文/郭兆熊 國家微生物肥料技術(shù)研究推廣中心
2018年,習(xí)近平總書記在全國生態(tài)環(huán)境保護(hù)大會(huì)上提出:要全面落實(shí)《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》,突出重點(diǎn)區(qū)域,行業(yè)和污染物,強(qiáng)化土壤污染管控和修復(fù),有效防范風(fēng)險(xiǎn),讓老百姓吃得放心,住的安心。
農(nóng)田土壤的污染有原生母質(zhì)重金屬含量超標(biāo),發(fā)育的土壤相應(yīng)也會(huì)超標(biāo);另外則是通過大氣沉降、污染水源灌溉、污染水源側(cè)滲,或者其他人為生產(chǎn)活動(dòng)導(dǎo)致污染。在農(nóng)田土壤中還有大量的農(nóng)業(yè)土壤處于生產(chǎn)障礙,目前大家為了引起社會(huì)的重視,也籠統(tǒng)地歸納為土壤污染范疇。在一些成土母質(zhì)含有重金屬的農(nóng)業(yè)耕作區(qū),土壤的污染將隨著母質(zhì)的風(fēng)化持續(xù)保持,即使修復(fù)也很難實(shí)現(xiàn)安全,一般建議不作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耕地使用。
根據(jù)我國土壤污染普查數(shù)據(jù),全國土壤污染總超標(biāo)率16.1%,其中中輕微、輕度、中度和重度污染點(diǎn)分別占11.2%、2.3%、1.5%、1.1%。污染物以無機(jī)型為主,占82.8%,有機(jī)型次之,復(fù)合型土壤污染比重較小。從區(qū)域看,南方土壤污染重于北方,長江三角洲、珠江三角洲、東北老工業(yè)基地等部分區(qū)域土壤污染問題較為突出。西南、中南地區(qū)土壤重金屬超標(biāo)范圍較大,鎘、汞、銀、鉛四種無機(jī)污染物含量分布呈現(xiàn)從西北到東南,從東北到西南逐漸升高。有機(jī)污染物六六六、滴滴涕、多環(huán)芳烴有機(jī)污染物點(diǎn)位超標(biāo)率占0.5%、1.9%、1.4%。
我們95%的糧食來源于土壤,土壤不僅僅關(guān)系到吃,還是住、行、學(xué)習(xí)、工作等眾多環(huán)境的承載者,所以土壤健康就是人類的健康。
根據(jù)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,農(nóng)田土壤污染主要是重金屬和六六六、滴滴涕、苯并芘等污染物。
當(dāng)土壤中污染物含量等于或者低于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)篩選值時(shí),農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)低,一般情況可以忽略;高于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定風(fēng)險(xiǎn)篩選值時(shí),可能存在農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)加強(qiáng)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)和農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同監(jiān)測(cè)。當(dāng)土壤中鎘、汞、砷、鉛、鉻的含量高于風(fēng)險(xiǎn)篩選值、等于或者低于風(fēng)險(xiǎn)管控值時(shí),可能存在食用農(nóng)產(chǎn)品不符合質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)等土壤污染風(fēng)險(xiǎn),原則上應(yīng)當(dāng)采取農(nóng)藝調(diào)控、替代種植等安全利用措施。當(dāng)土壤中鎘、汞、砷、鉛、鉻的含量高于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)管制值時(shí),食用農(nóng)產(chǎn)品不符合質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)等農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)高,且難以通過安全利用措施降低食用農(nóng)產(chǎn)品不符合質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)等農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn),原則上應(yīng)當(dāng)采取禁止種植食用農(nóng)產(chǎn)品、退耕還林等嚴(yán)格管控措施。
