闡述了重金屬汙染物的來源和分布，系統總結了國內外土壤重金屬汙染治理的研究工作，提出了土壤重金屬汙染物防治的環境礦物學新方法。利用環境礦物材料控制土壤中重金屬汙染物的方法具有成本低、效果好、無二次汙染、可回收有用金屬等優點，展示了環境礦物學研究和應用的廣闊前景。並提醒人們提高土壤質量意識，保護生態環境。
1)工業廢物造成的重金屬汙染
近年來，由於壹些礦產開發選礦冶煉技術落後，壹些礦區沒有環保設備，廢水廢氣排放產生的大量廢棄物未經處理直接排入環境，其中的重金屬隨自然沈降和雨水淋溶進入土壤，進入正常循環生態系統，造成重金屬汙染，嚴重危害人民生產生活。
2)過度使用化肥和農藥
重金屬元素是肥料中報道最多的汙染物，肥料中品位較差的過磷酸鈣和磷礦粉含有微量重金屬元素As和Cd (WILLIAMS C H，1973)。含鉛和有機汞的農藥在發揮作用的同時，也為土壤重金屬汙染埋下禍根，導致土壤膠體結構變化和養分流失，對作物產量和品質產生極大的不利影響。目前飼料添加劑中往往含有高含量的銅和鋅(夏，1996)，使得有機肥中銅和鋅的含量明顯增加，隨肥料施入農田。
3)汽車尾氣排放
公路、鐵路周邊重金屬呈條狀分布，主要是汽車尾氣的排放和汽車輪胎磨損產生的大量含重金屬的有害氣體和粉塵的沈積造成的。汙染元素主要是鉛、銅、鋅等元素(李波，2005)。這些物質隨風飄落，進入土壤造成重金屬汙染。實驗表明，道路兩側土壤重金屬汙染嚴重，隨著距離道路越來越近，土壤的汙染程度越來越輕。
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重金屬是指密度在4.0以上的約60種元素或密度在5.0以上的45種元素。砷和硒是非金屬，但它們的毒性和某些性質與重金屬相似，所以砷和硒被列入重金屬汙染物的範圍。環境汙染中的重金屬主要是指具有明顯生物毒性的汞、鎘、鉛、鉻和類金屬砷，還包括鋅、銅、鈷、鎳、錫、釩等有毒重金屬。
隨著全球經濟的快速發展，含有重金屬的汙染物通過各種途徑進入土壤，造成了嚴重的土壤汙染。土壤重金屬汙染可影響作物產量和品質下降，通過食物鏈危害人類健康，還會導致空氣和水環境質量進壹步惡化。因此引起了世界各國的廣泛關註。目前，世界各地的土壤都存在不同程度的重金屬汙染。汞、銅、鉛、錳和鎳的年均排放量分別約為65438+50萬t、340萬t、500萬t、65438+50萬t。北京、天津、Xi、沈陽、濟南、長春、鄭州等北方大城市的蔬菜基地和部分商品糧基地也存在重金屬汙染。。
南方相對清淡，如福州、寧波、上海、武漢、成都等地。土壤中的重金屬汙染會對生態系統造成嚴重破壞。根據我國土壤資源狀況，截至2000年底，我國人均耕地僅為0.1 hm2，隨著今後我國經濟社會的發展，如生態退耕、農業結構調整和自然災害等，土壤資源將進壹步減少。因此，如何有效控制和治理土壤重金屬汙染，改善土壤質量，將成為生態環境保護中非常重要的內容。
重金屬汙染原理
