关键词 镉污染；土壤修复；生物修复；研究进展
中图分类号 X53 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）09-0251-03
镉是环境中毒性最强的重金属元素之一，位于元素周期表中第二副族，也是《重金属污染综合防治“十二五”规划》重点监控与污染物排放量控制的5种重金属之一；具有生物迁移性强、极易被植物吸收和积累的特点，对动植物和人体均可产生毒害作用[1]，严重时甚至会造成骨痛病、高血压、肾功能紊乱、肝损害、肺水肿等疾病[2]；据统计，我国每年生产的镉含量超标农产品和动物造成累积性毒害品达146万t[3]，镉污染的农田面积已超过28万hm2，年产镉超标农产品达150万t[4]，我国市场上常见的市售大米约10%存在镉超标[5]，对环境经济和人类的身体健康造成了极大的隐患。近年来湖南浏阳、云南曲靖以及广西河池地区先后发生的镉污染事件[6]造成了极大的影响，因此控制镉污染，加大对镉污染土壤修复力度已经势在必行，笔者对目前最新镉污染土壤修复的方法予以全面概述，着重于镉污染土壤的生物修复，旨在为后续的研究提供参考。
1 农业生态修复
农业生态修复措施是指因地制宜选择耕作管理制度来减轻重金属危害，主要包括农艺修复措施和生态修复措施。农艺修复措施一般是通过耕作制度的改变，辅以多种植物组合间作、轮作以及套作或者通过向镉污染土壤中加入能结合游离态的镉形成有机络合物的有机肥，从而达到有效减少土壤中镉的含量、降低植物对镉的吸收的目的，实现土壤中镉的迁移、吸收和降解[7-8]。我国在生态修复措施方面研究较多，一般通过调节包括土壤水分等在内的生态因子来实现对污染物所处环境介质的调控[9]。农业生态修复措施既能保持土壤的肥力，又能促进自然生态循环和系统协调的运作，但存在着修复时间长、见效慢等不利因素。
2 物理修复
镉污染土壤修复常用的物理方法有客土法、换土法、翻土法、电动力修复法等；客土法、换土法、翻土法是常用的物理修复措施，通过对污染地土壤采取加入净土、移除旧土和深埋污土等方式来减少土壤中镉污染。汪雅各等[10]进行客土深度改良试验，使青菜体内镉等浓度平均下降50%～80%；目前英、美、荷、日等国家先后实现了此法的应用，但由于其投资成本大、易发生二次污染和降低土壤肥力而难以广泛推广[11]。电动力修复主要是通过在污染土壤两侧施加直流电压，使土壤中的污染物质在电场作用下富集到电极两端，从而去除污染土壤中的重金属，目前该技术己应用于Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、Ni等重金属污染土壤的修复。Karim et al[12]采用电动和水动相结合的方法对重金属污染土壤修复100 h后，土壤中约97%污染物被成功去除。物理法修复镉污染土壤简单、快速，但并没有真正将镉污染从土壤中去除，具有潜在的危害性，加上此法需要大量的财力、人力和物力，不适宜于大面积的镉污染土壤治理。
3 化学修复
化学修复是指通过向污染土壤中投入化学改良剂，对重金属进行固定转换、溶解抽提和提取分离，从而减少污染土壤中的重金属含量，改变土壤环境条件；化学固定、淋洗和提取是镉污染土壤化学修复较常见的方法。周国华研究发现土壤中活动态镉与稳定态镉可以相互转化[13]。碱性改良剂[14-15]（石灰、钙镁磷肥等）、黏土矿物[16]（沸石、海泡石等）、拮抗物质[17-18]（硫酸锌、稀土镧等）和有机质[19-20]（泥炭、有机堆肥等）是较为常用的镉污染修复化学材料；除此之外，一些金属螯合剂和表面活性清洗剂目前也逐渐应用于镉污染土壤修复[21]。化学修复是在污染土壤基础上进行的，简单易行。但它只是改变了镉在土壤中存在的形态，并没有真正意义上去除镉污染，存在再度活化危害的可能性，不是一种永久性的修复措施。
4 生物修复
生物修复是指利用生物的某些习性来适应、抑制和改良重金属污染。镉污染土壤修复一般有动物修复、植物修复和微生物修复。
4.1 动物修复
土壤中的某些低等动物如蚯蚓、鼠类能吸收土壤中的重金属，从而在一定程度上降低土壤中重金属含量[22]；目前该技术对重金属镉污染修复的研究仍局限在实验室阶段[23]，敬 佩等[24]通过在重金属污染土壤中接种蚯蚓发现：蚯蚓对镉具有较强的富集能力，富集量随着蚯蚓培养时间的延长而逐渐增加。但受低等动物生长环境等因素制约，其修复效率一般，并不是一种理想的修复技术。
4.2 微生物修复
土壤中的某些微生物对重金属有吸收、沉淀、氧化还原作用，可以减轻土壤中重金属的毒性；主要是通过改变土壤中重金属离子的活性，微生物细胞吸附富集重金属以及促进超富集植物对重金属的吸收来实现污染土壤的修复；江春玉等[25]从土壤样品中筛选出一株对镉铅有极强抗性的拮抗细菌WS34，可极大提高印度芥菜和油菜富集镉铅能力，并对其生理生化特性进行了相关研究；有报道称AM真菌可以增加植物对镉的耐性，促进镉等重金属由植株地下部分转移至地上部分[26]；目前用于镉污染土壤修复的微生物涵盖了细菌（柠檬酸杆菌、芽孢杆菌、假单胞菌等）、真菌（根霉菌、青霉菌、木霉菌等）和某些小型藻类（小球藻、马尾藻等）[27-28]。微生物镉污染土壤修复法作为一种绿色环保的修复技术，引起国内外相关研究机构的极大重视，具有广阔的应用前景，但修复见效速度慢、修复效果不稳定使得大部分微生物修复技术还局限在科研和实验室水平，实例研究少。
4.3 植物修复
植物修复是指利用植物吸收、吸取、分解、转化或固定土壤、沉积物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染物的技术的总称[29]，包括了植物提取、植物挥发、植物降解、植物根滤和根际微生物降解，其中植物提取修复即利用超积累植物的特性来修复重金属污染土壤应用最为广泛。超积累植物的概念由Brooks et al[30]在1977年首先提出，目前文献报道的超积累植物近20科、500种，其中十字花科较多，主要集中于芸苔属、庭芥属及遏蓝菜属，对镉污染土壤修复效果较好的的超积累植物包括了十字花科、禾本科在内的10余科植物（表1）[27，31-36]；除此之外，一些观赏性植物[37]、农田杂草[37-38]、木本植物[39-41]也是镉污染土壤修复超积累植物来源。
近年来超积累植物的发现及研究工作取得了巨大进展，但限于此类植物大都矮小、根系短、生物量较低，修复周期长而难以广泛应用；单一依靠超积累植物修复镉污染土壤已经不能满足现实需求，因此开发经济高效的镉污染土壤联合植物修复技术，保证农产品质量安全逐渐成为研究热点。目前，国内外已开展了通过向土壤环境中引入有益微生物、施用化学物质和肥料、合理耕作等生物、化学和农艺强化措施来改善土壤环境，促进超积累植物对养分的吸收，从而提高超积累植物修复镉污染土壤的效率的一系列研究。有研究表明玉米与东南景天套种，同时施加混合添加剂；玉米与羽扇豆和鹰嘴豆在不同分隔/间作方式下都能大大提高对污染土壤中镉的吸收效率[42-43]；邓金川等[44]研制了包括味精废液在内多种有机试剂混合而成的添加剂，提高了植物对锌、镉的吸收效率，明显降低地下水的中金属污染。
5 问题与展望
镉污染土壤修复的复杂性和高难度使得目前尚无一种真正稳定高效的修复技术能满足现实生产的需求；物理修复和化学修复能较快实现土壤中镉含量的降低，但其仅改变了土壤中镉的存在形式而没有将其彻底清除，往往还存在成本昂贵、工程量巨大、二次环境污染的问题；动物修复和微生物修复作为一种绿色修复技术相比于其他修复方式具有经济、方便、不改变土壤固有理化性质的特点，但其修复速度慢、见效时间长、对土壤环境要求高的问题限制了其大面积的推广应用。利用植物修复被镉污染的环境，不仅成本低廉，而且有良好的综合生态效益，尤其适合大面积推广。寻求更多的镉污染超积累植物资源，研究镉超积累植物与根际微生物共存体系，利用分子生物学和基因工程克服镉污染超积累植物自身的生物学缺陷，从而彻底实现镉污染土壤修复的高效、稳定、绿色是研究的主要方向。
