徐应明：农田重金属污染控制策略及适宜修复技术

2014-07-13 16:39:08 作者：徐应明来源：农业部环境保护科研监测所浏览次数：0 网友评论 0 条

徐应明：农田重金属污染控制策略及适宜修复技术

文章来源：农业部环境保护科研监测所作者：徐应明发布时间：2014-05-05

一、我国农田重金属污染现状与危害

近年来，我国重金属污染呈现出加剧的态势，人体血铅超标、尿镉超标等时有报道，重金属污染出现了工业向农业转移、城区向农村转移、地表向地下转移、上游向下游转移，从水土污染到食品链转移，由逐步积累的污染正在进入突发性、连锁性、区域性的爆发阶段，土壤重金属污染，对生态环境、食品安全和人体健康构成严重威胁。

2014年4月18日，环境保护部和国土资源部发布了全国土壤污染状况调查公报。　调查点位覆盖全部耕地，部分林地、草地、未利用地和建设用地，实际调查面积约630万平方公里。调查结果显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。全国土壤总的点位超标率为16.1%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。从土地利用类型看，耕地、林地、草地土壤点位超标率分别为19.4%、10.0%、10.4%。从污染类型看，以无机型为主，有机型次之，复合型污染比重较小，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%。从污染物超标情况看，镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种无机污染物点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。

由于农田重金属污染具有形成的复杂性、长期的累积性、发生的隐蔽性、毒性的缓效性、诊断的特殊性和恢复的长期性，导致重金属污染已经成为人体健康的“隐形杀手”。研究表明，镉不是一种人体必需的元素。一般人群通过食品摄入Cd 的数量超过了总暴露量的90%，其中大米、小麦、蔬菜及软体动物食品对日摄入总镉的贡献达40%-85%，但镉被认为是对人体健康毒性最大的重金属，国际癌研究局(IARC)早在1993年就已将Cd 定为人类致癌物质，可引发人类肾癌、膀胱癌，以及乳腺癌和前列腺癌。砷可在人体毛发、指甲中蓄积，从而引起慢性砷中毒，研究表明砷同样可以致癌。铅不是一种人体需要的元素，但铅具有肿瘤促进效应，能明显增加致癌物苯并芘诱导肺肿瘤的能力，也可使肾肿瘤发生率增加100%；铅能破坏人体机体免疫监视功能，间接增加机体对铅本身或其他致癌剂的致癌敏感性。

针对重金属污染事件频发和危害加剧，2011年3月国务院正式批复了环境保护部提出的《重金属污染综合防治“十二五”规划》；农业部和财政部于2012年正式启动了《农产品产地土壤重金属污染防治》重大专项，重点开展农产品产地土壤重金属普查与分级管理、监测预警、治理修复技术示范和农产品禁止生产区划分试点等工作。该项工作的开展将会极大地加强我国农产品产地土壤重金属污染的防控与治理，促进农产品安全生产和农业可持续发展。

二、农田重金属污染控制策略

1. 加强源头污染管控与治理，切实保障农业安全生产

据农业部环保所上世纪90年代开展的第二次全国污水灌溉普查显示：1995年我国总污水灌溉面积为542.76万亩，总污灌面积占全国总灌溉面积的7.33%。另外，使用地面水IV-V类水灌溉的面积为1587.71万亩，占全国总灌溉面积的21.40%，这部分现在许多可能已经发展为污灌。

参照德国腐熟堆肥中部分重金属限量标准，我国商品有机肥料和有机废弃物中重金属的含量状况与分析表明：对于Zn、Cu、Cr、Cd、Ni，我国鸡粪中的超标率为21.3%-66.0%，以Cd、Ni超标为主；猪粪中超标率为10.3%-69.0%，以Cd、Zn、Cu超标为主；牛粪中超标率为2.4%-38.1%，以Cd超标为主；

相关研究表明：大气沉降输入土壤系统中Hg的数量4.48g/(hm²•a)，高于污水灌溉输入量1.38 g/(hm²•a)；Pb的输入量347.19g/(hm²•a)，与污水灌溉输入量386.370g/(hm²•a)相近；对浙江东部沿海某典型废拆解区重金属元素大气干湿沉降特征研究表明：因大气沉降，土壤重金属中Pb、Cu、Zn等重金属元素的年增加率可达0.5%以上。此外，20%的汽车尾气排放的铅可散播至50km以外，汽车尾气中70%的铅沉降于公路两侧的土壤中。