重金屬，尤其是汞、鎘、鉛、鉻等。，具有明顯的生物毒性。它們不能被水中的微生物降解，只能以各種形式轉化、分散和富集(即遷移)。重金屬汙染特征如下:(1)除被懸浮物帶走外，還會因吸附、沈澱而富集在排汙口附近的底泥中，成為長期的二次汙染源；(2)各種無機配體(氯離子、硫酸根離子、氫氧根離子等。)和有機配體(腐蝕性物質等。)在水中會與其形成絡合物或螯合物，導致重金屬的水溶性更大，並可能使已進入沈積物的重金屬重新釋放出來；(3)不同價態的重金屬具有不同的活性和毒性。它的形態隨pH值和氧化還原條件而變化。(4)就其對環境的危害而言，表現為其毒性(壹般為1 ~ 10 mg/L，汞和鎘為0.01 ~ 0.001mg/L)；在微生物的作用下，會轉化為毒性更大的有機金屬化合物(如海洋-甲基汞)；可以被生物富集，通過食物鏈進入人體，產生慢性途徑。喜硫重金屬元素(汞、鎘、鉛、鋅、硒、銅、砷等。)與人體組織中某些酶的巰基(-SH)有特別強的親和力，能抑制酶的活性。嗜鐵元素(鐵、鎳)可在人體的腎、脾、肝中蓄積，抑制精氨酸酶的活性。六價鉻可能是蛋白質和核酸的沈澱劑，可抑制細胞內谷胱甘肽還原酶，導致高鐵血紅蛋白，可能致癌。過量的釩和錳(親石元素)會損害神經系統的功能。
基於土壤中重金屬汙染物的來源和分布以及目前土壤中重金屬汙染物的處理方法，提出了壹種新的土壤重金屬汙染防治的環境礦物學方法。目的是保護環境，改善土壤環境質量。
1土壤中重金屬汙染物的來源與分布
土壤中重金屬有多種來源。首先，母質本身含有重金屬，不同母質和成土過程形成的土壤重金屬含量差異很大。此外，人類工農業生產活動也對大氣、水和土壤造成重金屬汙染。
1.1大氣中的重金屬沈積
大氣中的重金屬主要來自工業生產、汽車尾氣排放和汽車輪胎磨損產生的大量含重金屬的有害氣體和粉塵。主要分布在工礦區周邊和公路、鐵路兩側。大氣中的大多數重金屬通過自然沈降[2]和雨水沈降進入土壤。如瑞典中部法倫市區的鉛汙染[3]主要來自市區內的銅礦工業廠、硫酸廠、塗料廠、采礦、化工等產生的大量廢棄物。由於風的輸送，這些鉛的微粒從工業廢料堆擴散到周圍地區。南京某產鉻重工業工廠[4]鉻汙染已超過當地背景值4.4倍。汙染以車間煙囪為中心，範圍為65438±0.5 km2，最大延伸下限為65438±0.38km..俄羅斯的壹家硫酸生產廠也受到煙囪排放的硫、釩和砷的汙染。公路、鐵路兩側土壤重金屬汙染主要是Pb、Zn、Cd、Cr、Co、Cu。它們來自含鉛汽油的燃燒，汽車輪胎磨損產生的含鋅粉塵等等。呈帶狀分布，公路、鐵路兩側重金屬汙染強度逐漸減弱；隨著時間的推移，公路和鐵路土壤中的重金屬汙染具有很強的疊加性。寧杭高速公路南京段兩側土壤中形成Pb、Cr、Co汙染暈，沿公路延伸方向分布，從公路向兩側汙染強度減弱。寧連壹級公路槐蔭段兩側土壤鉛含量呈上升趨勢，兩側逐漸下降，0~30 cm表層土壤鉛含量較高。法國索洛涅省A71高速公路[8]沿線鉛、鋅、鎘等重金屬汙染嚴重。沈降顆粒物濃度比當地土壤背景值高2-8倍，而公路旁重金屬濃度比沈降顆粒物中高7-26倍。在斯洛文尼亞[9]，鉛不僅分布在Guboga到Zagrebo的道路兩側，還受到階地地貌和盛行風的影響。高鉛出現在低地，道路下風側的鉛含量更高。通過自然沈降和雨水沈降進入土壤的重金屬汙染主要以工礦煙囪、廢石堆和公路為中心，向四周和兩側擴散；從城市-郊區-農業區，隨著離城市距離的增加而減少，特別是在城市郊區。此外，還與城市的人口密度、城市土地利用率、機動車密度呈正相關；重工業越發達，汙染越嚴重。
此外，大氣汞的幹濕沈降也會引起土壤中汞含量的增加。大氣汞通過幹濕沈降進入土壤後，被土壤中的粘土礦物和有機質吸附或固定，在土壤表層富集，或被植物吸收轉移到土壤中，導致土壤汞濃度升高。
