土壤中重金属污染及防治
摘要：随着社会的不断地发展，人类片面追求经济效益，致使我们生存的环境日益恶化。尤其是近年
来，环境污染问题成了全世界各国家最关注的问题。工业生产排放的“三废”物质、农业中杀虫剂、农药的大量使用、城市生活的废弃物等等，使我们的土壤环境受到各种有机污染物、无机污染物、重金属离子和放射性物质的污染，致使土壤中微生物、依赖于土壤生长的动植物生存受到威胁。其中重金属作为一类主要的污染物对土壤的危害，也日益受到人们的关注。
土壤中重金属如汞、镉、铅等不具备任何生理功能并会影响生物生长，以及如铜、锌、镍等在高离子浓度下，具有明显毒性。土壤中的过量重金属除直接对依赖于土壤生存的动植物、微生物造成毒害外，还能经由动植物体富集和食物链传递，通过食品进入人体并造成危害。中国工程院院士罗锡文曾表示，因土壤、水污染导致的食品安全问题日益严峻，全国3亿亩耕地正在受到重金属污染的威胁，占全国农田总数的1/6，而广东省未受重金属污染的耕地，仅有11%左右。可见重金属污染形势相当严峻，防治刻不容缓。
关键词：重金属，土壤污染，防治
随着工、农业的日益发展，人类赖以生存的环境受到越来越严重的干扰和破坏，各种环境污染问题凸显。尤其是工、农业废水的排放，造成土壤环境中重金属污染日趋严重；此外，大气尘粒的沉降和雨水，使重金属进入土壤中，毒害到有关动植物、微生物乃至对人类的健康造成极大威胁。随着土壤重金属污染的日趋严重，依赖于土壤生长的动植物、微生物的生存环境面临极大隐患。动植物、微生物对重金属的富集和累积作用，超过它们的承受能力，从而给它们的繁殖、发育、生长、生理机能等方面带来毒性危害；同时还造成它们遗传基因发生变异和突变，面临生存、物种多样性、免疫抵抗力等方面的挑战，也会对农业、畜牧业等相关行业造成很大损失，并通过食物链最终传递给人，给人们身体健康带来危害。因此，研究土壤的重金属污染极其防治，无论对环境还是人类，都有着很大的理论价值和经济意义。
1 重金属的来源、形态和理化特征
1.1 重金属的来源
所谓重金属，就是指密度大于5g/Cm3 的金属，对于生物体而言，有些对于它们是必须的，如铜、铁、锌、镁、锰等，有些是非必须的，如镉、汞、铬、铅、镉等。在自然情况下，土壤中重金属主要来源于成土母岩和残落的生物物质，它们在土壤剖面各层次的分布及在土壤各组成成分之间的分配反映着成土过程的综合特征。随着近代工农业的发展，人为活动加剧了土壤重金属的污染，污染程度越来越重，范围越来越广。
土壤中重金属的来源可分为天然来源和人为来源两大类。天然来源是土壤是由岩石风化而来，不同的岩石含有各种重金属元素，成土母岩的化学元素决定了土壤中化学的最初含量，影响着土壤中重金属元素的环境背景值，同时母岩在形成土壤过程中的影响因素也影响着土壤中的重金属含量。另外，火山爆发、森林火灾、海浪飞溅、植被排出、风力扬尘等过程使很多重金属尘浮于空中。空气中的重金属元素部分被植物吸收，部分通过尘降进入水体、土壤。人为来源是造成土壤重金属污染的罪魁祸首，也是是当今世界越来越不可忽视的环境问题。重金属多为有色金属，在人类生产、生活各方面应用广泛，同时也伴随着重金属的严重环境污染。有色重金属矿床的开发冶炼是向环境中排放重金属最主要的污染源。通过“三废”向环境中排放重金属的工矿企业，如：采矿、选矿、冶金、电镀、电工、染料、纺织、炼油等。。在农业中，农药、化肥、污泥的施用，污水灌溉，也是加剧土壤重金属污染的主要途径之一。
1.2 重金属的形态
重金属进入土壤后，在土壤中的迁移和对人体的危害，主要决定于重金属的化学性质及存在形态。重金属通过溶解、沉淀、凝聚、络合吸附等各种反应，形成不同的形态。重金属在土壤中存在的形态不同，其迁移转化特点和污染性质、危害程度也不相同。重金属在土壤中的存在形态包括化学形态和赋存形态2种分类方式。重金属大多属于过渡性元素，而过渡性元素原子特有的电子层结构使其具有可变价态，能在一定范围内发生氧化还原反应。不同价态的重金属，其活性和毒性是不同的，例如，As
3+
、Cr
6 +
的毒性分别比As 、Cr
5+3+
的毒
