北方農(nóng)田土壤有機農(nóng)藥污染現(xiàn)狀及修復技術(shù)綜述

鞠曉璇　樊閱益　王玉軍

【摘 要】結(jié)合了我國北方農(nóng)田的有機農(nóng)藥使用狀況及污染情況，在分析污染物遷移規(guī)律的基礎上，本文詳細介紹了一些國內(nèi)外先進土壤修復技術(shù)手段的原理、實用性及局限，并展望了今后農(nóng)田土壤修復技術(shù)的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】北方農(nóng)田；水土流失；修復技術(shù)

Status and Remediation Techniques of Soil Organic Pesticide Pollution in the North of China

JU Xiao-xuan FAN Yue-yi WANG Yu-jun

（College of Resource and Environment Science， Jilin Agricultural University， Changchun Jilin 130118， China）

【Abstract】Combined with the organic pesticides in northern China farmland use condition and pollution， in the analysis based on pollutant migration patterns were introduced in detail. Some domestic and foreign advanced soil remediation technology principle， practicality and limitations， and looks forward to the the development trend of future farmland soil remediation technology.

【Key words】Farmland in the north of China； Soil and water loss； Remediation techniques

土壤是人類社會生存與發(fā)展中的主要自然資源，也是環(huán)境中萬物生長重要組成因素。因此，農(nóng)田土壤的質(zhì)量環(huán)境與農(nóng)作物質(zhì)量的好壞息息相關(guān)，對人類的身體健康更是影響深遠。化學有機農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而，由于人們長期的不科學合理用藥，大量的耕地受到不同程度的污染，這不僅造成了農(nóng)藥污染的一系列問題，還可能通過生物富集等作用，危害人類健康。美國對農(nóng)藥污染土壤的治理與修復始于20世紀70年代，目前依然與德國等國家走在世界前列。近年來，我國農(nóng)田土壤污染問題得到了學者們越來越多的關(guān)注。而對于北方以農(nóng)業(yè)為主要經(jīng)濟發(fā)展的地區(qū)，農(nóng)田土壤有機農(nóng)藥污染問題加劇。本文針對了我國北方農(nóng)田的有機農(nóng)藥面源污染狀況[1]，結(jié)合了國內(nèi)外一些先進科學的方法技術(shù)，詳細地介紹了與北方農(nóng)田有關(guān)的農(nóng)藥污染的控制技術(shù)。

1 北方農(nóng)田土壤現(xiàn)狀

我國北方農(nóng)作物以玉米、大豆、小麥和水稻為主，蔬菜和中草藥以及其他雜糧亦有種植。原本肥沃的黑土地，略施肥料即可滿足作物生長。然而，由于人們的需求不斷增加，不合理使用有機農(nóng)藥現(xiàn)象嚴重，甚至威脅到人類健康。

當今社會，玉米已經(jīng)發(fā)展成為了集合口糧、飼料以及工業(yè)原料于一體的重要谷類作物，因此人類對玉米的需求也愈來愈大。玉米田的除草劑也從20世紀50年代初期全球通用的均三氮苯類除草劑例如莠去津，發(fā)展到近些年來廣泛使用的三酮類除草劑甲基磺草酮[2]。目前，莠去津仍是我國玉米生產(chǎn)中最重要的除草劑品種，但由于其脫氯與烷基代謝產(chǎn)物造成了地下水體的嚴重污染，經(jīng)植物的代謝過程與環(huán)境的降解作用產(chǎn)生的氧烷基與羥基[3]，均對哺乳動物產(chǎn)生免疫性與毒性作用，已被法國、比利時、德國等若干歐洲國家早已禁用或限制使用。我國還應盡快以混合制劑取代單劑，并加快對其污染土地進行修復。

黑龍江省是我國種植大豆面積最大、產(chǎn)量最高的地區(qū)之一。大豆田雜草約有70余種，2015年我國大豆田登記所使用的除草劑單劑品種有31個，復配劑品種多達59種，其中春大田的三元復配品種17種，占總數(shù)的29%。因此，我國大豆田仍然存在很多問題，其中很大一部分農(nóng)民對單劑品種與復配依據(jù)存在著盲目性和隨意性。在使用除草劑過程中的藥害問題依然時有發(fā)生。并且許多穩(wěn)定型除草劑殘留在農(nóng)田之中極易對后續(xù)敏感作物造成殘留藥害，在長殘留藥害影響下致使后茬作物減產(chǎn)、絕產(chǎn)的事件屢見不鮮，且呈逐年上升狀態(tài)。