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关键词 土壤 重金属污染 植物修复
中图分类号：X53 文献标识码：A
0引言
造成我国土壤重金属污染的原因复杂多样，如生活废物、矿业废物的随意堆放，污水、废水灌溉，农药和化肥的不合理使用等。土壤污染具有普遍性，世界各国都有局部土壤存在不同程度的污染。全世界平均每年排放Hg约1.5万t、Cu约340万t、Pb约500万t、Mn约1500万t、Ni约100万t。数量巨大的重金属进入土壤对生态环境，给人类健康带来严重危害，特别是重金属污染土壤上种植的农作物产品，通过饮食进入人体，使重金属在体内逐渐富集，可能造成人体制畸制癌的风险。因而，人们对重金属污染的土壤采取了一系列修复措施。如易操作的客土、异位等物理修复方法，但其工程量大而且没有真正解决土壤的重金属污染；添加化学物质调节土壤理化性质或pH的化学修复方法，但费用高而且存在二次污染。相比较而言，利用超富集植物吸收土壤中重金属的特性，对重金属污染的土壤进行修复具有更好的应用前景。
1植物修复原理
植物修复这个概念的提出距今已有几十年的历史。它在20世纪80年代初发展起来，是一种利用自然生长或遗传培育植物修复重金属污染土壤的技术总称。植物在去除土壤中重金属的过程中发生了复杂的多相反应，其反应机理也十分复杂。学者们经过大量研究发现，植物修复的机理主要依靠植物的萃取作用、根系过滤作用、植物挥发作用和植物固定化作用。而植物修复作用途径有两个：一是改变土壤中重金属的化学状态，使其由有效态转变为固定态；二是通过植物吸收、代谢从而降低土壤中重金属含量。第一个途径通过固定土壤中的重金属从而降低了重金属进入农作物内进而危害人体的潜在风险。第二个途径通过降低土壤中重金属含量从而使其慢慢降低到土壤中重金属的本底值，进而减轻甚至消除其危害。
2 超富集植物
通常认为特定植物积累某种或多种重金属元素含量，如Cr、Co、Ni、Cu、Pb等含量达到1000mg/kg以上，积累的Mn、Zn含量在10000mg/kg以上，积累的Cd含量在100mg/kg以上，我们成称这样的植物为超富集植物。经过多年研究发现了有的植物只能富集一种重金属，而有的能富集两种或多种重金属，如Cd/Zn超富集的东南景天。然而，能够富集多种重金属的超富集植物很少，而土壤污染往往是多种重金属污染，其余重金属的存在会对植物的生长和富集带来不利影响。因此，发现或培育能够富集多种重金属且富集能力强、修复效率高的超富集植物成为了当前植物修复研究的热点。从超富集植物这个概念的提出到超富集植物的陆续发现，乃至进行盆栽试验和实验田的种植经历了漫长的时间，科研工作者做出来大量的努力，取得了一定的成果。然而，超富集植物往往只对一种重金属有吸收能力，且植物的生物量小、生长速度缓慢。此时，强化超富集植物的修复效率就具有必要性。
3植物修复强化
植物修复的缺陷使得它治理重金属污染土壤的修复效果往往并不理想。此时，通过添加外来物质提高其生物量或者吸收能力就显得十分必要。常用的措施有添加螯合剂、添加表面活性剂和调节pH。当螯合剂投加到土壤后，和土壤重金属发生螯合作用，能够形成水溶性的金属-螯合剂络合物，改变重金属在土壤中的赋存形态，提高重金属的生物有效性，进而可以强化植物对目标重金属的吸收。常用的人工合成螯合剂有EDTA，EDDS等，常用的天然螯合剂有小分子酸如柠檬酸等。表面活性剂具有亲水亲脂的特性，表面活性剂经土壤界面吸附和重金属缔合后，通过降低表面张力和增流作用， 解吸被吸附的重金属。从而增加植物对重金属的吸收，增大其吸收能力，提高其修复效率；重金属的溶解浓度与其所处环境的pH密切相关，同时所处环境的pH也会对植物生长带来重大影响。所以，通过人工调控控制其pH在一个适宜范围内亦可以增加其修复效率。除此之外，添加根际促生菌或者进行电动修复也是强化植物修复效果的方法，亦有很多学者做了大量研究并取得了一定成果。
4结论与展望
植物修复在治理重金属污染上具有的优势使得植物修复的研究日趋深入，克服其存在的缺点，具有广阔的应用前景。通过添加外来物质，克服超富集植物具有生物量小、生长慢等缺点。同时，考虑到成本和二次污染的问题，开发出高效价廉且环保的物质，应用于植物修复的过程，培育或者寻找能够富集多种重金属的超富集植物具有十分重要的意义。
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关键词：土壤污染；河南省；主要城市；防护措施
soil contamination assessment of main cities in henan province and its protection measures
yang liu，liu chang-li, wang xiu-yan, pei li-xin, zhang yun, hou hong-bin， jiang jian-mei，song chao
(the institute of hydrogeology and environmental geology, chinese academy of geological sciences, shijiazhuang,050061，china)
abstract: soil quality has a direct impact on crop growth and people's health. henan province is a large province for grain-produced and population in china, so it is significant to assess its soil quality. we introduced the harms by soil contamination, described the principles and methods of soil contamination assessment. its current situation of ten municipal cities in henan province was obtained by single index and multi-index comprehensive evaluation methods, the main pollution factors were enumerated and the causes of pollution were analyzed, the pollution areas and degree were emphatically summarized: soil pollution degree was not high in main cities of henan, but the degree had reached middle and serious in the areas with frequent industrial and agricultural activities, so more attention should be paid on these areas; in non-pollution and light pollution areas measures should also be taken to control pollution range. finally the corresponding protection measures were proposed.
