Agro-ecological Remediation Technologies on Heavy Metal Contamination in Cropland Soils

Abstract

总结了常见的农田土壤重金属污染的农业生态修复技术,包括合理施用化肥、施用生物有机肥、秸秆还田、调整作物种植结构、筛选重金属低积累作物品种和耐性作物品种、深耕深翻、控制土壤水分以及施用石灰等修复措施,并对农田土壤重金属污染修复技术的前景进行了展望。

This article summarized the common agro-ecological remediation technology of heavy metal contamination in cropland soils, in-cluding the rational application of fertilizer, bio-organic fertilizer use, straw application, adjusting the crop planting structure, screening lowly-enriched heavy metal crop varieties and tolerant varieties, super-deep plow, soil moisture control, lime application and so on. The out-look of the remediation technology of heavy metal contamination in cropland soils was prospected.

农田土壤重金属污染是指由于人类的活动致使 农田土壤中重金属过量累积引起的污染，通常包括生 物毒性显著的Pb、Cr、Cd、Hg、As 以及具有毒性的 Cu、Zn等污染物对土壤的污染。土壤重金属污染具有 隐蔽性和滞后性，它不仅会对作物产生毒害，使农作 物减产^[1]，并且可通过食物链富集生成毒性更强的甲 基化合物，最终在人体内积累，危害人类健康。

近年来，随着城市化和工业化的发展，工业废水、 废气和废渣的排放量增加，固体废弃物处理不善，农 业自身污染的加剧，致使全球农田土壤中重金属含量 迅速增加^[2]，部分农田土壤重金属污染状况严重。作为 一个农业大国，我国部分耕地和很多城市近郊农田都 受到了不同程度的重金属污染。例如北方大城市部分 蔬菜基地和商品粮基地土壤存在着不同程度的重金 属污染的问题^[3]。据统计，我国约有1/6 的耕地受到了 不同程度的重金属污染^[4]，每年受重金属污染的粮食 达到了1 200 万t，并引起粮食减产高达1 000 万t^[5]， 这严重影响到我国的粮食安全，对人体的健康造成极 大的威胁，并带来较大的经济损失。因此，采取适当的 措施治理农田土壤的重金属污染，既是促进社会进 步、经济发展的客观要求，也是保护人体健康、维持社 会稳定的重要保障。

目前，国际上治理土壤重金属污染主要有3 个途 径：其一是将重金属污染地区与未污染地区隔离，防 止污染物进一步扩散；其二是将重金属从土壤中去 除；其三是改变土壤中重金属的价态和形态，降低其 在环境中的迁移性和生物有效性^[6]。常用的方法包括 工程技术措施、物理修复技术、化学修复技术、生物修 复技术以及农业生态修复技术。农业生态修复技术是 指在农业生产过程中，采用一些因地制宜的耕作管理 制度，调节农田生态环境状况，以减轻重金属危害。该 措施投资相对较少、操作较简便且基本不改变修复区 种植习惯，可以充分发挥生态系统的自我修复能力^[7]， 比较符合我国的国情。农业生态修复技术主要包括农艺修复和生态修复措施2个方面。

1 农艺修复措施

农艺修复措施是指因地制宜地改变耕作制度，通 过选择重金属含量少的化肥，增施能够固定重金属的 有机肥，调整作物品种，以减少农作物对重金属吸收。

1.1 合理施用化肥

随着社会发展与人口的快速增长，粮食安全已受 到国际的广泛关注。有限的耕地数量和沉重的人口压 力，导致大量施用甚至滥用化肥的现象屡见不鲜，使 土壤结构破坏、质量下降，并产生土壤污染。因此，合 理施用化肥，协调高产与优质、施肥与环境的关系已 成为研究的热点。