1.2農藥、化肥和塑料薄膜的使用
施用含鉛、汞、鎘、砷的農藥和不合理施用化肥會導致土壤重金屬汙染。壹般過磷酸鈣含汞、鎘、砷、鋅、鉛等重金屬較多，磷肥次之，氮肥、鉀肥含量較低，但氮肥中鉛含量較高，其中砷、鎘汙染嚴重。通過對上海菜園地和糧棉地的研究，施肥後Cd含量從0.134 mg/kg增加到0.316 mg/kg，Hg含量從0.22 mg/kg增加到0.39 mg/kg，Cu和Zn增加了2/3。通過對新西蘭50年前和現在同壹個地方的58個土壤樣品的分析，自從施用磷肥後，鎘從0.39 mg/kg增加到0.85。
毫克/千克.在阿根廷，傳統無機磷肥的施用導致土壤重金屬如鎘、鉻、銅、鋅、鎳和鉛的汙染。
農用塑料薄膜生產中使用的熱穩定劑含有Cd和Pb，在大量使用塑料大棚和塑料薄膜的過程中會造成土壤中的重金屬汙染。
1.3汙水灌溉
汙水灌溉壹般是指利用經過處理的城市汙水灌溉農田、森林和草原。城市汙水包括生活汙水、商業汙水和工業廢水。由於城市工業化的快速發展，大量工業廢水湧入河流，使得城市汙水中含有的許多重金屬離子隨著汙水灌溉進入土壤。在分布上，靠近汙染源和城市工業區的土壤汙染往往比較嚴重，遠離汙染源和城市工業區的土壤幾乎不受汙染[17]。近年來，汙水灌溉已成為農業灌溉用水的重要組成部分。20世紀60年代以來，我國汙水灌溉面積迅速擴大，尤其是北方幹旱地區，占全國汙水灌溉總面積的90%以上。南方地區汙灌區只占6%，其余在西北和青藏[18]。汙水灌溉導致土壤重金屬汞、鎘、鉻、砷、銅、鋅、鉛含量增加。淮陽汙灌區自汙水灌溉以來，重金屬Hg、Cd、Cr、Pb、As逐漸升高，從1995到1997已超過警戒水平。太原汙灌區重金屬Pb、Cd、Cr含量遠遠超過其當地背景值，且積累量逐年增加。
1.4汙泥施肥
汙泥中含有大量的有機物和氮、磷、鉀等營養物質，但也含有大量的重金屬。隨著大量城市汙泥進入農田，農田中重金屬含量不斷增加。汙泥施肥可以增加土壤中Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb的含量，汙泥施用越多，汙染越嚴重，Cd、Cu、Zn會造成水稻和蔬菜的汙染。鎘和汞會對小麥和玉米造成汙染；隨著汙泥的增加，蔬菜中的Cd、Cu、Zn、Ni、Pb也增加】。Anthony的研究表明，當用城市汙水和汙泥改良土壤時，重金屬如Hg、Cd和Pb的含量也明顯增加。
1.5含重金屬廢物的累積
含有重金屬的廢物種類繁多，其危害方式和汙染程度也各不相同。汙染範圍壹般在棄堆周圍擴散。通過對武漢垃圾場[23]、杭州某鉻渣堆放區、城市生活垃圾場[25]和汽車堆放場[26]附近土壤重金屬汙染的研究，這些地區重金屬Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni、Pb、As、Sb、V、Co、Mn含量均高於當地土壤背景值，土壤中重金屬含量較高。由於廢物種類不同，重金屬汙染程度不同，如鉻渣堆存區Cd、Hg、Pb為重度汙染，Zn為中度汙染，Cr、Cu為輕度汙染。
1.6金屬礦山酸性廢水汙染
