重金属污染农田安全利用:目标、可选技术与可推广技术

当前,土壤重金属污染研究的主要任务之一是形成安全利用可推广技术方案。那么,当前科学界是否有能力提供这样一个方案?本文在分析土壤污染防控基本概念和决策树的基础上,系统解析了如下问题:污染农田安全利用的目标、技术选项、可推广技术标准和形态。我们认为污染农田安全利用有狭义和广义之分,以主粮区籽粒安全生产为目标的狭义安全利用技术研发是当务之急;安全利用技术的标准是农作物可食用部位的重金属含量达标,而不是土壤重金属钝化效果;重金属从根部到地上部的转运能力是作物筛选和改造的关注重点;低镉作物品种选育与推广有可能零成本地实现轻微镉污染农田安全利用,而钝化剂/土壤调理剂在优选以后将逐渐提高适合安全利用的农田镉污染上限;成本、效果和土壤生态效应是可推广安全利用技术的重要评价标准,可推广安全利用技术的形态受限于农业生产过程,需要以种子、肥料和农艺等形式交付使用者。这些系统分析,有利于安全利用技术研究从"百花齐放"向可推广技术转变,并最终服务于《土壤污染防治行动计划》污染农田安全利用目标。     

农田土壤重金属污染的农业生态修复技术

总结了常见的农田土壤重金属污染的农业生态修复技术,包括合理施用化肥、施用生物有机肥、秸秆还田、调整作物种植结构、筛选重金属低积累作物品种和耐性作物品种、深耕深翻、控制土壤水分以及施用石灰等修复措施,并对农田土壤重金属污染修复技术的前景进行了展望。     

不同间种模式对作物富集重金属的效率及风险评估

环江县是广西粮食主产区,该地区重金属污染严重,但国内对于重金属复合污染的修复技术缺乏。为了降低复合污染土壤上种植的农作物体内重金属的含量,越来越多的人开始研究不同种植模式对作物吸收重金属的影响,间种模式可以调节田间养分利用,减少植物对重金属的吸收,对土壤修复及产品改良有效。以矿区污染农田为背景,供试土壤为铅锌硫铁矿山的尾砂坝坍塌污染的土壤,进行了蜈蚣草- 玉米、蜈蚣草- 大豆、大豆- 玉米、甘蔗- 大豆的间种试验,试验采用随机区组设计,试验时间1 年,用原子吸收光谱法和石墨炉原子吸收光谱法测定重金属含量,通过对比分析单种与间种作物各部位中的Zn、As、Cd、Pb 的含量,探究间种模式对作物重金属的富集量和作物安全性的影响。结果表明,作物重金属含量变化受间种影响明显,玉米- 大豆间种模式比玉米单种籽粒中Pb 的含量下降38%。作物不同部位对重金属的富集能力也不同,As 在大豆体内的分布规律为叶> 茎> 根,而Pb 则为根> 叶> 茎。综上所述,在复合污染土壤中,间种可明显改善重金属对植物的污染,这些结果肯定了间作是重金属污染土壤修复的一个可能切入点。但在试验区种植粮食作物存在较大的健康风险,污染土壤还需进一步治理。     

重金属污染土壤间作修复的研究进展

种植单一的超富集植物修复重金属污染土壤,不但中断农业生产导致经济收益降低,而且因生物量较低、修复周期长等诸多弊端导致修复效果不甚理想。间作作为一种传统的农艺管理方式,利用生态位和生物多样性原理等能提高农作物对资源的有效利用,对共植的农作物种类增量提质。在中、轻度污染土壤修复中利用间作体系,通过调控超富集植物与农作物的生长发育,促进超富集植物根系低分子量有机酸(LMWOAs)的分泌,降低其根际土壤p H,增加重金属活性,从而增加超富集植物对重金属的吸收,同时抑制农作物根系LMWOAs的分泌,以减少农作物对重金属的吸收,提高其产量和品质,实现"边生产边修复",提高土地利用率,并增加经济效益。本文根据近几年来国内外相关文献,综述了间作条件下超富集植物和农作物生物量、生理生化响应、重金属吸收、转运、富集等方面的变化,以及间作对土壤环境质量的影响,并对间作修复重金属污染土壤领域的发展趋势,如超富集植物和农作物间作的信号转导和分子生物学机制、间作体系下两类植物根际微生物类群的差异及其功能机制,以及构建高效间作体系提高重金属污染土壤的修复效率等方面进行了展望。     