不同的化肥品种在重金属含量以及化学性质上 存在差异，对土壤中的重金属的数量和有效性产生影 响。一些肥料中含有重金属，长期施用会导致土壤受 重金属毒害，研究表明澳大利亚新南威尔士因长期超 量使用磷肥，部分菜地土壤的Cd 含量已上升了10 倍^[8]，而且施入土壤中的化肥通过改变土壤pH 值，从 而改变重金属的生物有效性，并影响作物对重金属的 吸收。楼玉兰等^[9]的研究表明，施用铵态氮肥能降低根 际土壤pH 值，提高根际土壤重金属活性，促进玉米 对重金属的吸收，硝态氮肥则相反。因此不同类型化 肥的选择供应可以作为控制作物吸收重金属的一种 措施。

合理施用化肥还体现在无机和有机肥料的合理 搭配。近年来，由于重施化肥而轻施有机肥，导致很多 地区土壤板结、酸化以及生物活性的降低，影响土壤 的理化性质并最终使作物的生长受害^[10]。有机、无机 肥配合使用，对于改善土壤肥力状况、提高土壤微生 物和生物化学活性、促进养分循环等方面有重要的意 义^[11]。这对于增强土壤对重金属的吸附，以及改善作 物的生长状况都有一定的益处。

1.2 施用生物有机肥

生物有机肥是指特定功能微生物与主要以动植 物残体为来源并经无害化处理、腐熟的有机物料复合 而成的一类兼具微生物肥料和有机肥效应的肥料。

现有的研究表明，生物有机肥中富含有机质，可 以改善土壤的理化性状，增加土壤的肥力，而且有机 质对重金属离子有很强的吸附和螯合作用^[12]，可以提 高土壤对重金属的缓冲性，减少植物对其的吸收^[13]。 刘秀春等^[14]研究发现生物有机肥对重金属有很强的 富集能力且解吸率较小，即生物有机肥对重金属的吸 附固定能力较强。郑少玲等^[15]在施用生物有机肥对芥蓝 及土壤重金属含量影响的研究中发现施用生物有机 肥的芥蓝重金属含量低于不施肥处理的芥蓝，说明施 用生物有机肥可以改变重金属的存在形态和土壤对 重金属的吸附性能等，从而使重金属不进入食物链。

生物有机肥中有机物质对土壤中重金属的影响 极其复杂，随有机物质类型、土壤的性质以及重金属 种类的不同，修复效果也不同，因此应有针对性地选 择合适的生物有机肥。

1.3 秸秆还田

秸秆还田是秸秆利用的一种重要方式，秸秆被土 壤中微生物分解可生成腐殖质类物质，能提高土壤有 机质含量，增加团粒结构，改善土壤紧实板结性状，协 调土壤水肥气热等生态条件，还可以提高土壤微生物 的生物量和土壤酶的活性，从而为根系生长创造良好 的土壤环境^{[16, 17, 18]}，提高作物的产量。

还田的秸秆在土壤中的周转对重金属的环境行 为和生物有效性有显著的影响。秸秆在腐熟分解过程 中产生的有机酸（如胡敏酸、富里酸、氨基酸等），糖类 及含氮、硫杂环化合物，能与金属氧化物、金属氢氧化 物及矿物的金属离子发生络合反应，形成化学和生物 学稳定性不同的金属有机络合物^[19]，通过改变土壤重 金属的形态降低其生物有效性，从而减少其对土壤生 物和农作物的毒害。贾乐等^[20]在研究中发现秸秆还田 可显著提高2 种镉污染土壤的pH 值。在酸性土壤 上，pH值的上升能增加土壤对镉的固定，从而降低其 生物有效性。一些研究表明，秸秆还田配施有机肥、无 机肥可以提高土壤中植物、动物和微生物活性，促使 其分泌胞外酶，增强土壤酶的活性，对于促进有机物 质矿化有显著的作用，这也可以增加土壤养分含量， 提高土壤有机碳含量，从而促进作物增产^[21]。

需要指出的是，新鲜秸秆在腐熟过程中会产生各 种有机酸，对作物根系有毒害作用，因此应施入适量 的石灰，中和产生的有机酸。而且使用的秸秆应为未 受重金属污染地区所收获，防治秸秆中的重金属进入 土壤，加剧污染。

