王 宇，龔 航，謝趾東，湯運(yùn)凱，杜楊帆

（西藏大學(xué)，西藏自治區(qū) 拉薩 850000）

1 前言

我國(guó)高寒高海拔地區(qū)主要是指以青藏高原為主體的地理區(qū)域。因其獨(dú)特的氣候、海拔、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等自然因素，使該區(qū)域成為我國(guó)生態(tài)環(huán)境最脆弱的區(qū)域之一。同時(shí)，由于高海拔地區(qū)獨(dú)特的地質(zhì)構(gòu)造，造就了豐富的礦產(chǎn)資源，據(jù)西藏自治區(qū)統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2011年度采礦行業(yè)的產(chǎn)值占自治區(qū)工業(yè)產(chǎn)值的45.4%；2020年度自治區(qū)工業(yè)增加值較上一年度增長(zhǎng)9.6%，在采礦行業(yè)為主要的增長(zhǎng)引擎，增長(zhǎng)22.3%，且主要產(chǎn)品產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，銅、鉛、鋅金屬產(chǎn)量分別增長(zhǎng)24.8%、97.7%、44.4%。但隨著礦業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，即使采用了國(guó)際最先進(jìn)的礦業(yè)開采技術(shù)，同樣會(huì)對(duì)礦區(qū)周邊土地產(chǎn)生重金屬污染等負(fù)面影響，且相關(guān)污染問題也接踵而至。如礦區(qū)土壤重金屬污染會(huì)降低礦區(qū)周邊土壤的質(zhì)量，破壞當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)系統(tǒng)；而重金屬污染嚴(yán)重的區(qū)域甚至?xí)?duì)人體健康造成嚴(yán)重威脅。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)研究了礦區(qū)周邊土壤污染的問題，但針對(duì)高寒高海拔礦區(qū)周邊土壤重金屬污染的研究相對(duì)較少。由此，本文分析了高寒高海拔礦區(qū)土壤重金屬的來(lái)源以及危害，并提出了多種高寒高海拔礦區(qū)土壤重金屬修復(fù)防治的方法。

2 礦區(qū)土壤重金屬污染的來(lái)源

高寒高海拔礦區(qū)周邊土壤中重金屬污染物的來(lái)源大致可分為以下兩個(gè)方面。一方面是礦區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的含有較多重金屬物質(zhì)的污廢水，包括礦區(qū)開采過程中產(chǎn)生的廢水、金屬礦物處理污水、冶礦廢水等。通常，在自然與人為因素的干擾下，這些富含重金屬離子的污廢水會(huì)滲入土壤，并通過一系列理化反應(yīng)被土壤離子吸附；而另一方面主要是來(lái)源于礦區(qū)在采礦過程中產(chǎn)生的尾礦，特別是有色金屬礦區(qū)，如鉛、金、銅礦區(qū)等，這些尾礦中通常會(huì)含有大量的重金屬物質(zhì)，其中，礦渣和低品位礦石中的重金屬含量最高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)有色金屬工業(yè)固體廢物年排放量達(dá)6 590萬(wàn)噸，占全國(guó)總排放量的10.6%，但其利用率僅有8%左右[1]。因此，在自然條件下，這些堆在礦區(qū)周邊的高含量重金屬?gòu)U物可能會(huì)因?yàn)榻涤旰退峄冑|(zhì)，并擴(kuò)散到周圍的耕地區(qū)域，從而造成了土壤重金屬污染。

