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        農(nóng)田土壤重金屬污染的危害及修復(fù)技術(shù)

        2022-03-17 19:26:25閆曉強李漢杰周輝楊澤明張亞利陳曉光
        南方農(nóng)業(yè)·下旬 2022年1期
        關(guān)鍵詞:農(nóng)田土壤修復(fù)技術(shù)重金屬污染

        閆曉強 李漢杰 周輝 楊澤明 張亞利 陳曉光

        摘 要 隨著我國經(jīng)濟發(fā)展水平的顯著提升,農(nóng)田土壤重金屬污染問題逐漸加重,不僅降低了農(nóng)作物的生產(chǎn)質(zhì)量及產(chǎn)量,還危及人們的身體健康,因此合理處理農(nóng)田土壤重金屬污染成為當(dāng)前社會發(fā)展的首要任務(wù)。為確保農(nóng)田土壤重金屬污染能夠得到有效治理,在農(nóng)田土壤重金屬污染處理時,應(yīng)該因地制宜,結(jié)合污染的程度及來源,針對性地選擇物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)、聯(lián)合修復(fù)技術(shù)及生物修復(fù)技術(shù)等進行修復(fù)。

        關(guān)鍵詞 農(nóng)田土壤;重金屬污染;修復(fù)技術(shù)

        中圖分類號:X53 文獻標(biāo)志碼:B DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.02.008

        在我國農(nóng)業(yè)、工業(yè)等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展背景下,國民經(jīng)濟與科技水平得到有效提升,但同時也產(chǎn)生了一系列的污染問題,農(nóng)田重金屬污染就是其中最具代表性的污染問題。農(nóng)田重金屬污染不僅污染源繁雜、危害大,而且持續(xù)時間長、治理難度大,因此相關(guān)管理部門應(yīng)加大對農(nóng)田重金屬污染的重視度,對其進行深入研究,不斷創(chuàng)新并優(yōu)化修復(fù)技術(shù),最大程度解決農(nóng)田重金屬污染問題,從而實現(xiàn)我國社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。

        1 危害

        1.1 對農(nóng)作物的危害

        在日常的生產(chǎn)生活中會產(chǎn)生大量的重金屬,這些重金屬可謂無孔不入,它們通過各種途徑進入農(nóng)田土壤中,并在農(nóng)田土壤中逐漸富集,當(dāng)富集濃度超過土壤的承載力時,就會對農(nóng)作物的質(zhì)量及產(chǎn)量產(chǎn)生巨大的影響,進而降低農(nóng)民經(jīng)濟收益。此外,重金屬的屬性不同,對農(nóng)作物造成的危害也不同,根據(jù)相關(guān)調(diào)查,當(dāng)Cr2+的濃度達到0.1 mg·L-1時,將嚴重影響水稻種子的發(fā)芽。

        1.2 對人體健康的危害

        農(nóng)作物通過生產(chǎn)加工成為食品供人們食用,如果農(nóng)作物生長在重金屬超標(biāo)的土壤中,那么重金屬就會通過食品進入人體,對人們的身體健康造成不利的影響,相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),土壤及農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染對居民身體健康具有明顯的健康風(fēng)險,其中87.5%的健康風(fēng)險來自于農(nóng)產(chǎn)品攝入[1]。重金屬可以與人體內(nèi)的酶和蛋白質(zhì)結(jié)合,從而抑制酶的活性,破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),危及人們的生命安全。其中,鎘是一種毒性較強的重金屬,會對人體的肝臟、腎臟功能造成巨大的破壞。鎘與鈣的生理性質(zhì)相似,因此能夠替代骨骼中部分鈣,進而導(dǎo)致人們出現(xiàn)骨質(zhì)疏松、骨骼變形等不良現(xiàn)象,不利于骨骼系統(tǒng)的正常運行。另外,人體中鉛的富集濃度超標(biāo)會引發(fā)貧血、神經(jīng)紊亂等疾病。人體中鉻的富集濃度超標(biāo)會損害表皮組織,導(dǎo)致皮膚潰爛;鉻也能通過呼吸道進入人體,誘發(fā)呼吸道疾病;同時,鉻具有致癌、致畸、致突變的不良作用。砷也具有一定的致癌危險,砷中毒主要是通過長時間富集產(chǎn)生的,因此其致病作用具有一定的滯后性。