1.4 调整种植制度

改变种植制度，调整作物种类也是减轻农田土壤 重金属危害的有效措施。对于污染严重不适宜种植粮 食作物的地区，可以开展苗木花卉的生产；而对于污 染较轻的区域，可以种植耐重金属较强的品种，减少 农作物对重金属的吸收，降低重金属对人类健康的危 害^[22]。

不同种类的植物生理学特性不同，对土壤重金属 的吸收效应存在一定的差异。根据不同作物对重金属 元素的吸收效应的特点，针对土壤重金属污染程度的 不同，有选择地种植作物，有利于降低土壤重金属对 农产品的污染，使受污染的农田得到合理的利用。董 霁红等^[23]对徐州矿区充填复垦场地作物重金属含量 进行了研究，结果表明复垦场地红豆受重金属的污染 比小麦和水稻轻，因此复垦场地可以改变耕作制度， 种植红豆或者利用红豆作为先锋作物。汪雅各等^[24]进 行的菜田重金属低富集轮作实验的结果表明，种植对 重金属富集较弱的植物与种普通植物相比，可使污染 田块的蔬菜镉含量降低50%~80%，而且可以明显提 高蔬菜的产量。

1.5 筛选重金属低积累作物品种和耐性作物品种

不同的作物品种对重金属的富集存在差异^[25]，同 时不同的作物品种对重金属也体现出不同的耐性。因 此可以通过田间试验或盆栽试验筛选重金属低积累 作物品种和耐性作物品种来减弱重金属对农作物的 危害，从而降低人类健康受重金属危害的风险。

水稻是我国第一大粮食作物，水稻的正常生产直 接关系到我国的粮食安全。已有的研究表明，Cd极易 在稻米中富集^[26]，但水稻对Cd 的积累有明显的基因 型特征^[27]。叶新新等^[28]采用温室盆栽试验研究不同水 稻品种对Cd、As 富集能力，研究发现9 个水稻品种 对Cd、As 的吸收富集能力有显著的差异，其中南粳 32 对Cd、As的富集能力低且对As的耐性较高，因而 更适合在Cd、As 轻度污染的水稻土上种植，可降低 对人体健康的风险。

一些野外的调查显示，在安庆、铜陵的部分铜尾 矿库中，其他作物很难生长，而油菜却可以正常生长。 这说明油菜对重金属有较强的耐性，比较适宜于受重 金属污染的农田种植。已有的研究也表明甘蓝型油菜 对重金属有很强的吸收能力，并且吸收的重金属主要 储存在根和茎中^[29]。因此通过试验筛选出对重金属有 较高耐性的甘蓝型油菜，可以在一定程度上实现对重 金属污染土壤的修复。李军红等^[30]通过种子萌发试验 发现，采自污染区铜尾矿的油菜种子对高浓度的重金 属具有比正常油菜种子较好的耐性。筛选适宜污染区 种植的油菜，对于保证农业生产，实现经济效益和环 境效应的双丰收有较大的意义。

1.6 深耕、深翻措施

深耕、深翻措施是指利用旋耕机等机械，对污染 耕地进行深翻和混匀，降低土壤重金属浓度的措施， 它适用于土壤重金属背景值较低或土壤底层重金属 浓度较低的污染耕地。

深耕、深翻土壤可使聚积在表层的重金属物分散 到更深的土层，达到稀释的目的。而且经过太阳曝晒， 也可有效地杀死虫卵等病原微生物和有害杂草。已有 的研究表明，通过深耕深翻，可以降低土壤容重，调节 土壤的含水量，加速土壤有机物的腐殖化过程，提高 土壤有机质的含量，还可提高土壤的全氮、速效磷和 速效钾的含量。

深耕深翻措施应与增施有机肥结合起来，这样不 仅可以改善土壤的结构，促进土壤矿物质的风化，提 高地力，而且可以使根系生长的深度增加，形成较厚 的根层，促进作物生长^[31]。