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,農(nóng)業(yè)對(duì)待土壤的看法,土壤不僅僅是生長作物的表層疏松層,它是個(gè)類生命體。農(nóng)業(yè)土壤有著物理、化學(xué)、生物等多方面性質(zhì),它不僅僅固定了作物,同時(shí)向作物提供了生長必需的營養(yǎng)元素、水分、氧氣和溫度等物質(zhì)和能量。一旦農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤的理化、生物性質(zhì)發(fā)生改變,它向作物提供營養(yǎng)元素、水分、溫度、氧氣的能力下降,就說明土壤產(chǎn)生了生產(chǎn)障礙,土壤肥力隨之下降,我們就需要針對(duì)不同的障礙類型,或者形成原因,將會(huì)指定一套有效的、可實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的修正方法。
在石油農(nóng)業(yè)時(shí)代,大量的農(nóng)用化工品投入,生產(chǎn)效率提高的同時(shí),也帶來了一些負(fù)面影響,農(nóng)田土壤生產(chǎn)中出現(xiàn)生產(chǎn)障礙。例如現(xiàn)在比較普遍的土壤酸化、次生鹽漬化、土壤板結(jié)、土壤生物(微生物)數(shù)量下降、重茬障礙等。
農(nóng)田土壤污染種類、濃度、修復(fù)工程量等影響了修復(fù)技術(shù)的選擇?;旧贤寥佬迯?fù)可以分為原位修復(fù)和異位修復(fù)。修復(fù)原理為化學(xué)途徑、物理途徑、生物途徑,或者采用多種技術(shù)聯(lián)合使用。有些地區(qū)除了污染土壤的修復(fù),如果地下水位較淺,污染物在土壤中遷移到地下水體,還需要開展地下水修復(fù)。
土壤污染作為一個(gè)制約人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基本問題正受到日益廣泛的關(guān)注,污染土壤的修復(fù)治理已成為大家十分關(guān)心的問題。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和鄉(xiāng)村的城市化,土壤污染迅速蔓延,污染程度也逐漸加深。污染土壤的治理是根據(jù)污染物和土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)及存在狀態(tài),進(jìn)行有效分離或其他處理,使土壤特性得以恢復(fù)和利用,減輕或消除污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。從根本上說,污染土壤修復(fù)的技術(shù)原理可包括為:
(1)改變污染物在土壤中的存在形態(tài)或同土壤的結(jié)合方式,降低其在環(huán)境中的可遷移性與生物可利用性。
(2)降低土壤中有害物質(zhì)的濃度。目前在土壤修復(fù)行業(yè),已有的土壤修復(fù)技術(shù)達(dá)到一百多種,常用技術(shù)也有十多種,大致可分為物理、化學(xué)和生物三種方法。近年來,在政府財(cái)政支持下,我國開展了多個(gè)類型場(chǎng)地的修復(fù)技術(shù)設(shè)備研發(fā)。盡管可以羅列的土壤及地下水污染的修復(fù)技術(shù)很多,但實(shí)際上經(jīng)濟(jì)實(shí)用的修復(fù)技術(shù)很少。
土壤修復(fù)技術(shù)歸納起來常用的有以下幾種:
固化/穩(wěn)定化法。穩(wěn)定/固化指通過固態(tài)形式在物理上隔離污染物或者將污染物轉(zhuǎn)化成化學(xué)性質(zhì)不活潑的形態(tài),降低污染物的危害,可分為原位和異位兩種。穩(wěn)定/固化法適用于重金屬污染土壤的修復(fù),一般不適用于有機(jī)污染物污染。
物理工程法。物理工程措施包括客土法、換土法、深耕翻土法、電動(dòng)力修復(fù)法等,工程措施具有穩(wěn)定、見效快的優(yōu)點(diǎn),但存在工程量大、投資費(fèi)用高、二次污染隱患等缺點(diǎn),不適宜大面積污染土壤的治理。
化學(xué)淋洗法。土壤淋洗修復(fù)是借助能促進(jìn)土壤環(huán)境中污染物溶解或遷移的化學(xué)/生物化學(xué)溶劑,利用重力作用或通過水力壓頭推動(dòng)淋洗液注入被污染的土層中,然后把含有污染物的液體從土層中抽提出來,進(jìn)行分離和污水處理的技術(shù)。該技術(shù)可用于處理土壤中的污染物有:碳?xì)浠衔?、氯化烴、重金屬、無機(jī)鹽、有機(jī)農(nóng)藥等。