3 土壤重金屬污染的危害

污染土壤中的重金屬元素主要包含汞、鎘、鉛、銅等具有生物毒性的元素。所以，重金屬污染的一大特性就是難降解，而絕大部分重金屬物質(zhì)不像普通的有機(jī)物，可以被土壤中的細(xì)菌、真菌等微生物利用分解。所以，重金屬污染物會(huì)隨著時(shí)間的推移在土壤中慢慢積累，并逐漸影響礦區(qū)周邊的土壤肥力與利用率，甚至可能會(huì)通過理化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為遷移能力與毒性更強(qiáng)的烷基化合物（例如甲基汞），從而被植物或其他生物吸收和富集，再通過食物鏈的傳播在動(dòng)物體內(nèi)中逐漸積累，最終影響人類身體健康。例如，鉛通過食物鏈進(jìn)入人體后會(huì)被腸道吸收，然后經(jīng)血液傳播進(jìn)入到人體的各個(gè)器官和組織，最后與骨骼相結(jié)合。由于鉛化合物的排出速率十分緩慢，所以在人體內(nèi)的滯留時(shí)間較長(zhǎng)，這樣就可能會(huì)導(dǎo)致人體慢性中毒；而食用過量的鎘則會(huì)使生物體無(wú)法吸收鈣，最終導(dǎo)致骨質(zhì)疏松和骨骼軟化，嚴(yán)重的還可能會(huì)引起骨痛（也稱為痛風(fēng)）；砷化合物通過血液在人體組織中積累，可導(dǎo)致人體中毒，被認(rèn)為是最具毒性的物質(zhì)；汞的危害不僅會(huì)影響呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)中的器官，還會(huì)影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)；鉻是一種必需的微量元素，對(duì)生物體至關(guān)重要，鉻不足可能導(dǎo)致動(dòng)脈硬化，但過度攝入可能會(huì)損害腎臟和肝臟，甚至?xí)┌Y[2-4]。

4 礦區(qū)土壤重金屬污染的防治措施

4.1 物理、化學(xué)修復(fù)治理技術(shù)

在礦區(qū)土壤重金屬污染的修復(fù)治理過程，物理/化學(xué)修復(fù)治理技術(shù)主要是基于當(dāng)?shù)赝寥雷陨淼睦砘再|(zhì)以及其中重金屬污染物的不同特性，而對(duì)污染土壤進(jìn)行全方位修復(fù)。該技術(shù)可通過理化治理手段將污染土壤中的重金屬物質(zhì)從土壤顆粒中分離或固定在土壤顆粒中，從而降低污染物的遷移轉(zhuǎn)化能力，減少對(duì)環(huán)境和健康造成的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而提高礦區(qū)周邊土壤的利用率。該技術(shù)在實(shí)際修復(fù)治理過程中，既方便又靈活，且治理時(shí)間較短，適用于各種重金屬的處理，并廣泛應(yīng)用于重金屬污染土壤的修復(fù)治理。但物理/化學(xué)修復(fù)治理技術(shù)的工程數(shù)量和實(shí)施成本相對(duì)較高，所以，這在一定程度上限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。

4.1.1 深耕翻土法、客土法、換土法的修復(fù)技術(shù)

深耕翻土法、客土法、換土法等物理修復(fù)技術(shù)只適用于處理小規(guī)模的重金屬污染土壤。其中，深耕翻土處理法是指將礦區(qū)周圍受污染的表層土進(jìn)行翻動(dòng)，使表層土與深層土進(jìn)行充分的攪拌混合，從而使表層土中重金屬污染物擴(kuò)散范圍變大，最終使重金屬污染物的濃度下降到土壤的最大承受值范圍內(nèi)，從而減少重金屬污染對(duì)環(huán)境造成的影響?？屯练ㄖ饕窃谑苤亟饘傥廴镜耐寥辣韺痈采w上清潔地區(qū)未被污染的土壤，將原本受到污染的土壤掩埋至可耕層以下，從而減少重金屬污染對(duì)生態(tài)的影響；或?qū)⑶鍧嵉貐^(qū)未受污染土壤與礦區(qū)受污染土壤相混合，以此使重金屬污染的濃度降低到土壤的最大承受值以下。換土法與客土法相類似，也是通過轉(zhuǎn)移清潔地區(qū)未受污染的土壤來(lái)替換部分或全部礦區(qū)周邊受污染的土壤?？屯练ê蛽Q土法所覆蓋土壤或替代土壤的厚度必須要大于土壤的可耕層厚度，以便將發(fā)生二次污染的風(fēng)險(xiǎn)降到最低范圍內(nèi)。

