鐘 正，何冠諦，何騰兵

（1.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽550025；2.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽550025）

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著現(xiàn)代工業(yè)化和城市化的不斷發(fā)展，工業(yè)污染對土壤的危害也愈加嚴(yán)重[1]。當(dāng)前，土壤不僅遭受工業(yè)的污染，生活中產(chǎn)生的未經(jīng)過嚴(yán)格處理的廢水、廢物以及農(nóng)藥化肥等直接排放到土壤也對其造成嚴(yán)重的污染。因此，土壤污染尤其是土壤重金屬污染的問題日益嚴(yán)峻。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，在20世紀(jì)的后50年里，排放到全球環(huán)境中的鎘（Cd）為2.2 萬t，銅（Cu）為93.9萬t，鉛（Pb）為78.3萬t，鋅（Zn）為135萬t，其中有不少最終進(jìn)入土壤，導(dǎo)致世界各國土壤均受到不同程度的重金屬污染[2]。

重金屬元素主要通過大氣沉降、固體廢物、污水灌溉和農(nóng)業(yè)措施等途徑進(jìn)入土壤，因其難降解、毒性強(qiáng)、積累效應(yīng)顯著[3]，極易在土壤和植物中積累，從而對土壤和人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。為此，前人在土壤重金屬方面作了大量研究，并取得一定成果。為促進(jìn)土壤重金屬污染治理的持續(xù)發(fā)展，筆者等對土壤重金屬污染防治研究進(jìn)行綜述，探討土壤重金屬污染防治中存在的問題以及發(fā)展趨勢，以期為土壤重金屬污染預(yù)防和治理的進(jìn)一步研究提供參考。

1 土壤重金屬污染預(yù)防的發(fā)展歷程

1.1 預(yù)防體制

發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)中后期受到了經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展所帶來的土壤重金屬污染的危害，因此在防治相關(guān)的政策上相比我國起步較早。日本在經(jīng)歷痛痛病之后，擴(kuò)大了《公害對策基本法》中典型公害的種類，將土壤重金屬污染增加到典型公害里。隨后通過頒布一系列法規(guī)，如《農(nóng)用地土壤污染防治法》《土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》《土壤污染對策法》等[4]，逐步健全了土壤重金屬污染防治的對策。

我國自改革開放后，經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)快速增長的走勢，但環(huán)境質(zhì)量卻越發(fā)下降，國家也逐漸意識到環(huán)境保護(hù)的重要性，于1989年頒布的《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》開始在法律上有了原則性要求，但并未涉及具體操作的規(guī)定。隨著研究的不斷深入，國家也對環(huán)境污染愈加重視[5]。張川東等[6]在針對預(yù)防煙草重金屬污染措施的研究中提到加大環(huán)境保護(hù)力度，建立生態(tài)煙草種植基地，改良煙草品種，從法制、管理、生態(tài)3個方面預(yù)防煙草重金屬污染。這些措施有效地降低或阻止重金屬污染對作物的危害，同時也預(yù)示著土壤重金屬污染的預(yù)防工作也需要從源頭抓起。2014年4月24日第十二屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第八次會議通過了《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》的修訂，對污染物排放的限制與處理、以及環(huán)境的保護(hù)和改善等作了具體的規(guī)定。

1.2 預(yù)防技術(shù)