化學(xué)改良法。土壤改良劑也被稱為土壤調(diào)節(jié)劑,一般用來改善土壤的理化性質(zhì)。目前所施用的土壤改良劑或多或少含有一些農(nóng)作物生長所必需的營養(yǎng)元素,在缺素土壤上施用含有相應(yīng)部分微量元素的改良劑還能起到為植物提供養(yǎng)分的作用。目前改良劑種類繁多、效果不盡相同,根據(jù)其效果又具有不同的別稱,如土壤結(jié)構(gòu)劑能促進(jìn)土壤團(tuán)粒形成,土壤固定劑能防止水土流失,以及使用最廣泛的調(diào)節(jié)土壤酸堿度的土壤調(diào)酸劑。以下幾種是針對(duì)改良酸性土壤的調(diào)酸劑。
石灰類改良劑。石灰礦在我國分布廣泛,加之石灰生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用石灰類物質(zhì)非常常見。常見的石灰類物質(zhì)主要有石灰石、生石灰、熟石灰等。施用這類改良劑可以迅速有效地提高土壤pH值,并中和土壤中的潛在性酸,降低土壤溶液中交換性鋁含量,還能補(bǔ)充酸性土壤中缺乏的鈣元素。但在酸性土壤施用石灰也有不足的地方,土壤長期施用石灰會(huì)導(dǎo)致加速土壤K+和Mg2+浸出,停止施加會(huì)出現(xiàn)更強(qiáng)的復(fù)酸化過程。施用石灰還會(huì)加速土壤有機(jī)質(zhì)中富里酸和胡敏酸分解,石灰施入后通過加速土壤C、N循環(huán)會(huì)降低土壤中的N含量。
工業(yè)和礦業(yè)副產(chǎn)品。人們研究發(fā)現(xiàn),白云石、粉煤灰、磷礦粉、磷石膏、堿渣等礦物和淤泥、制漿廢液等物質(zhì)中含有堿性物質(zhì),可以中和土壤中的酸性成分,提高土壤酸堿度。但磷礦粉、磷石膏、堿渣在提高土壤pH值的同時(shí),無法完全消除自身含有的少量重金屬元素(Cd、Cr、Pb等),田間長期大量施用會(huì)增加重金屬積累的風(fēng)險(xiǎn)。
有機(jī)改良劑。施用有機(jī)質(zhì)能增強(qiáng)土壤顆粒凝聚性,改善土壤孔隙結(jié)構(gòu),增強(qiáng)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)??梢允┘拥酵寥乐械挠袡C(jī)物來源十分廣泛,除了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中本身產(chǎn)生的動(dòng)植物殘?bào)w外,還有人畜家禽的糞便、綠肥和草木灰,以及由不同有機(jī)材料制成的生物質(zhì)炭等。生物質(zhì)炭具備比較高的穩(wěn)定性,不容易被土壤中的微生物分解,且生物質(zhì)炭具備比較高的pH值,施加到酸性土壤中可以提高土壤pH值,降低土壤酸度。
生物修復(fù)法。利用生物,特別是微生物催化降解有機(jī)污染物,從而修復(fù)被污染環(huán)境或消除環(huán)境中污染物的一個(gè)受控或自發(fā)進(jìn)行的過程。其中微生物修復(fù)技術(shù)是利用微生物,土著菌、外來菌、基因工程菌,對(duì)污染物的代謝作用而轉(zhuǎn)化、降解污染物,主要用于土壤中有機(jī)污染物的降解。通過改變各種環(huán)境條件,如營養(yǎng)、氧化還原電位、共代謝基質(zhì),強(qiáng)化微生物降解作用以達(dá)到治理目的。
植物修復(fù)法。植物修復(fù)技術(shù)指利用植物及其根際圈微生物體系的吸收、揮發(fā)和轉(zhuǎn)化、降解的作用機(jī)制來清除環(huán)境中污染物質(zhì)的一項(xiàng)新興污染環(huán)境治理技術(shù)。具體地說,就是利用植物的特性來轉(zhuǎn)化、利用污染物,通過氧化-還原或水解作用,使污染物得以降解和脫毒的能力。利用植物根際圈特殊生態(tài)條件加速土壤微生物的生長,顯著提高根際圈微環(huán)境中微生物的生物量和潛能,從而提高對(duì)土壤有機(jī)物的分解能力,以及利用某些植物特殊的積累與固定能力去除土壤中無機(jī)和有機(jī)污染物的能力,被統(tǒng)稱為植物修復(fù)。根據(jù)植物修復(fù)原理可將其分為植物萃取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定以及植物促進(jìn)等技術(shù)。
優(yōu)點(diǎn):治理初期就可以使一半以上的土地直接種植農(nóng)作物,最大限度地保證耕地面積,在耕地面積不足的地方更具優(yōu)勢(shì);污土堆積區(qū)通過套種模式進(jìn)行,上部喬木可以供園林使用,喬木的生長也為地被超富集植物的生長提供了較好的生長環(huán)境,污染治理的同時(shí)也合理利用了土地產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益;成本相對(duì)較低,操作簡(jiǎn)便,易于施工;生態(tài)擾動(dòng)較小,不會(huì)產(chǎn)生二次污染。缺點(diǎn):植物修復(fù)技術(shù)目前仍處在實(shí)驗(yàn)階段,對(duì)于污染環(huán)境治理的具體應(yīng)用而言,還存在一些局限性。植物修復(fù)技術(shù)目前受其局限性制約,無法大面積應(yīng)用于實(shí)地修復(fù);堆積區(qū)的治理周期相對(duì)較長。
