

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