因此，必须解决源头污染防控的问题，特别是解决农田灌溉水源、有机肥、化肥、农药、大气沉降等中外源重金属污染问题，避免出现“边修复边污染”的现象。

2．提升耕地地力，增加耕地土壤自身对重金属的承载能力

由于长期重化肥、轻有机肥，目前我国耕地中的有机质含量严重下降，全国耕地有机质含量平均值已从90年代的2%-3%降到目前的1%，明显低于欧美国家2.5%-4%的水平。相关研究表明，耕地表土层40%以上的重金属以有机质结合态形式存在。而由于耕地有机质含量的大幅下降，导致对土壤中有机质结合态重金属含量严重减少，造成了重金属活性的释放。因此，必须增加耕地有机肥的施用，恢复上世纪60、70年代绿肥等还田农业措施，降低化肥使用，提高耕地有机质含量，增加耕地土壤自身对重金属的承载能力，缓解重金属对农作物的危害。

3. 控制耕地酸化，提高土壤pH是治理耕地重金属污染的重要手段

由于长期大量施用化肥，以及南方酸雨普遍，导致耕地酸化严重，调查结果表明，近20年我国土壤pH平均下降了0.5个单位，pH<5.5的土壤从30年前的7%上升到目前的18%，而在自然条件下土壤pH值每下降1个单位通常需要数百年甚至上千年。研究表明，土壤pH值每下降一个单位值，土壤中重金属活性就会增加10倍。所以耕地酸化导致重金属活性增加有可能是造成土壤重金属污染的重要原因。因此，必须控制耕地酸化，提高土壤pH，降低重金属活性，从耕地自身着手修复治理重金属污染。

4. 加快土壤环境保护立法，从法律层面加强耕地污染防控

2013年3月27日，李克强总理主持召开国务院常务会议，提出要在重点地区有针对性地采取措施，加强对大气、水、土壤等突出问题的治理，集中力量打攻坚战，让人民群众看到希望。我国先后制定了《大气污染防治法》和《水污染防治法》，但迄今尚未制定“土壤环境保护法”，造成对土壤环境保护、污染防控、污染追究、污染补偿等无法律依据。国外经验表明，土壤环境保护、风险管控和土壤修复的投入比例为1:10:100。因此，建议国家加快制定“土壤环境保护法”及其保护优先的立法原则，从法律角度促进农田的污染防控。

5. 加强耕地重金属污染修复治理重大技术研究，为耕地重金属污染治理提供强大技术支撑

土壤一旦受到重金属污染，治理难度大，对修复治理技术要求高。国家应像设立水污染治理重大重项一样设立土壤污染修复治理重大专项，从源头防控、修复机制、修复技术、工程措施、修复管理与决策系统研究等方面开展土壤重金属污染综合修复治理研究，解决土壤重金属污染修复治理、防控及管理重大技术问题，开展不同区域、不同土壤类型及不同重金属污染类型与程度分级划分，有针对性地开展修复示范与种植结构调整，保障农产品安全生产与农业可持续发展。

6. 制定耕地重金属污染修复评价技术标准，加强修复后评估工作

质量标准一定要能体现保护优先，我国土壤环境质量标准与水和大气质量标准相比还有一定的差距，操作性、实用性及科学性需进一步提高。国家《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)在评价土壤环境质量时，采用的是土壤重金属总量评价法，无法满足农田重金属污染修复中诸如原位钝化修复等效果评价，要在进一步加快修订土壤环境质量标准的同时，需要针对土壤重金属污染不同修复技术，制定《农田重金属污染修复评价技术标准》。

7. 建立农田重金属污染修复生态补偿机制，促进农民参与积极性

农田重金属污染修复没有农民的积极参与和配合是很难解决的，首先要加强对农田环境保护重要性的宣传工作，让农民深切感受到农田保护和重金属已污染农田修复的重要性，激发起农民自觉配合的热情，其次，要解决农田重金属污染修复生态补偿机制，对部分重金属污染较重农田，采用工程修复、化学修复、植物修复、农业结构调整措施等，可能会影响农业生产，需要根据实际生产情况给农民必要的补贴，充分调动农民积极性。

三、农田土壤重金属污染修复技术

污染土壤修复的技术原理可概括为：（1）以降低污染风险为目的，即通过改变污染物在土壤中的存在形态或同土壤的结合方式，降低其在环境中的可迁移性与生物可利用性；（2）以削减污染总量为目的，即通过处理将有害物质从土壤中去除，以降低土壤中有害物质的总浓度。基于上述基本原理，人们提出物理、化学、生物和农艺调控等多种修复类型。其中，物理方法主要包括物理分离法、新土置换法、固化稳定法、蒸气抽提、空气喷射、热解吸以及电动力法等；化学方法主要包括钝化法、氧化法、还原法、萃取法、化学淋洗法等；生物修复方法可分为植物修复、微生物修复与动物修复等；农艺调控措施则包括水肥管理、搭配种植等。与工业场地重金属污染相比，农田土壤重金属污染面积巨大，但主要以中轻度污染为主，其修复技术与方式的选择需要首先考虑农业生产方式和类型，其次兼顾有效性、经济性和推广性。目前，可用于农田重金属污染修复技术主要包括如下四种：（1）工程措施；（2）农艺调控措施；（3）钝化修复技术；（4）植物修复技术。