植物—微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。微生物通過多種渠道影響土壤中重金屬的生物效應(yīng)。根區(qū)是植物根系和根際微生物作用的場(chǎng)所,微生物的活動(dòng)可以改變土壤溶液的pH值,從而改變土壤對(duì)重金屬的吸附特性;還可產(chǎn)生HS等,可與重金屬反應(yīng),而微生物的細(xì)胞壁或粘液層能直接吸收或吸附重金屬。Akiko等研究表明,豆科植物與重組的根菌之間的共生作用可以提高重金屬的吸收。蔡信德等研究表明,非根區(qū)土中添加鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌總數(shù)有一定的促進(jìn)作用,土壤中微生物生物量最大,從而提高其修復(fù)效果。
改良劑—植物修復(fù)。在土壤中加入土壤改良劑(包括磷酸鹽、石灰、硅酸鹽等)調(diào)節(jié)土壤營養(yǎng)及其物理化學(xué)條件。廖敏等研究表明,在低石灰條件下,土壤中有機(jī)質(zhì)的主要官能團(tuán)羥基和羧基與OH-反應(yīng)促使其帶負(fù)電,土壤可變電荷增加,土壤有機(jī)結(jié)合態(tài)的重金屬比較多。
螯合劑—植物修復(fù)。Cafer等研究了EDTA和檸檬酸對(duì)向日葵修復(fù)重金屬污染土壤的影響,結(jié)果表明,在一定濃度下可提高向日葵對(duì)重金屬Cr、Cd吸收。
電壓—植物修復(fù)。在電壓作用下,電極附近土壤溶液發(fā)生電化學(xué)元素反應(yīng),改變了土壤中的氧化一還原電位、pH等理化性質(zhì),加快土壤固體上重金屬的解吸,提高土壤溶液中重金屬的含量,從而有利于植物的吸收、積累,加快修復(fù)過程。
基因工程—植物修復(fù)。利用基因重組技術(shù)是將具有金屬累積特性的基因?qū)氲缴锪看笄乙资斋@的植物中,并利用該植物特定的受體細(xì)胞與載體一起得到復(fù)制和表達(dá),使受體細(xì)胞獲得新的遺傳特性,最后將轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)行田間試驗(yàn),以確定是否達(dá)到目的。
由于農(nóng)田土壤污染一般面積較大,需要修復(fù)的工程量較大,多采用原位修復(fù)。
可行性原則:一是技術(shù)上可行,選用的修復(fù)技術(shù)對(duì)污染農(nóng)田土壤的治理效果比較好,能達(dá)到預(yù)期目標(biāo),能大面積實(shí)施和推廣;二是經(jīng)濟(jì)上可行,治理成本不能太高,便于推廣,應(yīng)盡量采用成熟度高和可操作性強(qiáng)的技術(shù);
安全性原則:盡可能選擇對(duì)土壤肥力、生產(chǎn)力負(fù)面影響小的技術(shù),在農(nóng)田土壤修復(fù)技術(shù)實(shí)施過程中,不要帶入新的污染物,不產(chǎn)生二次污染,不會(huì)對(duì)農(nóng)田土壤環(huán)境、農(nóng)作物和周邊環(huán)境以及人群健康產(chǎn)生不利影響,風(fēng)險(xiǎn)可接受;
因地制宜原則:根據(jù)土壤的污染面積、污染種類、污染程度、修復(fù)的時(shí)間、成本和未來土地用途等因素綜合考慮,經(jīng)過科學(xué)論證,選擇合理的修復(fù)技術(shù);
修復(fù)周期:修復(fù)技術(shù)在滿足技術(shù)上可行且具備可操作性的前提下,其修復(fù)周期應(yīng)盡可能短,以滿足場(chǎng)地開發(fā)建設(shè)對(duì)時(shí)間進(jìn)度的要求。
目前環(huán)保部門進(jìn)行的土壤修復(fù)項(xiàng)目,都會(huì)嚴(yán)格按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)文件執(zhí)行,并由專家組成專家組充分討論,嚴(yán)格評(píng)審,遵循著土壤污染初步調(diào)查(污染物識(shí)別-采樣檢測(cè)-風(fēng)險(xiǎn)篩選-調(diào)查結(jié)果)步驟開展工作。如果初步調(diào)查存在污染物超過風(fēng)險(xiǎn)篩選標(biāo)準(zhǔn),就需要進(jìn)一步詳細(xì)調(diào)查,確定污染物詳細(xì)污染范圍、污染強(qiáng)度,以及需要修復(fù)的范圍、工程量、修復(fù)目標(biāo)等。