2 生态修复措施

生态修复措施，指通过调节诸如土壤水分、pH 值 和Eh 等生态因子，实现对土壤重金属所处环境介质 的调控，从而改变重金属的生物有效性。

土壤中的重金属多为过渡元素，他们的化合价多 有变价，随农田土壤pH、Eh 等环境条件的变化，常有 不同的化合态和结合态。而且形态不同的重金属，其 稳定性和生物有效性有很大差异。因此调节土壤的 pH 和Eh，降低重金属的活性和生物有效性，是农田 土壤重金属污染修复可行的措施。

2.1 控制土壤水分，调节土壤Eh

土壤Eh 对变价重金属元素的活动性有很大的 影响，尤其是根际Eh，可以改变重金属的价态和存在 形态，并影响根系的吸收性能和重金属在土壤中的溶 解度，从而降低土壤重金属的危害。

有研究表明，在Cd 污染水田上采取不同水分管 理措施，水稻中Cd 的含量有以下特征：采取干湿交 替、排水烤田的常规水分管理方式，稻米中的Cd 含 量可达1.12 mg·kg^-1，而采取全生育期淹水管理，稻米 含量仅为0.39 mg·kg^-1，这与淹水造成的土壤氧化还 原状况的改变有关^[32]。Elza Kovacs 等^[33]研究也发现， 不同的土壤水分状况会影响Pb-Zn 矿废渣中的重金 属形态及其生物有效性。对于重金属Cr，其六价的毒 性比三价要高，而在氧化状态下土壤中的Cr是以六 价态的形态存在，因此对于Cr污染的土壤可以将旱 作改为水田降低其氧化还原电位，减少Cr的危害^[34]。

需要指出的是，污水灌溉是致使土壤和作物重金 属污染的重要因素。因此在对农田进行水分管理时， 首先就是要保证灌溉水的质量。由于工业污水重金属、有机污染物等含量普遍过高，不宜作为灌溉水源。 生活污水也必须要经过处理并检测，达到农田灌溉水 质量标准以后才能对农田进行灌溉。

2.2 施用石灰，调节土壤pH值

土壤中的重金属一部分以阳离子形式存在，这部 分重金属的迁移性大、生物可利用性高、危害最大。加 入石灰性物质，能提高土壤pH 值，促进重金属生成 碳酸盐、氢氧化物沉淀，降低土壤中重金属的有效性， 从而抑制作物对重金属的吸收。

杜彩艳等^[35]通过盆栽试验，研究在镉、铅和锌污 染土壤上，石灰和猪粪配施对土壤中不同形态镉、铅 和锌含量及在蔬菜中累积的影响。研究表明施入石灰 后对大白菜吸收Pb、Cd 和Zn 均起到较好的抑制作 用，通过施用石灰及猪粪控制蔬菜中重金属含量的方 法适用于中度、轻度污染的农田土壤。而何飞飞等^[36]进行了石灰和钙镁磷肥等改良剂修复镉污染菜地土 壤田间效应的研究，结果表明施用石灰能显著提高土壤 pH值，降低土壤DTPA-Cd 和小白菜地上部分的镉含 量。因此，在田间条件下石灰是较为理想的土壤改良剂。

需要注意的是，在田间施用石灰时要同时考虑作 物种类和土壤性质，不宜连续大量施用石灰，否则可 能会引起土壤有机质分解过速、腐殖质不易积累，致 使土壤结构变坏，还可能在表土层下形成碳酸钙和氢 氧化钙胶结物的沉淀层，反而不利于作物生长。而且， 施用石灰的后效还值得进一步研究。

