土壤重金屬污染研究與治理現(xiàn)狀

高太忠  李景印

（河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，石家莊 050018）

摘要  對(duì)土壤重金屬污染研究和治理方法現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹；涉及的具體內(nèi)容包括土壤重金屬元素背景值，化學(xué)定時(shí)炸彈的概念，土壤環(huán)境與人類健康和物理、化學(xué)、生物治理方法。

土壤作為環(huán)境的主要組成部分，不僅提供人類生存所需的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而且接受來自工業(yè)和生活廢水、固體廢物、農(nóng)藥化肥及大氣降塵等物質(zhì)的污染。重金屬以其在土壤中難降解、毒性強(qiáng)、具有積累效應(yīng)等特征受到科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。自70年代以來，它一直是多學(xué)科研究的活躍領(lǐng)域。本文擬對(duì)土壤重金屬污染研究與治理予以討論。

1  土壤重金屬元素背景值研究

對(duì)土壤元素背景值方面的研究，30年來國(guó)內(nèi)外做了大量的工作。1961年美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(GC)在美國(guó)大陸本土開展背景值的調(diào)查工作，1984年發(fā)表了《美國(guó)大陸土壤及其地表物質(zhì)中的元素濃度》專項(xiàng)報(bào)告；1988年完成全國(guó)土壤背景值的研究工作，共分析近50個(gè)元素。日本于1978~1984年在全國(guó)范圍內(nèi)開展了表土和底土元素背景值調(diào)查，共測(cè)定了As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn等8種元素，并提出元素背景值表示方法。

我國(guó)于70年代中期開展土壤元素背景值研究。1982年國(guó)家科委將土壤背景值調(diào)查研究列入“六五”重點(diǎn)科技攻關(guān)課題；1986年再次將其列為“七五”重點(diǎn)科技攻關(guān)課題，先后對(duì)除臺(tái)灣省以外的?。▍^(qū)）所有土壤類型的元素背景值進(jìn)行了調(diào)查，分析元素60余個(gè)；后來出版了《環(huán)境背景值數(shù)據(jù)手冊(cè)》^[1]、《中國(guó)土壤元素背景值》^[2]等專著。

2  “化學(xué)定時(shí)炸彈”概念的提出

近年來，環(huán)境地球化學(xué)最突出的進(jìn)展是提出了“化學(xué)定時(shí)炸彈”(Chemical Time Bomb)^[3]新概念。化學(xué)定時(shí)炸彈是指化學(xué)物質(zhì)在土壤中不斷積累，終于使土壤承受能力達(dá)到極限。這時(shí)若增加少量投入就會(huì)使原被土壤中固定的化學(xué)物質(zhì)大量釋放，造成無法收拾的嚴(yán)重災(zāi)害。另一種類型的化學(xué)定時(shí)炸彈是由于氣候和土壤利用的改變，使土壤承受能力大幅度下降，導(dǎo)致定時(shí)炸彈提前“引爆”。

化學(xué)定時(shí)炸彈研究的內(nèi)容包括：各種可能引發(fā)化學(xué)定時(shí)炸彈的有害物質(zhì)的來源、遷移途徑和方式；不同環(huán)境中各類土壤、巖石和沉積物的承受能力，影響承受能力和儲(chǔ)存容量的各種因素；不同類型定時(shí)炸彈引發(fā)的特點(diǎn)和危害的性質(zhì)；不同環(huán)境中各種化學(xué)定時(shí)炸彈的范圍、規(guī)模和時(shí)間尺度；化學(xué)定時(shí)炸彈監(jiān)控及預(yù)測(cè)的方法及其利用的指標(biāo)；對(duì)化學(xué)定時(shí)炸彈過程模擬及模型的建立等等。由于化學(xué)定時(shí)炸彈具有從局部到區(qū)域以至全球的各種規(guī)模，因而不僅要研究局部的“熱點(diǎn)”，而且要進(jìn)行全局戰(zhàn)略研究。不僅要研究土壤中，而且要研究各種沉積物、地表水、地下水及大氣中的化學(xué)物質(zhì)尤其是有害物質(zhì)的遷移、累積和分配關(guān)系等。

