耕地土壤镉污染现状及治理措施——以湖南省衡阳市祁东县为例.pdf

71 北京农业职业学院学报Journal of Beijing Vocational College of Agriculture第37卷 第3期2023年5月Vol.37 No.3May 20230 引言随着国内工业化的快速发展，我国耕地土壤重金属污染问题也日益加剧，在重金属污染中主要以镉污染问题尤为突出。根据2014 年全国土壤污染状况调查公报，全国土壤的总点位超标率为 16.1%，无机污染物的超标点位数占全部超标点位数的82.8%，而重金属污染的点位超标率为 21.7%，其中以镉污染最为严重，点位超标率达 7.0%，而耕地土壤点位超标率为 19.4%1。镉作为生耕地土壤镉污染现状及治理措施以湖南省衡阳市祁东县为例张稷策1，刘 燚2（1.湖南中核建设工程有限公司，湖南 长沙 410000；2.湖南省生态地质调查监测所，湖南 长沙 410000）【摘 要】在我国众多环境污染问题中，土壤重金属污染已成为亟待解决的问题之一。目前，国内外研究学者认为，镉(Cd)污染是农田重金属污染中较为突出的问题。以湖南省衡阳市祁东县为例，结合现有资料并通过走访调查祁东县现有及历史排污企业，分析祁东县镉污染潜在来源、现状及修复治理措施，并以该县 B 镇某村部分农田为实例，通过有针对性地开展耕地土壤修复工作，对减轻该县土壤污染引发的潜在粮食安全问题具有重要意义，同时也是贯彻落实中华人民共和国土壤污染防治法与深入推进耕地土壤污染源头管控和安全利用的重要基础性工作。【关键词】耕地土壤；镉污染；修复治理【中图分类号】S15 【文献标识码】A 【文章编号】1671-7252（2023）03-0071-06【收稿日期】2023-03-06【作者简介】张稷策（1998 ），男，湖南湘潭人，湖南中核建设工程有限公司助理工程师，硕士。研究方向：农业资源利用、土壤修复与治理。物体的一种非必需元素2，在自然界中一般含量很低，常以化合物形式存在，在土壤中常与土壤胶体复合存在，在正常环境条件下，镉不会给人类生命健康带来很大的风险；但当环境条件遭到破坏时，镉可通过农作物的吸收，在生物体内富集并通过食物网造成人体慢性中毒3。最早镉污染发生在 20 世纪 3040 年代日本富山县，此后，21 世纪初湖南等地大米镉超标事件频发。彭曦4统计我国 22 个省的 187 份水稻土的平均镉含 72 北京农业职业学院学报 2023 年 第 3 期量，发现湖南水稻土镉含量（1.12 mg/kg）最高。2008 年，雷鸣等5对湖南地区的水稻进行了镉元素的检测，结果表明，湖南地区的水稻的平均镉含量是 0.28 mg/kg，其中，衡阳地区的水稻含镉量是最高的。在部分城乡接合区域，被污染的农田区域达到 70%以上，这严重危及全省的粮食安全和人们的身体健康。目前，对耕地土壤重金属的研究较多，在国家和省级层面的污染与评价以及空间分布，如何减少或者固定耕地土壤中的重金属镉，降低其生物活性，提高耕地安全利用率均已成为学者们广泛关注和研究的内容。本文综述了衡阳市祁东县土壤镉污染的主要来源及现状，同时，详细阐述 4 种常用镉污染修复方法及其对应的研究进展，通过实例分析了衡阳市祁东县 B 镇某村部分农田镉污染的现状及治理方式，研究成果可为该县后续农用地重金属中轻度污染土壤的安全利用提供参考。1 耕地土壤镉污染来源及现状1.1 区域概况祁东县地处衡阳市西南部、湘江中游北岸，西北多山，南缘中段突起，地势自西北向东南逐渐倾斜，以亚热带季风湿润气候为主，水热丰富，土壤类型以水耕人为土、红壤和紫色土为主，一年两熟，是著名的“中国黄花之乡”“黑色金属之乡”，矿产资源较为丰富。截至 2016 年底，祁东县共有各类矿山 117 家，按矿山规模划分，大型矿山 3 家、中型矿山 2 家、小型矿山 112 家6。铁矿是县内储量最大的黑色金属矿；其次是有色金属，已发现有色金属铅、锌、铜、锑、汞等矿床(点)18 处，以铅锌为主，储量较大的有清水塘铅锌矿、留书塘铅锌矿；境内非金属矿产以石灰岩和重晶石储量最大。