key words: soil contamination; henan province; main cities; protection measures
随着社会经济的发展和科学技术的进步以及人口的增长，人类活动对土壤环境的影响不断增强，在利用改造土壤环境的同时，产生了不同的土壤环境，如新的人工土壤类型（水稻土、堆垫土等）。由于“三废（废气、废水、固体废弃物）”物质的积累，土壤环境中有毒有害物质的绝对数量不断增加，逐渐超过土壤环境的承载能力，结果土壤环境受到污染，质量下降［1］。
河南省作为一个人口大省，人均占有耕地面积仅有0.07 hm?2，仅为全国人均耕地水平的69%。同时河南省又是一个农业大省，粮、棉、油、烟产量产值在全国排位第二，化肥、农药、农膜施用量较大，加上河南省的工业产业结构以能源、建材、化工等重污染行业为主［4］，土壤质量下降和农药污染问题尤其应该受到重视。但目前河南省大多数土地面积的土壤质量状况尚不清楚，为摸清河南省主要城市的土壤污染状况，进行了本次评价，并为环境管理部门和其他有关部门开展土壤污染防治工作提供技术支持。
1 土壤污染概述
1.1 土壤污染的概念
在进行土壤环境质量评价时引入“土壤污染”概念。《环境学词典》将其总结为：土壤污染是指人类活动或自然过程产生的污染物质通过各种途径输入土壤，其数量和速度超过了土壤自净能力，使污染物在土壤中得以积累，导致土壤环境正常功能失调和土壤质量下降的现象。
1.2 土壤污染的特点
城市土壤污染具有隐蔽性和潜伏性、不可逆性、长期性和后果严重性的特点［2-3,6］。
①隐蔽性和潜伏性。土壤污染不像水和大气污染能通过人的感觉器官发现，土壤污染往往是通过农作物吸收和食物链的积累，直到影响人或高级动物的健康才反映出来，即土壤污染的隐蔽性；土壤从受到污染到产生后果是一个不易被发现的相当长的累积过程，即土壤污染的潜伏性。
②不可逆性和长期性。土壤重金属污染是一个不可逆过程，有机污染物降解也需要一个比较长的时间，土壤污染后将长期甚至永远对土壤功能产生影响。
③后果严重性。由于土壤污染具有隐蔽性和潜伏性，污染物通过食物链危害人体健康的后果是一个地区（区域）、几代人灾难性后果。同时，土壤污染的不可逆性和长期性使土壤污染后极难恢复，污染将长期甚至永远对土壤功能产生影响。
2 土壤污染评价
2.1 评价因子的选择
本次土壤污染现状评价，评价因子选择与土壤环境质量密切相关的hg、cd、as、pb、cu、zn、cr、ni、mo、f、mn等重金属离子以及氰、酚和硝酸盐氮。
2.2 评价标准
采用《土壤环境质量标准》（gb15618-1995）（表1），并根据土壤应用功能和保护目标将土壤环境质量分为3类：ⅰ类主要适用于国家规定的自然保护区（原有背景重金属含量高的除外）、集中式生活饮用水源地、茶园、牧场和其他保护地区的土壤，土壤质量基本上保持自然背景水平；ⅱ类主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤，土壤质量基本上不对植物和环境造成危害和污染；ⅲ类主要适用于林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿产附近等地的农田土壤（蔬菜地除外）。土壤质量基本上对植物和环境不造成危害
滴滴涕≤0.050.500.500.501.0注：① 重金属（铬主要是三价）和砷均按元素量计，适用于阳离子交换量＞5cmol(+)/kg的土壤，若≤5cmol(+)/kg，其标准值为表内数值的半数。
② 六六六为四种异构体总量，滴滴涕为四种衍生物总量。
③ 水旱轮作地的土壤环境质量标准，砷采用水田值，铬采用旱地值。
和污染。其标准值分级含义为：一级标准为保护区域自然生态，维持自然背景的土壤环境质量限制值；二级标准为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值；三级标准为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值。ⅰ类土壤环境质量执行一级标准，ⅱ类土壤环境质量执行二级标准，ⅲ类土壤环境质量执行三级标准。一级标准制订采用地球化学法，二、三级标准制订采用生态环境效应法。
2.3 评价方法
2.3.1 单指数评价
土壤环境质量标准值计算单指标土壤环境质量指数?（z.i）。其计算公式为：
式中：z.i—指标i的土壤环境质量指数；x.i—指标i的实测数据；c?i?—土壤一级(一类) 临界值上限；cⅱa—土壤?ph?≤6.5时二级（二类）临界值上限；cⅱb—土壤6.5＜?ph?≤7.5时二级临界值上限；cⅱc—土壤?ph?＞7.5时二级临界值上限; cⅲ—土壤三级(三类)临界值上限。?
2.3.2 综合指数评价?土壤污染评价方法采用尼梅罗土壤污染综合指数法，公式如下：
?pn=（p.?ic?2+p.?i?max??2）/2
式中：pn—内梅罗污染指数；p.i.c—平均单项污染指数；p.i?.?max? —最大单项污染指数。
尼梅罗土壤污染综合指数法考虑了极值的影响，突出了环境要素中浓度最大的污染物对环境质量的影响。其评价的分级标准见表2。
table 2 nemerow pollution index of soil evaluation criteria
本次评价共涉及到河南省的10个地级城市，分别为郑州市、开封市、洛阳市、登封市、平顶山市、焦作市、安阳市、新乡市、三门峡市和济源市。根据土壤污染的分析数据，统计出评价结果。
2.4.1 污染成分及原因
河南省的10个地级城市中，从污染成分上看，超标元素多数为重金属元素，其中pb污染较为突出。污染原因主要是人为因素，污染源主要是生活污染源（废弃物）、工业污染源（矿厂、冶炼厂、电厂、药厂等）和农业污染源（主要是饲料、农药等）。各城市土壤污染具体情况见表3。
table 3 statistic table of composition and causes of soil pollution城市主要污染成分污染原因
郑州市cr、pb、cd 、hg、as工业污染，生活垃圾
开封市cd、pb污染面积较大，污染程度较重，hg、cu、zn、cr、ni污染面积相对较小工业（电厂）污染
洛阳市hg、cd、pb、as农业使用农药化肥
登封市cd、as、hg、zn、cr、ni，cu 、pb和hg在局部已达到警戒值工矿企业（洗矿厂、电镀厂、化工厂等）废水、粉尘，农业使用农药化肥等
平顶山市hg、cd、pb农业使用农药化肥
安阳市cd、pb农业使用农药化肥
新乡市cd 、pb、zn工矿企业及农药化肥使用
三门峡市ni、pb 工矿企业及生活垃圾
济源市cd、pb污染程度较重，其次为as、hg、cu、zn、cr、ni 工矿企业及生活垃圾
焦作市pb、zn污染较严重，cu、cd较轻煤矿开采及热电厂，农业使用农药化肥
2.4.2 污染程度及分布特征?各城市的土壤污染程度及分布特征如下：
郑州市的清洁-尚清洁区占调查面积的97%，轻度污染区占调查面积的0.4%，分布在郑州西部，其中cr污染在局部已达到重度污染，该城市总体评定为轻度污染。
开封市的清洁-尚清洁区分布在城市建成区周围和城市，轻度污染区分布在建成区及其东部，中度污染区分布在开封电厂及其东南区域，该城市总体评定为尚清洁。
洛阳市的尚清洁区分布在市区北部和伊河的东南部，轻度污染区分布在洛河间地块和城区的大部分地区，占研究区总面积的47.1%，中度污染区分布在城区和白马寺等地区，占研究区总面积2.8%，重度污染区分布在茹凹一带，占研究区面积的0.7%，该城市总体污染程度定级轻度污染。
登封市镉污染分布在岳庙附近和市东北部的北里沟-寺沟-南窑一带，占全区6.90%；锌污染区分布在西北角，占全区面积的2.88%，该城市总体评定为轻度污染。
平顶山市的十一矿、六矿到二矿、东高皇到大营、荆山及曹镇一带是重度污染区，面积较小，该城市总体评定为轻度污染。
安阳市的冲洪积平原区（北起市区北界，南止南流寺—魏家营—汪流寺一线；西起市区西界，东止市区东界）及漳武水库西侧的张家庄周围属轻度污染区，该城市总体评定为轻度污染。