1995年，謝學(xué)錦院士和劉東生院士在北京香山科學(xué)會(huì)議第46次學(xué)術(shù)討論會(huì)上，主持討論了化學(xué)定時(shí)炸彈問題^[4]。早在1992年，謝學(xué)錦院士從研究中國(guó)定時(shí)炸彈的全局高度，提出了“環(huán)境地球化學(xué)監(jiān)控與動(dòng)態(tài)地球化學(xué)圖”研究計(jì)劃，得到國(guó)家環(huán)保局等部委的支持；該計(jì)劃在全國(guó)范圍設(shè)立600個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，采集地表和深部泛濫平原沉積物，分析40~70個(gè)元素及其它參數(shù)，并計(jì)劃以每10 a為1周期進(jìn)行1次采集分析，以期獲得中國(guó)陸地環(huán)境變化的連續(xù)記錄?，F(xiàn)已繪制出50余種元素在地表與深部（反映大規(guī)模工業(yè)化前的情況）含量變化的地球化學(xué)圖^[5]。這對(duì)于監(jiān)控和預(yù)測(cè)化學(xué)定時(shí)炸彈很有意義。我國(guó)在此項(xiàng)研究中居于世界領(lǐng)先水平。

３  土壤（次生）環(huán)境與人類健康

60年代以來，日本^[6]查明“骨痛病”、“水俁病”的成因，引起了世界各國(guó)的注意，使環(huán)境與人類健康的關(guān)系逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。土壤是食物鏈中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。人和動(dòng)植物地方病流行區(qū)與土壤氣候帶有密切的關(guān)系。

我國(guó)開展環(huán)境與人類健康（地方?。┑难芯抗ぷ鬏^晚。70年代中期對(duì)克山病進(jìn)行了環(huán)境地球化學(xué)研究?，F(xiàn)已查明我國(guó)黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古和遼寧等14個(gè)省區(qū)有克山病分布?？松讲∈且环N病因未明、慢性病程的地方性心肌病。研究發(fā)現(xiàn)克山病主要分布在棕、褐土系及其相鄰的過渡土壤中，而向草原、荒漠土帶和紅、黃土壤帶減少和消失。譚建安等^[7]通過對(duì)我國(guó)主要克山病發(fā)病區(qū)和西北、東南兩個(gè)非病帶進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查，證實(shí)我國(guó)存在低Se帶，這個(gè)呈東北至西南走向的低Se帶的分布恰好與克山病的地理分布相一致。洪業(yè)湯等^[8]在研究克山病的過程中，發(fā)現(xiàn)微量元素Mo與克山病的發(fā)病之間有某種聯(lián)系。

80年代，陳家其^[9]進(jìn)行了區(qū)域環(huán)境與癌的研究。我國(guó)長(zhǎng)江三角洲自然地理?xiàng)l件比較復(fù)雜，肝癌死亡率的區(qū)域差異十分明顯。對(duì)區(qū)域土壤、水和糧食中微量元素Mo、Cu、Zn與肝癌的關(guān)系進(jìn)行的研究結(jié)果表明：該地區(qū)土壤中Cu、Zn含量較高，而糧食中Cu、Zn也較高；而Mo卻與之相反，在土壤含Mo較高的地方，糧食中Mo含量卻較低；土壤含Mo較低的地方，糧食中含Mo卻較高。這與三角洲地區(qū)多種元素相對(duì)富集等地理環(huán)境特點(diǎn)有關(guān)。

對(duì)河南、山西等地的食道癌發(fā)病區(qū)研究表明，病區(qū)土壤中Cu、Zn、V和Zr等元素含量高。由此可見，微量元素失調(diào)與區(qū)域性腫瘤的高發(fā)病率之間存在明顯的關(guān)系。

90年代，我國(guó)對(duì)砷中毒（地砷?。┡c環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行了研究。云南、貴州、湖南、新疆、臺(tái)灣已有這方面的報(bào)道。最近，湯潔^[10]、王敬華^[11]等人對(duì)內(nèi)蒙古、山西等As中毒進(jìn)行了研究，揭示了自然和人為作用能將環(huán)境中的As釋放出來，提高水的毒性，加劇As中毒的發(fā)生并導(dǎo)致癌癥高發(fā)。

