全 文 ：中国生态农业学报 2015年 1月 第 23卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2015, 23(1): 20−26


* 国家自然科学基金项目(41171255)和国家“十二五”科技支撑计划课题(2012BAD05B06)资助
** 通讯作者: 曾希柏, 研究方向为退化与污染农田修复。E-mail: zengxibai@caas.cn
侯李云, 主要从事土壤污染环境修复研究。E-mail: 437382310@qq.com
收稿日期: 2014−07−07 接受日期: 2014−11−05
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.140797
客土改良技术及其在砷污染土壤修复中的应用展望*
侯李云 1 曾希柏 2** 张杨珠 1
(1. 湖南农业大学资源环境学院 长沙 410128;
2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点实验室 北京 100081)
摘 要 砷是一种毒性很强且对人体健康威胁很大的金属元素, 土壤砷污染与修复长期以来受到各国政府和
科学家的广泛关注。客土改良技术是污染土壤修复中较常用和有效的方法之一, 近年来逐渐受到关注。本文
在简述土壤中砷来源及其危害的基础上, 重点对近年来该技术在土壤改良及污染土壤修复中的应用进行了系
统整理, 并以此为基础, 比较了砷污染土壤的物理、化学及生物修复的效果。结合我国部分地区耕地砷污染较
严重的现状, 认为客土改良技术见效快、改良较彻底、且具有较高的实用性。同时, 论文还对客土技术在砷污
染土壤修复中的研究重点及应用前景等进行了展望。
关键词 砷 土壤 来源 毒害 客土改良
中图分类号: X53 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2015)01-0020-07
Application and outlook of alien earth soil-improving technology
in arsenic-contaminated soil remediation
HOU Liyun1, ZENG Xibai2, ZHANG Yangzhu1
(1. College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2. Institute of Agricultural
Environment and Sustainable Development, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agro-Environment,
Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)
Abstract Arsenic is a metalloid element with severe toxicity that poses a huge threat to human health. Arsenic-contaminated soils
and the remediation of these soils have drawn widespread concerns from governments and the scientific community. There has been a
growing interest in alien earth soil-improving technology in recent years, evident in the more frequent use of this technology in the
remediation of contaminated soils that has so far proven to be one of the most effective methods. Based on the sources and toxicity of
arsenic soils, a systematic review was conducted on the application of alien earth soil-improving technology in remediating arsenic-
