徐應明：農田土壤重金屬污染原位鈍化修復技術探討
“看不見”的重金屬污染已成為我國農產品的“隱形殺手”。化肥過量使用會造成土壤酸化，進而會誘發土壤重金屬離子活性的提高。土壤PH值每下降一個單位，重金屬鎘的活性就會提升100倍，增加骨痛病等疑難病癥的患病風險。
2015年4月14日，農業部副部長張桃林在國新辦發布會上表示，中國農業資源環境遭受著外源性污染和內源性污染的雙重壓力，農業可持續發展遭遇瓶頸，其已超過工業成為我國最大的面源污染產業，總體狀況不容樂觀。
土壤重金屬污染給農田造成了不可忽視的危害，現在的污染區域分布具體是怎樣的?又該怎樣治理?治理之后對土壤的使用又有哪些影響?中國生態修復網對一直致力于研究土壤、水體重金屬和有毒有機物污染調控機理與修復技術的農業部環境保護科研監測所、農業部產地環境質量重點實驗室主任、中國農業科學院農田土壤重金屬污染修復創新團隊首席徐應明研究員進行了采訪。
【專家對話】
問：徐老師您好，據有關報道，我國現在受重金屬污染的耕地多達3億畝，約占全國耕地總面積的1/5。我們賴以生存的土地受到了重金屬的污染，但土壤污染究竟有多嚴重，它給人們的食品安全造成了怎樣的嚴重影響，這是人們迫切所要知道的?
答：2014年4月17日國家環境保護部和國土資源部發布了全國土壤鎘、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%。從公布的數據來看，盡管環境保護部和國土資源部都已經開展了全國土壤重金屬污染狀況調查，但有關農田土壤重金屬污染面積究竟多少目前尚無確切統計的公開數據。
2012年農業部在財政部專項經費支持下，在全國開展了農產品產地土壤重金屬污染狀況普查、監測預警、土壤修復示范及禁產區劃分等工作，重點摸清全國工礦企業區、大中城市郊區、污水灌區等重點區域農產品產地重金屬污染底數，完善農產品產地土壤環境質量檔案，建立農產品產地分級管理制度，建立農產品產地土壤重金屬監測預警機制，開展土壤修復示范試點及農產品產地禁產區劃分試點等工作。
希望通過這次普查能夠比較準確地獲得全國農產品產地土壤重金屬污染狀況，但由于本次大規模普查僅采集土壤樣品，而未實行土壤-農產品一對一采樣形式進行調查，因此，最終獲得的結果也將與環境保護部和國土資源部獲得的結果一樣，僅僅是農田土壤重金屬污染狀況數據，而并不能真實全面地反映農產品重金屬污染狀況。
這是因為全國各地農田土壤類型、酸堿性、有機質含量、耕作制度、降雨等各種因素差異很大，目前的土壤環境質量標準重金屬限量值全國是統一的，這就導致重金屬超標的土壤農產品不一定超標，如對重金屬鎘污染，在北方堿性土壤區域或土壤有機質含量高的區域或南方春季多雨季節采樣，土壤重金屬鎘超標，但農產品卻不一定超標，特別是在北方堿性土壤區域，在土壤重金屬鎘超標1-2倍時，種植的蔬菜等農產品不一定超標;在廣西等地水稻田土壤輕度鎘污染情況下，由于春季多雨，種植早稻的稻米鎘超標就不明顯，而同樣稻田種植晚稻稻米鎘超標就很明顯。因此，這時采用土壤環境質量標準來判斷農產品重金屬污染狀況就存在很大的不確定性。
所以，農田土壤重金屬污染普查的結果，能否真正反映實際情況是受到諸多因素干擾和影響的，好的、準確的普查結果，需要有一個科學合理的普查設計方案、嚴格和規范的操作規程、嚴格按照要求的執行力、高水平的實驗室分析檢測能力、普查成員培訓和管理嚴格到位等等措施的保障。
就目前我國農田土壤重金屬污染狀況來看，湖南、江西、云南、貴州、四川、廣西等有色金屬礦區土壤重金屬污染尤為嚴重。我國西南地區(云南、貴州、廣西等)土壤重金屬背景值遠高于全國土壤背景值，如鎘、鉛、鋅、銅、砷等。這主要是由于重金屬含量高的巖石(石灰巖類)在風化成土過程中釋放重金屬而富集土壤中的緣故。大中城市郊區以污水灌溉農田土壤重金屬污染為主，其中蔬菜，特別是葉類蔬菜超標比較明顯，部分地區，玉米和小麥的鎘、鉛、汞等重金屬污染超標也比較明顯，但應該注意到對玉米、小麥重金屬超標現象仍然需要考慮大氣污染源的輸入，而不一定全部來自土壤污染。
問：面對土壤重金屬污染這樣一個嚴峻的問題，目前有哪幾種類型的修復技術，您所熟悉的土壤重金屬污染鈍化修復技術相比之下又有哪些優勢?