除上述研究外，近20 a來我國(guó)還對(duì)地方性甲狀腺腫、地方性氟病、大骨節(jié)病等與環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，獲得了大量的研究成果，許多成果具有國(guó)際領(lǐng)先水平。

4  土壤重金屬污染治理方法

土壤重金屬污染治理途徑主要有兩種：一是改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，使其由活化態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)；二是從土壤中去除重金屬，以使其存留濃度接近或達(dá)到背景值^[12]。

4.1  物理及物理化學(xué)方法

常采用的物理及物理化學(xué)方法有熱解吸法、電化學(xué)法和提取法等。對(duì)于揮發(fā)性的重金屬，例如，汞，采用加熱的方法可以將其從土壤中解吸出來，當(dāng)達(dá)到一定體積時(shí)再回收利用。用此項(xiàng)技術(shù)治理后，土壤中汞的濃度可達(dá)到背景值（1 mg/L）^[13]。對(duì)于滲透性不高，傳導(dǎo)性較差的粘性土壤中的Cu、Cr、As，根據(jù)電流能破壞金屬—土壤鍵的原理，可應(yīng)用電化學(xué)的方法予以去除。Brewster等曾用鐵板作陽極，根據(jù)電解產(chǎn)生的亞鐵離子經(jīng)氧化后可產(chǎn)生水合鐵氧化物的原理，創(chuàng)造適當(dāng)?shù)臈l件，使地下水中的重金屬與水合鐵氧化物形成共沉淀而將重金屬去除。通過改變兩極電壓控制亞鐵離子濃度，使處理過的水中的重金屬離子濃度達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)^[14]。

提取法分為沖洗法、洗土法和浸濾法等；這幾種方法的原理相同，都是利用試劑和土壤中的重金屬作用，形成溶解性的重金屬離子或金屬—試劑絡(luò)合物，最后從提取液中回收重金屬，并循環(huán)利用提取液^[15]。近年來的研究表明，表面活性劑利用其吸附作用對(duì)土壤中的某些重金屬陽離子具有良好的解吸效果，從而達(dá)到去除的目的。表面活性劑的分子愈大，對(duì)重金屬陽離子的解吸效果愈顯著。但由于其對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，目前趨向于利用易降解、無毒性的生物表面活性劑。生物表面活性劑種類較多，它們對(duì)不同重金屬具有各自的專一性，而且在污染土壤中能自發(fā)循環(huán)利用^[16]，因而具有良好的應(yīng)用前景。

美國(guó)曾應(yīng)用淋濾法和洗土法成功地治理了8種重金屬（Cd、Cu、Hg、Cr、Ni、Ag、Pb和Tb）污染的土壤，采用的提取劑為酸性溶劑，并加入氧化劑、還原劑及絡(luò)合劑。

4.2  生物學(xué)方法

生物學(xué)方法主要是利用特殊植物和微生物來去除土壤中的重金屬或降低重金屬的毒性。一些具有特定生理機(jī)制的植物可對(duì)重金屬吸附富集或與重金屬結(jié)合生成不具生物活性的化合物，從而去除重金屬或降低重金屬的毒性^[17]。

對(duì)于重金屬污染的土壤，可采取種植非食用植物或抗污染且能富集重金屬的植物的方法去除土壤中的重金屬^[18]。收獲植物時(shí)連根拔起也可以達(dá)到去除重金屬的目的。

利用微生物對(duì)某些重金屬的吸收、沉積、氧化和還原等作用，減小植物攝取，從而降低重金屬的毒性^[19]。目前環(huán)境科學(xué)研究中最活躍的領(lǐng)域之一就是運(yùn)用遺傳基因工程等生物技術(shù)來培育對(duì)重金屬具有降毒能力的微生物，借此消除重金屬對(duì)土壤的污染。

除上述兩種方法之外，還可以運(yùn)用農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，例如，使用改良劑，改變耕作制度，改變作物種類和肥料品種，翻耕或換土，以及向土壤中加入粘合劑以固定重金屬，在一定程度上能去除土壤重金屬或降低其毒性。在這方面，曹仁林^[20]、青長(zhǎng)樂^[21]、蔣崇菊^[22]等人曾進(jìn)行過有益的研究，并收到了預(yù)期的效果。