新乡市铜污染属于中度铜污染分布在冶炼厂附近区域，镉、锌污染较为严重，分布在城市工业区属重度污染区，该城市总体评定为中度污染。
三门峡市的规划区西部为清洁-尚清洁区，市区及其周边地区为ni、pb轻微污染区，该城市总体评定为轻度污染。
济源市大部分地区属轻度污染区，仅克井镇及周边地区属中度污染区，该城市总体评定为轻度污染。
焦作市解放区、山阳区的pb含量较高，中站区、马村区的cd含量较高，该城市总体评定为中度污染。
2.5 结论
通过对土壤污染进行评价，可以看出10个城市的土壤质量参差不齐， 总体清洁—尚清洁的城市有1个，占调查城市的10% ，轻度污染的城市共7个，占调查总城市的70%，中度污染的城市共2个，占调查总城市的20%，无重度污染城市。
从污染因子和污染原因来看，主要污染因子为重金属，污染原因主要是工农业生产活动。
从分布上来看，轻度—重度污染城市集中于人口密集和工农业活动频繁地带，空间位置上为人口密集的老城区、工业加工区、农田保护区、养殖场等。
总体来看，虽然河南省主要城市的土壤污染程度不大，但是达到中重度污染的区域应引起重视并进行治理，未污染及轻度污染的地区也应采取措施控制污染范围扩大，保证农业生产及居民生命安全。
3 防护措施
①控制工业及城市“三废”，严格按照国家规定的污水排放标准排放污水，要科学、合理、积极慎重地推广利用污水灌溉农田，并进行灌溉后的跟踪研究。合理使用化肥及农用肥,推广高效、低毒、低残留的农药，提倡生物防治作物病虫草害。充分利用污染土壤的植物修复技术［14］，加大开发重金属超富集植物力度,引进国外耐重金属的草本植物,加大力度研究微生物对降低重金属毒性的重要性。
②加强宣传、提高认识。目前很多群众和企业对土壤污染的现状以及土壤污染严重性、危害程度缺乏深刻认识，甚至有些企业只考虑自身利益,肆意污染土壤。因此要加强长期宣传，从思想上提高公众的环保和健康意识，以此来促进土壤环境保护工作的深入开展［15］。
③土壤污染具有累积性、滞后性、不可逆性等特点，治理难度大，成本高。因此要建立专项资金用以扶持企业上马治污设备，补贴鼓励群众使用高效、低毒、低残留的农药［12］，从源头上减少土壤污染。
④增加对土壤科学研究的资金投入，进行实用技术的开发,并将研究成果合理推广。
⑤出台相关法规，目前防治土壤污染的法律还是空白，应率先出台防治土壤污染的地方性法规，做到有法可依，严格执法。
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关键词：城市土壤；重金属污染；土壤环境
中图分类号：X53 文献标识码：A
前言
因城市土壤吸收了工业污染源、燃煤污染源及交通污染源等释放的重金属，在一定程度上对人类的健康造成影响，且对地表水及地下水等水生生态系统造成污染，导致水质系统紊乱，所以土壤重金属污染问题在城市土壤研究中占据重要地位。目前，对城市土壤重金属污染采取有效的管理及治理措施是必要的，避免土壤重金属污染导致大气和地下水质量的进一步恶化及循环。
1 我国城市土壤重金属污染危害分析
回顾性分析导致城市土壤出现重金属污染问题，其“罪魁祸首”多是由于人类日常活动造成的，如不同工矿企业生产对土壤重金属的额外输入及农业生产活动影响下的土壤重金属输入、交通运输对土壤重金属污染的影响等。自然成土条件也会对土壤重金属污染造成影响，如风力与水力的自然物理、化学迁移过程等带来的影响，又如成本母质的风化过程对土壤重金属本底含量的改变[1]。目前，我国很多大城市的土壤仍旧面临着铅、贡及镉等主要污染元素的继续污染，例如，北京、上海、重庆、广州等，土壤都受到不同程度的重金属污染。随着工业、城市污染的加剧以及农业使用化学药剂的增加，城市重金属污染程度日益严重，有关研究统计，目前我国受铅、镉、砷及铬等重金属污染的耕地及城市环境面积共约2000万hm2，占总耕面积的20%。随着土壤重金属污染面积的扩大，我国大量植物生长受到影响，植株叶片失绿，出现大小不等的棕色斑块，同时，根部的颜色加深，导致根部发育不良，形成珊瑚状根，阻碍植株生长，甚至死亡。此外，大量研究证实，土壤重金属污染影响农业作物的产量与质量，人类通过食用这些农作物产品会对健康及生命造成一定威胁。例如，体内重金属镉含量的增加会导致人类出现高血压，从而引发心脑血管疾病；基于铅属于土壤污染中毒性极高的重金属，临床验证一经进入人体，将难以排出，从而影响身体健康，其能对人的脑细胞造成危害，尤其是处于孕期中的胎儿，其神经系统受到影响，导致新生儿智力低下；再者，重金属砷具有剧毒，人类长期接触少量的砷，会导致身体慢性中毒，是皮肤癌产生的明确因素。
2 防治措施与发展展望
2.1 综合措施的运用
应对城市土壤重金属污染问题采取必要的措施，现阶段采用物理化学法结合生物修复法的综合措施进行干预。顾名思义，物理化学法即是运用物理、化学的理论知识研究出治理土壤重金属污染的有效方法。基于土壤重金属污染前期，污染具有集中的特点，易采取的方法为电动化学法、物理固化法。通常采用物理化学法治理重金属污染重且面积较小的土壤，过程中能体现物理化学法效果显著且迅速的特点。例如，我国对城市园林土壤重金属污染，采用物理化学法进行干预，减少了园林植株受损的数量。但对于重金属污染面积过大的城市园林不易采用物理化学法，因土壤污染面积过大，致使人力与财力的投入量增加，且易破坏土壤结构，从而降低土壤肥力。利用生物的新陈代谢活动降低土壤重金属的浓度，使土壤的污染环境得到大部分或彻底恢复，这一过程称为生物修复。实践中，生物修复具有效果佳，无二次污染的优点，且能降低投资费用，便于管理，利于操作[2]。随着生物修复在治理污染问题中的技术运用逐渐推进，已纳入土壤污染修复方法中的焦点行列。
2.2 发展趋势
现阶段，基于我国土壤重金属污染治理法中的生物修复法尚处于初级阶段，有待于提升其应用价值。就我国领土拥有丰富的植被资源而言，为尽可能保护植被资源，应尽快从植被中选取出能抵抗超量重金属的植物，并从能抵抗超量重金属的植物种类中选取相对应的突变体，从而构建起能抵抗超量重金属的植物数据库，并依次对数据库中的植物进行生理及生化的研究。在研究中，采用先进信息技术GPS加强城市区域土壤重金属镉、铅、砷及铬等含量的空间变异与分布控制研究。同时，对土壤中复合重金属污染中各元素间的作用与关系进行研究，从而不断优化物理化学法。
有关文献表明，我国城市土壤重金属污染治理在未来将会面向以下几方面发展，其发展趋势具有极大突破点。以我国各个城市土壤重金属污染的数据为依据，建立起综合的城市土壤数据库，以便于全面且彻底的开展城市土壤重金属污染的调查，有关内容包括：重金属的种类、含量、分布地段及其来源；着手于我国各个城市土壤中污染物质的含量研究，分析生物效应以及人类健康风险，从而为治理土壤污染问题奠定基础；土壤重金属污染涉及面较广，除影响生物及人类健康之外，对土壤、水质、空气质量及大自然整个生态系统都造成了不可避免的影响。因此，将这一课题纳入研究中是必要的，未来将面向对土壤重金属污染与地表及地下水、空气可吸入颗粒物含量与其性质存在的关系进行研究[3]；不断优化判断重金属污染来源的相关技术；我国区域城市土壤重金属污染研究主要依据的工具是可视化计算机软件（GIS），利用其强大的空间分析功能与空间数据管理功能运用在判断重金属污染源及其分布地段的研究中，同时能对我国区域城市重金属污染的风险评估进行分析。
3 结语
综上所述，对土壤生态系统的结构、功能与水、土、气、生等其他生态系统的友好关系进行维护是污染治理的前提。目前，我国土壤重金属污染治理正处于上升阶段，面向深化研究，势必探讨出更有成效的治理方法，使人们的生活及健康得到保障。
参考文献
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关键词：蔬菜基地；土壤；重金属；累积；来源；生态危害
中图分类号：X830；X820.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）09-2016-05
