土壤重金属污染的研究进展

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  【中图分类号】R53 【文献标识码】A 【文章编号】1550-1868(2015)02
  2013年5月,广东省“镉大米”事件举国关注,与之相关的土壤重金属的污染问题成为广大群众的谈论焦点。重金属元素没有严格的界限,在化学中一般是指相对密度≥5.0的金属元素,包括Fe,Mn,Cu,Zn,Cd,Hg,Ni,Co 等45种元素。随着现代经济的迅速发展、城市规模的急剧扩大,自然环境中的重金属污染日益严重,每年因重金属污染带来的粮食减产达1000 多万吨,被重金属污染的粮食每年达1200 万吨,合计年经济损失在200 亿元以上[1]。所以弄清重金属污染的危害和选择经济有效的治理重金属污染的方法,就显得弥足珍贵了[2]。
  一、土壤中重金属的来源
  1.成土母质
  成土母质是土壤重金属的重要来源,是决定土壤中重金属含量与分布特征的重要因素之一[3]。如北京市目前土壤中Cr、Ni的含量主要受成土母质影响,只在个别地区存在明显的Cr、Ni含量严重偏高的现象[4]。
  2.工业
  矿产冶炼、电镀、塑料、电池、化工等行业排放的废渣、废水和废气是土壤重金属污染的主要来源。所排放的重金属一方面呈气态或气溶胶态,进入大气后经干、湿沉降进入土壤;另一方面,工业活动所产生的废渣是重金属的重要载体,尤其是一些金属冶炼厂,废渣中的重金属含量极高[5]无处理堆弃或直接混入土壤,也会造成土壤重金属富集。
  3、交通运输
  汽车尾气排放、轮胎及车辆镀金部分磨损或润滑油燃烧都会释放出大量含Pb、Cd、Cu、Zn的有害气体和粉尘,通过大气干、湿沉降影响路侧土壤中重金属含量,多项研究[6]都证明了这一点。随着中国经济的不断腾飞,城市基础设施的不断完善,汽车保有量将不断增加,势必进一步增加城市环境压力。
  4.农业
  为了提高土壤肥力和对病虫害的防治,往往會在植物生长期添施含有微量重金属的化肥和农药,植物的根茎叶果等器官就会吸收、残留、积累部分重金属元素,通过这种途径,重金属也会进入食物链而导致动植物受害。
  5、养殖业
  禽畜粪肥一直是作为农业生产上的优质有机肥而提倡长期施用。但是,随着集约化养殖的发展,集约化养殖禽畜粪不但含有比传统养殖禽畜粪更高的氮、磷、钾等养分元素,而且还含有较高含量的铜、镉和砷等重金属[7]长期施用畜禽粪可能会导致Cu、Zn 和Pb 等重金属在土壤中的累积[8],其对作物和土壤造成的危害是近几年来环境科学和农业科学研究的热点之一。
  6、煤炭燃烧
  据报道,煤中的H g在燃烧过程中有75% 释放到大气中,经估算中国燃煤每年向大气排Hg约200t以上,全球质量平衡估算表明,由人为源释放到大气中的Hg有1/3来自煤炭燃烧[9]。雒昆利等[10]研究表明,燃烧1t含Pb约30g的煤,排放到大气中的Pb为20g左右,燃煤中Pb的排放率约为66%。经煤炭燃烧进入大气的重金属随着大气干、湿沉降不断富集到土壤中。
  二、土壤重金属污染的特点
  土壤重金属污染与大气和水体的重金属污染相比,有其独特的特点和性质,其具有如下特点:
  1、潜伏性。土壤重金属污染在一定时期内不表现出对环境的危害性,当其含量超过土壤承受力或限度时,或土壤环境条件变化时,重金属有可能突然活化,引起严重的生态危害,有“化学定时炸弹”(CTBs)的说法[11]。
  2、单向性。进入土壤中的重金属不能被微生物降解,易积累,所以一旦土壤被重金属污染,很难恢复。
  3、间接性。土壤重金属对人的危害主要是通过食物链或者渗滤进入地下水体实现的。
  4、综合性。在生态环境中,往往是多种重金属污染同时发生,形成复合污染,且污染强度显示出放大性。秦永生等研究表明,Cu与Pb复合污染与单一污染相比,土壤呼吸强度的影响依次表现为Cu与Pb复合污染>Pb污染>Cu污染。
  三、重金属的毒性机理