        2 來源

        2.1 農(nóng)資不規(guī)范使用

        在我國農(nóng)業(yè)與科技快速發(fā)展背景下,農(nóng)資用品得到了優(yōu)化升級,農(nóng)藥、化肥等被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物生產(chǎn)過程中。農(nóng)藥、化肥等相關(guān)農(nóng)資用品對于農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有促進作用,可有效提高農(nóng)作物質(zhì)量及產(chǎn)量,但如果使用方法不合理或過量會引發(fā)農(nóng)田重金屬污染。通過對農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)前我國遭受重金屬污染的耕地面積已經(jīng)超過了10%,每年因此而減產(chǎn)的糧食數(shù)量高達1 000萬t,甚至還有

        1 200萬t的糧食因重金屬含量超標(biāo)出現(xiàn)了不能食用的情況,所造成的經(jīng)濟損失高達200億元[2]。因此,在使用這些農(nóng)資用品時一定要嚴格把控用量,并采用正確的使用方法,保證農(nóng)資用品的有效性和生態(tài)環(huán)保性。

        2.2 污水農(nóng)灌

        污水農(nóng)灌是將一些工業(yè)廢水、城市中污染嚴重的地下水及部分污染物超標(biāo)的地表水用于農(nóng)作物灌溉,既有利于提高污水的再利用率,也有利于解決農(nóng)作物的干旱問題。對污水農(nóng)灌的農(nóng)田土壤進行研究發(fā)現(xiàn),土壤中含量最多的金屬元素為鋅、鎘、銅及砷,土壤中的鹽分堆積也較多。由此可知,如果長時間采用污水灌溉的方式進行農(nóng)田澆灌,會導(dǎo)致農(nóng)田土壤重金屬污染加重并擴散,進而影響農(nóng)作物的正常生長。近年來,隨著我國社會經(jīng)濟的增長,居民用水需求不斷提升,為滿足居民的用水需求,一些地區(qū)的農(nóng)民利用污水進行農(nóng)田澆灌,污水中的重金屬也由此進入農(nóng)田土壤中,長時間的污水農(nóng)灌致使土壤重金屬含量超標(biāo),進而降低農(nóng)作物的質(zhì)量,影響人們的身體健康。

        2.3 固廢傾倒

        如果將固體廢棄物傾倒在土壤上,會導(dǎo)致其內(nèi)部重金屬遷移擴散到周圍土壤和河流中,對土壤造成嚴重的重金屬污染。此外,由于我國當(dāng)前電子固廢垃圾傾倒法規(guī)不健全,缺少科學(xué)合理的關(guān)于電子垃圾和生活垃圾焚燒、傾倒等指導(dǎo)文件,導(dǎo)致大量電子垃圾和生活垃圾進入農(nóng)田,加劇農(nóng)田重金屬污染[3]。

        2.4 廢氣飄塵

        汽車尾氣排放、工業(yè)氣體排放及煤炭燃燒是導(dǎo)致農(nóng)田土壤重金屬污染的重要因素。在汽車行駛、工業(yè)生產(chǎn)及煤炭燃燒過程中會產(chǎn)生許多有害氣體,這些氣體含有大量重金屬元素,它們漂浮在空氣中,然后隨著降水進入農(nóng)田,對農(nóng)田土壤造成污染,最后使得土壤重金屬含量超標(biāo)。例如,有關(guān)研究人員對某市不同類型大氣中PM10顆粒中11種重金屬含量進行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),Pb、Co、Ni、Mn、Cr、Cu和Zn分別是其土壤本底值的39、312、6、291、56、135和777倍。汽車尾氣還會對道路兩側(cè)的農(nóng)田土壤造成一定污染,通常道路兩側(cè)農(nóng)田土壤中Co、Pb、Cu、Cd、Cr、Ni、As、Hg、Zn、Se和Mn等重金屬元素含量要高于遠離道路兩側(cè)的農(nóng)田[4]。此外,重金屬冶煉和礦山開采產(chǎn)生的有害氣體也是造成農(nóng)田污染的因素之一。

        3 修復(fù)技術(shù)

        3.1 物理修復(fù)技術(shù)

