论文标题：Advancement of metal(loid) research on farmland

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Qiang ZHENG, Chenchen WEI, Yanbing CHI, Peiling YANG

发表时间：15 Sep 2024

DOI：10.15302/J-FASE-2024554

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Sep 2024, Volume 11 Issue 3

· 第七篇 ·

▎论文ID

Advancement of metal(loid) research on farmland

农田金属 (类金属) 污染与修复技术研究进展

发表年份：2024年

第一作者：张强

通讯作者：杨培岭

邮箱：yangpeiling@126.com

作者单位：中国农业大学水利与土木工程学院

Cite this article :

Qiang ZHENG, Chenchen WEI, Yanbing CHI, Peiling YANG. Advancement of metal(loid) research on farmland. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(3): 442–467 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024554

· 文 章 摘 要 ·

金属 (类金属) 污染是农业领域一个日益严峻的环境问题，已经引起了社会的广泛关注。这些潜在有毒物质通过多种途径渗入土壤，并通过植物吸收进入食物链，最终威胁到环境质量、食品安全和人类健康。因此，迫切需要解决农田土壤中金属 (类金属) 的污染问题。目前，大多数研究集中在单一的修复技术，而忽视了综合的田间管理策略。本文全面总结了包括物理、化学、生物等多学科及其交叉领域的土壤修复和改良技术，评估了每种技术的作用机制、适用情况、优势、劣势及其效益。特别关注了金属 (类金属) 污染的来源，以及提高现有和创新修复技术效率的机制。同时，对修复技术的未来发展趋势进行了展望，旨在为科研工作者提供研究基础和灵感，推动修复技术的进步，并为土壤的持续健康发展打下坚实基础。

· 文 章 亮 点 ·

1. 综合总结修复技术并明确未来发展方向至关重要。

2. 本综述系统地总结了涉及物理、化学、生物学及其交叉领域的多种土壤修复和改良技术。

3. 为土壤的健康发展提供了坚实的科学基础。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎金属(类金属)的来源

农业土壤中的金属 (类金属) 污染对食品安全和生态环境构成严重威胁，这些污染物通过植物进入食物链，影响土壤的物理化学性质和微生物群落，导致作物产量和品质下降。分析这些污染物的来源对于预防和修复土壤污染至关重要。人类活动，尤其是工业化和城市化，加剧了土壤中金属 (类金属) 的积累，其中采矿、冶炼、化石燃料燃烧、废物处理和农药化肥的过量使用是主要的污染途径。尽管某些含重金属的农药已被禁止，但铜和锌等金属的杀菌剂仍在农业生产中广泛使用，增加了农田土壤的污染风险 (图1)。

图1 金属 (类金属) 的来源。

农业对农药和肥料的依赖不可避免，而它们是农田土壤金属 (类金属) 污染的主要来源。过量使用肥料和不当的施肥方法导致土壤酸化和金属 (类金属) 活性增加，加剧了土壤污染。农业覆盖物和畜禽粪便的使用进一步增加了土壤中金属 (类金属) 的积累，这些污染物的高流动性对土壤和地下水构成了严重污染风险。

矿业活动引起的地下水环境变化导致化学成分改变和尾矿废物的渗透，造成地下水严重污染。电子设备及其废弃物含有多种重金属，不当处理会引起土壤和地下水的重金属污染，对作物安全和公共健康构成威胁。大气中的人为污染物沉积和污水灌溉是农田土壤重金属污染的重要途径。这些污染物通过干湿沉降影响植物和土壤，污水灌溉虽然缓解了水资源短缺问题，但也带来了土壤重金属富集和食物安全的风险 (图2)。

图2 土壤金属 (类金属) 平均浓度。

▎金属(类金属)修复技术

金属 (类金属) 污染土壤的修复技术可分为原位和异地修复两大类。原位修复在不移动土壤的情况下处理污染物，而异地修复则将污染土壤移出场外处理。选择修复技术时需考虑土壤条件、污染物种类和浓度以及预期用途。本文综述了固化、热处理、电修复、植物修复等多种修复技术，并评估了它们的原理、适用条件、优缺点及技术可行性。此外，还探讨了自然衰减策略，并针对实际挑战提出了修复技术选择的建议。

