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        運用農田土壤重金屬治理技術 建立良好農業生產方式

        2016-11-04 11:08:32  

        編者按

        11月1日,習近平主持召開中央全面深化改革領導小組第二十九次會議。會議審議通過了《建立以綠色生態為導向的農業補貼制度改革方案》等12項改革方案。會議指出, 要探索重金屬污染耕地治理等有效支持政策。

        農田土壤重金屬污染是土壤治理修復領域一個龐大的分支,目前國內外有哪些治理農田重金屬污染的技術,這些方式方法的成熟度如何,怎樣更好地保護耕地資源,值得人們思考。

        ◆記者李維

        “植物修復是農田土壤修復的重要發展方向和可行途徑,但目前僅有少數通過政府部門驗收合格的成功案例,總體來說整個行業還面臨工程經驗欠缺、技術設備不配套等問題。”在日前召開的2016國際棕地大會上,中國科學院地理科學與資源研究所環境修復中心主任陳同斌談及農田土壤修復時這樣說。

        2014年4月18日,環境保護部和國土資源部發布的調查公報顯示,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。

        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等特征,導致農田污染治理和修復技術長期處于不斷探索中。

        修復技術設備亟待完善

        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。

        “農田土壤重金屬污染治理不像一般工業污染場地修復,在不考慮修復后土壤環境質量變化的情況下,可以采取固化/穩定化措施或者采取封存填埋方法進行處理。而對農田土壤重金屬污染修復來說,不論采用哪種方式進行治理,都要以保證修復后不影響土壤環境質量,能夠保障農作物健康、安全生產為核心。” 農業部環境保護科研監測所研究員徐應明告訴記者。

        目前,可用于農田重金屬污染修復的技術主要包括:工程措施、農藝調控措施、鈍化修復技術、植物修復技術,而可以大面積應用的技術是后面3種。

        在很多業內專家看來,大規模土壤重金屬污染修復工程使用的技術核心是工程化、標準化和成本控制,其次是環境友好與農民參與,最后是修復效果的持久性。

        “還是和工業場地相比,農田土壤重金屬污染修復技術的推廣效果目前并不是很好。首先,農田土壤重金屬污染大面積修復技術尚不成熟,設備化欠缺。其次,我國農田土壤類型多樣,重金屬污染程度復雜,不同區域的農田土壤pH值等差異較大,導致一些技術的異地應用效果及穩定性較差。再次,農田土壤重金屬污染大面積修復費用沒有保障,農民參與積極性低,僅靠政府投入將難以為繼。”徐應明說。

        另外,對于一些農田土壤重金屬污染的治理和修復,需要將多種技術進行組合或集成。“比如對于某些重度重金屬污染農田的治理,可以考慮需要先采用植物提取技術,待將土壤重金屬含量降低到一定濃度,可以采用鈍化修復技術并結合農藝調控技術進行治理,以實現農產品安全生產。”他說。

        經得住考驗的才是好技術

        “和所有土壤修復技術一樣,農田修復技術也有其適用的邊界條件,技術的好與不好也有其環境條件和人為因素的限制,只有技術與環境及良好農藝措施的匹配,才能發揮出技術最佳的性能。”徐應明說。

        發現砷超富集植物蜈蚣草,開發出了砷污染土壤植物修復技術,率領課題組形成了農民易于操作的利用植物修復污染土壤的新技術體系,在這方面形成了3套具有知識產權的污染土壤修復成套技術,在湖南郴州建立了第一個植物修復示范工程,并先后在云南、廣西、湖南、河北和河南等地開展產業化示范工作……這是陳同斌利用植物修復技術治理農田污染重金屬的驕人成績,

        在論證技術的實用性時,他總結出了“三三三”準則:即至少有3個工程業績;修復工程至少有3年以上的運營時間;至少已用于3個不同的區域。

        “3個工程業績是指這項技術的成熟化,需要成功治理3個污染農田工程;3年時間周期,是農田修復需要3年的熟化時間,而且農業活動與年度氣候變化有關,所以技術要經過3年的持續檢驗;3個不同地點,是在3個不同土壤、氣候、經濟同等地理區域進行試驗。”陳同斌說,“如果按照這樣來做,并且都能對污染農田起到良好修復效果,那么這項技術就是可行、可推廣的。”

        防范源頭污染是關鍵

        如今,很多人都漸漸意識到,在工程治理與修復市場方面,除了廣西環江、湖南石門、云南個舊等少數通過政府部門驗收的成功案例之外,目前還缺少大規模的技術儲備及成熟案例,修復市場熱度高,誠意不高,修復企業雖然數量多,但真正有技術、有責任、有能力的不多。

        徐應明認為,要加強源頭治理,盡快改變“邊污染,邊修復”的模式。另外,要在農民中建立起“良好的農業生產方式”,“良好的農業生產方式”能夠利于農田污染修復。

        農田修復應該在保證農產品安全的同時,盡可能顧忌農田土壤環境質量的改善,鼓勵探索“邊生產、邊修復”的農田修復模式,從源頭控制重金屬進入食物鏈的風險。

        此外,徐應明還認為,針對目前能夠滿足我國農田土壤重金屬污染大面積修復的技術欠缺,國家仍然需要加大技術研發的投入,健全治理資金投融資機制,進一步研發針對能夠滿足我國不同區域、不同土壤類型及重金屬不同污染水平的分區、分級、分類修復治理關鍵技術,實現農產品安全生產,保障人體健康。

        五色土

        解決農田污染 有何經驗借鑒?