contaminated soils. The effectiveness of the physical, chemical and biological remediation techniques in arsenic-contaminated soils
was also compared. In terms of serious arsenic pollution in some cultivated lands in China, alien earth soil-improving technology was
noted to be an effective and practical method of restoration of contaminated soils. Based on this finding, further in-depth researches
on the application and outlook of alien earth soil-improving technology in remediating arsenic-contaminated soils were proposed.
Keywords Arsenic; Soil; Source; Toxicity; Alien earth soil-improvement
(Received Jul. 7, 2014; accepted Nov. 5, 2014)
砷(As)是广泛存在于环境中的有毒类金属元素,
在自然界多以复杂化合物形式存在, 其化合价(+5、
+3、0、−3)对毒性有很大影响, 以 As(Ⅲ)(亚砷酸盐
形态, 常存在于还原状态下)和 As(Ⅴ)(砷酸盐形态,
在氧化条件下较为稳定)的毒性最大, 其中 As(Ⅲ)的
毒性约为 As(Ⅴ)的 60 倍 [1−4], 污染土壤中主要为
As(Ⅴ)[5]。砷在土壤中的大量存在不仅严重影响作物
生长、品质和产量, 而且还通过土壤−植物−(动物)−
人类在食物链中的迁移和传递, 最终给人类的健康
带来极大威胁 [6−9]。国际癌症研究机构(IARC)早在
1980年就将砷确定为致癌物质[10]。按照相关统计结
果[11], 以 1995 年我国的情况计算, 由于砷毒害造成
第 1期 侯李云等: 客土改良技术及其在砷污染土壤修复中的应用展望 21


的个人经济损失超过 150 元·人−1·a−1, 造成国家经济
损失更是达到 181 元·人−1·a−1。因此, 砷污染土壤的
治理和修复已刻不容缓。
1 土壤中砷的来源及其毒害作用
土壤中砷的主要来源包括自然界和人类活动 2
个方面。虽然地壳中砷的含量并不高, 但可以通过
很多途径进入环境中。自然界有 200 多种矿物中含
有砷, 地壳岩层的砷和某些含砷矿床是土壤中砷的
主要自然来源。最早发现的饮水型砷中毒事件发生
在 19 世纪 90 年代波兰的采矿区[12]。据相关资料统
计, 我国在 1995年时已探明的砷储量为 280万 t, 分
布在全国 19 个省的 84 处矿区, 其中雄黄(AsS)、雌
黄(As2S3)和毒砂(FeAsS)是最常见的含砷矿物[13]。人
类活动是造成砷及其他重金属污染的最主要来源[14],
有资料表明, 全球每年由于人类活动向土壤排放的
砷总量达 28 400~94 000 t[15]。所以, 减少人类活动
向土壤中的排放, 是防止土壤砷污染的首要途径。
来源于自然界和人类活动的砷, 可以通过食物
和饮用水进入人体, 从而对人类的健康产生巨大威
胁。基于此点, 世界卫生组织(WHO)提出成年人每
天摄入的砷量不得超过 0.143 mg, 然而有研究表明,
在某些砷污染地区蔬菜中砷的含量高达 5.3 mg·kg−1,
按每人每天食用该地区的蔬菜 0.5 kg 计算, 进入人
体的砷已远高于 WHO 摄入量的限定值[16]。李莲芳
等[17]对湖南省石门县雄黄矿区不同作物可食部分砷
含量的调查结果表明, 不同作物可食部分含砷量比
较, 粮食作物>蔬菜>水果, 通过计算, 该矿区居民
每天从这些食物中摄取的砷高达 0.385 mg, 为WHO
规定值的 2 倍多, 如果长期食用该地区生产的农作
物, 人们的健康将受到严重影响。由于砷及含砷物
质存在的广泛性, 砷污染和砷毒害早已成为世界性
问题。Kapaj 等[10,18−21]对全球 19 个重大砷中毒事件