土壤是人类的衣食之源和生存之本，即便是经济技术高速发展的今天，土壤依然是最基本的生产要素和各种经济关系的物质载体。然而，随着现代工业和城镇化水平的不断提高，工业“三废”、生活废弃物的大量增加，化肥、农药、农膜等投入品大量使用，致使农业生态环境受到不同程度的污染[1]。重金属在农田土壤中的累积会引起复杂生物效应，一方面会制约作物生长发育，促进早衰，降低产量，并对营养元素的吸收起到颉颃作用从而降低农产品的品质；另一方面，土壤中的重金属可以通过根系进入植物体，再通过食物链的传递和富集，最终危害人体健康[2]。由于重金属元素化学性质稳定，其土壤污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性等特点而受到全社会的广泛关注。
蔬菜在国民生活中占有重要的地位，是日常生活中必不可少的食物。目前，蔬菜基地已成为我国大中城市蔬菜的主要供应源。一般来讲，蔬菜基地蔬菜生产具有集约化程度高、农业投入品施用强度大、灌溉用水比旱作物多等特点，导致各种外源污染物进入农田土壤的几率也高，势必造成重金属元素在土壤中累积，直接影响蔬菜的质量安全。因此，对天门市蔬菜基地土壤重金属的累积状况与潜在生态危害进行评价有着重要意义。本研究通过对天门市5个主要蔬菜基地土壤进行采样监测，揭示土壤中重金属的累积动态，分析污染物来源，并评估其潜在生态危害程度，以期为蔬菜基地生态环境保护和农产品质量安全监管提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
天门市位于鄂中，地处江汉平原北部，汉江下游左岸，跨东经112°35′-113°28′，北纬30°23′-30°54′，属于北亚热带季风气候区。多年日均气温16.4 ℃，年平均降雨量1 113.3 mm，日照时数1 872.4 h，无霜期249.6 d。天门市在菜蓝子工程建设中先后在河湖平原的多宝、张港、蒋场、黄潭、岳口、小板、杨林、沉湖及岗状平原的九真、皂市等乡镇建立了10个蔬菜基地，基地面积1.214万hm2，占天门市耕地总面积的11.21%。本研究区选择在河湖平原，该区土壤发育于江汉近代河流冲积物（Q4），基地土壤为灰潮土，土壤有较强的石灰性反应，主要土壤类型是灰油沙土和灰正土。
1.2 样品采集与制备
调查采样时，按照必须有重金属元素的污染源，采样点具有代表性和典型性，不同采样点应选在相同类型母质上以避免因母质不同而产生差异[3]的原则，选择河湖平原的多宝、张港、黄潭、小板、杨林等5个蔬菜基地为采样区，共布设21个采样点，每个采样点按梅花点法5点取样，用竹铲等量采集0～20 cm耕层土壤，混合均匀后用四分法留取1 kg混合土样。土样经自然风干，剔除样品中碎石、沙砾及植物残体，用木棍碾碎并用玛瑙研钵研磨，分别过20目和100目尼龙筛装袋备用。
1.3 分析方法
1.5 土壤重金属潜在生态危害指数评价方法
2 结果与分析
2.1 土壤重金属含量特征
天门市主要蔬菜基地土壤重金属含量的统计特征值及湖北省土壤背景值、国家土壤Ⅱ级标准值列于表3。由表3可知，天门市主要蔬菜基地土壤重金属Hg、Cd、As、Cr、Pb、Cu的总体平均含量分别为0.066、0.168、6.850、67.940、10.730和27.090 mg/kg。然而，由于人类干扰强度的不同，5个蔬菜基地土壤中6种重金属元素的浓度已呈现出较为明显的空间分布特征。差异显著性分析发现，Cd、Cr和Pb以杨林基地土壤含量最高，与多宝、张港、黄潭、小板4个基地土壤含量存在显著差异；Hg与Cu则以黄潭基地土壤含量最高，与多宝、张港、小板、杨林4个基地土壤含量也存在显著差异；而土壤中As含量黄潭、小板、杨林3个基地土壤含量差异不显著，但与多宝、张港2个基地土壤含量均有显著差异。
与湖北省土壤背景值[4]相比，5个蔬菜基地土壤重金属的平均含量除As、Pb外，黄潭和小板基地的Hg、杨林基地的Cd、多宝与杨林基地的Cr以及黄潭基地的Cu均高于相应元素的背景值，存在明显的累积现象；与保障农业生产，维护人体健康的国家土壤Ⅱ级标准值[6]相比，21个供试土样重金属Hg、Cd、As、Cr、Pb、Cu的含量均在标准限量内。由此可见，天门市主要蔬菜基地土壤中As、Pb处于本底状态，Hg、Cd、Cr、Cu在不同基地高于湖北土壤背景值，但低于国家土壤环境质量Ⅱ级标准值，土壤尚没被污染，只是受到外源污染物Hg、Cd、Cr、Cu的轻度玷污，其土地利用一般不受限制[7]。
2.2 土壤重金属累积特征
2.3 土壤重金属来源
农田土壤重金属来源于成土母质和人类活动，同一来源的重金属之间存在着相关性，因此可根据土壤中重金属全量相关性推测重金属来源。若不同重金属间有显著的相关性，说明有相同来源的可能性较大，否则来源不止一个。由表5可知，天门市主要蔬菜基地土壤中，Cr与Pb的相关系数最大，为0.709，达到极显著正相关水平；其次，Hg与Cu、As与Cu、Cd与Pb的相关系数分别为0.637、0.620、0.548，也均达到极显著正相关水平，表明Pb、Cu及Cr同源的概率较大。
根据实地调查及有关资料分析，天门市主要蔬菜基地土壤中外源重金属以4种来源为主。来源一为大气中重金属沉降。大气中的重金属主要来源于工业生产、汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含有重金属的有害气体和粉尘等，大多数是经自然沉降和雨淋沉降而进入土壤[9]。来源二为施用含有重金属的化肥、农药等农业化学投入品。通常化肥中含有一定成分的重金属，一般磷肥、含磷复合肥含有较高的Hg、Cd、As和Pb等重金属元素，氮肥和钾肥中这些重金属元素含量较低，但氮肥中Pb的含量较高。天门市分别始于1951年、1954年和1972年在农业生产上施用氮肥、磷肥和复合肥。我国第一次农业污染源普查结果显示，天门市2007年度纯N施用量为788.85 kg/hm2，P2O5为345.45 kg/hm2，其单位面积施用量双双位居全省各地、市、州的第一名，分别是全省平均施用量的1.52倍和1.67倍。可见，天门市如此长时间、高强度地施用氮肥、磷肥和复合肥，必然会造成Hg、Cd、As、Pb等重金属元素在农田土壤中的累积。同时，天门市主要蔬菜基地一般由老棉田演变而来，曾于1971年前多年使用汞制剂农药氯化乙基汞（西力生）和醋酸苯汞（赛力散）、1962年起使用铜制剂农药硫酸铜和1972年起使用砷制剂农药甲基胂酸锌（稻脚青）防治棉花苗病，以及改种蔬菜后使用各种铜制剂农药防治蔬菜病害，导致Hg、Cu、As等重金属元素在农田的累积。来源三为施用含有重金属的畜禽粪便与生活垃圾。随着现代畜牧业发展，饲料中一般都含有一定量的Cu、As等重金属元素，这些重金属元素随粪便排出体外，施入农田后在土壤中累积。据估算[10]，2006年度天门市仅猪粪、鸡粪中Cu、As的排放量全市耕地平均污染负荷量就达1.738和0.223 kg/hm2。而农村生活垃圾堆肥中往往重金属含量也比较高，如垃圾中电池、日光灯管、体温计等含Hg废弃物较多，施入农田其重金属也会在土壤中累积。来源四为地膜残留。天门市从1982年开始推广地膜覆盖技术，但因地膜强度低，易破碎，使用后难以捡拾回收，地膜残留量大，造成了土壤的白色污染，且覆盖年限越长，污染也越严重[11]。由于地膜在生产过程中加入了含有Cd、Pb的热稳定剂，残留地膜中的Cd、Pb向土壤中渗透、迁移，污染其土壤[12]。
2.4 土壤重金属潜在生态危害评价
3 结论
1）天门市主要蔬菜基地土壤重金属As、Pb处于本底状态，Hg、Cd、Cr、Cu在不同基地高于湖北土壤背景值，但低于国家土壤环境质量Ⅱ级标准值，土壤尚没被污染，只是受到外源污染物的轻度玷污，其土地利用一般不受限制。
2）土壤重金属累积性评价结果表明，Hg、Cd、Cr、Cu在不同蔬菜基地已形成轻度累积，5个基地土壤重金属综合累积水平为轻度累积。
3）大气中重金属沉降、施用含有重金属的化肥、农药、禽畜粪便和生活垃圾以及地膜残留是天门市主要蔬菜基地土壤中重金属来源的主要贡献者。
4）潜在生态危害指数法评价结果表明，5个蔬菜基地土壤重金属的潜在生态危害程度处于轻微生态危害状态，Hg与Cd为土壤中主要生态危害因子。
