徐應明:農田重金屬污染控制策略及適宜修復技術

2014-07-13 16:39:08 作者:徐應明 來源:農業部環境保護科研監測所 瀏覽次數:0 網友評論 0

 

     徐應明:農田重金屬污染控制策略及適宜修復技術

文章來源:農業部環境保護科研監測所   作者:徐應明   發布時間:2014-05-05    

 一、我國農田重金屬污染現狀與危害

近年來,我國重金屬污染呈現出加劇的態勢,人體血鉛超標、尿鎘超標等時有報道,重金屬污染出現了工業向農業轉移、城區向農村轉移、地表向地下轉移、上游向下游轉移,從水土污染到食品鏈轉移,由逐步積累的污染正在進入突發性、連鎖性、區域性的爆發階段,土壤重金屬污染,對生態環境、食品安全和人體健康構成嚴重威脅。

2014418日,環境保護部和國土資源部發布了全國土壤污染狀況調查公報?!≌{查點位覆蓋全部耕地,部分林地、草地、未利用地和建設用地,實際調查面積約630萬平方公里。調查結果顯示,全國土壤環境狀況總體不容樂觀,部分地區土壤污染較重,耕地土壤環境質量堪憂,工礦業廢棄地土壤環境問題突出。全國土壤總的點位超標率為16.1%,其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%1.1%。從土地利用類型看,耕地、林地、草地土壤點位超標率分別為19.4%、10.0%、10.4%。從污染類型看,以無機型為主,有機型次之,復合型污染比重較小,無機污染物超標點位數占全部超標點位的82.8%。從污染物超標情況看,鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8種無機污染物點位超標率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。

由于農田重金屬污染具有形成的復雜性、長期的累積性、發生的隱蔽性、毒性的緩效性、診斷的特殊性和恢復的長期性,導致重金屬污染已經成為人體健康的“隱形殺手”。研究表明,鎘不是一種人體必需的元素。一般人群通過食品攝入Cd 的數量超過了總暴露量的90%,其中大米、小麥、蔬菜及軟體動物食品對日攝入總鎘的貢獻達40%-85%,但鎘被認為是對人體健康毒性最大的重金屬,國際癌研究局(IARC)早在1993年就已將Cd 定為人類致癌物質,可引發人類腎癌、膀胱癌,以及乳腺癌和前列腺癌。砷可在人體毛發、指甲中蓄積,從而引起慢性砷中毒,研究表明砷同樣可以致癌。鉛不是一種人體需要的元素,但鉛具有腫瘤促進效應,能明顯增加致癌物苯并芘誘導肺腫瘤的能力,也可使腎腫瘤發生率增加100%;鉛能破壞人體機體免疫監視功能,間接增加機體對鉛本身或其他致癌劑的致癌敏感性。

針對重金屬污染事件頻發和危害加劇,20113月國務院正式批復了環境保護部提出的《重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》;農業部和財政部于2012年正式啟動了《農產品產地土壤重金屬污染防治》重大專項,重點開展農產品產地土壤重金屬普查與分級管理、監測預警、治理修復技術示范和農產品禁止生產區劃分試點等工作。該項工作的開展將會極大地加強我國農產品產地土壤重金屬污染的防控與治理,促進農產品安全生產和農業可持續發展。

二、農田重金屬污染控制策略

1. 加強源頭污染管控與治理,切實保障農業安全生產

據農業部環保所上世紀90年代開展的第二次全國污水灌溉普查顯示:1995年我國總污水灌溉面積為542.76萬畝,總污灌面積占全國總灌溉面積的7.33%。另外,使用地面水IV-V類水灌溉的面積為1587.71萬畝,占全國總灌溉面積的21.40%,這部分現在許多可能已經發展為污灌。

參照德國腐熟堆肥中部分重金屬限量標準,我國商品有機肥料和有機廢棄物中重金屬的含量狀況與分析表明:對于Zn、Cu、Cr、Cd、Ni,我國雞糞中的超標率為21.3%-66.0%,以Cd、Ni超標為主; 豬糞中超標率為10.3%-69.0%,以Cd、Zn、Cu超標為主;牛糞中超標率為2.4%-38.1%,以Cd超標為主;