的总结认为, 以东南亚地区的孟加拉国和印度为代
表, 包括尼泊尔、越南、柬埔寨、缅甸、日本、泰
国以及中国台湾、内蒙古、陕西、山西、贵州、湖
南、广西等地区在内的饮水型砷中毒, 使得至少一
亿人受到不同程度的伤害。基于砷中毒危害的严重
性, WHO及许多国家均对饮用水的砷含量标准做了
大幅度下调[10,21−22]。2000—2006 年, 对孟加拉国超
过 500 万口井的饮用水进行调查发现, 大概有 20%
的井水砷含量超过 50 mg·kg−1, 尽管通过采取一些
措施可以降低其中的砷含量, 但仍有近 2 000 万人
口受到影响[21]。
中国作为全球最大的农业大国和矿业大国, 在
工农业高速发展的进程中, 农药、化肥等的大量使
用以及各类固体废弃物、污水的长期违规排放, 导
致我国成为全球砷污染最严重的国家之一。据有关
资料[23]统计, 我国土壤砷的背景值为 11.2 mg·kg−1,
同英国(11.3 mg·kg−1)相近, 远高于全球土壤平均值
5 mg·kg−1。据对北京城区 PM2.5样品的分析, 所有致
癌物中仅砷年均值超标, 为WHO参考值的 1.8倍[9];
金银龙等[24]的调查结果显示, 饮水型砷中毒已波及
我国 8 个省市的 200 多万人口, 包括山西、内蒙、新
疆、吉林、宁夏、安徽、青海等, 其中首次出现砷
中毒的新疆奎屯垦区, 至今砷超标现象依然存在[6]。
作为我国“有色金属之乡”的湖南, 近年来砷排放量
居全国第二[25], 其中石门雄黄矿作为亚洲最大的雄
黄矿, 受砷污染损失十分严重, 李莲芳、曾希柏等[17]
对矿区周边土壤砷含量的研究表明, 矿区附近表层
土壤含砷量达 99.5 mg·kg−1, 为湖南省土壤砷含量背
景值的 6倍多。
2 客土改良技术及其应用
2.1 客土及客土改良技术
客土, 即从异地移来的土壤, 常用来代替原生
土, 一般指的是壤土、沙壤土或者人工土等质地较
好、或肥力较高、或有害物质含量低的土壤。客土
法是一种最为传统的土壤改良技术, 对盐碱地、过
砂过黏等性状不良土壤的改良均具有良好效果。该
方法用于改良污染土壤时, 一般是通过在污染土壤
上直接覆盖净土, 以减少作物根系和污染物的接触;
或者在污染土壤表层覆盖净土后再进行适当翻耕 ,
即通过物理混合使土壤中污染物的浓度降低到标准
值以下, 农田达到维持基本生产功能要求。目前, 客
土技术在改良砂土、黏土、盐碱土以及重金属污染
土壤方面都有很好的应用, 在改良废弃矿山地、公
路边坡污染土壤等方面都已有应用, 营养客土基盘
技术的应用也已取得初步成效。
2.2 客土改良技术的应用
2.2.1 客土技术在土壤改良中的应用
分层客土法对于原生土壤的质地、结构及肥力
的提高已被证实, 并在一些地区推广[26]。例如, 盐碱
地是制约土壤生产力的重要障碍因子, 平海湾地区
利用客土改良方法, 已经使 1 267 hm2沙垫盐土得到
改良 , 通过客入红黏土改良的红垫盐土面积达到
69%[27]。不同学者在滨海重盐碱地进行试验研究 ,
表明客土基盘技术具有很好的抗盐阻盐排盐效果 ,
能够为苗木生长提供良好的环境条件[28−30]。张瑞喜
等 [31]的研究也表明, 土表覆砂可以提高土壤的保水
抑盐性能, 有效抑制土壤下层盐分向表层的移动累
积, 减少土壤水分的蒸发, 且其效果在一定程度上
22 中国生态农业学报 2015 第 23卷


随着客砂厚度的增加而改善。通过在质地黏重的土
壤中掺沙, 可有效改善土壤质地、降低土壤容重、
提高土壤通气性, 可在一定程度提高玉米、蔬菜、
烤烟等作物的产量, 改善其品质[32]。薛铸等[33−34]对
龟裂碱土客入沙土的研究结果表明, 客土改良可以
有效改善龟裂碱土的水分状况 , 显著促进作物生
长、提高作物产量。客土法在土壤改良方面的效果
已经得到充分验证, 目前来说, 我国中低产田类型
多样, 将该方法同一些种养、培肥制度相结合, 因地
制宜地形成有效的推广模式, 才能使土壤得到最佳
改良和利用。
2.2.2 客土技术在污染土壤治理中的应用
2.2.2.1 客土技术用于矿区污染土壤的治理
采矿是导致农田生态系统重金属污染的主要来
源之一, 在对环境造成污染的同时, 废弃矿山的生
态重建也是一项非常艰巨的任务。客土法在公路边
坡生态修复中的应用已较常见, 且对缓坡的绿化效
果尤为显著[35], 是一种能够快速恢复废弃场地土壤
理化性质和植被、防治水土流失的有效方法, 这在
鲁统春等[36−37]对北京市某区煤矿、废弃采石场的研