金屬礦山的采礦、冶煉、重金屬尾礦、冶煉廢渣、堆渣都可以用酸浸出。隨礦井排水和降雨帶入水環境(如河流)或直接進入土壤，可間接或直接造成土壤重金屬汙染。1989年，我國有色冶金行業向環境排放重金屬汞56 t，鎘88 t，砷173 t，鉛226 t。礦山酸性廢水中重金屬汙染的範圍壹般在礦山周圍或河流下遊。河流不同斷面的重金屬汙染往往受汙染源(礦山)控制，同壹汙染源的河流下遊斷面從上遊到下遊。由於金屬元素遷移能力的減弱和水體自凈能力的適度恢復，金屬化學汙染強度逐漸降低。由於江西樂安江谷口-中州德興銅礦的汙染，水體和土壤中重金屬Cu、Pb、Zn、Cr含量增加，在鄱陽湖中逐漸降低。受采礦影響，重金屬元素Cd、Zn、Pb、As在美國科羅拉多州洛拉多河谷的濃度在汙染源中最高，隨後隨著離汙染源的距離逐漸降低。來安河[30]的重金屬汙染來源於某大型銅礦，導致重金屬濃度遠超當地背景值。重金屬汙染隨季節變化，旱季重金屬含量明顯高於雨季。河流流速緩慢可導致該段重金屬含量增加。
同壹地區土壤中重金屬汙染物的來源可以是單壹的，也可以是多種途徑的。胡永定指出，Cr、Cu、Zn、Pb是垃圾施用造成的，As是農業灌溉造成的，Cd是農業灌溉和垃圾施用造成的，Hg是以各種方式存在的。王文祥對山東省耕地重金屬汙染的研究表明，工業快速發展地區的鉛高於農業環境，鉛與公路的距離有關。鄉鎮企業技術裝備落後，原料利用率低，造成周邊土壤重金屬汙染嚴重。據貴州1986統計，全省鄉鎮排放汞14.7萬kg，土壤中有的地方達到56.64 mg/kg，是未汙染土壤的84.5倍。我們應該高度重視它。
壹般來說，工業化程度越高，汙染越嚴重，城區高於遠郊和農村，地表高於地下。汙染區域汙染時間越長，重金屬積累越多。大氣中重金屬汙染的土壤具有很強的疊加性，成熟度越高，重金屬含量越高。
2當前土壤中重金屬汙染物的處理方法
國外對土壤重金屬汙染物的研究始於上世紀六七十年代，如澳大利亞、美國、德國等國家，尤其是澳大利亞。在1983中，我國對土壤環境容量的主要類型進行了初步研究，如土壤重金屬的生態效應、地帶性分異規律和臨界含量分區等。
目前，世界各國都非常重視重金屬汙染控制方法的研究，並開展了廣泛的研究工作。壹般來說，有四種控制措施:
2.1項目管理方法
工程治理是指利用物理或物理化學原理對土壤重金屬汙染進行治理。主要是:外來土是在汙染的土壤中加入未汙染的新土；換土就是把汙染的土去掉，換上沒有汙染的新土；翻土就是把汙染的表層土翻至下層；表土清除是指清除汙染的表土等。比如日本富士縣神童川谷痛病的起源，就是因為長期食用含鎘的大米引起的。通過研究，他們清除了15 cm的表土，並壓實了底土。在連續淹水條件下，大米中鎘含量小於0.4 mg/kg。去除表土後，間歇灌溉水稻鎘含量不會超標，土壤超過20 cm效果更好。另外，淋洗法是用淋洗液淋洗汙染土壤；熱處理法是對汙染土壤進行加熱，使土壤中的揮發性汙染物(Hg)揮發，並收集起來進行回收或處理。電解是在電解、電遷移、電滲和電泳的作用下，在陽極或陰極去除土壤中的重金屬。
上述措施的優點是效果徹底、穩定，但缺點是實施復雜，處理成本高，容易降低土壤肥力。
2.2生物處理方法