中国农田重金属问题的若干思考

在对我国若干典型区域调研及资料分析的基础上,作出了当前我国耕地重金属“主产区基本安全,重点区域风险较大”的基本判断,提出了针对农田土壤采用“重金属含量超标”替代“重金属污染”的观点,指出我国农业主产区农田重金属存在明显的累积趋势.同时,在对我国土壤重金属钝化和活化、植物吸收和阻控、微生物转化和利用等研究成果进行总结和借鉴基础上,提出了强化重金属超标农田安全利用、重金属含量阈值制订、重金属污染源头和过程阻控、超标农田修复以及产地环境安全保障体系等系列建议.     

粉煤灰改良重金属污染农田的修复效果植物甄别

为了评判粉煤灰作为重金属钝化剂在实际重金属污染土壤改良修复中的应用潜力,该试验以潼关县某村庄因散户冶炼黄金导致的重金属污染农田为研究对象,运用粉煤灰化学改良工程手段对污染土壤进行了原位修复,并通过种植植物甄别对修复效果进行了进一步分析评价。结果表明,试验区农田土壤中重金属Cd污染最为严重,其次为Hg和Pb,3种重金属的质量分数分别介于1.29~6.13,0.53~4.14和63.19~448.97 mg/kg之间,平均含量分别是《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准值的6.17、1.64、0.33倍,其中Cd全部超出国家土壤环境质量标准二级标准,Cd、Hg、Pb污染超标率分别为100%、64.28%、7.14%。土壤Pb和Cd的生物有效性与总量呈显著正相关关系。经粉煤灰改良后,土壤Hg、Cd和Pb有效态质量分数平均值分别降低28.57%、24.36%、31.83%,粉煤灰对重金属Hg和Pb有一定的钝化作用。但植物甄别试验中,所有植物均吸收了一定的Cd,但植株中Cd含量没有达到Cd超富集植物的标准,其中曼陀罗对Cd的单株吸收量最高,为0.1498 mg/株。单位面积中繁穗苋对Cd的吸收量最高,为68.04 g/hm2,说明经粉煤灰化学改良的重金属污染农田土壤中重金属仍具有较高的生物可利用性。研究表明,采用粉煤灰进行重金属污染农田改良的手段仍需进一步研究,使修复后的土壤种植模式改变或种植低累积植物物种以阻隔Cd向作物可食部位的迁移。     

中国重金属污染耕地土壤安全利用存在问题与建议

中国耕地土壤重金属污染情况不容乐观，如何安全利用重金属污染耕地仍是当今亟需解决的农业和环保问题。本文综合分析了近几年不同污染程度耕地土壤的安全利用措施，提出重金属低积累作物种植、重金属钝化技术、农艺调控及种植结构调整为当前污染耕地土壤安全利用的主要手段，并指出污染源防控力度不足、土壤污染与作物安全性关系不明、原位钝化技术风险及低积累作物利用效果的局限性仍然是中国污染耕地土壤安全、高效利用面临的主要问题，建议进一步完善污染土壤评价标准、健全污染土壤防控体系、优化污染土壤安全利用技术，以推动重金属污染耕地土壤的安全、高效和可持续利用。     

科技部“十三五”农业面源和重金属污染农田综合防治与修复技术研发重点专项 “农田系统重金属迁移转化和安全阈值研究”项目正式启动

农田系统重金属迁移转化和安全阈值是土壤环境中重金属研究领域的基础性和复杂性的核心问题。与国外相比,以往我国在农田土壤重金属研究方面的投入和成果多集中在土壤重金属污染调查和修复技术方面,而有关土壤重金属的形态转化、风险评价和阈值方面的研究较少。近年来,土壤重金属的形态转化、风险评价和阈值研究在土壤污染防治和修复中的作用和重要性越来越突出。比如,多年研究成果证明现有的土壤重金属铅的环境质量标准过宽,说明单纯采用生态环境效应来制定我国农用地土壤环境质量标准不能有效地保障农产品质量安全。正是由于我国过去关于土壤重金属安全阈值研究基础数据和方法不足,我国土壤环境质量标准没有充分考虑农产品产地土壤性质差异大、种植作物类型和品种多的特点,使得我国土壤重金属环境质量标准的科学性和可操作性亟待完善和提升,从而有效地保障我国农产品安全生产和农田生态安全。     

