农田土壤重金属污染黏土矿物钝化修复研究进展

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摘要：随着我国工业化和城镇化的发展，农田土壤重金属污染日趋严重。钝化修复技术因其具有修复速率快、效果好、稳定性好、操作简单等优点较适应于大面积中轻度重金属污染农田修复治理。本文概述了农田土壤重金属污染钝化修复技术特点及国内外发展现状，阐述了农田土壤重金属污染钝化修复技术的发展历史。在此基础上就黏土矿物材料对农田土壤重金属污染钝化修复研究现状、农艺措施对农田土壤重金属污染黏土矿物材料钝化修复效应及稳定性影响、黏土矿物材料钝化修复对农田土壤环境质量影响等诸多方面进行了详细综述，并就黏土矿物材料在农田土壤重金属污染钝化修复中的应用及相关问题进行了展望。
关键词：黏土矿物；土壤；重金属；钝化；进展
中图分类号：S156.99文献标识号：A文章编号：1001-4942（2017）02-0156-08
农田土壤重金属污染主要来自于铅矿、铅锌矿等开采的废水和废渣排放，矿山开采废气中重金属的擴散、沉降，含重金属的工业废水排放与农田污水灌溉，含重金属农药、化肥与有机肥的大量施用，城市污水处理厂污泥排放和农用污染，以及含重金属的城市垃圾倾倒淋滤造成的农田土壤污染等。在过去几十年中，由于国家和地方政府对农田土壤重金属潜在污染的重视不够，导致目前我国农田土壤重金属污染呈现由点向面、由大中城市周边向远郊农村扩散的趋势，许多地区农田土壤重金属污染呈现出区域性和流域性污染发展态势，导致农田土壤环境质量恶化与农产品质量安全受重金属污染威胁十分严重，特别是在一些经济发达地区[1]。在南方酸性水稻区，如湖南、江西、湖北、四川、广西、云南、广东等地区，农田土壤重金属镉污染超标现象较为普遍，稻米镉超标明显。据有关文献不完全统计，我国耕地受到镉、铅、砷、铬、汞等重金属污染近2 000万公顷，约占总耕地面积的1/6，其中重金属镉污染耕地面积占近40%，主要涉及11个省25个地区[2]。2014年4月17日环境保护部和国土资源部发布全国土壤污染状况调查公报指出，全国土壤总的点位超标率为 16.1%，其中镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种无机污染物点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%[3]。面对农田重金属污染面广、量大，尚未成熟的大面积修复治理技术的现状，本文重点就黏土矿物材料在农田土壤重金属特别是镉污染钝化修复中的研究进展进行了较为详细的综述，以期为我国农田土壤重金属污染钝化修复技术的进一步发展提供新的思路。
1农田土壤重金属污染修复技术
农田土壤重金属污染修复对技术要求很高，在目前国内外研究中，大量土壤重金属污染修复成熟技术主要来自场地，如固化/稳定化技术、淋洗技术、电动修复技术、热解吸法等，这些修复技术成本均较高，同时在场地土壤重金属污染修复中，基本不考虑修复后土壤环境质量。而农田土壤重金属污染修复在保证修复效果的同时，必须保障修复前后土壤环境质量不会产生明显变化，不会影响农业正常生产。因此，场地重金属污染修复中大量成熟技术难以复制到农田土壤重金属污染修复中应用。目前，适用于农田土壤重金属污染修复的技术主要包括以下4种：（1）农艺调控技术，主要包括通过良好农田水分管理措施、良好肥料运筹、良好耕作及轮作措施，以及酸性土壤pH值调节措施等，降低土壤中重金属有效性，阻控重金属向农作物可食部位的迁移累积；（2）高效钝化修复技术，主要是通过向农田耕作表层土壤中添加环境友好型钝化材料，借助土壤重金属在钝化材料表面及内孔的吸附、络合、沉淀、置换等作用，降低土壤中重金属离子的活性，实现重金属离子在土壤中的钝化/固定化，阻控重金属离子在土壤中向农作物根系的运移，降低农作物可食部位对土壤重金属的吸收累积，实现农产品安全生产；（3）植物修复技术，主要是利用筛选出的富集及超富集植物对农田土壤中重金属的吸收提取，降低土壤中重金属含量的一种修复技术；此外，植物修复技术中还包括：植物稳定化技术，即利用植物根系分泌出的化学物质与土壤重金属发生反应，实现对土壤有害重金属的钝化/稳定化等；（4）植物叶面阻隔技术，主要是通过在农作物叶面喷施微量元素（简称叶面微肥或叶面调理剂），抑制或拮抗农作物对土壤重金属元素的吸收累积。
在上述4种农田土壤重金属污染修复技术中，农艺调控措施和植物叶面阻隔技术一般修复效率较低，特别是叶面阻隔技术，修复效果还存在不稳定、异地复制效果较差的缺点，目前有关植物叶面阻隔机理尚不完全清楚。农艺调控措施中，水分管理技术特别对南方酸性镉污染水稻田具有较好的调控效果，但长期淹水需要大量清洁水源，在干旱季节将会导致水源困难，对该技术的应用将产生不利影响；良好肥料运筹将受到农作物对肥料需求的限制，对能够造成土壤重金属活化的肥料控制又会受到农作物正常生长的肥料需求影响，所以如何在通过良好施肥措施控制土壤有害重金属活性的同时实现农作物的健康生长仍然需要开展大量研究工作；酸性土壤pH值调节目前主要使用石灰，石灰的大量长期使用会产生一系列负面影响，而且效果也普遍较低，操作极不便利。植物修复技术一般适应于重度重金属污染农田，且修复时间长，修复过程中影响农作物正常活动，大量修复补偿经费政府将难以承受，该项技术大面积推广应用存在困难。钝化修复技术具有修复速率快、效果好、稳定性强、价格适中、操作简单等优点，特别适用于大面积重金属污染农田土壤的修复治理，是目前国内研究最为活跃的农田土壤重金属污染修复技术。
2钝化修复技术的发展历史
农田土壤重金属污染钝化修复与场地重金属污染固化修复技术不同，根据美国国家环保署（EPA）的定义，固化技术主要指将污染物囊封入惰性基材中，或在污染物外面封装上低渗透性材料，通过减少污染物暴露的淋滤面积以达到控制污染物迁移的目的，也称为稳定化技术。两者最大的差别包括所使用的修复剂不同，修复目标物土壤的用处差异。其中农田土壤重金属污染所使用的钝化剂主要是一些环境友好型材料，包括：黏土矿物、生物炭、含磷材料、有机物料、硅钙类材料等，而场地污染修复所采用的固化材料主要包括：无机粘结物质，如水泥等；有机粘结剂，如沥青等热塑性材料；热硬化有机聚合物，如尿素、酚醛塑料和环氧化物等，玻璃化物质等。所以，场地重金属污染土壤固化修复后基本失去了农用价值。