        常見的物理工程措施主要包括深耕翻土、去土、換土等,這些工程措施是通過擴大重金屬覆蓋面積,降低重金屬濃度等修復(fù)土壤,這種方法一般適用于小面積污染土壤,目前被英、美等發(fā)達國家廣泛使用。對于污染程度嚴重、污染面積較大的砂質(zhì)土壤,可以根據(jù)污染土壤的性質(zhì)與污染程度,選擇最佳的淋濾液,從土壤中成功分離出重金屬。電熱修復(fù)法是常見的物理修復(fù)技術(shù),該方法通過將電極插入重金屬污染土壤中,使重金屬離子在直流電壓下進行遷移、富集并修復(fù),并利用高頻電壓產(chǎn)生的熱能加熱重金屬污染土壤,從土壤中分離出具有揮發(fā)性的硒、砷和汞等重金屬。玻璃化技術(shù)是在高溫高壓條件下,通過在重金屬污染土壤中形成玻璃狀結(jié)構(gòu)來固定和穩(wěn)定重金屬的一種技術(shù)。冰凍土壤技術(shù)是將管道垂直放置在污染源附近,將無害的冷凍溶劑放置在管內(nèi)形成凍土屏障,避免污染物擴散。由于電熱修復(fù)技術(shù)和玻璃化技術(shù)的應(yīng)用成本較高,目前并未被廣泛應(yīng)用于土壤重金屬

        污染處理中。

        3.2 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

        1)淋洗絡(luò)合技術(shù)。通過將淋洗劑注入到污染土壤中,對污染土壤進行有效的洗脫與清洗,在完成上述工作后,要對其產(chǎn)生的廢液進行科學(xué)處理,避免出現(xiàn)二次污染現(xiàn)象。淋洗絡(luò)合技術(shù)具有效率高、速度快等特點,常用的淋洗劑包括活性劑、螯合劑及無機溶劑。2)固化/穩(wěn)定化技術(shù)。固化/穩(wěn)定化技術(shù)是將化學(xué)藥劑注入污染土壤中,并結(jié)合土壤污染的實際情況,配制合理的固化藥劑與穩(wěn)定藥劑,對污染物起到良好的抑制作用,使土壤處于一個平穩(wěn)的狀態(tài),防止重金屬擴散?;瘜W(xué)藥劑會阻礙重金屬進入農(nóng)作物,保證農(nóng)作物的產(chǎn)量及質(zhì)量,進而為人們的身體健康提供有利的保障。當(dāng)前,市場上固化劑、穩(wěn)定化藥劑種類眾多、價格優(yōu)惠,石灰、蒙脫石使用率相對較高,修復(fù)效果明顯,維持時間長久,且不會產(chǎn)生二次污染。但是,固化劑穩(wěn)定化技術(shù)也具有一定的不足,該技術(shù)治標(biāo)不治本,重金屬仍殘留在土壤內(nèi)部,如果藥劑失效,仍會再次面臨土壤重金屬污染問題,因此要合理應(yīng)用固化/穩(wěn)定化技術(shù),并做好后續(xù)的跟蹤及維護工作。3)離子拮抗技術(shù)。重金屬離子之間具有一定的拮抗作用,因此在進行土壤重金屬污染處理時,可以對重金屬離子的拮抗作用進行有效的加工與利用,即把對農(nóng)作物有利的金屬添加到污染土壤中,然后利用拮抗作用,降低農(nóng)作物中重金屬的含量。

        3.3 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)

        農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要是通過改變農(nóng)業(yè)耕作方式,并利用難以進入食物鏈、且對重金屬具有吸收作用的植物,從土壤中吸收和去除重金屬。與其他農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)相比,農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)具有低成本、易操作與高效率等一系列優(yōu)勢,但農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)的修復(fù)周期較長,不適用于重金屬污染嚴重、急需修復(fù)的土壤。

        3.4 聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

        單一的農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)雖然具有一定的治理效果,但其發(fā)展受到各自缺點的限制,因此聯(lián)合修復(fù)技術(shù)成為農(nóng)田土壤重金屬污染處理的必然選擇。當(dāng)前,我國科研人員已經(jīng)在聯(lián)合修復(fù)技術(shù)方面取得了顯著成果,衛(wèi)澤斌等首先采用淋洗技術(shù)對重金屬污染土壤進行淋洗,然后利用固定劑(FeCl3)使鉛、鋅等重金屬鈍化于農(nóng)田深處[5];張猛將電場和植物進行有效聯(lián)合,并利用其聯(lián)合作用處理土壤中的鎘、鉛、鋅等重金屬,實驗數(shù)據(jù)顯示,電場能夠有效提高相應(yīng)植物對重金屬的吸收能力,并借助植物成功去除土壤中的重金屬[6]。