1. 工程措施

利用物理的方法进行污染土壤的修复，主要包括客土法、翻耕混匀法、去表土法、表层洁净土壤覆盖法等。客土法（换土法）指重污染土壤则多采用客土或换土的方式，但换出的土壤应进行妥善处理；稀释法（翻耕混匀）指在污染土壤中加入大量未被污染的土壤来降低重金属含量；去表土法指将受到重金属污染的表层土壤清除，然后进行翻耕；深耕翻土法（旋耕法）指污染程度轻、土层厚、面积小的污染场地可采用深耕翻土的方法。

客土法对重金属污染重、面积小的农田，特别是设施农业局部大棚土壤重金属污染具有非常明显的修复效果，不受外界条件限制，治理效果彻底；翻耕混匀法治理效果不明显；去表土法和表层洁净土壤覆盖法效果较好，但仍然需要注意下层重金属污染。

农田重金属污染工程治理技术由于涉及工程量大，费用高，只适宜用于小面积的、污染严重的土壤修复；对于大面积农田重金属污染修复不仅需要大量的人力、物力，成本高，而且容易引起农田肥力减弱，耕层破坏。

日本富山县水稻田镉污染采用客土法治理，整项工程耗资407亿日元(约合3.4亿美元)，覆盖神通河盆地863公顷农田（约30万人民币/亩），花费治理时间33年。

2. 农艺调控措施

主要指采取农艺方法，如水分管理、施肥调控、低累积品种替换、调节土壤 pH值、调整种植结构等措施来控制农田重金属污染，直接或间接达到修复农田重金属污染的目的。研究表明：水稻全生育期淹水，可显著降低土壤Cd有效态，降低稻米中Cd的吸收累积。

农艺调控措施具有操作简单、费用较低、技术较成熟，缺点是修复效果有限，仅适应于农田重金属轻微和轻度污染的修复；其中，种植结构调整有可能导致农民难以接受及影响粮食数量安全。

为了降低土壤砷的毒性，一般修复措施可采用水田改旱地种植模式。但在镉砷复合污染下，水田改旱地会增加Cd的生物有效性。所以镉砷污染农田治理需要统筹考虑，以免在降低镉污染的同时，却增加了砷污染。

在农田Cd含量处于污染临界值附近或已受Cd污染的土壤上，应避免施用高量的酸性肥料如尿素、氯化铵、普钙，以及其他酸性物料。在常用磷、钾肥中，磷酸二铵和硫酸钾在Cd污染土壤上施用更为适合。同时，在农作物生长时期，在作物茎叶表面喷施硒肥、锌肥或硅肥等微量元素，可以抑制或拮抗农作物对重金属镉、砷等的吸收累积。

在轻度重金属污染的农田种植低累积作物品种可以明显降低作物地上部重金属累积量，但低累积作物品种对重金属含量稍高的土壤不适应，需要与诸如化学钝化修复技术进行联合；此外，低积累作物品种（如水稻）来源得不到保障。

镉在不同作物中的累积大小为：葱蒜类＞叶菜类＞根茎类＞豆类＞茄果类＞瓜类，所以对菜地重金属镉污染，可以通过调整农作物品种起到修复效果的作用。

3. 原位钝化修复技术

指通过调节土壤理化性质以及吸附、沉淀、离子交换、腐殖化、氧化-还原等一系列反应，将土壤中的有毒重金属固定起来，或者将重金属转化成化学性质不活泼的形态，降低其生物有效性，从而阻止重金属从土壤通过植物根部向农作物地上部的迁移累积，以达到治理污染土壤的一种修复技术。

钝化修复技术具有修复速率快、稳定性好、费用低、操作简单等特点，同时不影响农业生产，可以实现边修复边生产，尤其适用于修复大面积中轻度重金属污染农田土壤。大量研究表明：土壤经钝化修复后，重金属Cd、Pb等有效态一般可降低30%—60%，农作物（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等钝化修复稳定性可以达到3年以上。但该项修复技术可能会影响土壤环境质量，修复长期稳定性需要进行长期监控评估。

在目前实际开展的农田重金属污染修复中，主要以化学钝化修复为主，辅助农艺调控措施等，以达到重金属污染农田的安全生产，控制稻米等农产品重金属超标问题。

4. 植物修复技术

目前，常用的土壤重金属污染修复植物为超富集植物，超富集植物是指能超量吸收重金属并将其运移到地上部的植物，一般超富集植物地上部(茎和叶) 重金属含量是普通植物在同一生长条件下的100 倍, 其临界含量分别为Cd 100mg/kg, Zn10000mg/kg，Pb、Cu、Ni、Co均为1000mg/kg；同时，植物地上部的重金属含量高于根部该种重金属含量，对高浓度的金属有较强的忍耐性，植物对土壤中重金属的富集系数大于1。