由此可見，科學的認識有機農(nóng)藥污染現(xiàn)狀，以及相應的修復技術(shù)研究，已成為北方農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展過程中急需解決的科學問題。

2 污染物在土壤中的遷移規(guī)律

2.1 垂向遷移規(guī)律

污染物垂向遷移指的是污染物質(zhì)隨著水的滲透作用而在土壤中垂直向下的運動，是發(fā)生在土壤顆粒與水之間的解吸、分配或者吸附等綜合性作用。垂向遷移的產(chǎn)生主要由于溶解在土壤顆粒縫隙之中的污染物質(zhì)，隨著水的滲透作用而不斷做垂直向下運動，進而混入地下水而造成其污染。絕大多數(shù)化學性質(zhì)穩(wěn)定的農(nóng)藥，都是從地表隨著水流的垂向遷移作用，下滲進入到含水層中。有機污染物在土壤中的垂向遷移方式主要有兩種：一種，是有機污染物質(zhì)隨著水流通過質(zhì)地均勻的土壤顆粒介質(zhì)，流速較慢且數(shù)量不大，大部分的農(nóng)藥都是采用這種方式做垂向遷移運動；另一種，則是有機污染物質(zhì)隨水的流動，通過土壤顆粒中間的縫隙或是蚯蚓的洞道以及植物的根系等大直徑孔道而遷移到土壤下層[4]。中間的土壤層是連接著地下水與地表水的主要過渡帶，且可凈化入滲水并保護地下水體，但是這種保護并不是無限度的保護。隨著人口數(shù)量的大幅度增加和農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，有機農(nóng)藥的濫用現(xiàn)象日益加劇，大量未經(jīng)處理的污水直接或者間接排入河流海洋，造成了深遠的有機農(nóng)藥污染問題。

2.2 橫向遷移規(guī)律

從水土流失的角度來看，當土體的抵抗力小于水的破壞力時，便會引起污染物質(zhì)的橫向遷移作用，即水土流失作用[5]。然而，造成水土流失作用的因素有很多，降雨、地質(zhì)地貌、植被措施以及人為活動等因素均在一定程度上影響著水土流失的發(fā)生與發(fā)展。其中，降雨是水土流失的原動力，植被、坡面和人為因素對水土流失有重要影響。一旦橫向遷移發(fā)生，會加劇土壤中養(yǎng)分流失，導致可利用土地面積減少，毀壞農(nóng)田；還會導致水質(zhì)惡化，物種多樣性降低，自然景觀遭到嚴重破壞。

3 修復技術(shù)

3.1 物理修復技術(shù)

物理修復是指通過溫度、電動力或者其他物理因素將污染物從土壤中分離出來的修復技術(shù)，常用的有熱脫附、蒸汽浸提、通風、固化和填埋等。其中，蒸氣浸提修復技術(shù)以其實用性強且不破壞土壤結(jié)構(gòu)而被廣泛使用。但不足之處在于應用到原位土壤中，下層土壤的異質(zhì)性、低滲透性、地下水位高等都可能成為其限制因素。熱脫附技術(shù)是利用熱量交換的原理，將土壤加熱到足夠有機污染組分蒸發(fā)的溫度使其蒸發(fā)，從而達到污染物與土壤分離的目的。近年來，興起了微波熱脫附和遠紅外線熱脫附技術(shù)，可在一定程度上達到更好的修復效果。但是，高腐蝕性的進料往往會對處理單元產(chǎn)生破壞影響，以及高黏土含量與處理費用等相關(guān)問題還有待進一步研究。

3.2 化學修復技術(shù)