在过去的几十年里，该县对土壤中重金属镉的理论和实践探索匮乏，而且在工业生产过程中，排放量也在逐年增加，导致了土壤中重金属的大量累积，农田受污染的问题不断加重。1.2 来源及现状重金属作为祁东县耕地土壤污染的主要源头，造成环境污染，破坏生态平衡，损害人类身体健康7。而重金属镉来源比较复杂，并且存在多种污染农田土壤的方式。研究表明，土壤镉污染来源主要分为两类，一类为自然成因，土壤中重金属的最初来源是成土母质，自然成因可由地质学上的母岩裂解及火山喷发引起，在此过程中，母质生成的镉与含硫化物、碳酸盐、磷酸盐等岩石发生了相互作用，造成了岩石中镉的富集。如果遭遇岩石风化、河流冲刷、火山喷发、山林大火，都会自然而然地将镉释放出来。在没有人为活动的自然条件下，地层岩石风化成土壤的过程是十分缓慢的，土壤中重金属镉元素活性态比例较低，一般不易导致土壤及农产品中重金属超标。另外一类就是人类活动所产生的镉污染。相对自然成因，这一类更为复杂，主要包括矿山不合理地开采和化学制作厂、冶炼厂的废水、废气、废渣不合理地排放及农业生产过程中的农药化肥滥用等。据现有资料及现场调查，有色金属矿产开发（铅锌矿、锰矿为主）、冶炼及其他工业生产排放出的废气、废水和废渣是导致祁东县耕地土壤镉污染的主要来源。近年来，随着农用地土壤镉等重金属污染源头防治行动的开展，当地大部分涉镉等重金属企业已陆续停产关闭，但其排放的污染物早已通过大气沉降、地表径流等迁移途径排放至周边农 73 张稷策，等：耕地土壤镉污染现状及治理措施田及地下水中。同时，农业生产过程中大量使用的磷肥中镉含量也较高。磷肥的主要原料为磷矿石，其内部含有的镉是天然的，施加的这些磷肥，通过地表水及地下水进入土壤，造成了农田土壤中镉的累积。近年来，随着全省不断开展加强重金属污染防控，将6个“涉重”行业纳入防控重点，加强重点行业企业准入管理，并优化涉重金属产业结构和布局，重金属污染面积区域逐渐稳定，但因历史成因造成的农田镉污染问题并未完全解决。2 耕地土壤镉污染修复治理措施在祁东县的土地储备日益紧缺的情况下，对中、轻度重金属镉污染的农田来说，开发一种简便、高效、安全的使用技术变得非常关键和紧迫。2016 年国务院印发了土壤污染防治行动计划，提出到 2030 年，我国耕地的安全利用水平超过 90%。因此，探索农田土壤镉污染修复技术具有重要的现实意义和研究意义。用于去除土壤中镉污染物的途径主要有两种：一是改变镉在土壤中的存在形态，降低镉的活性并抑制其在土壤中的迁移转化能力；二是降低土壤中镉的含量，使土壤中镉的含量低于标准或接近土壤背景值8。目前，许多研究者提出了诸多去除或固定污染土壤中镉的技术，如物理修复技术、化学修复技术和生物修复及联合修复技术，具体见表 1。表 1 土壤中镉污染修复技术比较修复技术适用性优 点缺 点物理修复技术轻、中度污染地区修复效率高长效性不足、成本高、范围小化学修复技术中、重度污染地区费用低、稳定性强所需设备多、二次污染、范围小生物修复技术轻、中度污染地区环保、无二次污染周期长、条件严苛、有待深入联合修复技术均可适用稳定、可优劣互补研究不够深入2.1 物理修复技术物理修复技术是指利用物理方法直接对受镉污染的农田土壤进行快速修复，常见的方法包括换土法、客土法等传统物理方法及电修复技术等。换土法是将受污染的土壤全部或部分置换为未受污染的土壤，以达到修复的目的9，并将提取出来受污染的土壤移至专门的地方集中处理。事实上，换土法成本较高、适用范围有限，仅在受污染土壤面积较小时采用，目的是防止污染范围扩大，并不适用于大面积和重污染区域的农田，并且存在土壤肥力的潜在损失和替代土壤与原土壤的适用性问题。客土法是指将许多清洁的土壤添加到被污染的土壤中，混合均匀，同时与深耕翻土的方式共同发挥作用，降低土壤重金属及污染物浓度，减少受污染土壤与作物根系直接接触的面积，但仅适用于污染程度较轻、面积小且易取土的区域10。