重金属污染农田土壤修复效果评价指标体系分析

重金属污染农田土壤经修复后,是否达到了预期的目标,是否可以复垦为农田,生产的农作物是否达到了安全水平,这些问题均需要通过对修复后的效果进行评价来给出明确的答复。然而,目前,有关重金属污染农田土壤修复效果评价指标体系方面的研究还很少。从污染农田土壤修复效果评价的实际需求出发,本着全面性、客观性、易测性、可评性的原则,提出了一套推荐评价指标体系,并给出了各指标的分析方法及评价标准,以期为重金属污染农田土壤修复效果评价体系的建立及土壤修复标准的制定等提供参考依据。     

农田土壤重金属污染现状与安全利用技术研究进展①

重金属污染农田直接影响粮食安全和农业可持续发展。安全利用技术主要通过降低土壤中重金属的生物有效性,减少重金属进入食物链的可能性,对我国现阶段有效地利用重金属污染农田资源和保障食品安全具有重要意义。因此,本文首先分析了农田土壤重金属污染成因与现状,然后综述了低累积作物品种筛选、水肥管理、间作或轮作等农艺调控,原位钝化和叶面阻控等安全利用技术研究进展,最后提出了强化重金属污染农田土壤安全利用研究及应用的对策。     

中国农田土壤重金属污染防治挑战与对策

我国农田土壤重金属污染格局多样,区域污染风险突出。发达国家对污染土壤的修复经验对我国具有借鉴意义。我国农田土壤重金属污染防治面临土壤重金属空间异质性强、土壤类型及农作物品种对重金属累积差异大、土壤酸化严重、土壤元素失衡、不科学的发展方式、土壤重金属累积趋势难以逆转、土壤—农作物重金属累积线性关系不显著,修复技术不完善、修复措施长期风险调控机制缺失等主要挑战。根据我国农田土壤污染防治现状及课题组工作基础,我们提出以预防为主、保护优先和风险管控为基本思路,建立土壤污染防治体系,通过"土壤环境质量调查、土壤污染源头管控、分类管理和土壤环境质量基准推导"等4个步骤推进农田土壤重金属污染防治工作。     

重金属污染农田土壤化学钝化修复的稳定性研究进展

化学钝化修复是一种应用广泛的重金属污染农田土壤修复方法,但钝化修复只是暂时降低了土壤中重金属的移动性和生物有效性,随着时间的推移被固定的重金属有可能重新释放到土壤中,因此钝化修复重金属污染土壤的稳定性是重金属污染土壤原位钝化修复成功的关键。本文探讨了钝化修复剂的种类、修复机制、修复稳定性的影响因素以及修复稳定性的研究方法,深入分析了钝化修复稳定性的研究现状和存在问题,并提出今后应加强钝化修复稳定性机制和修复稳定性预测模型的研究,建立和完善科学的钝化修复稳定性的研究方法。     

Application of soil amendments to contaminated soils for heavy metal immobilization and improved soil quality—a critical review