生物處理是指利用生物的壹些習性來適應、抑制和改善重金屬汙染。主要包括:動物防治是利用土壤中的壹些低等動物，如蚯蚓、老鼠等，來吸收土壤中的重金屬；微生物處理是利用土壤中的某些微生物對重金屬的吸收、沈澱、氧化和還原作用來降低土壤中重金屬的毒性。例如，檸檬酸桿菌產生的酶可以使U、Pb和Cd形成不溶性磷酸鹽。原核生物(細菌、放線菌)比真核生物(真菌)對重金屬更敏感，革蘭氏陽性菌可以吸收Cd、Cu、Ni、Pb等。植物管理是利用某些植物可以耐受和過量積累某些重金屬的特性，去除土壤中的重金屬；重金屬的植物吸收、淋溶和無效態的數量將只取決於其有效態的數量，土壤中重金屬溶液濃度與其有效態的關系遵循Freundlich吸附方程[41]。超積累植物能夠吸收和積累大量重金屬，目前已發現400多種。超積累植物積累的Cr、Co、Ni、Cu、Pb含量壹般在0.1%以上，積累的Mn、Zn含量壹般在1%以上。印度芥菜可以吸收鋅、鎘、銅、鉛等。，並能在250毫克/千克銅、500毫克/千克鉛和500毫克/千克鋅的條件下生長，在200毫克/千克鎘時變黃[42]。印度芥菜對Cr6+、Cd、Ni、Zn和Cu的富集倍數分別為58、52、365、438+0、65、438+07和7倍。高冰草能吸收銅等。英國的山姜屬植物可以吸收高濃度的銅、鈷、錳、鉛、硒、鎘和鋅。
生物防治措施的優點是實施簡單，投資少，對環境的破壞小，缺點是防治效果不明顯。
2.3化學處理方法
化學處理是向汙染土壤中投放改良劑和抑制劑，增加土壤有機質、陽離子代換物和粘粒含量，改變pH、Eh、電導等理化性質，使土壤中的重金屬發生氧化、還原、沈澱、吸附、抑制和拮抗作用，從而降低重金屬的生物有效性。其中，沈澱法是指土壤溶液中的金屬陽離子在介質發生變化時(pH值、OH-、SO42-等)形成金屬沈澱。)減少土壤中重金屬的汙染；如果把鋼渣放入土壤中，它在土壤中很容易被氧化成氧化鐵，可以吸附沈澱鎘、鎳、鋅的離子，從而固定金屬。在沈陽張世汙灌區進行的大規模石灰改良試驗表明，種子中鎘含量每公頃降低50% [1500~1875 kg]。有機質法是指有機質中的腐殖酸能絡合重金屬離子形成不溶性絡合物，從而減少土壤中重金屬的汙染；吸附法是指重金屬離子可以被膨潤土、沸石和粘土礦物吸附固定，從而減少土壤中重金屬的汙染。
化學處理措施的優點是處理效果和費用適中，缺點是容易被再次活化。
2.4農業治理方法
農業管理就是因地制宜地改變壹些耕作管理制度，以減少重金屬和不進入食物鏈的植物對汙染土壤的危害。主要包括:控制土壤水分是指通過控制土壤水分來調節其氧化還原電位(Eh)以達到減少重金屬汙染的目的；選擇化肥是指選擇能減少土壤中重金屬汙染，又不影響土壤供肥的化肥；增加有機肥的施用，就是有機肥可以固定土壤中的各種重金屬，以減少土壤中重金屬的汙染；選擇作物品種是指選擇抗汙染的植物，不在重金屬汙染的土壤上種植進入食物鏈的植物；如果在含鎘100 mg/kg的土壤中改種苧麻，五年後土壤中鎘含量平均下降27.6%。種植玉米、水稻、大豆、小麥等。因地制宜，水稻根系吸收的重金屬含量占作物吸收總量的58%~99%，玉米莖葉吸收的重金屬含量占作物吸收總量的20%~40%，玉米種子吸收最少。重金屬在作物中的分布規律是根>莖葉>種子。土壤重金屬汙染也是導致生態系統破壞的重要因素。合理利用農業生態系統工程措施，還可以保持土壤肥力，改善和預防土壤重金屬汙染，提高土壤質量，與自然生態循環和系統協調工作。如果能在汙染區的道路兩側種樹、花、草或經濟作物(如蓖麻)，種上草皮或觀賞樹，不僅能美化環境，還能凈化土壤；蓖麻可以作為肥皂的原料。也可以進行農業改良，即在汙染地區培育種子(水稻、玉米)，然後在非汙染地區種植；或者種植非食用作物(高粱、玉米)，收獲後的稭稈提取酒精，殘渣壓成纖維板，提取糠醛，或者殘渣制沼氣作為能源。