3 展望

当今我国部分农田土壤重金属污染现状较为严 重，但我国的土壤修复仍处于起步阶段，还有很多的 工作尚待完善。针对农田土壤重金属污染的现状，选 择适当的修复技术对污染土壤进行修复也已刻不容 缓。农业生态修复技术作为一种相对投资较小，实施 较为简便的修复措施，值得受到重视。在采用农业生 态修复技术来治理重金属污染土壤时，可与常规农事 操作结合起来进行，这样不仅可以降低修复费用，而 且实施较方便。当然，农业生态修复措施也存在一些 缺点，如修复时间长且大田试验的效果仍待进一步探 究，一般用于中、轻度污染土壤的修复。若能在重金属 污染土壤的修复中因地制宜，综合利用物理、化学和 生物学修复措施并开发组合新的修复技术，可能会取 得更好的效果。今后，农田土壤重金属污染修复工作 要进行多层面的技术深化和创新，如结合基因工程、 现代分子生物学等相关学科，不断提高重金属污染土 壤的修复效率。

References

[1] Wang Xin,Jia Youngfeng. Study on absorption and remediation of heavy metals by poplar and larch in contaminated soil[J].ENVIRONMENTAL SCIENCE AND POLLUTION RESEARCH,2010,(17):1331-1338.

[2] McLaughlin M J,Parker D R,Clarke J M. Metals and micronutrients-food safety issues[J].Field Crops Research,1999.143-163.

[3] 郑喜珅,鲁安怀,高翔. 土壤中重金属污染现状与防治方法[J].土壤与环境,2002,(01):79-84.doi:10.3969/j.issn.1674-5906.2002.01.020.

[4] Yao Zhitong,Li Jinhui,Xie Henghua. Review on remediation technologies of soil contaminated by heavy metals[J].Procedia Environ-mental Sciences,2012,(16):722-729.

[5] 蒋利萍. 国内土壤重金属污染现状及治理修复[J].内江师范学院学报,2010,(增刊2):471-473.doi:10.3969/j.issn.1671-1785.2010.z2.188.

[6] 张凤荣. 土地保护学[M].北京:科学出版社,2006.230.

[7] 范栓喜. 土壤重金属污染与控制[M].北京:中国环境科学出版社,2011.224.

[8] 周焱. 加强肥料规范化管理控制蔬菜重金属污染[J].环境污染与防治,2003,(05):281-282,285.doi:10.3969/j.issn.1001-3865.2003.05.010.

[9] 楼玉兰,章永松,林咸永. 氮肥形态对污泥农用土壤中重金属活性及玉米对其吸收的影响[J].浙江大学学报(农业与生命科学版),2005,(04):392-398.doi:10.3321/j.issn:1008-9209.2005.04.007.

[10] 杨云高,王树林,刘国. 生物有机肥对烤烟产质量及土壤改良的影响[J].中国烟草科学,2012,(04):70-74.doi:10.3969/j.issn.1007-5119.2012.04.015.

[11] Bulluck L R,Brosius M,Evanylo G K. Organic and synthetic fer-tility amendments influence soil microbial,physical and chemical properties on organic and conventional farms[J].Applied Soil Ecology,2002,(02):147-160.

[12] Naidu R,Harter R D. Effect of different organic ligands on cadmium sorption by and extractability from soils[J].Soil Science Soc Am J,1998.644-650.

[13] 孙越鸿,吴永胜,干大木. 施用蚯蚓粪对草莓果实中重金属残留的影响[J].现代农业科技,2011,(11):23-29.doi:10.3969/j.issn.1007-5739.2011.11.007.

[14] 刘秀春,高艳敏,范业宏. 生物有机肥对重金属的吸附解吸作用的影响[J].土壤通报,2008,(04):942-945.doi:10.3321/j.issn:0564-3945.2008.04.055.

[15] 郑少玲,陈琼贤,马磊. 施用生物有机肥对芥蓝及土壤重金属含量影响的研究[J].农业环境科学学报,2005,(增刊):62-66.doi:10.3321/j.issn:1672-2043.2005.z1.015.

[16] 江永红,宇振荣,马永良. 秸秆还田对农田生态系统及作物生长的影响[J].土壤通报,2001,(05):209-213.doi:10.3321/j.issn:0564-3945.2001.05.013.

[17] Dam R F,Mehdi B B,Burgess M S E. Soil bulk density and crop yield under eleven consecutive years of corn with different tillage and residue practices in a sandy loam soil in central Canada[J].Soil &Tillage Research,2005.41-53.

