土壤镉污染及其相关问题研究

Cd是土壤重金属污染的重要来源之一，它有高毒性，化学性质接近于锌，在土壤中具有稳定、积累和不易消除性，并通过食物链富集，构成对人类生存环境多个层面上的不良胁迫，给人类的健康和动植物健康以及周围生态环境带来严重危害。国际癌症研究局（IARC）将镉及其化合物划为第Ⅰ类“对人体致癌”物质。

土壤中镉的来源

当农业土壤中Cd的含量超过了1.0 mg/kg时，我们就认为其受到了污染。土壤镉污染来源很多，可分为自然源和人为源。自然源主要指成土的母质，如硫镉矿、方硫镉矿等。人为来源主要包括采矿、冶炼、化肥施用、污水灌溉、大气沉降、城市垃圾等。采矿冶炼是镉排放的主要工业源，并以“三废”的形式影响周围环境，工业废气中的镉伴随着粉尘扩散，以降雨和自然沉降的形式进入土壤，工业废水中的镉通过污水灌溉农田或城市居民用水处理不达标等形式进入土壤，长期使用磷肥和高量有机肥会增加土壤镉的含量，含镉肥料主要是磷肥和一些含镉生活垃圾。此外，机动车尾气排放能引起公路两侧土壤的重金属污染。

土壤镉的迁移富集机理

1、镉的存在状态。Cd在土壤中有水溶态和难溶态两种存在状态。不同形态的污染物有不同的环境行为和生物效应。水溶性镉主要以离子态或络合态存在,易为作物所吸收;难溶性镉可以是交换态(粘土交换及腐殖质交换)、化学沉淀态及难溶性螯合态存在于土壤颗粒中,不易被植物所吸收。土壤中水溶性镉和非水溶镉在一定的条件下可相互转化，其主要影响因素为土壤的酸碱度、氧化-还原条件和碳酸盐的含量。

2、镉的迁移转化。由于土壤的强吸附作用，镉很少发生向下的再迁移而累积于土壤表层。在降水的影响下，土壤表层的镉的可溶态部分随水流动就可能发生水平迁移，进入界面土壤和附近的河流或湖泊而造成次生污染。

3、土壤镉活性的影响因素。影响镉在土壤中转化的因素很多,例如pH值、土壤氧化还原条件等。pH值增大,镉溶解度降低。土壤的氧化还原条件与镉的活性关系密切,旱地通风良好,镉多呈可溶性,易被吸收，作物与土壤镉含量呈正相关;水田还原条件下, S2 -与Cd2+结合生成难溶CdS抑制Cd2+的迁移和作物对Cd2+的吸收，抑制土壤中镉的活性。此外,土壤粘土成分、有机质含量和PO43 -含量都能影响镉的迁移能力。其中pH值是影响Cd2+溶解度的主要因素,是引起植物吸收Cd2+的主要原因。如果不考虑其他反应,可写成下列平衡反应式:

by  hong

上式表明,Cd2+的理论浓度随着土壤pH值的上升而下降。

土壤镉污染的修复

土壤镉污染治理的原则为“预防为主，防治结合”具体手段有如下几种：

1、物理修复。物理修复方法包括改土法、土壤淋洗法、热力学修复法、电动力学修复法等，目前应用最广泛的是改土法，改土法包括客土、换土、去表土和深耕翻土等。土壤淋洗法是利用淋洗液将土壤固相中的镉转移至液相中，再把富含镉的废水进一步回收处理，目前土壤淋洗液包括有机或无机酸、碱、盐和螯合剂等。热力学修复法是利用高压变频电压产生电磁波，产生热能对土壤加热，使污染物从土壤颗粒内解析出来。而电动力学修复法则是指在污染土壤中插入电极对，并通以低强度的直流电，使土壤的镉离子在电场作用下定向移动，在电极附近富集，从而达到清除镉的目的。

2、化学修复。即在土壤中施用化学修复剂，与镉污染物发生一定的化学反应，以降低土壤镉污染物的水溶性、扩散性和生物有效性的修复技术。化学修复法发展较早，也相对成熟有效，主要包括：化学淋洗技术、化学氧化修复技术、土壤性能改良技术等等。目前，广泛应用的方法是施用改良剂，如磷酸盐、硅酸盐、沸石、膨润土，通过改变土壤pH、沉淀、吸附、离子交换和络合等化学反应等，显著降低镉在土壤中的生物有效性。有研究发现，施用磷酸二氢铵对矿区镉污染土壤进行修复，镉的有效浓度下降达94.6%。

3、植物修复。植物修复费用低、耗费人力少、处理效率高、不会产生二次污染并且可以易回收利用金属。植物修复是指利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发和转化、降解作用，清除土壤中污染物质，主要包括两个方面：一是利用一些超积累植物对污染物进行吸收、固定、转化和积累。温室栽培试验结果表明，印度芥菜根和叶中的最高镉含量可达300 mg/kg、160 mg/kg。 此外，对镉耐性和富集能力较强的植物还有小犬蕨、向日葵等。二是为微生物修复提供有利于修复进行的条件，促进生物降解和无害化。 严理等研究发现，镉污染土壤种植苎麻后， 土壤微生物活菌量明显增加，土壤细菌活菌量增加幅度最大的为1.33倍， 土壤真菌增加幅度最大的达2.42倍；镉污染土壤种植苎麻可提高土壤有机质含量，明显减少土壤中镉含量，起到修复土壤镉污染的作用。

4、生物修复。生物修复包括微生物修复和动物修复。微生物修复机理包括细胞代谢、吸收、沉淀和氧化还原反应等。刘红娟等发现，其所研究的蜡状芽孢杆菌RC可以在镉浓度为200 mg/L的固体培养基平板上生长良好，表明菌株具有强抗镉的能力。动物修复是指利用土壤中某些低等动物的代谢活动来降低污染土壤中重金属比例的方法。例如，Ramseier等研究发现蚯蚓具有强烈的镉富集能力，当土壤镉浓度为3mg/kg时，蚯蚓的镉富集量可以达到120mg/kg。但由于低等动物生长受环境等因素的严重制约，该项技术在实际应用中受到了一定限制。