但是,在農(nóng)業(yè)行業(yè)存在著大量的“聲稱”土壤修復(fù)的活動(dòng)。實(shí)際上只是針對(duì)土壤在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的障礙,進(jìn)行土壤調(diào)理、土壤改良。更多的表現(xiàn)在使用土壤調(diào)理劑、土壤改良劑,或者有機(jī)肥、生物有機(jī)肥,或者某些礦物來源的產(chǎn)品,或者組合套餐的方式添加到農(nóng)田中,使其生產(chǎn)障礙得到緩解,從而恢復(fù)部分農(nóng)田土壤肥力。
氮肥的過量施用,導(dǎo)致土壤酸化,從而引起地下病蟲害增加,引起某些作物生理性缺鈣等,通過土壤調(diào)理劑效果是很好的。但是目前這種以調(diào)理劑改良的做法,驗(yàn)證方法多為比較作物根系生長情況,或者測(cè)產(chǎn),或者定性描述地下病蟲害減少等,缺乏定量的評(píng)價(jià)。
在一些作物上,重茬障礙比較突出,有采用調(diào)酸堿度的方法,也有施用有機(jī)肥的方法,也有使用微生物的方法,但是多數(shù)采用自己設(shè)置試驗(yàn),試驗(yàn)評(píng)價(jià)定性多于定量。
不管是肥料,還是調(diào)理劑、改良劑,用作物根系生長情況可以說明一定作用,但是不是唯一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)槟壳稗r(nóng)業(yè)投入品中,刺激作物根系生長的激素使用可以混淆調(diào)理劑的功能。
土壤是個(gè)類生命體,它不僅是農(nóng)業(yè)里面那個(gè)用來固定根系的基質(zhì),土壤肥力包括很多方面,不僅僅是我們知道的營養(yǎng)元素。人類在營養(yǎng)過剩,或者大量攝入一些所謂的保健品后,身體平衡打破,就會(huì)生病。或者不能攝入足夠營養(yǎng),超負(fù)荷工作,也會(huì)生病。土壤和人類一樣,由于過量施用化肥、農(nóng)藥、抗生素等,帶來了水土流失、環(huán)境污染、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降和農(nóng)田生物多樣性減少等一系列問題。土壤生病了,需要給它吃點(diǎn)“藥”,可以重新回到平衡。也許它需要的僅僅是休息,就可以得以恢復(fù)。它需要在自然狀態(tài)下休整,比如說一塊農(nóng)田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)生障礙,如果我們休耕,不再管它,第一年農(nóng)田的生物多樣性就可以得以恢復(fù),第三年它的土壤肥力便可以恢復(fù)。
農(nóng)田土壤修復(fù),目標(biāo)是讓農(nóng)田提供安全的農(nóng)產(chǎn)品,讓人們吃得放心。
區(qū)別土壤污染的概念。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)土壤中,土壤生產(chǎn)障礙發(fā)生比例較大。目前我們場(chǎng)地土壤污染項(xiàng)目正在逐步開展調(diào)查、評(píng)估和修復(fù)。農(nóng)田土壤如果按照農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)沒有超標(biāo)的話,稱土壤生產(chǎn)障礙更加客觀,對(duì)生產(chǎn)障礙給予科學(xué)、客觀的調(diào)理、改良。避免以土壤污染統(tǒng)稱,加大消費(fèi)者對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全的過度焦慮。
完善農(nóng)田土壤障礙消除評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)農(nóng)田土壤生產(chǎn)障礙,如何進(jìn)行科學(xué)、客觀、公開的改良,需要從障礙調(diào)查、改良方案制定、改良效果評(píng)價(jià)等方面根據(jù)實(shí)際情況,制定相關(guān)的實(shí)施、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),給予科學(xué)的評(píng)價(jià)。
對(duì)土壤調(diào)理劑、修復(fù)劑、改良劑應(yīng)該指定更嚴(yán)格的污染物標(biāo)準(zhǔn)。目前市場(chǎng)上各種類型的土壤調(diào)理劑、土壤改良劑、土壤修復(fù)劑、有機(jī)肥改良劑、生物有機(jī)肥修復(fù)劑等產(chǎn)品,原料來源廣、工藝差距大、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管力度弱,有些產(chǎn)品含有一定數(shù)量的潛在污染物,應(yīng)制定更為嚴(yán)格的污染物限量標(biāo)準(zhǔn),防止某些不合格或者有污染風(fēng)險(xiǎn)的投入品,借改良之名,行污染之實(shí)。