相關研究表明:大氣沉降輸入土壤系統中Hg的數量4.48g/(hm²•a),高于污水灌溉輸入量1.38 g/(hm²•a);Pb的輸入量347.19g/(hm²•a),與污水灌溉輸入量386.370g/(hm²•a)相近;對浙江東部沿海某典型廢拆解區重金屬元素大氣干濕沉降特征研究表明:因大氣沉降,土壤重金屬中Pb、Cu、Zn等重金屬元素的年增加率可達0.5%以上。此外,20%的汽車尾氣排放的鉛可散播至50km以外,汽車尾氣中70%的鉛沉降于公路兩側的土壤中。

因此,必須解決源頭污染防控的問題,特別是解決農田灌溉水源、有機肥、化肥、農藥、大氣沉降等中外源重金屬污染問題,避免出現“邊修復邊污染”的現象。

2 提升耕地地力,增加耕地土壤自身對重金屬的承載能力

由于長期重化肥、輕有機肥,目前我國耕地中的有機質含量嚴重下降,全國耕地有機質含量平均值已從90年代的2%-3%降到目前的1%,明顯低于歐美國家2.5%-4%的水平。相關研究表明,耕地表土層40%以上的重金屬以有機質結合態形式存在。而由于耕地有機質含量的大幅下降,導致對土壤中有機質結合態重金屬含量嚴重減少,造成了重金屬活性的釋放。因此,必須增加耕地有機肥的施用,恢復上世紀60、70年代綠肥等還田農業措施,降低化肥使用,提高耕地有機質含量,增加耕地土壤自身對重金屬的承載能力,緩解重金屬對農作物的危害。

3. 控制耕地酸化,提高土壤pH是治理耕地重金屬污染的重要手段

由于長期大量施用化肥,以及南方酸雨普遍,導致耕地酸化嚴重,調查結果表明,近20年我國土壤pH平均下降了0.5個單位,pH<5.5的土壤從30年前的7%上升到目前的18%,而在自然條件下土壤pH值每下降1個單位通常需要數百年甚至上千年。研究表明,土壤pH值每下降一個單位值,土壤中重金屬活性就會增加10倍。所以耕地酸化導致重金屬活性增加有可能是造成土壤重金屬污染的重要原因。因此,必須控制耕地酸化,提高土壤pH,降低重金屬活性,從耕地自身著手修復治理重金屬污染。

4. 加快土壤環境保護立法,從法律層面加強耕地污染防控

2013327日,李克強總理主持召開國務院常務會議,提出要在重點地區有針對性地采取措施,加強對大氣、水、土壤等突出問題的治理,集中力量打攻堅戰,讓人民群眾看到希望。我國先后制定了《大氣污染防治法》和《水污染防治法》,但迄今尚未制定“土壤環境保護法”,造成對土壤環境保護、污染防控、污染追究、污染補償等無法律依據。國外經驗表明,土壤環境保護、風險管控和土壤修復的投入比例為1:10:100。因此,建議國家加快制定“土壤環境保護法”及其保護優先的立法原則,從法律角度促進農田的污染防控。

5. 加強耕地重金屬污染修復治理重大技術研究,為耕地重金屬污染治理提供強大技術支撐

土壤一旦受到重金屬污染,治理難度大,對修復治理技術要求高。國家應像設立水污染治理重大重項一樣設立土壤污染修復治理重大專項,從源頭防控、修復機制、修復技術、工程措施、修復管理與決策系統研究等方面開展土壤重金屬污染綜合修復治理研究,解決土壤重金屬污染修復治理、防控及管理重大技術問題,開展不同區域、不同土壤類型及不同重金屬污染類型與程度分級劃分,有針對性地開展修復示范與種植結構調整,保障農產品安全生產與農業可持續發展。