這些物理修復(fù)處理方法在十九、二十世紀(jì)已被英國(guó)、荷蘭、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家所采用，在治理技術(shù)十分有限的前提下，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家通過此類方法在很大程度上減少了礦區(qū)周邊重金屬污染物造成的損害，所以，這是一種十分有效的處理方法。這種方法效果十分穩(wěn)定，且治理過程較為完善，工藝體系較為成熟，但其缺點(diǎn)在于治理費(fèi)用較高，土壤肥力容易下降，同時(shí)，開展過程較為復(fù)雜，需要大量的人力、財(cái)力和物力，造成成本相對(duì)較高。此外，這類方法并不能完全消除土壤中的重金屬，而且還存在占用土地、滲漏和二次污染等問題。因此，這類方法并不是高寒高海拔礦區(qū)控制重金屬污染土壤的理想方法。

4.1.2 土壤淋洗修復(fù)治理技術(shù)

土壤淋洗法主要是指通過使用淋洗劑淋洗土壤，從而去除土壤中重金屬污染物的過程，因此，選擇有效的淋洗劑是淋洗土壤成功的關(guān)鍵。淋洗法可用于處理污染嚴(yán)重的土壤，特別是輕質(zhì)土壤和砂質(zhì)土壤，但對(duì)于低滲透土壤效果不是十分理想；同時(shí)，土壤淋洗法需要價(jià)格昂貴的淋洗劑，而且土壤淋洗很有可能會(huì)污染地下水，造成二次污染。此外，土壤中重金屬的淋洗和根基營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如Ca和Mg）的淋洗會(huì)導(dǎo)致土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)短缺，從而降低其肥力。因此，在治理高寒高海拔礦區(qū)土壤時(shí)，需要從淋洗劑的類型和濃度、土壤特性、污染程度和土壤污染物等諸多因素進(jìn)行可行性評(píng)估。

4.1.3 熱解吸修復(fù)治理技術(shù)

熱解吸技術(shù)主要是直接或間接持續(xù)加熱受重金屬污染的土壤，當(dāng)溫度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，土壤中的某些重金屬物質(zhì)（如Hg、As等）將揮發(fā)，同時(shí)，可將揮發(fā)的重金屬收集進(jìn)行集中處理，以實(shí)現(xiàn)清除土壤中重金屬污染物的目的。熱解吸技術(shù)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是由于加熱能耗過大，所以處理成本較高。而另一個(gè)顯著的問題是如何提高收集和處理處置揮發(fā)性重金屬污染物的效率，如果以上過程效率不高，有很大可能會(huì)使重金屬物質(zhì)逸散到大氣中，從而造成環(huán)境二次污染。

4.2 生物修復(fù)治理技術(shù)

在土壤重金屬污染的修復(fù)治理中，生物修復(fù)技術(shù)主要是指利用植物或者微生物的生命代謝活動(dòng)來(lái)改變土壤中重金屬的化學(xué)形態(tài)，從而減少毒性或降低其遷移能力。經(jīng)研究表明，土壤中動(dòng)物的代謝活動(dòng)（如蚯蚓）在很大程度上取決于外部條件，不適合在土壤中處置重金屬。但在實(shí)際應(yīng)用中，生物修復(fù)可以改變土壤中重金屬的化學(xué)形態(tài)，固定重金屬物質(zhì)或使其毒性減弱，并降低其在土壤環(huán)境中的遷移能力和生物利用率。并且，生物修復(fù)技術(shù)具有一系列優(yōu)勢(shì)，如良好的恢復(fù)效果、低投資、低成本、易于管理和操作且不易產(chǎn)生二次污染等。

4.2.1 植物修復(fù)治理技術(shù)

在應(yīng)用該技術(shù)修復(fù)治理土壤重金屬污染時(shí)，一般是指通過種植對(duì)重金屬污染物具有良好耐受性的植物，來(lái)吸附、固定、轉(zhuǎn)化、降解土壤中的重金屬污染物。通常，植物修復(fù)重金屬污染的過程會(huì)受地理?xiàng)l件、生態(tài)類型、人為干預(yù)等多種因素的影響，而主要的影響因素為植物種類及數(shù)量、礦區(qū)周邊土壤理化性質(zhì)以及植物根圈土壤微生物的種類與數(shù)量等。植物修復(fù)技術(shù)不僅包括對(duì)重金屬污染物的提取和去除，還包括對(duì)重金屬污染物的固定與轉(zhuǎn)化。其中，植物提取技術(shù)是重要的技術(shù)環(huán)節(jié)：該技術(shù)是利用植物吸收污染土壤中的重金屬，并在植物根系處等部位進(jìn)行蓄積。在完成重金屬污染物初步的富集固定后再將植物收割，從而達(dá)到消除污染物的目的，其中，最為關(guān)鍵的步驟是篩選具有超富集能力的植物。近年來(lái)，對(duì)于植物修復(fù)治理技術(shù)的研究已成為環(huán)境科學(xué)中的熱點(diǎn)話題，且該技術(shù)在實(shí)際污染場(chǎng)地的修復(fù)治理工程中得到了推廣應(yīng)用。