物理修复技术：通过直接操作土壤质来降低土壤中的金属 (类金属) 含量，包括土壤覆盖、剥离、替代和热处理等方法。

化学修复技术：通过化学方法固定或转化土壤中的金属 (类金属) 污染物，主要包括固化/稳定化、玻璃化、土壤淋洗和电修复等方法。

微生物修复技术：一种新兴的土壤修复方法，通过微生物的生物学机制来降低土壤中金属(类金属)的浓度和毒性。该技术包括吸附、沉淀、淋洗、转化和挥发等过程，其效率受多种环境和污染因素影响。

植物修复技术：一种环境友好的土壤净化方法，通过植物的自然代谢过程来吸收、转化或稳定化土壤中的金属 (类金属) 污染物。该技术主要包括植物提取、过滤、稳定化、挥发和降解等方式，通过植物根系和分泌物的作用，减少污染物的浓度和毒性。

联合修复技术：目前在土壤修复领域，植物修复、化学修复等单一修复方法存在一定的局限性，而联合修复技术的研究正在不断增多 (表1)。

表1 联合修复技术

新型修复技术：氧化锌纳米粒子、零价铁、介孔材料、改性生物炭、有机骨架复合材料、烟草废弃物、外源螯合剂、外源喷涂 Fe₃O₄ 和 ZnO 纳米颗粒、木质素水凝胶、生物炭基质Mn-N4和层状双氢氧化物等。

▎各类修复技术综合评价

土壤修复技术的综合性评估关注于整合化学分析和生态影响评估，旨在预测并量化修复土壤中残留污染物对生态系统和人类健康的潜在风险。评估过程中需注意土壤的物理、化学和生物特性变化，并建立全面的评估体系以确保土壤修复达到预期安全和生态功能恢复标准。

生化毒理学观察通过分子或细胞层面的分析来评估污染物的直接危害，而生态指标观察则通过监测敏感生物的反应来评估土壤生态的恢复情况。风险评估着重于预测污染物对生态系统的影响，涵盖人类健康和生态稳定性两个方面。

以下六点值得特别关注。

1. 选择评估指标应基于每个修复项目的独特特性，并与修复后预期的土地使用功能保持一致，同时有效降低二次污染风险。

2. 在提出的指标系统中，区分约束性指标和参考性指标至关重要。约束性指标是修复后必须达到的具体目标，而参考性指标作为评估污染土壤修复效果的辅助目标。

3. 在评估修复效果时，必须采取严格的方法。即使土壤质量符合修复后的预期目标，如果种植的农产品未能达到预定标准，则不能认为土壤已完全修复并适合开垦。

4. 应建立评估土壤修复效果的评价指标，并为这些指标设定预定义的评估标准以简化评估过程。

5. 对每个指标使用与国家或行业标准一致的分析方法作为首选。在缺乏标准方法的情况下，可采用ISO或EPA推荐的方法。如果没有合适的方法，则可以使用学术界认可的方法进行分析，但必须对其适用性进行彻底评估和说明。

6. 必须根据每个修复项目的独特性，评估长期跟踪、监测和评估修复效果的必要性，并相应地制定具体的长期跟踪、监测和评估计划。

评估方法应优先选择符合国家或行业标准的分析技术，若无标准方法则可采用国际标准或学术认可的方法，并确保其适用性。长期跟踪和监测是评估过程中不可或缺的部分，以确保土壤修复效果的持续性和安全性。

▎反思与建议

探索新修复方法：开发新材料和技术，理解植物对金属 (类金属) 的解毒机制，通过遗传改良提高植物的抗性和减少金属积累。

应用基因工程：利用基因编辑优化植物对金属 (类金属) 的吸收和耐受性，增强其修复能力。

筛选微生物菌株：选择安全、可控的抗性微生物菌株，以提高土壤修复的效率和安全性。

采取综合修复策略：结合农业管理、微生物技术和生物工程，整合物理、化学和生物修复方法，实现土壤的全面修复。

现场应用与技术系统：创新现场应用方法，如微生物接种，建立从种植到收获的全面技术系统。

推进植物修复技术：研发高效的植物修复设备，提高机械化水平，降低成本，提升修复效率。

加速污染评估技术：发展快速、准确的土壤污染评估技术，建立土壤环境管理信息系统。

认知联合毒性和新污染物：深入研究污染物的联合毒性，特别是微纳塑料与金属(类金属)的交互作用及其环境影响。

这些建议旨在提高土壤修复的科学性、效率和安全性，同时考虑到环境保护和可持续发展。

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