答：在農田土壤重金屬污染修復中，由于必須確保修復后農田土壤質地、理化性質、環境質量等要素不能發生明顯變化，不能影響農業正常生產，不能明顯降低農作物產量和品質，同時不能顯著增加農民耕作負擔，所以，相對于場地土壤重金屬的污染修復，農田土壤重金屬污染修復有其自身需求和特殊性。
目前，適應于農田土壤重金屬污染修復的技術措施主要包括：(1)農藝調控措施，(2)原位化學鈍化/穩定化技術，(3)超富集植物/富集植物提取技術。其中農藝調控主要指采取水肥管理、低累積品種替換、土壤pH調節、葉面調理劑拮抗抑吸及種植結構調整等措施來控制土壤重金屬污染，直接或間接達到降低農產品對重金屬吸收累積的目的。
農藝調控措施具有操作簡單、費用低、技術較成熟等優點，但存在一定的缺點，比如修復效果受地域環境、季節、土壤性質等影響較大，使得修復效果不穩定、修復效率較低等，對南方酸性水稻田鎘污染地區，采取農藝調控措施，稻米鎘降低率一般在10%~30%左右，該項措施僅適應于農產品重金屬輕微和輕度超標農田土壤重金屬污染調控;其中，對農產品超標較高的農田土壤重金屬污染，一般很難通過農藝調控措施將農產品中重金屬含量降低到食品污染物控制限量標準值以下。
原位鈍化修復技術主要是指向污染土壤中添加一種或多種鈍化修復劑，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，改變重金屬元素在土壤中的化學形態和賦存狀態，實現土壤中重金屬的鈍化/穩定化，降低其在土壤中的可移動性和生物有效性，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目的。
鈍化修復技術與其他修復技術相比具有如下優勢：(1)修復速率快、穩定性好、費用較低、操作簡單;(2)不影響農業生產，可以實現“邊生產邊修復”;(3)能夠改善農田土壤環境質量;(4)適用于大面積中輕度重金屬污染農田土壤修復治理。目前，在重金屬污染農田的修復治理中已得到廣泛應用，而且有可能被認為是農田土壤重金屬污染較為實用、有效的一種技術措施。特別是對農藝調控措施無法解決的中輕度重金屬污染農田，鈍化修復是一種較好的防控技術手段。
問：土壤重金屬污染鈍化修復技術主要是通過添加外源物質，將重金屬轉化為不易溶解、遷移能力或毒性更小的形式，以降低其對農田生態系統的危害風險，那這種外源物質具體是什么，它會對土壤造成什么影響?
