土壤重金屬污染研究與治理現狀

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  對土壤重金屬污染研究和治理方法現狀進(jìn)行了介紹；涉及的具體內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(lèi)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(lèi)生存所需的各種營(yíng)養物質(zhì)，而且接受來(lái)自工業(yè)和生活廢水、固體廢物、農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、具有積累效應等特征受到科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。自70年代以來(lái)，它一直是多學(xué)科研究的活躍領(lǐng)域。本文擬對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

對土壤元素背景值方面的研究，30年來(lái)國內外做了大量的工作。1961年美國地質(zhì)調查局(GC)在美國大陸本土開(kāi)展背景值的調查工作，1984年發(fā)表了《美國大陸土壤及其地表物質(zhì)中的元素濃度》專(zhuān)項報告；1988年完成全國土壤背景值的研究工作，共分析近50個(gè)元素。日本于1978~1984年在全國范圍內開(kāi)展了表土和底土元素背景值調查，共測定了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。

我國于70年代中期開(kāi)展土壤元素背景值研究。1982年國家科委將土壤背景值調查研究列入“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，先后對除臺灣省以外的省（區）所有土壤類(lèi)型的元素背景值進(jìn)行了調查，分析元素60余個(gè)；后來(lái)出版了《環(huán)境背景值數據手冊》^[1]、《中國土壤元素背景值》^[2]等專(zhuān)著(zhù)。

2  “化學(xué)定時(shí)炸彈”概念的提出

近年來(lái)，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(wú)法收拾的嚴重災害。另一種類(lèi)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，導致定時(shí)炸彈提前“引爆”。

化學(xué)定時(shí)炸彈研究的內容包括：各種可能引發(fā)化學(xué)定時(shí)炸彈的有害物質(zhì)的來(lái)源、遷移途徑和方式；不同環(huán)境中各類(lèi)土壤、巖石和沉積物的承受能力，影響承受能力和儲存容量的各種因素；不同類(lèi)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、規模和時(shí)間尺度；化學(xué)定時(shí)炸彈監控及預測的方法及其利用的指標；對化學(xué)定時(shí)炸彈過(guò)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域以至全球的各種規模，因而不僅要研究局部的“熱點(diǎn)”，而且要進(jìn)行全局戰略研究。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(wèn)題^[4]。早在1992年，謝學(xué)錦院士從研究中國定時(shí)炸彈的全局高度，提出了“環(huán)境地球化學(xué)監控與動(dòng)態(tài)地球化學(xué)圖”研究計劃，得到國家環(huán)保局等部委的支持；該計劃在全國范圍設立600個(gè)監控點(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，并計劃以每10 a為1周期進(jìn)行1次采集分析，以期獲得中國陸地環(huán)境變化的連續記錄。現已繪制出50余種元素在地表與深部（反映大規模工業(yè)化前的情況）含量變化的地球化學(xué)圖^[5]。這對于監控和預測化學(xué)定時(shí)炸彈很有意義。我國在此項研究中居于世界領(lǐng)先水平。

３  土壤（次生）環(huán)境與人類(lèi)健康

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

我國開(kāi)展環(huán)境與人類(lèi)健康（地方病）的研究工作較晚。70年代中期對克山病進(jìn)行了環(huán)境地球化學(xué)研究。現已查明我國黑龍江、吉林、內蒙古和遼寧等14個(gè)省區有克山病分布。克山病是一種病因未明、慢性病程的地方性心肌病。研究發(fā)現克山病主要分布在棕、褐土系及其相鄰的過(guò)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(guò)對我國主要克山病發(fā)病區和西北、東南兩個(gè)非病帶進(jìn)行系統調查，證實(shí)我國存在低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(guò)程中，發(fā)現微量元素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)行了區域環(huán)境與癌的研究。我國長(cháng)江三角洲自然地理條件比較復雜，肝癌死亡率的區域差異十分明顯。對區域土壤、水和糧食中微量元素Mo、Cu、Zn與肝癌的關(guān)系進(jìn)行的研究結果表明：該地區土壤中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。這與三角洲地區多種元素相對富集等地理環(huán)境特點(diǎn)有關(guān)。

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

90年代，我國對砷中毒（地砷病）與環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行了研究。云南、貴州、湖南、新疆、臺灣已有這方面的報道。最近，湯潔^[10]、王敬華^[11]等人對內蒙古、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(lái)，提高水的毒性，加劇As中毒的發(fā)生并導致癌癥高發(fā)。

除上述研究外，近20 a來(lái)我國還對地方性甲狀腺腫、地方性氟病、大骨節病等與環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行了系統研究，獲得了大量的研究成果，許多成果具有國際領(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)轉變?yōu)榉€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(lái)，當達到一定體積時(shí)再回收利用。用此項技術(shù)治理后，土壤中汞的濃度可達到背景值（1 mg/L）^[13]。對于滲透性不高，傳導性較差的粘性土壤中的Cu、Cr、As，根據電流能破壞金屬—土壤鍵的原理，可應用電化學(xué)的方法予以去除。Brewster等曾用鐵板作陽(yáng)極，根據電解產(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 )造適當的條件，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(guò)改變兩極電壓控制亞鐵離子濃度，使處理過(guò)的水中的重金屬離子濃度達到排放標準^[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(lái)的研究表明，表面活性劑利用其吸附作用對土壤中的某些重金屬陽(yáng)離子具有良好的解吸效果，從而達到去除的目的。表面活性劑的分子愈大，對重金屬陽(yáng)離子的解吸效果愈顯著(zhù)。但由于其對環(huán)境產(chǎn)生影響，目前趨向于利用易降解、無(wú)毒性的生物表面活性劑。生物表面活性劑種類(lèi)較多，它們對不同重金屬具有各自的專(zhuān)一性，而且在污染土壤中能自發(fā)循環(huán)利用^[16]，因而具有良好的應用前景。

美國曾應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(lái)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制的植物可對重金屬吸附富集或與重金屬結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)連根拔起也可以達到去除重金屬的目的。

利用微生物對某些重金屬的吸收、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)域之一就是運用遺傳基因工程等生物技術(shù)來(lái)培育對重金屬具有降毒能力的微生物，借此消除重金屬對土壤的污染。

除上述兩種方法之外，還可以運用農業(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(lèi)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(cháng)樂(lè )^[21]、蔣崇菊^[22]等人曾進(jìn)行過(guò)有益的研究，并收到了預期的效果。