20世紀(jì)70年代歐共體在日內(nèi)瓦舉行的環(huán)境領(lǐng)域內(nèi)國際合作全歐高級會議通過的《少廢無廢工藝和肥料利用宣言》中提出清潔生產(chǎn)（Cleaner Production）概念，并于1979年宣布推行工業(yè)清潔生產(chǎn)的政策。農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)要求采用先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，合理利用當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源，通過科學(xué)的方式施用農(nóng)業(yè)化學(xué)物品，以此減少農(nóng)業(yè)化學(xué)產(chǎn)品的超量使用對土壤所造成的污染，借此生產(chǎn)無污染、無公害的農(nóng)產(chǎn)品，從而通過科學(xué)的途徑實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物減量化、資源化和無害化，促進(jìn)生態(tài)平衡，保證人體健康，實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[7]。這樣的生產(chǎn)方式，可以保證土壤長期處于無污染狀態(tài)，從源頭上實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境清潔性。從當(dāng)前的研究成果看，清潔生產(chǎn)的推廣，能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程科學(xué)化，同時隨著肥料施用量的顯著降低，從源頭上減少了土壤中重金屬離子的引入。另一方面，清潔生產(chǎn)對農(nóng)業(yè)廢棄物處理有嚴(yán)格的要求，從而減少土壤因農(nóng)業(yè)廢棄物的堆放而導(dǎo)致的污染。

2 土壤重金屬污染治理方法

目前我國對土壤重金屬污染主要通過工程、化學(xué)、農(nóng)業(yè)和生物等方法進(jìn)行治理。

2.1 工程治理

主要是指用物理原理治理土壤重金屬污染。初期的修復(fù)技術(shù)有換土、客土、翻土等[8]方法，后來隨著研究的不斷深入，又發(fā)展去表土、淋洗法、電解法、熱處理等[9－10]方法。研究表明，工程治理方法具有效果徹底且穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但工程治理因其施工復(fù)雜，成本較高，同時部分技術(shù)（如翻土和去表土等）僅能使用1次或少數(shù)幾次，翻土等技術(shù)還將表層受污染的土壤未加處理就移動至深層，反而造成深層土壤以及水分的污染，部分重金屬元素還將隨著水分的遷移被移動到更遠(yuǎn)的地區(qū)[11]，造成更大面積的土壤重金屬污染。因此，工程治理法使用局限性較多，不適宜大面積土壤重金屬污染的治理，僅適合特殊環(huán)境條件的局部地區(qū)短時間改善表層土壤，很難真正改善土壤的重金屬污染現(xiàn)狀。

2.2 化學(xué)治理

利用化學(xué)原理向被重金屬污染的土壤中投入特定的改良劑[12]、抑制劑和洗滌劑[13]等，增加土壤中有機(jī)質(zhì)、陽離子代換量和粘粒的含量，改變土壤的理化性質(zhì)（如pH、Eh 和電導(dǎo)等），降低重金屬的生物有效性，減少土壤中重金屬離子向植物的轉(zhuǎn)移，從而減少植物的重金屬含量[14]。具體的技術(shù)有沉淀法、有機(jī)質(zhì)法、吸附法等?；瘜W(xué)治理的效果適中，費(fèi)用較工程法顯著降低，能一定程度上改善污染土壤上植物的重金屬含量，但由于重金屬離子仍存在于土壤中，此方法并未從根本上將土壤中的重金屬離子去除或降低，土壤中的重金屬離子容易再度活化造成污染；同時化學(xué)藥劑的引入通過改變土壤的理化性質(zhì)也會影響植物生長以及土壤肥力等。雷鳴等[15]選擇3種含鐵材料[FeCl3、Fe（OH）3和FePO4]進(jìn)行重金屬和砷復(fù)合污染底泥的穩(wěn)定化處理表明，3 種含鐵材料都不能實(shí)現(xiàn)底泥中重金屬和砷的同時穩(wěn)定化。因此，化學(xué)治理方法也有較大的局限性，僅能在一定程度上降低污染土壤對植物的影響，不能從根本上解決土壤中的重金屬污染問題。