这两种物理方法被投入使用后，其消耗的时间、财力和物力均相对较高，也会对原本的土壤环境造成影响，存在二次污染的风险。因此，换土法和客土法的使用范围受限制，修复效果也是暂时性的，在农田镉污染土壤中不建议大规模使用。电修复法指通过电极通电使污染土壤中镉离子在电场的作用下向电极区富集，进而使用共沉淀、电镀等方法将土壤中的镉离子分离，最终达到修复的目的11。总体而言，物理方法的优点是治理效率较高，但缺点也较为明显，在未来镉污染修复领域需要进一步优化成本，降低损耗。74 北京农业职业学院学报 2023 年 第 3 期2.2 化学修复技术化学修复技术是指在农业生产过程中，添加某类化学物质，利用化学反应来降低土壤重金属镉的浓度，分为土壤淋洗法和土壤钝化法。土壤淋洗法是指在农田中添加化学淋洗剂，通过改变土壤 pH 值、氧化还原电位等方式来提高土壤中重金属化合物的移动性12，淋洗液在重力作用下或通过水力压头进入被污染的土层，然后从土壤中抽出含有污染物的土壤溶液，通过过滤和净水技术，如在土壤中使用合适的络合剂对重金属进行清洗等。土壤钝化法是指将钝化剂添加到受污染的农田中，降低土壤中重金属镉的生物有效性，通过离子的络合、拮抗进行吸附沉淀，将土壤溶液中的镉重新分配到土壤颗粒中，从而降低重金属镉的迁移率13。目前，化学修复技术对重金属镉的修复有一定效果，但对于大面积农田而言，各种添加剂对原有环境的其他潜在影响并未知晓，筛选出绿色、高效的新型材料才是可持续发展之路。2.3 生物修复技术生物修复农田重金属镉主要依靠动植物及微生物作为修复的载体，通过分解镉活性产生不同的化合物（如铁载体、有机酸等），对农田重金属镉进行转化、吸附、沉淀，从而使土壤成为稳定状态。植物修复技术是利用其本身对重金属镉的吸收净化作用以达到修复的效果，这需要种植的作物对重金属具有一定的耐受性。研究表明，东南景天、紫罗兰等是典型的重金属镉的超积累植物，是作为植物修复的极佳植物14-15。微生物修复技术是通过人工培育微生物或者利用某些微生物本身特性，以新陈代谢方式降低受污染土壤中污染物的有效性。微生物修复技术作为一种新型环境修复技术，已经在石油污染、有机物污染、重金属污染等土壤污染的修复中得到成功应用。对被污染的土壤，微生物修复技术是比较有效的治理手段，其修复成本比物理修复和化学修复低，对土壤环境破坏性极低，植物生长所需的污染物降解比较彻底，不会产生二次污染，处理到位，操作简便，去除率可达 99%以上，但在受污染环境中对微生物的筛选条件严苛，消耗的时间也相对较长，还有待进一步研究。2.4 联合修复技术联合修复技术是利用两种或者多种修复技术修复农田重金属镉，此类方法不仅可以提高修复效率，还可以弥补单一修复技术上的不足。廖绍群等16针对轻度镉污染特点，采取土壤调酸（洒石灰）、施用有机肥和低镉积累品种技术联合修复，以达到治理效果。裴孟等17对农田受污染土壤添加两种不同改良剂之后,土壤团聚体稳定性得到提升，土壤有效态镉及农作物根部镉含量都有显著降低。此外，自 2014 年起，湖南省各县市开始建立VIP+N 试验区，构建了“低镉品种（Variety）+全生育期淹水灌溉（Irrigation）+生石灰调节土壤酸碱度（pH）+辅助措施（N）”的稻米镉污染控制技术体系，实验效果比较显著。就目前而言，农艺调控措施、联合修复技术等新型修复手段效果显著，成本可控，也具有环保节能的效果。3 农田土壤修复实例分析3.1 现有污染源分析以湖南省衡阳市祁东县 B 镇某村为实例，母质类型以石灰岩风化物为主，其土壤类型主要以水耕人为土和红壤为主。经调查，该村存在 1 处采矿企业和 1 处冶炼企业，75 张稷策，等：耕地土壤镉污染现状及治理措施曾经开采冶炼活动频繁，带来了一定的经济效益，目前已为关停状态。但因其历史排放的废水与废渣并未通过净化处理，致使废渣通过降雨洗刷进入周边灌溉渠，该渠为此村主要农田灌溉水源，受污染水源由此进入附近农田，致使该村土壤镉污染比较严重，后经取样并检测，村子周边的农田中作物出现镉超