土壤镉修复的效应及其调控技术

吴数诚

（1.华南农业大学热带亚热带生态研究所，广东 广州 510642；2.农业部华南热带农业环境重点实验室，广东 广州 510642；3.华南农业大学广东省高等学校农业生态与农村环境重点实验室，广东 广州 510642）

1.土壤Cd污染现状及危害

1.1 土壤Cd污染现状

据统计，在20世纪80年代我国Cd污染土壤约为9.33×103公顷，于90年代初增至约为1.3×104公顷，全国共11个省25个地区的农田受到不同程度的Cd污染。21世纪初以来土壤Cd污染日益加剧，在2005年我国Cd污染土壤已增至约为2.8×104公顷。2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》研究显示，全国将近有2000万公顷面积的土壤重金属超标，其中Cd的点位超标率达到7%。而土壤重金属污染也会直接影响蔬菜中的重金属含量，据2000年农业部统计，蔬菜中Cd等污染超标率达到了23.5%。

1.2 土壤Cd污染来源

环境中的Cd主要源于两个部分，一部分是自然界土壤存在的背景值，我国土类Cd背景值的含量变化范围在0.013~0.332mg/kg，占土壤Cd含量的较小部分。另一部分是人为因素引入，且工业革命后人为来源急剧上升，Cd的释放占环境中90%以上。据统计，我国未经处理的污水年排放量在300~400亿吨，灌溉总面积的45%是用工业污水所灌溉的。1979年我国污水灌溉面积约为3×105hm2，而到了20世纪80年代污水灌溉面积则超过了1.3×106hm2，20世纪90年代污水灌溉面积则达到了3.6×106hm2。不合理使用化肥也会使土壤中Cd含量增加。

1.3 土壤Cd污染对人体的危害

土壤中Cd主要通过植物提取，含Cd的植物经加工变成烟丝或者食物，再通过吸烟或者食物链进入人体内，低剂量的Cd暴露大概会在人40至50岁后才表现出明显的损害症状。主要表现为以骨骼和肾脏为主的器官损害，或者表现为慢性疾病和死亡的潜在影响。

1.4 土壤Cd污染对植物的危害

当植株体内的Cd含量超过其适应范围时，植物会出现明显的损伤症状，如叶片萎黄和卷曲、叶子偏上性生长、生长萎缩、坏死、根尖褐变，最后导致植株死亡；Cd的累积会抑制植物体内酶的合成、游离自由基的形成和超微结构的改变，如叶绿体超微结构等，降低了植物光合作用的效率； Cd会影响植物对土壤中的重金属吸收的效率及分配的平衡，导致植物中矿物质养分含量减少。

2.土壤Cd污染修复技术

根据Cd富集土壤的现状，修复思路一般有2种，一是直接将土壤中的镉分离出来，减少土壤中镉的含量；二是改变土壤中Cd的形态，降低Cd的可迁移性及生物有效性。目前，国内外常见的Cd污染土壤修复技术主要有物理修复、化学修复、生物修复等方法来降低土壤Cd含量。

2.1 物理修复技术

物理修复方法主要有土壤置换法、电动修复、玻璃化法和热化法。

土壤置换法包括换土、客土、深耕等，用未受污染的土壤置换已污染土壤，从而降低作物可接触土壤中的污染物浓度，达到保护作物的目的。电动修复是在镉污染土壤中插入石墨电极，施加以稳定电场，使土壤中的镉离子定向迁移至电极，是后富集处理的过程。玻璃化法是通过高温处理将土壤中的重金属融化，使其冷却后形成坚硬的玻璃状物质，再将其从土壤中分离。热化法是对土壤中的重金属进行加热，使其受热挥发后再对其进行收集处理。

2.2 化学修复技术

化学修复包括淋洗法和化学固定法。淋洗法是根据土壤中的重金属与化学淋洗试剂产生的离子交换、沉淀等化学反应，将重金属离子从土壤中淋洗出来。化学固定法是向土壤中加入固定剂，将Cd固定在土壤中，达到修复目的。

2.3 生物修复技术

生物修复技术一般可利用植物、动物和微生物进行修复。植物修复是指在污染土壤上种植对重金属具有较高耐受性，且不会受Cd富集而影响正常生理代谢的作物，对土壤中的Cd进行吸收或固定，从而降低土壤中Cd的有效浓度。动物修复技术是指通过低等动物，在其生活的土壤环境中进行的一系列生理代谢活动，改变土壤中的Cd存在形态或将重金属元素富集在体内，以达到修复土壤的目的。微生物修复是指通过土壤中如细菌等微生物的代谢产物减少土壤中的Cd的有效性。

3.影响土壤中Cd活性的因素

3.1 土壤pH

土壤pH值是影响植物吸收Cd的主要的环境因素，可以显著影响土壤中镉的有效性及形态分布。向Cd污染农田中施加纯化剂如石灰、生物炭等，通过增加土壤pH值从而减少镉的有效性，降低了作物对镉的积累。

3.2 土壤有机质

土壤有机物中的腐殖质中含有大量的官能团，对Cd2+具有较强的吸附能力，同时也可与Cd形成稳定的络合物，从而使Cd的有效性降低。EDTA与Cd配合分解了土壤吸附的Cd而又在根际释放出自由态离子，增加了植物对Cd的吸收。

3.3 土壤陪伴离子

植物对Cd的吸收受相伴离子的影响。氮、磷、硫、钾、钙、镁、钠等营养元素可以影响植物的基因表达、酶系统、新陈代谢等活动，同时，还可以影响植物对镉的吸收。钾、钙、钠、镁等伴随阳离子可与镉竞争植物根系的吸收位点，降低根系对镉的吸收。Cl-能降低土壤对镉的吸附，与镉形成可溶性简单配离子CdCl+，从而促进植物对镉的吸收。

4.土壤调理剂对Cd迁移转化的影响

4.1 生物炭对Cd迁移转化的影响

生物炭是指由生物质能原料经过高温热解而产生的富炭物。生物炭对土壤中的Cd有较强的吸附能力，是因为其具有多孔结构、且富含碱性官能团等特点。有研究发现粪便生物炭和植物残渣热解产生的生物炭对Cd的吸附量不同，另外，生物炭可作为钝化剂，通过降低土壤中Cd的有效性，从而减少Cd被植物根系所吸收。

4.2 PASP对Cd迁移转化的影响

聚天冬氨酸，其含有羧基和肽键等活性基团，可以将N、P、K及微量元素富集在作物的根系附近，使作物更有效地利用肥料，从而提高了肥料利用率，因此聚天冬氨酸是一种可生物降解的环境友好型高分子材料。其末端的氨和侧链上的羧酸官能团均可以与金属离子进行配位结合，使在溶液中的金属离子保持分散和稳定。金属离子的软硬程度、溶液的pH值和PASP去质子化情况等因素都会影响PASP与金属离子形成配位物的效果。研究表明，PASP 作为萃取剂可有效分离污泥中的Pb2+和Cd2+等离子，交换率达90%。PASP对金属离子Cd、Zn和Ca的提取率均超过50%。

5.间作对Cd迁移转化的影响

间作是我国传统的精耕细作的种植方式，利用植物种间互作对重金属吸收积累的影响，从而提高土壤重金属污染修复的效率，是一条有效的新途径。种植模式对植物吸收富集重金属能力有显著影响。

如利用水稻和空心菜间作，不仅降低了水稻糙米的Cd含量，还可以增加水稻的产量，同时间作系统还可以提高土地利用率和单位面积Cd提取量。

木薯和花生间作，降低了木薯茎叶、花生籽粒的Cd含量，且两种植物的生物量均有所提高。