植物修復(fù)技術(shù)與傳統(tǒng)的物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)相比，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)成本方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：（1）利用植物修復(fù)礦區(qū)的污染土壤時(shí)，可同時(shí)對(duì)周邊環(huán)境污染進(jìn)行修復(fù)；（2）植物修復(fù)成本較為低廉，可通過收割的植物，再利用萃取的方式將植物根系的所富集的重金屬進(jìn)行回收；（3）植物修復(fù)技術(shù)在具有美化環(huán)境效果的同時(shí)，還可以起到生態(tài)修復(fù)與景觀再造的作用；（4）植物修復(fù)可以改善土壤肥力，提高土壤利用率。但與物理化學(xué)修復(fù)方法相比較，植物修復(fù)技術(shù)也有美中不足的方面，例如，絕大部分植物對(duì)礦區(qū)土壤重金屬污染物的耐受力有限，所以，植物修復(fù)技術(shù)只適用于重金屬中度污染土壤的修復(fù)補(bǔ)救。并且，礦區(qū)周邊土壤污染往往是多種重金屬元素污染，單種植物通常只能吸收富集一種或少數(shù)幾種重金屬元素，同時(shí)，存在植物生長(zhǎng)緩慢，土壤凈化時(shí)間長(zhǎng)，難以滿足受污染土壤的快速凈化要求。

4.2.2 微生物修復(fù)治理技術(shù)

土壤是微生物棲息的第一天然場(chǎng)所，礦區(qū)土壤也是如此。而土壤中含有的大量不同種類的微生物，有相當(dāng)一部分的細(xì)菌、藻類等可通過礦化作用或共代謝作用，來(lái)降解轉(zhuǎn)化土壤中的重金屬物質(zhì)。以細(xì)菌為例，細(xì)菌中的細(xì)胞壁富含羧基陰離子和磷酸陰離子，是細(xì)菌直接接觸土壤重金屬的部位，在細(xì)菌與重金屬物質(zhì)相接觸時(shí)，細(xì)胞壁中的羧基陰離子和磷酸陰離子會(huì)與重金屬離子相結(jié)合，從而吸附固定土壤中的重金屬物質(zhì)；同時(shí)，細(xì)菌及其分泌物會(huì)進(jìn)一步降解重金屬元素，從而達(dá)到修復(fù)治理的目的。所以，根據(jù)礦區(qū)周邊土壤的污染情況，接種合適的菌株是治理礦區(qū)周邊土壤重金屬污染的良好方式之一。所以，優(yōu)良真菌種類的選擇以及其在植物修復(fù)中的應(yīng)用是今后微生物修復(fù)的發(fā)展方向。

但利用該技術(shù)治理土壤重金屬污染的一個(gè)顯著不足之處就是，微生物對(duì)重金屬污染物的耐毒性較差，當(dāng)重金屬污染物濃度過高時(shí)，微生物的活性會(huì)下降，從而影響治理修復(fù)效果。所以，普通的微生物處理方式一般只適用于礦區(qū)周邊輕度或偏中度的重金屬污染。但對(duì)于重金屬污染較為嚴(yán)重的區(qū)域，可采用固定化微生物技術(shù)對(duì)環(huán)境進(jìn)行修復(fù)治理。固定化微生物技術(shù)治理礦區(qū)周邊重金屬污染的主要機(jī)制是：通過包埋法、吸附法等固定化方法將微生物進(jìn)行固定化處理，使其重金屬耐毒性得到大幅度提升，從而提高微生物的活性，并使其生物化學(xué)特性能得到有效維持，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)凈化修復(fù)土壤環(huán)境的目的。