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土壤、气候、水文、光照、地貌等都是重要的农业生态环境要素。除各种人为因素外，土壤化学成分是影响农产品品质的重要因素。土壤的主要成分约90%来自基岩风化物或成土母质，营养元素与基岩、成土母质的关系尤为密切。对农作物产区进行生态地球化学调查，可以充分利用土壤的潜在资源，改造和调整不良土壤的地球化学环境，优化种植结构，选择并培育新的优良品种，发展现代化农业。目前，国内已对土壤中化学元素的含量与分布进行了大量研究，其成果在农作物种植的应用中取得了突出的成效［1－3］。乐陵—河口地区是山东省北部重要的粮棉产区和乐陵小枣生产基地，位于山东半岛蓝色经济区和黄河三角洲高效生态经济区。随着工业化、城市化的快速发展，地质与地球化学环境变化对当地影响较大，导致生态环境问题不断出现［4－5］。笔者通过开展山东省乐陵—河口地区多目标区域地球化学调查，根据“全国土壤现状调查及污染防治”项目取得的地球化学数据，研究重金属元素分布、分配特征，进行国土资源环境评价与基础地质研究，为山东半岛蓝色经济区和黄河三角洲高效生态经济区等国家战略性规划和发展提供依据。 1研究区概况 乐陵—河口位于华北地块南部，受断裂活动的影响和控制，形成了众多凹凸相间的构造格局，地表全部为第四系地层，以黄河冲积沉积物为主。区内断裂发育，第四纪火山活动强烈，在无棣大山镇形成一座中心喷发式火山锥，海拔63．4m，是华北平原唯一露头的火山。 2重金属元素分布特征 土壤是元素在地理环境中循环的一个重要介质，土壤中重金属元素的含量直接控制着研究区的土壤质量和污染程度［6］。多目标区域地球化学调查采用双层网格化土壤测量方法，按照代表性、均匀性与合理性原则系统采集土壤表层样品(0～0．2m)和深层样品(厚覆盖区1．5m以下)。表层样品采样密度为1个点/km2(滩涂区1个点/4km2)，按1个点/4km2组合分析，深层样品采样密度为1个点/4km2，按1个点/16km2组合分析，主要测试54项元素指标［7］。所有测试严格按照国家行业标准进行检验分析，分析质量和精度均符合要求。根据1∶25万多目标区域地球化学调查结果，研究区土壤中重金属元素的背景值均高于基准值，说明重金属元素在表生条件下有相对富集的趋势，尤其是Cd、Hg、Pb的表生富集趋势较明显，受人类活动影响最大，是区内土壤污染的主要因子。通过全国土壤基准值和背景值对比发现，研究区内Cd、Cr、F的基准值相对富集，Cd、Cr、F、Ni、As的背景值相对较高(表1)。 3重金属元素分布与地球化学环境的关系 3．1深层土壤中重金属元素的相关性 利用SPSS软件对土壤重金属元素进行相关性分析(表2)，结果表明，Cd与As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等的相关性显著，As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的区域分布也基本一致。Hg与其他元素相关性不显著，其空间分布特征明显不同于其他重金属元素。Hg的高背景区主要分布在德州城区北部的二屯、长庄、东辛店—尚堂一带及无棣县城、信阳、水湾等乡镇。 3．2土壤重金属污染评价 3．2．1土壤元素污染等级划分 土壤元素污染等级划分是多目标区域地球化学调查工作的一部分，是以土壤元素基准值为基础，对土壤含量进行等级划分，确定外来污染物对土壤元素含量的影响程度，为土地质量等级评定、生态地球化学预警、土壤污染治理提供基础资料。土壤重金属污染引用原始地质地球化学背景基础上叠加的人为污染的概念，评价标准采用区域土壤元素基准上限值(即基准值加上2倍标准差)，以基准上限值的1、2、3等整数倍进行分级，具体取值见表3。 3．2．2评价方法 通过计算污染指数来确定土壤重金属的污染程度，其中，单因子评价通常采用分指数法，多因子评价一般采用污染综合指数。(1)分指数法。分指数法是逐一计算土壤中各主要污染物的污染分指数，以确定污染程度，公式为Pi=Ci/C0i，式中Pi为土壤中i污染物的污染分指数;Ci为土壤中i污染物的实测含量;C0i为i污染物的评价标准。(2)内梅罗综合污染指数。内梅罗综合污染指数是计算土壤中各主要污染物的综合污染指数，以确定土壤环境综合污染程度，公式为式中，P为土壤污染综合指数;Ii为土壤中i污染物的污染指数;n为土壤中参与评价的污染物种类。P＜1为未污染，P＞1为已污染，P值越大，土壤污染程度越严重。根据P值变化幅度，结合作物受害程度和污染物累积状况，进一步划分为轻度污染(1＜P≤2)、中度污染(2＜P≤4)和重度污染(P＞4)。 3．2．3单元素污染评价 研究区土壤中As、Hg、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn分指数评价结果见表4。从表4可见，区内土壤以清洁型为主，As、Cr、Cu、Ni的土壤清洁率在90%以上，只有稍微的轻度污染;Zn的土壤清洁率在88%以上，有少量的轻度污染;Pb的土壤清洁率接近80%，除少量轻度污染外，在河口城区东部的采油区有点状中度污染区和严重污染区;Cd、Hg是区内污染较重的两个指标，土壤清洁率大于55%，接近60%，在德州市德城区、乐陵市、无棣县、河口区的城区及近郊有轻度污染区，在河口城区、孤岛油田、乐陵市城区、无棣县城、信阳县城区等有中度污染区，严重污染区主要在德州城区、无棣县城、信阳县城等地。 3．2．4综合指数评价 研究区内土壤重金属综合污染评价见图1。土壤重金属综合污染区分布特征表明，轻污染区分布广泛，面积达4476．3km2(表5)，主要分布在德州市德城区、宁津县、乐陵市、庆云县、无棣县等地，在河口区、孤岛油田也有少量分布;中度污染区主要分布在德州市德城区、乐陵市、无棣县、信阳、河口区等城区，面积达53．8km2;严重污染区在河口区有零星分布，面积仅3．0km2;其余均为清洁区土壤，面积达5441．4km2，主要分布在无棣县、沾化县、河口区的滨海区，位于山东半岛蓝色经济区和黄河三角洲高效生态经济区之中。#p#分页标题#e# 4土壤重金属元素来源 土壤中的重金属污染主要有Hg、Cd、Pb、Cr及类金属As等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的Zn、Cu、Ni等。农田中过量的重金属是作物生长和人类健康的严重威胁。土壤中的重金属含量除受成土母质影响外，主要受人类活动的影响，如化肥、农药的施用，工业、交通和矿业污染等，造成土壤重金属元素的表层富集。为追踪乐陵—河口地区污染土壤中Cd、Hg、Pb等的来源，采集分析了土壤剖面、植物根系土和水等介质，其中水样部分分析结果见表6。参照灌溉水质量标准值(GB5084-2005)［8］和地表水环境质量标准(GB3838-2002)［9］的基本项目标准限值，可以看出，污染区地表水体污浊、腥臭，富营养化严重，有毒有害元素F等严重超标，为劣Ⅴ类水质。F含量最大为52．47mg/L，是灌溉水限量标准(2mg/L)的26倍多，最小为Ⅲ类水标准(1mg/L)的1．34倍，平均值为灌溉水标准的10倍。总N含量除2个水样中低于灌溉水标准外，其余水样均超标，最小值为灌溉水标准的1．4倍，最大为4．6倍。同时，总N含量全部超过Ⅴ类水标准限值(2mg/L)，最大值为Ⅴ类水标准限值的68．4倍，最小值为7．8倍，平均值为36．5倍。由此可见，异常区内地表水体污染严重，尤其是有毒有害元素污染程度严重，是区内元素异常的主要来源。横跨土壤重金属污染区进行土壤横剖面采样，可以看出，土壤横剖面中Cd、Hg、Se、Pb的异常峰值处与污染严重的污灌区吻合度高(图2)，验证了地表污染水体是土壤污染的主要供源体。 5农产品重金属元素富集特征 研究区污染土壤中Cd、Hg、Pb等在根系土、小麦秸杆和籽实中的含量分布见表7。小麦桔杆、小麦籽实与土壤根系土中重金属含量呈正相关关系，且有部分小麦桔杆中Cd、Hg含量相对接近根系土中的含量，D8、D20、D54样品秸杆中Hg含量接近甚至超过了其根系土中的含量，D8样品秸杆中Cd含量超过了其根系土中的含量。Cd、Hg在秸杆中具有明显的生物富集作用和生物放大作用。