答：目前，國內外在農田土壤重金屬污染鈍化修復中，使用的鈍化劑材料主要包括：(1)粘土礦物，如海泡石、蒙脫土、膨潤土、凹土、高嶺土等;(2)碳材料，如秸稈炭、黑炭、果殼炭、骨炭等;(3)含磷材料，如鈣鎂磷肥、羥基磷灰石、磷礦粉、磷酸鹽等;(4)硅鈣材料，如石灰、石灰石、碳酸鈣鎂、硅酸鈉、硅酸鈣、硅肥等;(5)金屬氧化物，如氧化鐵、硫酸亞鐵、硫酸鐵、針鐵礦、氧化錳、錳鉀礦等;(6)有機物料，如畜禽糞便、腐殖酸、泥炭、有機堆肥等;(7)工業廢棄物，如粉煤灰、鋼渣、赤泥、污泥等。但在實際農田使用中，應盡可能避免使用工業廢棄物作為鈍化修復劑，以免給農田土壤帶來新的二次污染或破壞土壤結構和理化性質及環境質量，對農田長期環境質量帶來不可預測的不利影響。
當前農田土壤重金屬污染鈍化修復中使用的材料種類繁多，性能和價格差別均較大，大部分使用的鈍化劑原材料價格一般在1000元/噸~3000元/噸，鈍化劑使用量在500kg/畝~1000kg/畝左右。從目前使用效果來看，農田土壤重金屬污染鈍化修復后，重金屬Cd、Pb等有效態降低率可達10%~30%，農作物(稻米、蔬菜地上部)中Cd、Pb等含量降低率可達30%~70%，結合農藝調控措施，修復效率最高可以達到90%，一般土壤中Cd、Pb等鈍化修復穩定性可以達到3年以上，而且，很多情況下，隨著修復時間的延長，土壤中重金屬鈍化修復穩定性效果明顯增強。說明，鈍化劑在土壤中老化時間的延長，有利于修復效果的提高。因此，鈍化劑究竟什么時間施用到農田土壤中，修復效果最佳，需要進一步擴展大田試驗研究。
在農田土壤重金屬污染鈍化修復中，特別要注意鈍化劑大量施用有可能對土壤環境質量造成的不利影響，具體在鈍化劑使用后需要加強對鈍化劑自身穩定性、鈍化/穩定化后的重金屬長期穩定性、鈍化劑對土壤質地和理化性質及環境質量的長期影響，以及鈍化修復對農作物生長、產量及品質等影響進行綜合跟蹤監測評估。總之，一個好的鈍化劑材料，不僅需要具有良好鈍化修復效果，而且需要對吸附固定重金屬離子具有良好選擇性，對吸附固定重金屬離子具有高度固定穩定性，以及價格適中、環境友好和易于操作。
問：目前土壤重金屬污染鈍化修復技術已經運用到實踐中，有了典型示范區，具體推廣到其他的污染區時，又有哪些因素是必須要注意的?
答：目前，我們團隊正在根據農業部、財政部《農產品產地土壤重金屬污染防治實施方案》要求，在湖南、廣西、天津等地開展南方酸性水稻田土壤重金屬鎘污染，以及北方污水灌區重金屬鎘、鉛等污染修復治理示范工作，示范面積均較大，修復區土壤和農產品檢測結果表明，修復效果非常明顯，在南方酸性水稻田土壤鎘污染下，超標3倍以下的稻米經修復后完全可以降低到食品安全國家標準食品中污染物限量標準值以下，可以滿足中輕度重金屬鎘污染農田土壤修復治理要求。
但任何一項技術都有其適應性，技術的好與不好也有其環境條件和人為因素的限制，只有技術與環境及人為良好操作的匹配，才能發揮出技術最佳的性能。就農田土壤重金屬污染鈍化修復技術而言，在異地復制應用時，必須考慮到修復技術的適應性問題。具體應關注技術所應用的土壤類型和土壤酸堿性，同時需要關注修復區農田種植農作物品種，修復地域的氣候(主要為降雨)、農藝制度及耕作制度等，這些因素都會在不同程度上對鈍化修復效果產生一定的影響，導致鈍化修復技術在異地復制應用時效果產生變化，甚至導致鈍化修復效果不明顯。
如某些鈍化劑在南方酸性水稻田鎘污染土壤修復中效果非常顯著，但當應用到北方污灌菜地堿性土壤上時，修復效果卻并不明顯;部分鈍化修復技術在南方酸性水稻田鎘污染土壤修復應用中，春季和夏秋季修復效果可能存在很大差異，這與春季南方多雨，水稻田土壤長期處于淹水還原狀態有關，而夏秋季南方雨水相對較少，水稻田土壤大部分時間處于氧化狀態有關。
所以，農田土壤重金屬污染鈍化修復效果在某種程度上與修復地土壤類型、酸堿性及降雨、水肥管理、作物品種和耕作制度等均存在很大相關性，在異地復制應用時必須考慮到這些因素對修復技術效果的影響。
總之，任何一項好的修復技術都需要與適應的環境條件、良好的操作方式相結合，才能發揮出其最大效能，還農民一片安全健康的耕作土壤。
作者簡介
徐應明農業部環境保護科研監測所研究員主要研究方向為土壤、水體重金屬和有毒有機物污染調控機理與修復技術、農藥在農作物和土壤中污染行為與殘留動態規律等。
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