4.3 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)主要是根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件調(diào)整某些農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)，并在受污染的土壤中廣泛栽種不屬于當(dāng)?shù)厥澄镦溓揖哂薪饘俑患芰Φ闹脖唬瑥亩档椭亟饘傥廴緦?duì)環(huán)境以及生物的危害。農(nóng)業(yè)措施主要包括控制土壤濕度、改善耕作系統(tǒng)、合理使用農(nóng)藥和化肥、調(diào)整農(nóng)作物種類等。

4.3.1 合理使用化肥、殺蟲劑等

使用化肥和殺蟲劑等是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最基本的農(nóng)業(yè)措施。研究表明，使用有機(jī)肥料不僅可以改善土壤中的有機(jī)物，還可以吸附或絡(luò)合固定土壤中的部分重金屬。通過指導(dǎo)礦區(qū)周邊種植農(nóng)田的農(nóng)民合理使用化肥和農(nóng)藥，可有效控制土壤的重金屬污染。以施用氮肥為例，不同形式的氮肥對(duì)于土壤重金屬吸附的效果不同。當(dāng)植物吸收銨根離子和氨時(shí)，其根部會(huì)分泌不同的離子。當(dāng)植物吸收銨根離子時(shí)，會(huì)引起氫離子的分泌，導(dǎo)致根際酸化；而當(dāng)植物吸收氨時(shí)，會(huì)引起氫氧根的分泌，導(dǎo)致根際堿化。所以，對(duì)于大多數(shù)受重金屬污染的土壤而言，施用硝酸鹽氮肥料可有效降低重金屬污染的生物毒性與遷移能力。

4.3.2 改善耕作制度和調(diào)整農(nóng)作物種類

改善當(dāng)?shù)氐母髦贫?，并調(diào)整農(nóng)作物的品種及類型是減少礦區(qū)周邊重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的有效措施。在污染土壤中，種植對(duì)重金屬元素具有抗性的耐金屬植物品種，可減少重金屬在植物可食用部分的積累，從而確保農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全，也可以減少重金屬對(duì)環(huán)境和健康造成的風(fēng)險(xiǎn)。而且，在高度污染地區(qū)種植對(duì)重金屬元素富集能力強(qiáng)的農(nóng)作物，并通過持續(xù)種植和收割，可有效防止重金屬再次進(jìn)入污染地區(qū)。需要注意的是，在一些礦區(qū)周邊重金屬中低濃度污染的農(nóng)田中，還要兼顧不改變當(dāng)?shù)氐姆N植習(xí)慣，盡量在治理土壤重金屬污染時(shí)不影響糧食生產(chǎn)。

5 研究展望

隨著高原地區(qū)礦業(yè)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，礦山開采范圍逐漸擴(kuò)大，也因此加劇了礦區(qū)周邊土壤重金屬污染的程度，并嚴(yán)重影響了高原地區(qū)的土壤環(huán)境，這對(duì)礦區(qū)周邊居民的身體健康產(chǎn)生了巨大的安全隱患。同時(shí)，土壤重金屬污染與農(nóng)產(chǎn)品安全息息相關(guān)，而部分重金屬污染物會(huì)通過大氣、水等環(huán)境介質(zhì)進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化，從而最終影響高原脆弱的生態(tài)環(huán)境。所以，開展高寒高海拔礦區(qū)周邊土壤重金屬污染修復(fù)治理技術(shù)的研究，對(duì)于提高當(dāng)?shù)氐耐恋乩寐?，改善礦區(qū)周邊的生態(tài)結(jié)構(gòu)，以及加快污染地區(qū)的環(huán)境修復(fù)，促進(jìn)周邊農(nóng)田農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，保障周邊居民的生命健康具有重大意義。而礦區(qū)土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)與工程實(shí)踐經(jīng)過多年的探索與努力，已取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。但由于土壤重金屬污染問題的復(fù)雜性，再加上目前的修復(fù)治理技術(shù)還較為有限，所以，當(dāng)前的重金屬污染土壤的修復(fù)治理效果與人們的期望值仍存在較大差距。因此，研發(fā)高效率、低成本、可操作性強(qiáng)的土壤修復(fù)技術(shù)，且將這些修復(fù)治理技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證、推廣，并應(yīng)用于實(shí)際的治理工程中是當(dāng)前環(huán)境工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。