农田土壤重金属污染安全利用技术研究

农田土壤重金属污染安全利用技术研究

吴海霞

云南省生态环境科学研究院 云南省 昆明市 650034

摘要：农田土壤重金属污染已成为人们极为重视的环境问题，随之而来的还有粮食作物安全问题。基于我国农田土壤重金属污染以中轻度污染为主的现状，重金属污染农田土壤治理采用边生产边修复的安全利用技术模式是当前最为合理有效的。我国中轻度重金属污染农田安全利用技术研究主要分为低积累农作物品种筛选、农艺调控措施、土壤原位钝化以及叶面阻控剂等。在相对紧缺的耕地资源背景下，以保障粮食安全为目标，农田土壤重金属污染安全利用技术仍将作为农田重金属治理技术的主流得到广泛应用。

关键词：农田土壤；重金属污染；安全利用技术

前言：土壤健康直接影响人类的生存和发展。于2014公布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国耕地土壤重金属污染形势严峻，土壤总的超标率为16.1%，污染类型主要为无机型，其中镉污染超标率达到7%，位于无机污染物之首。而2016年《土壤污染防治行动计划》（简称“土十条”）的出台更加表明我国的土壤污染治理已经刻不容缓。土壤中的重金属污染，作物易吸收积累，是影响我国粮食安全的农用地土壤质量关键原因之一。基于我国目前紧缺的耕地资源以及人们对粮食安全问题的重视程度，既要保持农田可持续生产，又要保证粮食生产安全，因此重金属污染农田土壤采用边生产边修复的方式是更加合理的。近年来，国家高度重视土壤重金属污染防治以及粮食安全生产，2023年中央1号文件明确提出“巩固提升受污染耕地安全利用水平”，众多研究也围绕着重金属污染农田安全利用与修复技术展开。目前，我国农田土壤重金属污染面积逐步增大且以中轻度污染为主，主要安全利用技术分为低积累农作物品种筛选、农艺调控措施、土壤原位钝化以及叶面阻控剂等。

1农田土壤重金属污染概述

土壤重金属污染就是指受人类活动干扰从而出现的土壤内部重金属严重超标，由于沉积过多从而导致的重金属污染问题，这些都是土壤土质降低的根本原因。这些重金属指的一般为汞、铬、铅等具有较高毒性的金属元素，还包括一些生物毒性较大的元素，比如砷元素，或者毒性较低但依旧存在危害的元素，比如铜、镍或者锌等。土壤内部重金属如果存在少部分被污染的情况是由自然因素导致的，主要就是受到人为活动的影响，比如工业与矿业企业日常生产产生的废水与污泥一类重金属废物、农民日常农业生产过程中所用的杀虫剂与农药等、冶炼企业以及汽车尾气排放产生的重金属沉降等。

2农田土壤重金属污染安全利用技术

2.1原位钝化技术

原位钝化技术是指向土壤中施加一种或多种土壤调理剂，通过改变土壤的理化性质，可以改变重金属的化学形态，降低其生物有效性，进而减少其在作物中的累积。主要影响土壤重金属的生物有效因素为：土壤pH、有机质、阳离子交换量（CEC）等。根据影响因素不同以及作用机理不同，针对镉污染的钝化剂已经研发并且常用的类型主要包括无机类、有机类以及新型钝化剂等。

无机钝化剂主要有硅钙物质（硅酸盐、石灰等）、含磷物质（磷酸二氢钾、磷酸钙、羟基磷灰石等）、粘土矿物（膨润土、海泡石、沸石、凹凸棒石、等）、工业废弃物（赤泥、水泥、磷石膏、飞灰等）、金属及其氧化物等。采用磷石膏、原煤以及铁渣等材料配制成一种高效低廉的无机钝化剂，既改变了土壤的形态，使其结构更加致密，更增加了土壤pH，从而降低了土壤中镉和砷的生物有效性。