究结果中得到了很好证明。德兴铜矿区的污染土壤
经客土3年并进行植被恢复和重建后 , 表层土壤的
有机质和速效磷、速效钾均有不同程度的提高, 但
是由于矿区污染非常严重, 至今仍不能种植可食作
物[38]。北京某铁矿尾矿区采用“覆盖客土+生态植被
毯”的模式进行生态修复后, 大大促进了尾矿区的植
被重建和演替[39], 取得了良好效果。
2.2.2.2 客土技术用于农田污染土壤的治理
客土法用于修复重金属污染土壤的技术在日本
很早就被看好并得到应用, 我国最著名的辽宁省张
士灌区[40]镉污染的治理, 也充分证明了客土改良方
法的可行性。在生物降解含油污泥时, 覆加客土可
使改良效果倍增 [41]。通常认为客土厚度达到 15~
30 cm 就会有很可观的效果, 日本神通川流域二十
多年来采用排土、覆土等客土法治理土壤, 使土壤
镉污染基本消除, 治理后土壤生产的糙米中镉含量
均在 0.4 mg·kg−1以下[42−43], 达到相应标准。史建君
等[44−45]分别在被放射性元素铈和锶污染的土壤上应
用客土进行盆栽试验, 表明大豆和白菜中污染物的
累积随客土厚度的增加而显著下降; 该作者在湖南
省石门雄黄矿区周边调研, 该地区部分受砷污染农
田中, 通过客土 30~50 cm并改种植水稻为旱作, 表
层土壤中砷含量一般在 10 mg·kg−1以下(主要取决于
客土来源和其中的砷含量), 且作物及农产品中砷含
量均不超过 0.05 mg·kg−1, 符合国家食品安全标准[17],
达到了作物安全生产目标; 但未实行客土的农田砷
含量较高(部分 50 mg·kg−1以上), 且所生产的农产品
(稻米)中砷含量超过国家标准 2~3倍甚至更高。
3 砷污染土壤修复方法及客土改良技术应
用前景
3.1 砷污染土壤修复方法比较
土壤是人类生存之本, 自土壤砷污染的严重性
受到关注以来, 全球受砷污染危害的国家一直致力
于寻找解决办法 , 而且也取得了较好效果。目前 ,
较常用的土壤砷污染修复方法主要包括物理法、化
学法和生物法 3 大类(图 1)。但实际上 , 不论采取
何种方式 , 其修复理念主要是使土壤中砷的有效
性下降(钝化或固定), 使植物根系吸收难度增大、
砷不能进入食物链并参与生物循环; 或者是利用各
种途径彻底将砷从土壤中移除, 以减少土壤中的砷
含量。

图 1 土壤砷污染的治理方法
Fig. 1 Remediation methods of arsenic-contaminated soil
实际上, 无论是物理方法、化学方法还是生物
方法, 均有其各自的优缺点, 且单一的修复技术无
法保证彻底修复污染土壤, 并取得预期效果, 很大
程度上需要多种技术的联合才可能取得较好效果。
近年来, 国内外学者在联合修复技术方面做了许多
研究 [41,46−50], 证实了一些技术具有较好效果 , 但受
多种原因的影响, 至今尚未得到实际应用。
客土、换土、翻土等工程措施对污染土壤的治
理相对比较彻底, 且效果在当年就能表现出来, 但
是其人力、物力、财力耗费量较大。其中, 采取换
第 1期 侯李云等: 客土改良技术及其在砷污染土壤修复中的应用展望 23


土方式进行污染土壤改良时, 所换出的土壤如果不
妥善安置和处理, 则很容易造成二次污染; 而对原
生土壤进行翻耕和挖取, 也在很大程度上破坏了土
体的原有结构。因此, 除客土外, 换土和翻土一般不
适宜在污染土壤修复中应用。玻璃化技术是 S/S 技
术(固化/稳定化技术)的一种, 能有效降低砷在土壤
中的迁移性, 但其不同于其他固定化技术的是形成
的物质很难被降解, 因而有可能在土壤中被再次活
化, 且该技术耗能大、操作成本高[46,50]。电动修复技
术尽管对于质地黏细的土壤有很好的修复效果, 且
在实验室条件下已有较大发展, 但仍不够成熟[51]。
化学修复作为一种原位修复技术, 具有简单易
行、见效快、对土壤理化性质影响较小、花费适中
等诸多优点, 但由于没有将污染物彻底从土壤中去
除, 因而可能会出现再次活化。化学萃取法修复污染
土壤尽管见效快、去除彻底等, 但成本较高, 而且含重
金属等污染物的萃取液如果得不到很好处置极易造成
二次污染, 因此, 该方法在我国的应用很少[47]。
当前被各国学者尤为看好的是生物修复方法 ,
特别是经济有效的植物和微生物修复法。继蜈蚣草
被发现以来, 目前已发现 10 多种超富集砷的植物[52];
很多专家还分离出了能够耐高砷, 并能使砷形态转