ABSTRACT

Today, soil metal pollution has become a significant environmental issue of great public concern. This is because soil is both a major sink for heavy metal(loid)s (HMs) released into the environment, by both pedogenic and anthropogenic activities; and also a major source of food chain contamination mainly through plant uptake and animal transfer. In addition, HM contamination of soil leads to negative impacts on soil characteristics and function by disturbing both soil biological and physiochemical properties (e.g. extreme soil pH, poor soil structure and soil fertility and lack of soil microbial activity). This eventually leads to decreased crop production. Various soil remediation techniques have been successfully employed to reduce the risks associated with HMs efflux into soil. Among these, the use of low-cost and environmentally safe inorganic and organic amendments for the in-situ immobilization of HMs has become increasingly popular. Immobilization agents have successfully reduced the availability of metal ions through a variety of adsorption, complexation, precipitation, and redox reactions. Soil amendments can also be a source of nutrients and thus can also act as a soil conditioner, improving the soil’s physiochemical properties and fertility, resulting in enhanced plant establishment in metal contaminated soils. This article critically reviews the use of immobilizing agents in HM contaminated agricultural and mining soils paying particular attention to metal immobilization chemistry and the effects of soil amendments on common soil quality parameters.     

大气沉降对土壤和作物中重金属富集的影响及其研究进展

以我国农田土壤-作物-大气系统为研究对象,综述了近年来大气沉降中重金属的来源及时空分布规律以及大气沉降对农田土壤和作物中重金属富集的影响及其研究进展。人为活动产生的重金属进入大气后,受多种自然和人为因素及环境保护政策等综合因素的影响,导致大气沉降中的重金属具有明显的时空分异特征:从时间分异来看,大气重金属含量呈现出冬季高于其他季节,供暖期高于非供暖期的特点;从空间分异来看,工业发达地区较高,燃煤为主的城市高于其他城市,城区高于郊区及远郊地区。大气沉降不仅会使土壤重金属含量上升,也会对农作物造成直接和间接的影响。大气中的重金属会通过气孔进入作物细胞,在细胞壁、液泡中积累,当含量过高时会影响作物正常生长或引起作物重金属超标风险,不利于农业安全生产。未来的研究应将传统分析方法与空间和地统计技术、多元同位素示踪技术、数学模型模拟等多种技术手段相结合,在区域尺度和田间自然条件下开展土壤-作物-大气系统重金属循环过程的研究,为区域农田重金属污染防控和环境管理提供科学依据和决策支撑。     

Phytoextraction of Pb and Cd from a contaminated agricultural soil using different EDTA application regimes: Laboratory versus field scale measures of efficiency

Enhanced phytoextraction of heavy metals using chelating agents and agricultural crops is widely discussed as a remediation technique for agricultural soils contaminated with low mobile heavy metals. In this study, phytoextraction efficiency of Zea mays after single and split applications of EDTA was tested on the laboratory and the field scale. EDTA effectively increased the mobility of target heavy metals (Pb and Cd) in the soil solution. Split applications provided generally lower water-soluble levels of Pb and Cd both in the pot and the field experiment. Therefore, the risk of groundwater contamination may be reduced after split applications. Higher Pb and Cd mobilisation after single applications increased plant stress, phytotoxicity and reduced plant dry above-ground biomass production compared to corresponding split doses. Single doses enhanced plant uptake of Pb and Cd and the phytoremediation efficiency compared to corresponding split doses. Results of plant dry above-ground biomass and heavy metal uptake obtained from the pot experiment could be to some extent verified in the field experiment. Plant uptake of Pb and Cd was lower and biomass production dropped after EDTA additions in the field experiment. Remediation factors in the field experiment were in general significantly lower than in the pot experiment mainly due to the much higher mass of soil per plant under field conditions. This highlights the limitations when going from the lab to the field scale. The low phytoremediation efficiency in the field and the mobilisation of high amounts of Pb and Cd down the soil profile may make the use of EDTA and Z. mays not suitable for the remediation of severely heavy metal contaminated soils in a reasonable time frame and may result in substantial groundwater pollution under used crop management.     

固定剂及其在重金属污染土壤修复中的应用

由于人类的过度开发,部分地区土壤重金属污染日趋严重。采用向污染土壤中施加各类固定化试剂,通过其对重金属的吸附、沉淀(共沉淀)、离子交换及络合作用等将重金属固定在土壤中,降低其在环境中的迁移性和生物可利用性,最终达到减少重金属污染环境风险的目标,是修复重金属污染土壤的有效手段之一。本文概述了近年来国内外报道的各种土壤固定剂及其在重金属污染土壤修复中的应用和修复机理,并从构效关系等角度出发,展望了固定剂在土壤修复应用中的未来发展。