        3.5 生物修復(fù)技術(shù)

        生物修復(fù)技術(shù)是農(nóng)田土壤修復(fù)的重要手段之一,是一種利用生物吸收、轉(zhuǎn)化、消解環(huán)境污染物的技術(shù)方法[7]。例如,老鼠或蚯蚓可以富集土壤中的重金屬。按所利用的生物種類,可分為微生物修復(fù)技術(shù)與植物修復(fù)技術(shù)。

        1)微生物修復(fù)技術(shù)。土壤中的微生物可以吸附重金屬,微生物修復(fù)技術(shù)可以降低土壤重金屬含量,改善土壤性質(zhì)。但微生物修復(fù)技術(shù)也有一定的局限性,例如,微生物遺傳穩(wěn)定性差、易發(fā)生變異,一般不能將污染物全部去除;微生物對重金屬的吸附和累積容量有限,而且須與土壤原始菌株競爭,受環(huán)境影響

        顯著。

        2)植物修復(fù)技術(shù)。植物修復(fù)技術(shù)通過采用耐重金屬植物降低重金屬在土壤中的移動性,減輕農(nóng)田土壤重金屬污染程度。植物修復(fù)具有操作簡單、成本低、不破壞土壤理化性質(zhì)等優(yōu)點[8],植物一般利用其根系積累和沉淀重金屬,以此改變重金屬的形態(tài),還可利用根系對重金屬進行吸附固定,最大限度降低重金屬對土壤、周邊農(nóng)田及地下水的污染程度。此外,植物根系在生長過程中會分泌一些物質(zhì),對土壤的根際環(huán)境具有積極的改善作用?,F(xiàn)階段,麻風(fēng)樹、蘆葦、蘆竹、纖維大麻及紅麻等經(jīng)濟植物被廣泛應(yīng)用于我國某些地區(qū)的農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)過程中。

        3.6 工程措施

        工程措施也是當(dāng)前普遍采用的降低農(nóng)田重金屬污染的一種手段。例如,通過向被污染土壤中加入清潔土壤并混合,以達到稀釋重金屬的效果,降低單位土壤中的重金屬含量;同時,利用清潔土壤覆蓋被污染土壤表層,為農(nóng)作物提供一個相對健康的生長環(huán)境。但是,工程措施不能從根本上解決農(nóng)田土壤重金屬污染問題,也不適用于污染較嚴重的土壤。

        4 結(jié)語

        通常情況下,土壤環(huán)境可以將進入其內(nèi)部的污染物慢慢分解,在一定程度上具有自凈功能,但當(dāng)重金屬富集過多,嚴重超出土壤本身的承受力時就會將土壤環(huán)境的平衡打破,致使土壤受到大量污染,極大地改變土壤本身的性質(zhì),使其功能漸漸消失,土壤肥力下降,而農(nóng)作物也會因此出現(xiàn)減產(chǎn)甚至死亡。在這種環(huán)境下生長出的農(nóng)作物對人體健康會造成很大影響。因此,對土壤重金屬污染問題及其修復(fù)技術(shù)要給予高度重視。

        參考文獻:

        [1] 黃穎.不同尺度農(nóng)田土壤重金屬污染源解析研究[D].杭州:浙江大學(xué),2018.

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        [3] 楊啟豪.農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀及修復(fù)技巧探討[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2019(31):5-6.

        [4] 張曉藝.農(nóng)田土壤重金屬污染狀況及修復(fù)技術(shù)研究[J].中國資源綜合利用,2019,37(4):86-88.

        [5] 衛(wèi)澤斌,郭曉方,吳啟堂.化學(xué)淋洗和深層土壤固定聯(lián)合技術(shù)修復(fù)重金屬污染土壤[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2010,29(2):407-408.

        [6] 張猛.淺析農(nóng)田土壤重金屬污染及修復(fù)技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),2020,40(1):114-116.

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        [8] 王爍.我國農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)、問題及對策的探討[J].環(huán)境與發(fā)展,2019,31(1):57-58.

        (責(zé)任編輯:張春雨)

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