2.3 農(nóng)業(yè)治理

通過合理的耕作管理制度減輕土壤重金屬污染對植物的危害。在污染的土壤上種植對該種重金屬有較強(qiáng)忍耐能力或低積累的作物；選擇合適的化肥，引入能降低土壤重金屬污染的元素等。林汲等[16]研究了硅藻土有機(jī)肥對Cd、Zn混合污染土壤中重金屬元素的形態(tài)有效性表明，施用硅藻土有機(jī)肥能增強(qiáng)土壤膠體對重金屬離子的吸附能力，使土壤中重金屬離子數(shù)量減少，從而降低植物對重金屬元素的吸收。農(nóng)業(yè)治理方法易操作、費(fèi)用低，但農(nóng)業(yè)耕作周期長，且需要其他治理方法的配合才能有一定的效果。另外，農(nóng)業(yè)治理方法也不能從根本上降低或消除土壤的重金屬污染。因此，農(nóng)業(yè)治理方法只能作為其他治理方法的輔助手段，而非核心技術(shù)。

2.4 生物治理

利用生物的生命代謝活動來減少環(huán)境中有毒有害物質(zhì)的濃度或使其完全無害，從而使污染的土壤部分或完全恢復(fù)到原始狀態(tài)[17]。生物治理方法包括動物修復(fù)、微生物修復(fù)和植物修復(fù)。其機(jī)理是利用生物（主要是微生物、植物和動物）的生理活動，改變重金屬元素在土壤中的化學(xué)形態(tài)，使重金屬元素固定或解毒，降低其在土壤環(huán)境中的移動性和生物可利用性；或通過動植物的吸收、代謝活動來達(dá)到對重金屬元素的削減、凈化與固定的目標(biāo)。近年來，隨著超累積現(xiàn)象以及超積累植物的發(fā)現(xiàn)，植物修復(fù)技術(shù)已成為生物治理乃至現(xiàn)有的治理技術(shù)中前景最好的方法。

2.4.1 動物修復(fù)技術(shù) 利用土壤中某些低等動物如蚯蚓、鼠類等吸收土壤中的重金屬，從而降低土壤中重金屬含量。戈峰等[18]研究表明，通過牛糞或垃圾飼養(yǎng)的蚯蚓對硒和銅元素有較強(qiáng)的富集能力，測試所得其最高富集硒和銅的量分別為332.5mg／kg和1 376.0mg／kg。與此同時，蚯蚓還能通過提高土壤重金屬的活性使植物吸收重金屬的效率增加[19]。動物修復(fù)技術(shù)的局限在于低等動物吸收重金屬后可能再次釋放到土壤中造成二次污染，目前還暫無合理有效的提取并去除富集在動物體內(nèi)的重金屬元素的方法。

2.4.2 微生物修復(fù)技術(shù) 利用土壤中某些微生物對重金屬元素的吸收、沉淀、氧化還原作用等，降低土壤中重金屬的毒性。Siegel等[20]研究表明，真菌通過分泌氨基酸、有機(jī)酸和其他代謝產(chǎn)物溶解重金屬以及含重金屬的礦物。Chanmugathas 等[21]發(fā)現(xiàn)，在土壤中加入有機(jī)質(zhì)同時再加入適量容易被微生物利用的葡萄糖，微生物的活動能促進(jìn)鉛、鎘、鋅、銅等重金屬的溶解，將重金屬離子從土壤中轉(zhuǎn)移出來，使未經(jīng)滅菌處理的淋洗液中重金屬離子濃度明顯高于滅菌處理的。有研究表明，部分微生物如動膠菌、藍(lán)細(xì)菌、硫酸還原菌以及某些藻類，能夠產(chǎn)生具有大量陰離子基團(tuán)的胞外聚合物（如多糖、糖蛋白等），與重金屬離子形成絡(luò)合物，將土壤中的重金屬離子固定并轉(zhuǎn)移出來，從而有效地去除土壤中的重金屬[22]。在重金屬的脅迫下，某些微生物能通過自身活動（如氧化、還原、甲基化和脫甲基化等過程），改變土壤環(huán)境中重金屬元素的存在形態(tài)，從而改變其毒性[23]，減輕其對土壤以及植物生長發(fā)育的影響。另有研究表明[24]，一些真菌可顯著促進(jìn)植物吸收重金屬，提高植物修復(fù)的效率。目前對微生物修復(fù)技術(shù)的研究較少，缺乏如何將微生物固定或溶解的重金屬元素提取出來的研究，同時也缺乏對微生物固定或溶解重金屬元素效率的研究，從現(xiàn)有的初步研究看，微生物修復(fù)技術(shù)前景較好，應(yīng)大幅增加研究力度，同時也應(yīng)考慮引入一些新的技術(shù)如基因工程等，通過改造微生物的方式來增加其對某些特定重金屬的固定或溶解強(qiáng)度，增加微生物修復(fù)技術(shù)的實(shí)用性。