Zn表现出与其他重金属元素不同的特征，在小麦籽实中Zn含量明显大于秸杆，相对接近其在根系土中的含量。水体和土壤中有毒、有害的重金属，通过迁移、转化、富集或食物链循环，危及生物及人体健康。在自然界中，一种污染物质的毒性能够被另一种物质所抑制，称为拮抗作用。例如，Se能够抑制Hg的毒性，Zn能够抑制Cd的毒性。从污染区小麦体中元素富集特征可见，Se、Zn在小麦籽实中的含量普遍较高，人们食用这些小麦及其加工的食品时，因拮抗作用可以降低Cd、Hg等的毒性，进而缓解这些物质对生物及人体健康的危害。 6土壤根系土重金属元素相态分布特征 重金属污染物相态分布特征决定了它的活性程度和毒性大小。为研究乐陵—河口地区污染土壤中Cd、Hg、Pb等在根系土中的相态分布特征，对土壤污染区的根系土重金属元素进行相态分析，结果见图3。从图中可以看出，Pb主要以铁锰结合态和残渣态等稳定态形式存在，占其总量的96%，水溶态、离子交换态和碳酸结合态占4%。As、Cr多以稳定态为主，活动态平均含量小于3%。Pb、As、Cr相对稳定，对环境危害程度相对较小。Cd、Hg相态分布相似，其活动态含量分别达到8%和10%。Cd、Hg进入土壤溶液后通常以可溶态或悬浮态存在，它们在溶液中的迁移转化及生物可利用性均直接与污染物的存在形态相关。例如，水俣病就是食用了含有甲基汞的鱼所致。重金属对鱼类和其他水生生物的毒性，不是与溶液中重金属总浓度相关，而主要取决于游离(水合)的金属离子，对于Cd则主要取决于游离的Cd2+浓度，对于Cu则取决于游离的Cu2+及其氢氧化物浓度，大部分稳定配合物及其与胶体颗粒结合的形态都是低毒的。有益元素Se的水溶态、离子交换态和碳酸结合态最高达16%，平均达9%，可见在表生环境中Se的活化迁移能力较强，不仅对富硒农产品生产的贡献巨大，也通过拮抗作用有效抑制了Hg的毒性。 7结论 研究区Cd、Hg、Pb污染严重，工业废水是土壤污染的主要来源。城镇及近郊由于工业废水的排放造成地表水体污染严重，全部为劣Ⅴ类水质，为区内土壤环境污染的主要污染源。大宗农作物小麦的不同部位对重金属元素具有选择性吸收，小麦秸杆中Cd、Hg含量明显富集，接近或超过其土壤中的含量。小麦籽实中Se、Zn含量明显富集。从元素相态分析结果看，Cd、Hg等重金属元素主要以稳定态形式为主，活动态含量很低，活化迁移量少，这与区内碱性环境密切相关。
关键词：土壤污染 重金属 危害 修复方法
土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是人类生态环境的重要组成部分[1-2]。随着近年来经济发展，工农业生产不断扩大，所产生的废水和废渣也不断增多，不但破坏地表植被，而且其中有毒有害重金属还随废水的排放及废渣堆的风化和淋滤进入周边土壤环境[3-6]。目前我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染耕地面积近2，000万公顷，约占总耕地面积的1/5，其中工业“三废”污染耕地1，000万公顷，污水灌溉的农田面积已达330多万公顷。
1. 土壤重金属污染的定义
在自然界，重金属以各种形态存在，常见的金属元素有铜、铅、锌、铁、钴、镍、锰、镉、汞、钼、金、银等；其中既有对生命活动所需要的微量元素，如锰、铜、锌等；但大多数重金属元素在环境中对环境都会有一定的污染作用，主要包括汞、镉、铅、铬以及类金属砷等对生物体具有显著毒害作用的元素[7]。重金属的密度一般在4.0以上，约60种元素。但是由于不同的重金属在土壤中的毒性差别很大，所以在环境科学中人们通常关注锌、铜、钴、镍、锡、钒、汞、镉、铅、铬、钴等。砷、硒是非金属，但是它的毒性及某些性质与重金属相似，所以将砷、硒列入重金属污染物范围内。由于土壤中铁和锰含量较高，因而一般不太注意它们的污染问题，但在强还原条件下，铁和锰所引起的毒害亦应引起足够的重视。
土壤重金属污染是指由于人类在生产活动中将重金属带入到土壤中，致使土壤中重金属累积到一定程度，含量明显高于背景，并可造成土壤质量的退化、生态与环境的恶化现象[8]。土壤本身含有一定量的重金属元素，如植物生长所必需的Mn、Cu、Zn等。因此，只有当叠加进入土壤的重金属元素累积的浓度超过了作物需要和忍受程度，作物才表现出受毒害症状，或作物生长并未受害但产品中某种金属的含量超过标准，造成对人畜的危害时，才能认为土壤已被重金属污染[9]。如土壤环境质量标准值（GB15618-1995）[10]。
2. 土壤中重金属的来源、种类
土壤重金属污染主要是由工业产生的“三废”以及污水灌溉、农药和化肥的不合理施用等农业措施引起的。随着工农业生产的发展，重金属对土壤和农作物的污染问题越来越突出，部分地区土壤重金属污染现象十分严重。总体来讲，土壤重金属污染源较广泛，即有自然来源，又有包括人类活动带入土壤的部分，目前主要来源为人为因素。主要包括大气尘降、污水灌溉、工业废弃物得不当堆放、采矿及冶炼活动、农药和化肥的过多施用等[11-12]。
2.1 污水灌溉
污水灌溉通常指的是使用经过一定处理的城市污水灌溉农田、森林和草地。中国水资源较为紧缺，部分灌区常把污水作为灌溉水源来利用。污水的种类按其来源可分为城市生活污水、石油化工污水、工业矿山污水和城市混合污水等。城市生活污水中重金属含量虽然不多，但由于我国工业发展迅速，许多工矿企业污水未经分流处理而排入下水道与生活污水混合排放，从而造成污灌区土壤Hg、As、Cr、Pb、Cd、Zn等重金属含量逐年累积[15-16]。在分布上，往往是靠近污染源头和城市工业区土壤污染严重，远离污染源头和城市工业区，土壤几乎不受污水中的重金属污染。
污灌在北方比较严重，因为我国北方比较干旱，水资源短缺严重，并且许多大城市都是重工业大城市，所以农业用水更加紧张，污水灌溉在这些地区较为普遍。据统计，我国北方旱作地区污灌面积约占全国90%以上。南方地区相对较小，仅占6%，其余则在西北地区。污灌不仅导致土壤中重金属元素含量的增加，而且还会在人体内富集。研究显示我国沈阳、温州和遂昌等地由于污水灌溉引发了人体镉中毒；鞍山宋三污灌区土壤中Hg、Cd的累积显著，污染严重；用处理过的污水灌溉是解决干旱地区作物需水问题的一条可行途径。但由此导致的土壤污染特别是重金属污染必须引起重视。
2.2 农药和化肥污染
农药和化肥是重要的农用物资，对农业生产发展起到重要的推动作用，但如果不合理施用，则可导致土壤中重金属污染。部分农药在其组成中含有Hg、As、Cu、Zn等重金属元素，过量或不合理使用将会造成土壤重金属污染。肥料中含有大量的重金属元素，其中氮、钾肥料含量相对较低，而磷肥中则含有较多的有害重金属，另外复合肥的重金属含量也相对较高。施用含有重金属元素的农药和化肥，都可能导致土壤中重金属的污染。
2.3 矿山开采和冶炼加工
我国重金属矿产相对丰富，在金属矿山的开采、冶炼过程中，会产生大量废渣及废水，而这些废渣和废水随着矿山排水和降雨进入土壤环境中，便可直接地造成土壤重金属污染，这在我国南方地区表现得尤为突出。
3. 重金属污染的特点及危害
3.1 重金属元素污染土壤的主要特点
在土壤环境中重金属污染特点可以分为两部分：一是土壤环境中重金属自身的特点，二是重金属元素在不同介质中所表现的特点。具体特点如下：（1）形态变换较为复杂，重金属多为过渡元素，有着较多的价态变化，且随环境Eh，pH配位体的不同呈现不同的价态、化合态和结合态。重金属形态不同则其毒性也不同；（2）有机态比无机态的毒性大；（3）毒性与价态和化合物的种类有关；（4）环境中的迁移转化形式多样化；（5）生物毒性效应的浓度较低；（6）在生物体内积累和富集；（7）在土壤环境中不易被察觉；（8）在环境中不会降解和消除；（9）在人体内呈慢性毒性过程。（10）土壤环境分布呈区域性；
过量的重金属会引起动植物生理功能紊乱、营养失调、发生病变，重金属不易被土壤微生物降解，可在土壤中累积，也可通过食物链在人体内积累，危害人体健康。土壤一旦遭受重金属污染，就很难彻底消除，污染物还会向地下水和地表水中迁移，从而扩大其污染。因此重金属对土壤的污染是一类后果非常严重的环境问题。