化學修復技術(shù)就是利用化學原理、反應或試劑，來減少或者去除土壤中有機污染物，以達到農(nóng)田土壤的治理與修復的目的?；瘜W修復技術(shù)主要包括化學淋洗技術(shù)、還原脫氯修復技術(shù)、氧化還原修復技術(shù)以及溶劑浸提等技術(shù)?；瘜W淋洗法又稱洗土法或萃取法，是用含有化學助劑的水溶液或清水淋洗液淋洗被污染的土壤。研究表明，在適宜條件下Tween80對DDTs的去除率最高達70%左右[6]。多種化學試劑都對PCBs有較高的溶解性，5%的正己烷與丙酮混合溶液對Aroclor1016的移除效率為95.4%[7]。因此以其技術(shù)范圍廣、效果顯著等優(yōu)點，奠定了良好的應用前景。但是如果土壤粘粒含量達到25%左右，將不考慮該項技術(shù)。

3.3 生物修復技術(shù)

生物修復技術(shù)的研究始于20世紀90年代初期，是指通過土壤生物（包括動植物及微生物單獨或聯(lián)合作用）吸收、降解和轉(zhuǎn)化的作用，使土壤污染物含量降低或?qū)⒍竞ξ镔|(zhì)轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的過程。生物修復技術(shù)主要包括微生物修復技術(shù)、植物修復技術(shù)和動物修復技術(shù)，其中以微生物修復技術(shù)與植物修復技術(shù)的研究應用最為廣泛。

3.3.1 微生物修復技術(shù)

微生物修復技術(shù)的研究始于20世紀50年代左右，從目前來看，是最具發(fā)展?jié)摿蛻们熬暗募夹g(shù)[8]。主要有兩種微生物修復技術(shù)原理：一是，利用某些微生物本身能以有機污染物作為唯一碳源和能源進行代謝。這種方法不會產(chǎn)生二次污染物或?qū)е挛廴巨D(zhuǎn)移，且微生物類型廣泛，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)了大量細菌、真菌、放線菌、藻類等農(nóng)藥降解菌[9]。二是，利用微生物與其他有機物共代謝作用，以此來對有機農(nóng)藥進行降解作用。其中，微生物的數(shù)量、種類都對其降解作用有著不同程度的影響。而且，微生物個體微小，還存在與修復現(xiàn)場土著菌株競爭等不利因素。若要形成新的生態(tài)型結(jié)構(gòu)充分利用土著微生物，建立固定化的農(nóng)藥生物降解模型[10]。

3.3.2 植物修復技術(shù)

植物修復是近年來興起的一種新方法，其作為專業(yè)術(shù)語在20世紀80年代才被提出[11]。植物修復是以太陽能為能源，利用植物來使環(huán)境污染物無害化的綠色生物技術(shù)，有著其他傳統(tǒng)修復處理技術(shù)無法相比的優(yōu)勢。研究表明，適量的螯合劑可以顯著提高油菜對Pb的轉(zhuǎn)運效率，同時可以加快Pb由根部系統(tǒng)向地上部轉(zhuǎn)移的速率[12]。由此可見，關(guān)于植物修復技術(shù)研究的重點應該在有強有機污染物吸收能力，并且可分泌特異性物質(zhì)的植物上，再通過接種專性或非專性細菌和真菌的方式，以建立起高效率的植物修復體系[13]。此外，現(xiàn)在分子生物技術(shù)正處發(fā)展之中，如果可以將兩者結(jié)合，那么在提高植物修復的實用性方面將有實質(zhì)性突破。植物修復技術(shù)以其獨特的優(yōu)點必將成為污染環(huán)境修復研究熱點之一。

4 結(jié)語

我國是農(nóng)業(yè)大國，對農(nóng)田土壤的依賴更高于其他發(fā)達國家。因此，要更加重視對農(nóng)田土壤的保護以及各種物質(zhì)對農(nóng)田土壤的污染，特別是有機農(nóng)藥的殘留、遷移和轉(zhuǎn)化等相關(guān)問題。近年來，我國的修復技術(shù)進步比較迅猛，例如，科研人員在微生物降解途徑、資源以及其修復技術(shù)等方面取得了一定的技術(shù)研發(fā)。但是，在應用中還需要解決類似溫度、環(huán)境、技術(shù)組合以及兼容性等一系列實際問題，還可開展多種修復技術(shù)之間的組合研究?？傊萍荚谶M步，相信在我們的努力下，修復技術(shù)很快會大規(guī)模應用到實際中去，在生態(tài)環(huán)境友好的基礎上，實現(xiàn)最高效的農(nóng)田土壤修復。

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