2.4.3 植物修復(fù)技術(shù) 利用部分植物能忍耐和超量積累某種或多種重金屬元素的特性降低土壤中重金屬的含量。其修復(fù)機(jī)理主要包括植物的吸收、轉(zhuǎn)化、降解與合成；根系分泌物促進(jìn)土壤微生物（細(xì)菌、真菌、放線菌等）的降解、轉(zhuǎn)化及生物固化；根系的機(jī)械阻留、根系的離子交換和吸附。植物修復(fù)技術(shù)主要分為植物提取、根際過濾、植物穩(wěn)定、植物揮發(fā)4種。植物對重金屬元素的選擇吸收早在20世紀(jì)前就被人們所認(rèn)識，隨著近年來超累積現(xiàn)象和超積累植物的發(fā)現(xiàn)，促成植物提取技術(shù)在土壤污染治理方面的快速應(yīng)用與發(fā)展。通過超積累植物的應(yīng)用，植物提取技術(shù)相對于其他修復(fù)技術(shù)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢[25]。由于超積累植物對重金屬元素有很強(qiáng)的選擇吸收能力，因此已有人找到了多種具有超積累能力的植物：如遏藍(lán)菜（Thlaspicaerulescens）富集Zn和Cd，高山甘薯（Ipooeadouarrei）富集Cu，庭芥屬（Alyssumbertolonii）可富集Ni，而芥菜（Brassica juncea）可 以 吸 收 和 積 累Pb、Cd、Zn 等 多 種 金屬[26－27]。以As為例，在As等重金屬污染修復(fù)方法中，植物修復(fù)與傳統(tǒng)修復(fù)所采用的客土法、化學(xué)沖洗、電化學(xué)等方法比較，有成本低、效果良好、不破壞環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[28]，成為普遍推崇的重金屬污染治理方法。特別是國內(nèi)研究人員在湖南發(fā)現(xiàn)世界上第一種砷的超累積鳳尾蕨植物——蜈蚣草（Pterisvittata）能夠超富集土壤中的As以來，As超富集植物及As污染土壤植物修復(fù)研究從理論到應(yīng)用日益深入。研究表明，As超富集植物蜈蚣草能夠?qū)⑼寥乐械腁s吸收并轉(zhuǎn)運(yùn)到植物的地上組織中，其地上部分As含量達(dá)到植物干重的2.3%[29]。

2.5 綜合治理

2.5.1 植物－農(nóng)業(yè)修復(fù)技術(shù) 吳啟堂等[30]提出，可以選擇將重金屬超積累植物和低積累作物套種，能進(jìn)一步提高超積累植物提取重金屬元素的效率，同時低積累作物也能生產(chǎn)出符合食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)物，這樣可實(shí)現(xiàn)邊治理邊生產(chǎn)。這個模式的應(yīng)用需注意超積累植物和低積累作物之間的搭配，同時考慮到我國受污染土壤大多為多種重金屬共同污染，可以考慮將多種不同重金屬超積累植物種植在一起，從而提高修復(fù)的效率。

Robinson[31]研究發(fā)現(xiàn)，施用氮肥可以使超積累植物Alyssumbertolonii的生物量提高2倍的同時不影響其地上部Ni的含量。但肥料使用是有限度的，少量的氮肥能提高某些植物的生物量，若施用過量，植物的重金屬積累會出現(xiàn)“稀釋作用”，可能導(dǎo)致植物對重金屬元素積累的降低。聶俊華等[32]發(fā)現(xiàn)，少量氮肥可以提高Pb 超積累植物的生物量，同時還能促進(jìn)超積累植物對Pb 的吸收，但隨著氮肥量的增加，植物對Pb的吸收能力則逐漸下降。