        根據中國環境修復研究院的大數據分析,除我國大陸外,公開資料顯示,日本和中國臺灣地區是全世界僅有的個別開展耕地污染修復的國家或地區。

        日本

        日本曾因礦山未處理廢水流入導致耕地鎘污染,全國受污染耕地約7000公頃(大約10.5萬畝)。

        日本解決耕地污染問題主要使用了客土法,即首先將30厘米厚的表層污染土用推土機剝離,再用挖掘機在田內挖出梯形溝,將地邊的污染土填埋進來,然后將挖出來的非污染土填埋在上部20厘米,作為耕盤土壓實,最后從別處運來凈土覆蓋在表面,層高20.5厘米,配合施用土壤改良劑、有機肥之后就可以耕種了。

        日本正在研究的方法還有3種,一是植物修復,即種植吸收鎘能力強的植物(如“長香谷”),收獲的作物焚燒處理。盡管這種方法還存在抗倒伏性差、施肥多、修復周期長等問題,但它的成本僅為客土法的1/15。

        二是洗凈法,即將修復目標地塊用防水板圍住,向內部注水,攪拌后抽取上清液進行廢水處理,污泥則焚燒處理,可作為沒有客土來源地區的選擇。

        三是改進田間管理,即在水稻出穗期內,將稻田水位維持在2厘米~3厘米,不讓土壤暴露,以此調節水中微生物,降低鎘溶出量,減少作物對鎘的吸收。日本規定,糙米鎘含量高于1.0mg時稻田土壤必須進行客土修復,在0.4mg~1.0mg時則主要通過水分管理控制。

        中國臺灣地區

        由于我國臺灣地區農地污染來源以工業廢水及非法棄置廢棄物為主,因此一旦發現土壤污染,對其所產農作物多采取銷毀措施。2004年,就曾銷毀約3萬公斤鎘超標的稻谷。由土壤及地下水污染整治基金及農業單位給予農民補償,以確保農產品不流入市面。同時要求農民休耕,在休耕期間由相關單位提供補償以保障農民生活。

        針對農地重金屬污染,臺灣地區過去多采用翻耘稀釋法,即將干凈的里土或深層土壤與表層污染充分混合,以達到稀釋目的,但某些區域在修復完成后可能因新的污染源(工業廢水持續排放)或污染物自土壤重新釋出,再度成為污染土壤,也因此管理單位建議農民改種園藝觀賞植物。另外,我國臺灣地區也有實行小規模的植物修復。

        知識沃土

        目前,可用于大面積農田重金屬污染修復技術包括:農藝調控措施、鈍化修復技術、植物修復技術。

        1、農藝調控措施

        原理: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,可顯著降低土壤鎘有效態,降低稻米中鎘的吸收累積。

        特點:農藝調控措施具有操作簡單、費用較低、技術較成熟的優勢,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,需注意的是,種植結構調整有可能導致農民難以接受困難及影響糧食產量。

        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,水田改旱地會增加鎘的生物有效性。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。

        在農田鎘含量處于污染臨界值附近或已受鎘污染的土壤上,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鎘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一定的修復效果。

        2、原位鈍化修復技術

        原理: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。

        特點: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,重金屬鎘、鉛等有效態一般可降低30%~60%,農作物(稻米、蔬菜地上部)中鎘、鉛等含量可降低30%~70%;一般土壤中鎘、鉛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。

        3、植物修復技術

        原理: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倍,其臨界含量分別為鎘100mg, 鋅10000mg,鉛、銅、鎳均為1000mg;同時,植物地上部分的重金屬含量高于根部,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。

        特點: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影響,超積累植物在不同地區生長也有所不同。

        一般超富集植物修復中度污染鎘、砷污染農田至少需要十年以上,甚至長達幾十年至上百年。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。對重金屬輕度污染土壤,一般不宜采用植物修復技術。

        蜈蚣草能“吸毒”?

        蜈蚣草,多年生草本,屬蕨類植物門,喜溫暖潮潤和半陰環境,高1.3m~2m。根狀莖短,披線狀披針形、黃棕色鱗片,具網狀中柱。葉叢生,葉柄長10cm~30cm,直立。

        常地生和附生于溪邊林下的石縫中和樹干上。喜溫暖潮潤和半陰環境。生長適溫3月~9月為16℃~24℃,9月至翌年3月為13℃~16℃。冬季溫度不低于8℃,但短時間能耐0℃低溫。也能耐30℃以上高溫。

        蜈蚣草不僅對一些重金屬有很強的忍耐能力和富集能力,而且生長快、生物量大、地理分布廣、適應性強。實驗研究表明,蜈蚣草所吸附的重金屬多存于葉莖上,這種植物一年可以收割3次之多,收割曬干后送到生物質電廠可以做燃料。蜈蚣草吸附的重金屬在燃燒過程中被固化,所以不再具有危害性。

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