性大得多。受土壤组份及其理化特性的影响，重金属在土壤中的存在形态十分复杂。目前常将样品中的重金属按照活性和生物可利用性的大小分为可溶态、交换态、碳酸盐结合态、铁锰结合态、有机结合态和残渣态。可交换态的重金属是专性吸附并且可进行离子交换。含有过量阳离子的溶液就可将这部分重金属释放出来，生物可直接从土壤中吸收利用。碳酸盐结合态是沉淀或共沉淀的重金属，通过温和的酸即可将它释放，所以这种形态的重金属也是活性形态或者是生物有效态。铁锰结合态重金属被专性吸附或共沉淀在土壤氧化物中，在还原条件下，这部分重金属会释放到土壤中。有机结合态重金属含量与土壤有机质含量及配位基团含量有关，并且受到金属离子的外层电子轨道形态的影响。残渣态的重金属被包含在矿物晶格中，对土壤中重金属的迁移和生物可利用性贡献不大，对环境比较安全。但是当遇到酸、微生物或螯合剂时，这部分重金属会进入到环境中，也可对生态系统构成威胁。
1.3 重金属的理化性质
重金属离子在自然环境中不能被破坏，其毒性取决于其原子结构，它们在自然界中并不能完全被矿化为完全无毒的形式，它们的氧化态、溶解性因与其它不同无机元素或有机物的结合而不同。如汞在自然界以金属汞、无机汞和有机汞的形式存在，有机汞的毒性比金属汞和无机汞要大。
2 重金属对土壤的危害
重金属的定义目前尚未统一，一般认为是密度大于4或5克/立方厘米的金属元素，美国国家环保局提出的优先污染物中所列出的重金属有铜、锌、铬、镉、汞、镍、砷、硒、铅等，其中砷、硒并不是重金属，而是类金属，为了避免过于繁琐分类，也将其并入重金属中。重金属是构成地壳的物质之一，在自然界广泛分布，一般在自然条件下重金属的本底含量很低，在未受污染的天然水中含量更低。重金属在环境中迁移转化的最大特点是，除汞、砷、硒的某些化合物易挥发外，不能或不易被生物体分解转化后排出体外，只能沿食物链逐级向上传递，在生物体内浓缩放大，当累积到较高含量时就会对生物体产生毒性效应。重金属元素通常能与有机物结合，该过程即为此重金属的甲基化现象，生成毒性更强的化合物。重金属在土壤中累积初期，不易为人们察觉和关注，属潜在危害，一旦危害比较明显地表现出来，就难以彻底清除。砷是人体非必需元素，元素砷的毒性较低而砷的化合物均有剧毒，三价砷化合物比五价砷化合物毒性更强，砷能致癌。镉是人体非必需元素，毒性很大，主要在肾脏内积蓄，引起泌尿系统的功能变化。铬是人体必需的微量元素，铬的毒性与其存在价态有关，通常认为六价铬的毒性比三价铬高100倍，六价铬更易为人体吸收而在体内蓄积，引起肺癌。汞及其化合物属于剧毒物质，可在人体内蓄积，进入水体的无机汞离子可转变为毒性更大的有机汞，经食物链进入人体，引起全身中毒。铅对植物的生长和产量影响很小，可在人体内蓄积，主要毒性效应是导致贫血症、神经机能失调和肾损伤。硒是人体必需营养元素，但其有用性和致毒性之间界限很窄，过量硒能引起中毒，使人脱发、脱指甲、四肢发麻甚至偏瘫。汞、砷、六价铬、镉、铅均是我国实施排放总量控制的指标，而汞、镉又远比其他重金属毒害重、影响深。土壤的重金属污染一般不是单一元素独自发生，而是几种重金属元素同时发
生的复合污染，研究表明，重金属在复合污染条件下对植物的毒害及在土壤中的迁移动态要比单一元素复杂严重的多，例如铜、铅、镉、锌的单一污染或复合污染对白菜种子的发芽与根系伸长均有抑制作用，但复合污染产生明显协同作用，对白菜根系伸长的抑制效应阈值明显降低。
3 土壤重金属污染的防治
3。1 工程措施
该法较为经典，治理彻底且稳定，基本不受土壤环境和条件的限制。主要有客土、换土、深耕翻土等，客土、换土适用于重污染区，深耕翻土常用于轻污染区。通过这些措施，可以降低土壤中重金属含量，减少重金属对土壤",植物系统产生毒害作用，从而使农产品达到食品卫生标准。客土法是在被污染的土壤上覆盖非污染土壤表层或混匀，使污染物浓度降低或减少污染物与植物根系的接触，从而达到减轻危害的目的。将表土部分或全部移走后换上新的非污染土壤的做法，称作换土法。实践证明，换土法是治理农田重金属严重污染的切实有效的方法。如在沈阳张士灌区土壤中，56.13%镉污染累积于土壤表层，去表土15-30 cm后种植水稻，可使稻米中Cd 含量下降50%。深耕翻土法，即采用深耕将上下土层翻动混合的做法，使表层土壤污染物含量降低，但只适用于土层深厚的土壤且污染较轻，同时要增加施肥量，以弥补因深耕导致的耕层养分的减少。这些措施具有彻底、稳定的优点，但实施工程量大，投资费用高，破坏土体结构，并且对换出的污土要进行妥善处理，防止二次污染。因此，不适宜大面积污染土壤的治理。