農業防治措施的優點是操作簡單，成本低，缺點是周期長，效果不明顯。
3.用天然礦物處理土壤中重金屬汙染物的新方法
除粘土礦物外，土壤中還有大量的天然鐵、錳、鋁的氧化物、氫氧化物、氧化矽、碳酸鹽、有機硫化物等天然礦物。在國內外對土壤重金屬汙染物的防治研究中，人們壹直強調土壤的自凈能力，但土壤的自凈能力離不開土壤中礦物物種對重金屬的吸附和解吸、固定和釋放，土壤中特定礦物的凈化能力真實地反映了土壤本身的凈化能力和容納能力。土壤中有毒有害元素的含量並不是直接判斷土壤環境質量乃至土壤生態效應的唯壹標誌。關鍵問題是揭示這些重金屬與土壤中各種無機物之間的環境平衡關系。國內外為了尋求地下水和土壤有機汙染的修復方法，直接研究土壤中各種粘土礦物的改性，即用有機表面活性劑替代天然粘土礦物中存在的大量可交換無機陽離子，形成有機粘土礦物，可以有效攔截或固定有機汙染物，防止地下水的進壹步汙染，限制有機汙染物在土壤環境中的遷移和擴散。但特別需要指出的是，在粘土礦物改性的過程中，固定的重金屬也被置換，導致土壤系統中已建立的環境平衡被破壞，土壤環境中解吸釋放的重金屬汙染物總量大大增加。到目前為止，土壤中的重金屬汙染物既來自土壤中的活性重金屬，也來自粘土礦物改性時置換釋放的重金屬。以天然鐵錳鋁氧化物和氫氧化物為例，其中磁鐵礦、赤鐵礦、針鐵礦、軟錳礦、硬錳礦和鋁土礦也正在成為國際上天然礦物汙染凈化方法研究的重點對象之壹。我們認為天然鐵錳鋁氧化物和氫氧化物的表面具有明顯的化學吸附特征，錳氧化物和氫氧化物也具有較為完善的孔隙特征。特別是鐵和錳是自然界中稀有但常見的變價元素，其氧化物和氫氧化物往往表現出壹定的氧化還原作用。因此，天然鐵錳鋁氧化物和氫氧化物具有凈化重金屬汙染物的潛在功能，可以成為吸附土壤環境中固定重金屬汙染物的有效物質。
綜上所述，國內外在土壤重金屬汙染現狀及治理方面取得了壹定的成果，但也存在壹些理論和技術問題，如對土壤中重金屬吸附與解吸、固定與釋放平衡的研究，對土壤中重金屬形態特征、轉化與遷移規律的系統研究，以及對土壤中次生汙染物的及時治理等。
土壤重金屬汙染應從源頭抓起，控制汙染源。土壤重金屬汙染已經到了相當嚴重的程度，要充分認識其長期性、隱蔽性、不可逆性和無法完全分解或消失的特點。土壤質量是經濟可持續發展和社會全面進步的戰略性問題，直接影響土壤質量、水質、作物生長、農業產量、農產品質量等，並通過食物鏈對人類健康造成危害。工業生產中排放的汙染物尚未得到完全控制，特別是在農業生產中盲目使用化肥和農藥的今天，河流、湖泊、海洋、地下水和土地中無機和有機汙染物的總積累量與日俱增，使得土地環境質量極其脆弱。壹旦土壤對這些汙染物尤其是重金屬的吸收能力達到飽和，這些汙染物對耕地生產能力的潛在破壞性損害可能迫在眉睫，有人形象地稱之為農業生產中的“定時炸彈”。從這個意義上說，土地管理和保護不僅是對耕地總量的監管，也是對耕地質量的保護和提高。保護土壤質量就是保護耕地生產力，也是提高土地利用效率的有力措施之壹。對於中國這樣壹個人口眾多的農業大國來說，開展土地質量調查與評價，開展土壤重金屬汙染物的實驗研究，開發控制耕地汙染的方法和技術更加必要和迫切。