6. 制定耕地重金屬污染修復評價技術標準,加強修復后評估工作

質量標準一定要能體現保護優先,我國土壤環境質量標準與水和大氣質量標準相比還有一定的差距,操作性、實用性及科學性需進一步提高。國家《土壤環境質量標準》(GB15618-1995)在評價土壤環境質量時,采用的是土壤重金屬總量評價法,無法滿足農田重金屬污染修復中諸如原位鈍化修復等效果評價,要在進一步加快修訂土壤環境質量標準的同時,需要針對土壤重金屬污染不同修復技術,制定《農田重金屬污染修復評價技術標準》。

7. 建立農田重金屬污染修復生態補償機制,促進農民參與積極性

農田重金屬污染修復沒有農民的積極參與和配合是很難解決的,首先要加強對農田環境保護重要性的宣傳工作,讓農民深切感受到農田保護和重金屬已污染農田修復的重要性,激發起農民自覺配合的熱情,其次,要解決農田重金屬污染修復生態補償機制,對部分重金屬污染較重農田,采用工程修復、化學修復、植物修復、農業結構調整措施等,可能會影響農業生產,需要根據實際生產情況給農民必要的補貼,充分調動農民積極性。

三、農田土壤重金屬污染修復技術

 污染土壤修復的技術原理可概括為:(1)以降低污染風險為目的,即通過改變污染物在土壤中的存在形態或同土壤的結合方式,降低其在環境中的可遷移性與生物可利用性;(2)以削減污染總量為目的,即通過處理將有害物質從土壤中去除,以降低土壤中有害物質的總濃度?;谏鲜龌驹?,人們提出物理、化學、生物和農藝調控等多種修復類型。其中,物理方法主要包括物理分離法、新土置換法、固化穩定法、蒸氣抽提、空氣噴射、熱解吸以及電動力法等;化學方法主要包括鈍化法、氧化法、還原法、萃取法、化學淋洗法等;生物修復方法可分為植物修復、微生物修復與動物修復等;農藝調控措施則包括水肥管理、搭配種植等。與工業場地重金屬污染相比,農田土壤重金屬污染面積巨大,但主要以中輕度污染為主,其修復技術與方式的選擇需要首先考慮農業生產方式和類型,其次兼顧有效性、經濟性和推廣性。目前,可用于農田重金屬污染修復技術主要包括如下四種:(1)工程措施;(2)農藝調控措施;(3)鈍化修復技術;(4)植物修復技術。

 1. 工程措施

 利用物理的方法進行污染土壤的修復,主要包括客土法、翻耕混勻法、去表土法、表層潔凈土壤覆蓋法等??屯练ǎ〒Q土法)指重污染土壤則多采用客土或換土的方式,但換出的土壤應進行妥善處理;稀釋法(翻耕混勻)指在污染土壤中加入大量未被污染的土壤來降低重金屬含量;去表土法指將受到重金屬污染的表層土壤清除,然后進行翻耕;深耕翻土法(旋耕法)指污染程度輕、土層厚、面積小的污染場地可采用深耕翻土的方法。

客土法對重金屬污染重、面積小的農田,特別是設施農業局部大棚土壤重金屬污染具有非常明顯的修復效果,不受外界條件限制,治理效果徹底;翻耕混勻法治理效果不明顯;去表土法和表層潔凈土壤覆蓋法效果較好,但仍然需要注意下層重金屬污染。

農田重金屬污染工程治理技術由于涉及工程量大,費用高,只適宜用于小面積的、污染嚴重的土壤修復;對于大面積農田重金屬污染修復不僅需要大量的人力、物力,成本高,而且容易引起農田肥力減弱,耕層破壞。

日本富山縣水稻田鎘污染采用客土法治理,整項工程耗資407億日元(約合3.4億美元),覆蓋神通河盆地863公頃農田(約30萬人民幣/畝),花費治理時間33年。

 2. 農藝調控措施

主要指采取農藝方法,如水分管理、施肥調控、低累積品種替換、調節土壤 pH值、調整種植結構等措施來控制農田重金屬污染,直接或間接達到修復農田重金屬污染的目的。研究表明:水稻全生育期淹水,可顯著降低土壤Cd有效態,降低稻米中Cd的吸收累積。

農藝調控措施具有操作簡單、費用較低、技術較成熟,缺點是修復效果有限,僅適應于農田重金屬輕微和輕度污染的修復;其中,種植結構調整有可能導致農民難以接受及影響糧食數量安全。