3.2人类因土壤重金属污染而遭受的危害[25]
（1）土壤污染使本来就紧张的耕地资源更加短缺；（2）土壤污染给农业发展带来很大的不利影响；（3）土壤污染中的污染物具有迁移性和滞留性，有可能继续造成新的土地污染；（4）土壤污染严重危及后代人的利益，不利于可持续发展；（5）土壤污染造成严重的经济损失；（6）土壤污染给人民的身体健康带来极大的威胁；（7）土壤污染也是造成其他污染的重要原因。
4. 对重金属污染的防治及修复
4.1 对土壤污染的预防
目前，仍未找到可广泛应用且行之有效的重金属污染治理方法，但控制污染源，是防止土壤污染的根本措施之一，同时利用土壤的自净作用对污染物净化具有一定的预防作用。控制土壤重金属污染源，即控制进入土壤中的重金属污染物的数量和速度，通过土体自身的净化作用，降低污染。
（1）控制和消除工业“三废”
尽量利用循环无毒工艺，减少和消除重金属污染物的排放，对工业“三废”进行回收改善，使其化害为利，并严格控制工业生产中污染物排放量和浓度，使之符合排放标准。
（2）土壤污灌区的监测和管理
在污灌区对灌溉污水的重金属元素进行控制，监测水中重金属污染物质的成分、含量及其变化，避免引起土壤污染。
（3）合理施用化肥和农药
对于农药和化肥的施用，应以环保无毒为准则，禁止或限制使用高残留农药，大力发展高效、低毒、低残留农药，发展生物防治措施。为保证农业的增产，合理施用化学肥料和农药是必需的，但需控制好施用量，否则会造成土壤或地下水的污染。
（4）土壤容量和土壤净化能力的提高
在农业生产过程中，施用有机肥，改良松散型沙土，改善土壤胶体的种类和数量，增加土壤对有害重金属的吸附能力和吸附量，从而减少重金属在土壤中的生物有效性。利用微生物品降解土壤中的重金属，提高土壤净化能力。
4.2 土壤中重金属污染的修复方法
（1）工程措施
工程治理措施是指在土壤环境中，用物理或物理化学的原理来减少重金属污染物的措施。主要包括客土，换土，翻土，淋洗液热处理以及电解等方法。以上方法措施的治理效果相对彻底，但实工过程复杂、所需治理费用较高且比较容易引起土壤肥力效果降低。
（2）生物措施
生物治理是指利用能够在土壤中生存的生物的某些习性来抑制和改良土壤重金属污染。Nanda Kumar P B A等发现某些特殊植物对土壤中的重金属元素具有富集作用。寇冬梅等研究认为食用菌对重金属具有吸附作用。所用方法有动物治理，微生物治理，植物治理等。生物措施的优点是实施较为简便易行、投资较少且对环境破坏小，而缺点是在短期内不易得到治理效果。
（3）化学措施
化学治理方法是利用化学物质和天然矿物对重金属污染进行的原位修复技术，目前，在许多区域得到应用。化学治理措施主要包括利用土壤改良剂、抑制剂，增加土壤有机质、阳离子代换量和粘粒的含量，改变pH、Eh和电导等理化性质，使土壤重金属发生氧化、还原、沉淀、吸附、抑制和拮抗等作用，以降低重金属的生物有效性。化学治理措施优点是治理效果相对较明显，而缺点是容易再度活化。
（4）农业措施
农业治理措施是通过改变耕作方式和管理制度来达到降低土壤重金属危害的方法。M.Puschenreiter等探讨了利用农业耕作措施治理土壤重金属的方法，得出在不同污染地区种植不同的农作物可有效降低重金属的污染。治理方法主要包括控制土壤水分，选择合适的农药、化肥，增施有机肥，选择农作物品种等。农业治理措施的优点在于操作简单、费用不高，而缺点是需要较长治理周期却治理效果不显著。
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环境材料又称生态材料或是环境功能材料，这个概念首次出现是在20世纪90年代，是日本东京大学山本良一教授提出的，环境材料包括新开发的环境材料和传统的现有材料两种，其概念是那些在加工、制造、使用和再生过程中的人类所需材料，其使用功能最大化但是环境负荷最低。环境材料的特点主要体现在以下三个方面，（1）先进性，就是指各自最主要的功能性；（2）环境的协调性，在材料的生产过程中，能够降低对资源以及能源的消耗，减少温室气体的排放，同时对废弃物的循环再利用起到了很大的作用，符合21世纪对于新材料性能方面的要求；（3）具有舒适性，即经济性，具有美观舒适的外形以及较强的经济实用性。循环再生材料、高分子材料、地环境复合材料等等都属于环境材料，目前在环保、农业生产和工业等领域都得到了广泛应用。
2在盐碱地的土壤改良中，环境材料的相关应用
2.1盐碱地的危害我国非常常见又十分严重的农业环境问题之一就是土壤盐碱化，在我国，盐碱地分布广泛、面积大，现有的盐碱化土地占耕地面积的比重约为20%，大多数位于西部的内陆干旱和半干旱地区，同时还有滨海地区。当土壤表层的易溶性盐分大于百分之零点六时就能称之为盐土，盐碱化了的土壤会因为盐分浓度过高而造成植物的吸水困难，或是植物在土壤中吸入的某种高浓度离子过多，在植物的体内大量积累使植物承受“单盐毒害”。另外，植物体内盐分过多会使其出现一系列的生理代谢失调状况，对光合作用造成不利影响，低盐浓度有助于呼吸而高盐浓度阻碍呼吸，加速了植物的蛋白质分解以及植物的死亡。
2.2环境材料与盐碱地的改良有很多方法可以改良盐碱地，比方说，物理措施、水利措施、化学措施以及生物措施等等，其中采用环境材料进行土壤改良是比较新的现代化化学措施，循环经济以及现代化工的发展推动了这种措施的广泛应用。目前，用于改良盐碱地的环境材料有两类，一类是起替换作用的加钙环境材料，例如石灰石、氧化钙、煤矸石和石膏等；另一类是起化学作用的加酸环境材料，例如硫磺、腐殖酸、硫酸铝以及酸性肥料等。
3在土壤重金属污染治理中，环境材料的相关应用
3.1土壤重金属污染的危害土壤重金属污染常常是由于工业与城市污染以及农业施肥和污水灌溉等引起的，城市化和工业化的加速使得土壤重金属污染更为严重。我国约有2500×104hm2的土地是受到重金属污染的，约占总农田面积的1/5。过量的重金属在土壤中会滞留在土壤耕作层，对植物生长有非常严重的影响，同时土壤中的重金属在土壤中会滞留很长时间，也不容易被微生物分解，时间久了，水以及种植在土壤中的植物就成为重金属危害传递的介质，给人类的健康带来不利的影响，然而治理与恢复难度也是十分大的。
3.2在土壤重金属污染治理中，环境材料的应用重金属污染土壤的修复技术分为四种，分别是生物措施、物理化学措施、化学改良措施和工程措施，其中包含微生物菌剂以及植物，以化学固化修复技术和生物修复技术应用最为广泛。从大的范围上来讲，化学固化修复是化学修复技术之一，往土壤里加重金属钝化剂和重金属固化剂，使土壤和土壤里的重金属的理化性质发生改变，这样土壤中的重金属的迁移能力和生物有效性会因为吸附和沉淀而降低。粘土矿物、磷酸盐、无机矿物、有机堆肥和微生物等都是常见的重金属稳定固化修复材料。其中有机材料和矿物材料可以对重金属发挥良好的稳定效应，这些有机质可以对土壤中的Cr6+进行还原，变为Cr3+从而降低其毒性，同时让重金属生成硫化物沉淀。而沸石、磷酸盐和含铁矿物等材料优点是便于获得、价格低廉并且高效，对重金属污染土壤的控制和修复作用明显。高分子保水材料是目前新发现的一种环境材料，对重金属有较好的固化作用，实验证明高分子化合物一方面可以让重金属对植物污染的作用降低，所以作物不会过多的吸收重金属；另一方面可以对土壤结构进行改良、转化养分并且直接给作物的根系提供水分。
4环境材料应用于农业抗旱节水中
农业的发展离不开水源，我国每年有约4×1011m3的水用于农业活动，约占总用水量的70%，而其中90%的水都用于农田灌溉。对于农业灌溉用水来说有三个问题最为显著，（1）水资源欠缺，干旱问题十分严重制约了农业灌溉的面积；（2）不能科学合理的利用那部分已被开发利用的水资源，出现了十分严重的浪费情况，例如宁夏回族自治区以及内蒙古自治区依旧运用农田漫灌的灌溉方式，灌溉水利用率仅有40%左右，而发达国家的利用率在90%左右；（3）水资源的污染情况非常严重。在农业抗旱节水中应用的环境材料主要有土壤保水剂与作物叶面抗蒸腾剂，这些都属于物理性材料的范畴。
5结语
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