3.2 化学治理措施
该法简单易行，但因只改变重金属在土壤中存在的形态仍保留在土壤中，而易再度复活危害。该法关键在于通过选择经济有效的改良剂，对重金属产生吸附、氧化还原、拮抗或沉淀作用而降低其毒性。
常用的改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐和促进还原作用的有机物质。不同改良剂对重金属的作用机理不同。在某些污染土壤中加入石灰性物质，能提高土壤酸碱度，使重金属生成氢氧化物沉淀; 施用有机物等促还原物质，改变土壤氧化还原状态，使重金属生成硫化物沉淀; 施用磷酸盐类物质可使重金属形成难溶性磷酸盐。研究发现，在低石灰水
-平下，土壤有机质的羟基、羧基与OH 反应，促使土壤可变电荷增加，有机结合态的重金属增多，并且Cd 与CO3 结合生成难溶于水的CdCO3。施用改良剂的方法在短期内能够降低土壤中重金属的毒性和生物有效性，但就修复后土壤的长期有效性和生态系统的长期稳定性来说，还缺乏深入细致的研究。此外，该方法是一种原位修复方法，重金属仍存留在土壤中，易再度活化危害植物，其潜在威胁并未消除。
2+
2-
3.3 生物治理措施
该法是新兴而高效的治理措施，具有广阔的应用前景，包括植物、微生物和动物，但尚未得到充分研究和利用。例如利用自然生长或遗传栽培植物提取、挥发、稳定重金属以减少污染，利用微生物降低土壤中重金属毒性，或吸附、积累重金属，或改变植物根际微环境，提高植物对重金属的吸收、挥发或固定效率。
1983年，美国科学家Chaney 等首次提出利用植物去除土壤中重金属污染物的设想。这是一种处理土壤重金属污染的生态技术，其机理主要是通过某些植物对重金属元素的吸收、积累和转化，达到减轻重金属污染土壤的目的。与传统的修复方法相比，植物修复具有绿色、环保、经济等优势。植物去除土壤中重金属的机理主要依靠植物萃取作用、根系过滤作用、植物挥发作用和植物固定化作用。根据修复植物在某一方面的修复功能和特点，可将植物修复分为植物提取、植物挥发和植物稳定3种类型。
土壤微生物包括与植物根部相关的自由微生物、共生根际细菌、菌根真菌。它们是根际
生态区的完整组成部分。微生物在重金属污染环境中逐渐形成一些对重金属抗性的种群。它们通过生物解毒对重金属产生抗性，能够在重金属污染环境中生存。微生物抗重金属机制包括生物吸附、胞外沉淀、生物转化、生物累积和外排作用。通过这些作用，微生物可以吸附、吸收重金属并固化之，或降低重金属活性和生物有效性以使重金属无害，或增强重金属活性和生物有效性以利于植物根系对重金属的吸收和转运。这对土壤的重金属污染有修复作用。
利用土壤中的某些低等动物如蚯蚓能吸收重金属的特性，在一定程度上降低污染土壤中重金属比例，达到动物修复重金属污染土壤的目的。
3.4 农业生态治理措施
该法虽然可操作性强，但存在周期长、效果不明显的弊病。主要有改变耕作制度、调整作物品种、选择重金属含量低的化肥、施用可固定重金属的有机肥，调节土壤养分、水分、土壤酸碱值、土壤氧化还原状况及气温、湿度等生态因子，以实现对重金属所处环境介质的调控。
4 结束语
重金属作为一类重要的环境污染物，一直以来受到科学界的重视，并获得了大量的研究成果。在土壤环境中，重金属也是一类不容忽视的污染物，其中尤以汞、镉、铅和铬等危害较大，研究得也较多。它们对微生物、动植物的正常生长或繁殖产生了重要影响。可以说，除了少数必需金属在一定范围内会对土壤产生有益的作用，大多数重金属是有害的。今后，土壤环境重金属污染及其影响问题将继续是环境科学和生物科学研究的重点领域，可能会向两方面发展，一是宏观上研究重金属污染物对土壤环境和种群及生态系统的影响；另一方面是微观上进一步探索重金属与生物作用的分子机制，及不同重金属的联合作用机制。除了科学研究领域的重视之外，普通的农业及其工作者同样也要对重金属的危害提高警惕，这既是为了我们的经济利益，更重要的是为了我们自身的健康以及生存环境可持续发展。
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土壤重金属的污染和防治