為了降低土壤砷的毒性,一般修復措施可采用水田改旱地種植模式。但在鎘砷復合污染下,水田改旱地會增加Cd的生物有效性。所以鎘砷污染農田治理需要統籌考慮,以免在降低鎘污染的同時,卻增加了砷污染。

在農田Cd含量處于污染臨界值附近或已受Cd污染的土壤上,應避免施用高量的酸性肥料如尿素、氯化銨、普鈣,以及其他酸性物料。在常用磷、鉀肥中,磷酸二銨和硫酸鉀在Cd污染土壤上施用更為適合。同時,在農作物生長時期,在作物莖葉表面噴施硒肥、鋅肥或硅肥等微量元素,可以抑制或拮抗農作物對重金屬鎘、砷等的吸收累積。

在輕度重金屬污染的農田種植低累積作物品種可以明顯降低作物地上部重金屬累積量,但低累積作物品種對重金屬含量稍高的土壤不適應,需要與諸如化學鈍化修復技術進行聯合;此外,低積累作物品種(如水稻)來源得不到保障。

鎘在不同作物中的累積大小為:蔥蒜類>葉菜類>根莖類>豆類>茄果類>瓜類,所以對菜地重金屬鎘污染,可以通過調整農作物品種起到修復效果的作用。

3. 原位鈍化修復技術

指通過調節土壤理化性質以及吸附、沉淀、離子交換、腐殖化、氧化-還原等一系列反應,將土壤中的有毒重金屬固定起來,或者將重金屬轉化成化學性質不活潑的形態,降低其生物有效性,從而阻止重金屬從土壤通過植物根部向農作物地上部的遷移累積,以達到治理污染土壤的一種修復技術。

鈍化修復技術具有修復速率快、穩定性好、費用低、操作簡單等特點,同時不影響農業生產,可以實現邊修復邊生產,尤其適用于修復大面積中輕度重金屬污染農田土壤。大量研究表明:土壤經鈍化修復后,重金屬Cd、Pb等有效態一般可降低30%60%,農作物(稻米、蔬菜地上部)中Cd、Pb等含量可降低30%70%;一般土壤中Cd、Pb等鈍化修復穩定性可以達到3年以上。但該項修復技術可能會影響土壤環境質量,修復長期穩定性需要進行長期監控評估。

在目前實際開展的農田重金屬污染修復中,主要以化學鈍化修復為主,輔助農藝調控措施等,以達到重金屬污染農田的安全生產,控制稻米等農產品重金屬超標問題。

4. 植物修復技術

目前,常用的土壤重金屬污染修復植物為超富集植物,超富集植物是指能超量吸收重金屬并將其運移到地上部的植物,一般超富集植物地上部(莖和葉) 重金屬含量是普通植物在同一生長條件下的100 , 其臨界含量分別為Cd 100mg/kg, Zn10000mg/kg,Pb、Cu、Ni、Co均為1000mg/kg;同時,植物地上部的重金屬含量高于根部該種重金屬含量,對高濃度的金屬有較強的忍耐性,植物對土壤中重金屬的富集系數大于1。

 目前,國內篩選出的重金屬超富集植物主要有:砷超富集植物—蜈蚣草;鎘超富集植物—龍葵和天藍遏藍菜;鋅、鎘超富集植物—東南景天;銅積累植物—海州香薷等。

植物修復技術具有修復成本低、適應性廣,耐受性強、不破壞土壤理化性質等優點;但超積累植物通常矮小,生物量低,生長緩慢,修復效率低,不易于機械化作業,植物無害化處理難度大。此外,受不同地區氣候等自然條件不同影響,超積累植物在不同地區生長也受到影響。

一般超富集植物修復中度污染Cd、As污染農田至少需要十年以上,甚至長達幾十年至上百年;對重金屬輕度污染土壤,一般不易采用植物修復。植物修復比較適應于高重金屬污染土壤,但隨著修復年限的增加,修復效率也會逐漸下降,影響修復治理效果,增加治理費用。

 

     (作者系農業部環境保護科研監測所 研究員)

 

 

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