化的真菌, 如尖孢镰刀菌、微紫青霉菌和棘孢木霉
菌等[53]。高富集砷植物、微生物的筛选虽然一直在
进行, 但由于污染土壤的严重性、复合性, 且植物修
复周期长、效率和速率无法保证, 而微生物的生长
和功能等极易受到土壤环境的影响, 尽管目前植物
修复方法在一些地区已有应用, 但离大规模应用还
有较长的距离。
3.2 客土改良技术在砷污染土壤修复中的应用前
景及难点
3.2.1 客土技术与方法
在治理砷污染土壤时, 客土改良法可以通过 3
种途径方法来实施: 一是挖去污染表土, 然后覆盖
未受污染的客土, 即通常所说的换土法; 二是直接
在污染表土上覆盖一定厚度的未受污染客土, 并在
覆盖客土前将原表层土壤压实, 即重新构建一个新
的、未受污染的表层; 三是在覆盖客土后将其与原
来的表层土壤通过翻耕等方法混匀, 以降低表层土
壤的砷浓度, 使其达到临界值以下。上述方法中, 第
一种方法是早期实践中最常采用的修复重污染土壤
的方法, 其工程量最大, 耗费的人力物力财力也最
大, 且移走的大量污染土壤很难处置; 第三种方法
可在一定程度上增加耕作层厚度, 但实际上在应用
时需要较多客土, 而且在原土中砷含量较高时需要
的客土量也更大, 将原土与客土混合亦需要花费较
多人力等, 因而其应用实际上也较有限。相比而言,
第二种方法耗资较小, 且不易导致二次污染, 所以
今后应重点加强该方法的相关研究, 争取尽早应用
到实际中。
3.2.2 客土技术中对客土量的要求
客土量是应用客土改良污染土壤时首先要考虑
的问题, 尽管客土量越大、覆土的厚度也越大, 效果
一般会更好。但是, 客土量增加同时也会增加相应
的搬运等投入, 成本会随之增加, 而且在一个地方
取土的数量也有一定限度。因此, 需要考虑一个合
适的客土量, 在取得较好效果的基础上, 尽量降低
投入。根据作者在湖南省石门的调查及相关试验结
果, 一般覆盖的客土厚度达到 15 cm 以上时即可取
得较好效果, 但对不同污染程度的土壤而言, 对覆
土厚度的要求也不尽一致, 这也是今后需要研究的
重点。
3.2.3 客土技术中对客土性质的要求
用客土法改良砷污染土壤时, 一般要求客土的
理化性质尽量与原土保持一致, 同时, 客土中的砷
及其他重金属、污染物的含量至少应在土壤环境质
量标准的 II级以下, 以满足农作物的正常生长需要。
再者, 客土的有机质含量一般要求尽量较高, 且以
黏性稍强的土壤较好, 这样可在一定程度上增加土
壤的缓冲容量, 在满足农作物生长需求的同时具有
较强的净化能力。
3.2.4 客土改良技术与其他砷污染土壤修复技术的
结合
同其他方法一样, 单一的客土改良技术并不能
对污染土壤起到完全的根治作用, 所以必须同其他
物理、化学、生物措施相结合, 形成一套完整有效
的综合改良技术。比如, 底层土壤中的砷有向根际
或表层迁移的趋势 [54], 在应用客土改良法时, 可以
在原污染土壤的表层添加改良剂并充分混合, 压实
后再覆盖客土, 以阻止污染土壤中的砷向新的表土
层转移 [55]; 用电动修复法治理砷污染土壤时, 富集
砷的电极区亦可考虑用客土法来处理[48]。
3.2.5 强化技术规范的建立及其示范推广
我国土壤砷污染已有多年历史, 其治理也将是
一个长期的过程。虽然目前在相关方面取得了一些
进展, 但因人类活动频繁, 加上污染土壤修复技术
的研发与实际应用的脱节, 使得我国砷污染土壤的
修复与治理在实际应用中仍然存在诸多问题。根据
近年的调查结果[49], 特别是 2014 年 4 月 17 日环境
保护部和国土资源部发布的“全国土壤污染状况调
查公报”, 我国土壤砷污染主要集中在中轻度水平,
重度污染土壤仅占污染土壤的 3.7%。这也意味着,
24 中国生态农业学报 2015 第 23卷


目前我国受砷污染的土壤大多尚未失去其使用价值,
通过修复是可以实现安全生产目标的。客土改良措
施虽然人力、物力、财力的耗费较大, 但因其见效
快, 很早就被日本等国家认为是土壤重金属污染修
复最实际的措施。为保证该方法取得较好效果, 一
是应进一步强化技术规范的建立, 并严格按照规范
进行操作, 在达到最佳效果的同时, 最大限度降低
改良成本。二是应在砷污染区加大相关技术的示范
和推广力度, 使成熟的技术尽早被农民掌握。当然,
从政府层面来看, 必要的修复补助、技术服务及宣
传等也是十分重要的。
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