  Wood[12]从环境污染的角度出发,根据金属的特征,把金属分为3类:无毒;有毒但很难溶解;毒性较强且较易被生物吸收。常见的重金属都属于第三种类型,如Cd,Co,Cu,Hg,Ni,Pb,Pt,Sn,Zn等。许多重金属离子均可因微生物甲基化作用而生成相应的甲基化合物,此类化合物多属毒性很强的挥发性物质,极易通过呼吸道进入体内,其中具有重要病理学意义的当首推甲基汞化合物;另有一些重金属离子通过口腔、皮肤进入体内后,与人体某些酶的活性中心硫基(-SH)有着特别强的亲和力,金属离子极容易取代硫基上的氢,从而使酶丧失其生物活性,即重金属的致害物质作用就在于使生物酶失去活性。还有一些重金属离子可以通过与酶的非活性部位相结合,从而改变活性部位的构象,或与起辅酶作用的金属离子置换,同样能使生物酶的活性减弱甚至丧失。
  四、土壤重金属污染评价及预警
  1、GIS与MAS
  利用地理信息系统(GIS)结合多智能体技术(MAS)来研究土壤重金属污染土壤质量评价指标和安全预警技术体系是目前的热门研究方向。GIS 结合MAS方法适合作为土壤污染甚至其他环境质量的现状评价趋势预测和辅助决策工具,能够准确地对污染情况做出评价,实现土壤重金属污染的安全预警预测。利用GIS 结合MAS来研究土壤重金属污染土壤质量评价指标和安全预警技术体系,能够集成与土壤污染评价和预测相关的各种空间数据和属性数据,在可视化环境中对土壤重金属污染数据进行分析,并根椐需要选择用于评价和预测的各种模型,系统具有较强的空间分析能力、综合分析模拟和预测能力。进而为深入研究土壤环境质量、合理利用土壤资源提供参考,对于政府制定针对性措施,平衡城市化发展和实施土壤环境保护具有非常重要的现实意义。
  2、单因子指数评价和内梅罗指数综合评价   按照GB 15618—1995《土壤环境质量标准》要求,对一般农田蔬菜地、茶园、果园、牧场、水稻田等土壤评价时,采用二级标准[13]。根据公式(1)、(2)分别进行单因子指数评价和内梅罗指数综合评价[14]。
  Pi=Ci/Si (1)
  注:式中:Pi—第i 种污染物的环境质量指数;Ci—第i 种污染物的实测含量,mg/kg;Si—第i 种污染物的环境质量标准。当Pi≤1 时,表示土壤未受污染;Pi>1 时,表示土壤受到污染,且Pi 值越大,则污染越严重。
  Pj 综合=[(Pijmax2+Pijave2)/2]1/2 (2)
  注:式中:Pj综合—第j个监测点的质量综合指数;Pijmax—第j个监测点i 污染物所有单项污染指数中的最大值;Pijave—第j个监测点i污染物所有单项污染指数的平均值。
  以综合污染指数为依据,按照农业部NY/T395—2000《农田土壤环境质量监测技术规范》的分级方法,将土壤污染划分为安全级(1级)、警戒级(2级)、轻污染(3级)、中污染(4级)、重污染(5级)。当Pj≤0.7 时为安全级,表明土壤为清洁状态;当0.73.0时为重污染,表明土壤、作物受污染已相当严重。
  五、我国土壤重金属污染现状
  1、农村
  近几年来卫生部门对土壤重金属污染问题日益重视,全国各地疾疾控机构积极争取经费开展相关研究。2011年四川省疾病预防控制中心环境卫生所根据《2011年全国农村环境卫生监测项目技术方案》,按照分层随机方法抽取21个市(州)51个县1020个行政村进行调查并采集土壤样品,采用原子吸收分光光度法测定土壤中铅、镉含量,并对样品进行单因子指数评价和内梅罗指数综合评价。结果检测993份样品中,土壤镉含量超标的样品共565份,占56.90%,且攀枝花市和乐山市的超标率达100%;内梅罗指数综合评价21个市(州)中有17个为中、重污染级别,占80.95%,其结果与省内和国内文献资料调查结果一致[15-21],表明省内土壤镉的污染现状不容乐观,大部分地区处于镉污染严峻形势中。检测1000份样品中,土壤铅含量均未超标,与其他省市如杭州、上海等地区的土壤铅含量调查结果一致[19-21],表明四川省铅污染水平与我国其它地区相一致,均处于清洁或尚清洁的级别。
  2、城市
  从空间上看,城市土壤中重金属含量明显高于郊区及远离城市的农田土壤,城市是郊区土壤重金属污染源[22];在城市不同的功能区,重金属分布呈现出一定的规律性。一般来说,工业区和商业区重金属污染最严重,其次为居民区,风景娱乐区和新开发区重金属含量一般较低,污染也相对较轻[23];工矿区以Pb、Cd的积累为特征,而居民区和商业区则以Cu、Zn的积累为特征[24-25]。
  七、土壤重金属污染的治理
  针对土壤重金属污染的途径,本文认为可以从“减源”“截流”和“修复”这3个方面进行,形成一个系统性的治理土壤重金属污染的体系。
  (一) 减源