[18] 吴涌泉,屈明,孙芳. 秸秆覆盖对土壤理化性状、微生物及生态环境的影响[J].中国农学通报,2009,(14):263-268.

[19] 华珞,陈世宝,白玲玉. 有机肥对镉锌污染土壤的改良效应[J].农业环境保护,1998,(02):55-59,62.

[20] 贾乐,朱俊艳,苏德纯. 秸秆还田对镉污染农田土壤中镉生物有效性的影响[J].农业环境科学学报,2010,(10):1992-1998.

[21] 甄丽莎,谷洁,高华. 秸秆还田与施肥对土壤酶活性和作物产量的影响[J].西北植物学报,2012,(09):1811-1818.doi:10.3969/j.issn.1000-4025.2012.09.015.

[22] 陈承利,廖敏. 重金属污染土壤修复技术研究进展[J].广东微量元素科学,2004,(10):1-8.doi:10.3969/j.issn.1006-446X.2004.10.001.

[23] 董霁红,卞正富,王贺封. 徐州矿区充填复垦场地作物重金属含量研究[J].水土保持学报,2007,(05):180-182.doi:10.3321/j.issn:1009-2242.2007.05.042.

[24] 汪雅各,卢善玲,盛沛麟. 蔬菜重金属低富集轮作[J].上海农业学报,1990,(03):41-49.

[25] Punz W F,Sieghardt H. The response of roots of herbaceous plant specises to heavy metals[J].Envir Exp Bot,1993,(01):85-98.

[26] 刘志彦,田耀武,陈桂珠. 矿区周围稻米重金属积累及健康风险分析[J].生态与农村环境学报,2010,(01):35-40.doi:10.3969/j.issn.1673-4831.2010.01.007.

[27] 王英,李正文,贺紫荆. 不同水稻品种积累镉的差异及其动态变化[J].广西农业生物科学,2007,(增刊1):82-85.

[28] 叶新新,周艳丽,孙波. 适于轻度Cd、As污染土壤种植的水稻品种筛选[J].农业环境科学学报,2012,(06):1082-1088.

[29] 甘露,朱玉梅,何麒. 不同甘蓝型油菜幼苗期对Ag+和Pb2+的耐性研究[J].农业环境科学学报,2008,(02):477-481.doi:10.3321/j.issn:1672-2043.2008.02.014.

[30] 李军红,田胜尼,孙萌. Cu、Pb、Zn及复合重金属对油菜种子萌发的抑制性研究[J].安徽农学通报,2007,(19):69-72.doi:10.3969/j.issn.1007-7731.2007.19.034.

[31] 吕景泉,张峰. 一种提高土地蓄水保肥能力的有效措施[J].黑龙江水利科技,2008,(05):67.doi:10.3969/j.issn.1007-7596.2008.05.046.

[32] 徐加宽,严贞,袁玲花. 稻米重金属污染的农艺治理途径及其研究进展[J].江苏农业科学,2007,(05):220-226.doi:10.3969/j.issn.1002-1302.2007.05.075.

[33] Elza Kovacs,William E,Dubbin B. Influnence of hydrology on heavy metal speciation and mobility in a Pb-Zn mine tailing[J].Envi-ronmental Pollution,2006,(02):310-320.

[34] 胡文友,祖艳群,李元. 无公害蔬菜生产中重金属含量的控制技术[J].农业环境科学学报,2005,(增刊):353-357.doi:10.3321/j.issn:1672-2043.2005.z1.085.

[35] 杜彩艳,祖艳群,李元. 石灰配施猪粪对Cd、Pb和Zn污染土壤中重金属形态和植物有效性的影响[J].武汉植物学研究,2008,(02):170-174.doi:10.3969/j.issn.2095-0837.2008.02.011.

[36] 何飞飞,曾建兵,吴爱平. 改良剂修复利用镉污染菜地土壤的田间效应研究[J].中国农学通报,2012,(31):247-251.doi:10.3969/j.issn.1000-6850.2012.31.047.