2.5.2 植物－微生物修復(fù)技術(shù) Leung[33]等研究表明，AM 真菌能同時提高蜈蚣草地上部的生物量和As濃度，從而顯著提高蜈蚣草對As的累積量。楊秀敏等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在接種菌根后，東南景天對Pb、Cd、Zn 的吸收有顯著的增加。劉靈芝等[35]發(fā)現(xiàn)，從重金屬污染土壤中分離的叢枝菌根真菌能促進(jìn)萬壽菊對Cd的吸收和累積。唐明燈[36]對海州香薷接種無色菌之后發(fā)現(xiàn)，海州香薷對Cu的吸收能力明顯提高，同時其植株的生長明顯提高。

2.5.3 植物－化學(xué)修復(fù)技術(shù) 何冰等[37]研究不同植物生長調(diào)節(jié)劑下東南景天鎘的積累表明，在重金屬污染土壤的植物修復(fù)中，適量施用脫落酸（ABA）、生長素（1AA）、細(xì)胞分裂素（6－BA）可提高東南景天對鎘污染土壤的修復(fù)效率。不同植物生長調(diào)節(jié)劑對重金屬積累能力的影響差異很大，在合理生長調(diào)節(jié)劑的施用下，能在一定程度上提高植物修復(fù)效果。李佳華等[38]研究表明，EDTA 能促進(jìn)金絲垂柳對Cd的吸收，其莖和葉對Cd的富集量顯著增加。李正強(qiáng)等[39]發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥、石灰、蛭石和白云石等4種改良劑能不同程度地提升土壤pH 值，還能顯著降低重金屬在光葉紫華苕植株的積累，使光葉紫華苕能較好地生長和發(fā)育。

2.5.4 植物－動物修復(fù)技術(shù) 俞協(xié)治等[40]最新研究表明，蚯蚓活動能明顯提高紅壤中銅元素的生物有效性，使紅壤中提取態(tài)銅含量明顯增加，從而提高植物對重金屬的吸收和富集效率。動物修復(fù)技術(shù)能在一定程度上減少土壤重金屬含量（如蚯蚓對硒和銅的富集），同時也能輔助提高植物對重金屬元素的吸收和富集，在一定程度上降低和減輕土壤重金屬的污染[41]。

3 討論與展望

1）在我國土壤重金屬污染防治方法的發(fā)展中，不論是土壤環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)的實(shí)施，還是污染治理技術(shù)的研究，都取得了長足的進(jìn)步。但從土壤環(huán)境質(zhì)量的檢測結(jié)果看，形勢還不容樂觀。從預(yù)防角度看，我國現(xiàn)有的法律法規(guī)對土壤環(huán)境的保護(hù)和防治起到了積極作用，但隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，當(dāng)前的法律法規(guī)越發(fā)難以解決現(xiàn)有以及未來可能出現(xiàn)的土壤重金屬污染問題，我國也缺乏類似《土壤保護(hù)法》等直接能用于土壤環(huán)境保護(hù)的相關(guān)法律法規(guī)，部分企業(yè)因環(huán)保設(shè)施設(shè)備投入成本大，寧可交罰款也不增加環(huán)保設(shè)備降低污染，使現(xiàn)有的法律法規(guī)表現(xiàn)力不從心。參考發(fā)達(dá)國家法規(guī)的發(fā)展情況，我國目前迫切需要一份以土壤環(huán)境保護(hù)為核心的法律來督促各地方政府或企事業(yè)單位加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)工作，以法律的形式強(qiáng)制性對土壤環(huán)境保護(hù)和治理設(shè)立最低標(biāo)準(zhǔn)，從而使土壤環(huán)境保護(hù)和治理工作能有有法可依，實(shí)施起來也將更有效果。