  所谓“减源”,顾名思义就是减少污染源的总量,这是最基本、最经济、最有效的方法。
  (二)截流
  所谓“截流”,就是切断重金属污染物单向积累的链条。鉴于重金属的严重危害性,人作为这个链条的最顶端的塔尖,要避免人类受到重金属的危害,必须弄清重金属在单向积累的机理和途径,我们可以人为地扰乱积累机理和破坏传播途径。
  (三)修复
  包括物理修复、化学修复、植物修复和动物协同修复。
  1、物理修复
  (1)工程修复 可以采用客土法、换土法、深耕翻土法对土壤进行修复。这三种方法是治理农田重金属严重污染的切实有效的方法,但工程量大、费用高、土壤结构和肥力恢复时间长,破坏土体结構,易产生二次污染。
  (2)电动修复技术
  电动修复是指在污染土壤中插人电极对,并通以低直流电,重金属离子在电场作用下向电极室运输,从而通过工程化的收集系统收集起来集中处理,在电场作用下,污染物主要通过电渗透和电迁移两种机制向电极运输。电动修复技术具有不改变土壤内部层次结构,二次污染少、可以控制污染物的流动方向等一系列优点,但此法不适于渗透性高、传导性差的土壤,对大规模污染土壤的就地修复技术仍不够完善。
  2、化学修复
  化学修复的机理是通过添加各种化学物质,改变土壤的化学性质,从而直接或间接改变重金属的形态及其生物有效性,最终达到抑制或降低植物对重金属的吸收。化学修复技术中常用的方法有:化学改良剂法、化学淋洗法、化学栅法等。目前常用的方法是向土壤中添加改良剂,磷酸盐、硅酸盐、石灰被认为是处理重金属污染的常用改良剂。化学修复方法在土壤原位上进行,简单易操作,但并不是一种永久性的修复措施,添加的化学物质会造成营养元素的流失以及地下水的污染,而且重金属元素仍保留在土壤中,容易再度活化从而危害植物,影响人类健康。
  3、植物修复
  植物修复是指将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上,该植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力,将植物收获并进行处理后即可将重金属移出土体,达到污染治理与生态修复的目的。植物修复的优点包括以下四个方面:
  (l)利用植物的吸收、富集、提取和挥发可以永久地解决土壤重金属污染问题,减少由于土壤清洁造成的场地破坏,对环境扰动小,符合环境美学性的要求。
  (2)修复植物的稳定作用可以绿化污染土壤,防止污染土壤因风蚀或水土流失而带来的污染扩散问题;修复植物的蒸腾作用可以减少重金属对地下水的二次污染。   (3)经植物修复过的土壤,其有机质含量和土壤肥力都会增加,一般适用于农作物种植。
  (4)超累积植物可以在大面积污染土壤上使用,技术成熟后可将植物所累积的重金属进行回收,创造经济效益。
  植物修复技术目前尚存在很多不足,重金属超富集多为野生型稀有植物,其严格的适生性使引种受到严重限制,而且长期在重金属胁迫环境下诱导、驯化,往往生长缓慢、生物量低,且常常受到杂草的竞争性威胁;超富集的专一性很强,往往只对某种特定的重金属表现出超富集能力,从而严重制约了植物修复的效率及应用。植物挥发修复技术只限于挥发性重金属的修复,应用范围较小,而且将汞、硒等挥发性金属转移到大气中的环境风险是一个值得深思的问题。
  4、动物协同修复
  (1)动物协同修复技术及其应用
  蚯蚓是土壤中生物量最大的动物类群之一,在维持土壤生态系统功能中起着不可替代的作用"从生态学的角度来看,蚯蚓处于食物链的底端,与土壤中的各种污染物密切接触,对降解有机物质、改善土壤物理性状、促进土壤养分循环与释放起着举足轻重的作用[26-28]。白建峰等报道蚯蚓不仅可提高玉米地上部和地下部的生物量,还可促进玉米向地上部转移砷,从而缓解地下部吸收高含量砷的压力[29]。林淑芬等在长江冲积物形成高沙土的研究表明,蚯蚓粪便能促进铜从根系向地上部的运移及在地上部的富集[30]。
  (2)动物协同修复的优缺点
  饲养蚯蚓的成本较低且操作简便,可利用有机废物喂养蚯蚓,不仅能资源化利用,还可达到治理污染的目的。但是如果蚯蚓对重金属污染的耐性差或某污染区的污染物含量很高,引入的蚯蚓就会逃逸甚至死亡。所以,蚯蚓的耐性就成为关键问题。
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