有机钝化剂主要有生物质炭、农作物秸秆和动物粪便等生物有机肥等。生物质炭是生物质在低氧条件下高温裂解形成的多孔、低密度富碳材料，其具有较大的表面积且表面含有较多的有机官能团、丰富的孔隙结构、较高的化学稳定性，具有改善土壤pH、提高土壤有机质和CEC等效果，通过与重金属阳离子交换、吸附等作用机制来降低土壤中重金属的迁移性、生物毒性以及生物有效性。生物炭基复合钝化剂对镉污染农田修复具有显著作用，其主要是因为钝化剂施用后土壤pH升高，土壤有效态Cd含量降低。有机肥对重金属的钝化作用主要取决于土壤理化性质，生物有机肥可有效调节土壤CEC、有机质与重金属络合，从而降低生物有效性。

3.2金属元素型叶面阻控剂

主要有锌Zn、铁Fe、锰Mn、铜Cu、硼B等。作用机理主要是利用竞争性阳离子与Cd2+产生拮抗效应，从而抑制镉转移到作物可食部位，已逐渐成为重金属污染叶面阻控的研究重点。

锌是植物生长必需的最重要的微量元素之一，叶面喷施锌可以抑制根系对重金属污染元素的吸收和转运。在植物体内，Zn2+与Cd2+两者的表现是拮抗作用，因为Cd和Zn在化学和生化上具有相似性，所以Zn2+和Cd2+在植物体内可以通过同样的途径进入根部，从而引起根竞争效应，竞争细胞膜表面的结合位点，锌的吸收量与镉成反比。且由于Zn2+和Cd2+具有一致的转运蛋白，与镉竞争其重金属结合位点，因而Zn2+对Cd2+在植物体内的运输起到了抑制作用。

铁也是植物生长过程中所必需的微量元素，主要是通过影响叶绿体的形成、重金属的吸收转运以及生理功能来实现降低重金属的效应。Fe可能与Cd竞争相同的膜转运蛋白，通过改善植物Fe营养，可增强抗氧化酶的活性，从而抵御重金属毒害。另外Fe的使用显著提高了水稻在镉毒害下的光合作用以及产量。铁膜可以吸附和隔离Cd到根表面，植物铁营养可以阻止水稻吸收Cd。在Cd污染土壤上施铁可以提高水稻体内的Fe浓度，降低Cd浓度，从而产生高铁低镉含量的水稻，这对人类是安全的。

3.3有机型叶面阻控剂

主要有农残降解剂脯氨酸、谷氨酸、半胱氨酸等有机酸。据研究显示，叶面喷施农残降解剂会使植物体内的重金属元素结构发生变化，同时显著降低植物茎部、果实的重金属含量。主要原因有：①有机酸成分与重金属起络合反应，使其钝化并沉淀；②减少蒸腾作用，使重金属转运动力减弱；③有效增强植物代谢，提高耐受性。

3.4农艺调控技术

在农田土壤重金属污染修复过程中，可以通过农艺调控技术的合理应用，有效治理或修复农田土壤当中出现的重金属污染情况。为此，可以采取石灰调节、优化施肥、调整品种、水分调控、叶面调控以及深翻耕等措施，减少污染物从土壤向作物尤其是可使用部分作物的转移，从而保障农产品的安全生产，实现受污染耕地的安全利用。以深翻耕为例，可以利用深翻机械开展大范围的土壤深翻作业，控制好深翻深度，能够有效改良土壤土质，同时也能够及时清除农田当中存在的杂草，减少病虫害等问题的出现。再比如采取优化施肥的方式，调节氮、磷、钾等肥料的比例，能够有效调节土壤当中的微量元素含量，从而缓解或解决土壤重金属污染问题。

结束语：

概而言之，农田土壤重金属污染的修复是一项极为复杂且长期的工作。农田土壤重度重金属污染可采用的是化学、物理和生物修复技术，但我国大部分农田土壤属于中轻度污染，而对中轻度重金属污染农田而言，实现安全利用技术是更为合理的。在相对紧缺的耕地资源背景下，以保障粮食安全为目标，实现“边生产边修复”的安全生产模式--如使用农艺调控、筛选低积累作物品种以及叶面阻控剂和原位钝化等措施联合降低农产品重金属超标风险。相较于植物提取修复技术，中轻度农田采用安全利用技术更符合中国“人多地少”的国情，主粮的生产不能一直被非食用性经济作物代替，因此在“十四五”期间仍将作为主流的农田重金属治理技术。

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