2）目前我國對于清潔生產(chǎn)以及清潔能源已經(jīng)開始從理論階段轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)踐階段，全國范圍內(nèi)逐漸建立生態(tài)農(nóng)業(yè)基地及農(nóng)業(yè)園區(qū)即是較好的例子，從現(xiàn)有的建設(shè)情況看，雖然成果較好，但仍存在不少問題。目前，很多基地和園區(qū)的建設(shè)一般是參考當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況來制定建設(shè)方向，并沒有通過對當(dāng)?shù)剡M(jìn)行全面透徹的調(diào)查研究來確定方案，部分地區(qū)的項(xiàng)目也是匆忙上馬，導(dǎo)致結(jié)果與目標(biāo)偏差較大。

3）從治理的角度看，植物修復(fù)技術(shù)是當(dāng)前治理技術(shù)中前景最好的。植物修復(fù)技術(shù)具有費(fèi)用低、成效高以及可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對比其他治理方法有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。隨著一系列超積累植物的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，植物提取技術(shù)也逐漸成為當(dāng)前植物修復(fù)技術(shù)的核心。植物提取的關(guān)鍵在于所選植物能在體內(nèi)積累多種類或高濃度的重金屬，且生長快、生物量大、抗病能力強(qiáng)。但目前的研究表明，植物提取修復(fù)技術(shù)仍存在一些障礙，使植物修復(fù)技術(shù)還未能進(jìn)行大面積的田間應(yīng)用。植物修復(fù)技術(shù)一是要求植物組織能積累高濃度的金屬元素，二是要求植物的生物量高。但現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的許多超積累植物生長緩慢，植株矮小，地上部生物量小，成了實(shí)際應(yīng)用中最大的限制。未來的重點(diǎn)應(yīng)該放在提高超積累植物的生物量或提高其對重金屬的積累濃度。

4）利用基因技術(shù)提高植物修復(fù)能力是當(dāng)前最新的研究結(jié)果，同時也被認(rèn)為是可行的方向。基因技術(shù)的核心基于以下3點(diǎn)：首先，改造過的植物必須能溶解和轉(zhuǎn)移與土壤粒子綁定的重金屬離子；其二，必須有從根部向上運(yùn)輸重金屬離子的機(jī)制；第三，重金屬離子必須被儲存在特定的區(qū)域里，以防止其影響細(xì)胞的新陳代謝。基因技術(shù)可以進(jìn)一步提高植物對重金屬的忍耐及超量積累，同時還可讓某些植物能夠同時忍耐及超量積累幾種重金屬元素。通過基因技術(shù)的引入提高植物自身的生存能力和生長效率或提高其對重金屬的吸收、運(yùn)輸和富集，從而達(dá)到更加理想的土壤重金屬污染治理效果。

5）目前大多數(shù)修復(fù)技術(shù)均受到不同條件的約束，但某些技術(shù)如果結(jié)合使用，很可能不僅會打破現(xiàn)有的約束條件，還可能在一定程度上提高對重金屬元素固定的效率。如蚯蚓能提高紅壤中銅的生物有效性，促進(jìn)植物對該重金屬元素的吸收與富集。與此同時，植物的根系分泌物能促進(jìn)微生物的生長，如果引入合適的微生物，或許能進(jìn)一步提高紅壤中銅的固定和轉(zhuǎn)移，從而以更高效率改善土壤重金屬污染。但當(dāng)前的研究僅僅是對修復(fù)技術(shù)間的合作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的研究，發(fā)現(xiàn)其中還是存在一些問題，如動物或植物積累的重金屬離子如何有效提取，搭配的化學(xué)試劑或肥料需找尋最佳的配方等，都需要更深入的研究與實(shí)驗(yàn)，才能盡快將真正行之有效的治理手段投入到實(shí)際治理當(dāng)中。

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