耕地重金屬鎘污染安全利用修復(fù)

廖紹群 傅凱文

（1.新余市生態(tài)環(huán)境污染防治渝水中心，江西 新余 338000；2.新鋼集團(tuán)安全環(huán)保部，江西 新余 338000）

0 引言

當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染整體態(tài)勢不容樂觀，全國約有兩千萬公頃耕地受到不同程度的鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染，約占耕地總面積的1/5［1］。2014年《全國土壤調(diào)查公報(bào)》顯示土壤鎘的點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%，位于八大超標(biāo)金屬元素之首［2］。根據(jù)2019年新余市渝水區(qū)農(nóng)用地土壤污染詳查，羅坊鎮(zhèn)受污染耕地面積359.4 hm2，為集中連片區(qū)域，占比18.2%，其中：羅家村153.2 hm2，坪塘村123.2 hm2，松林村82.8 hm2，土壤類型為石灰?guī)r發(fā)育的水稻土壤，主要污染特點(diǎn)為輕度鎘污染（土壤Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.27～0.83mg/kg，pH值4.60～6.20），其鎘含量高于《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）風(fēng)險(xiǎn)篩選值0.3 mg/kg，低于風(fēng)險(xiǎn)管制值1.5 mg/kg，在受污染區(qū)塊內(nèi)隨機(jī)采樣成熟水稻，水稻也存在不同程度的鎘超標(biāo)，原則上應(yīng)當(dāng)采取農(nóng)藝調(diào)控等技術(shù)進(jìn)行修復(fù)并安全利用。

1 污染成因

土壤重金屬污染的主要類型是外源性污染，通過污水灌溉、農(nóng)藥化肥施用、大氣沉降等外源因素輸入，加劇農(nóng)業(yè)土壤中的重金屬污染物含量超標(biāo)。該地種植水稻，通過實(shí)地調(diào)查，主要原因有3個(gè)：一是該地塊灌溉水來自袁河，經(jīng)過多個(gè)村莊后進(jìn)入農(nóng)田，在袁河上游和附近區(qū)域存在較多家禽家畜養(yǎng)殖場，以養(yǎng)豬、養(yǎng)雞鴨居多，養(yǎng)殖場在養(yǎng)殖過程中會(huì)產(chǎn)生大量的養(yǎng)殖廢水，有些養(yǎng)殖廢水未經(jīng)處理或未達(dá)標(biāo)直接排入河道，而養(yǎng)殖廢水夾雜的動(dòng)物糞便中含有重金屬、氨氮等成分；二是在袁河上游存在一些采礦區(qū)和污染企業(yè)，由于對洗礦廢水、工業(yè)污水、生產(chǎn)粉塵等的處置措施不到位，導(dǎo)致廢水通過地表徑流流入袁河（主要的灌溉水水源），隨著長期使用這類污水進(jìn)行灌溉，同時(shí)含重金屬的粉塵隨大氣飄落到農(nóng)田，使土壤中金屬含量上升、土壤中重金屬形態(tài)發(fā)生改變，造成農(nóng)田重金屬污染；三是不合理地施用化肥或者施用了含有鎘等重金屬的農(nóng)藥，如磷肥含鎘比較高，施用加量就會(huì)導(dǎo)致重金屬鎘含量上升，一些農(nóng)藥中也含有鎘、汞、鉛、鋅等重金屬，正常施農(nóng)藥也增加土壤鎘含量［3］。

2 修復(fù)技術(shù)

土壤重金屬污染修復(fù)難度大、危害影響深遠(yuǎn)、治理周期長，需要根據(jù)不同情況選擇合適的修復(fù)技術(shù)。耕地土壤重金屬修復(fù)技術(shù)主要包括化學(xué)修復(fù)、物理修復(fù)、農(nóng)藝調(diào)控。

2.1 化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)是指在受重金屬污染的土壤中添加穩(wěn)定化劑、抑制劑等化學(xué)物質(zhì)，來改變土壤pH值、氧化還原電位等理化性質(zhì)，經(jīng)氧化還原、沉淀、吸附、抑制、絡(luò)合螯合和拮抗等作用來降低重金屬。其中的原位化學(xué)固定修復(fù)方法應(yīng)用較為廣泛，其技術(shù)核心是向污染土壤中加入土壤鈍化劑改變土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)，通過對重金屬的吸附、離子交換、沉淀或共沉淀作用，改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)和存在狀態(tài)，從而降低其生物有效性和遷移性，減少重金屬元素對動(dòng)植物的毒性及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，該方法不僅成本低，易于實(shí)施，且當(dāng)季修復(fù)效果明顯，特別適用于大面積中輕度的重金屬污染耕地治理，具有較明顯的技術(shù)優(yōu)勢，但是，鈍化技術(shù)只是暫時(shí)鈍化重金屬，降低其活性，并未降低土壤中重金屬總量，一旦環(huán)境條件發(fā)生改變（比如施肥、植物吸收等帶來的酸化），已鈍化的不同形態(tài)的重金屬可能再次陸續(xù)釋放，重新造成污染。

2.2 物理修復(fù)

物理修復(fù)法通常是通過物理工程，如換土、客土、深耕翻土等工程措施，達(dá)到降低土壤重金屬污染物含量，取得土壤修復(fù)的預(yù)期效果［4］?？屯吝m用于重度污染區(qū)域，深耕翻土適用于輕度污染土壤。物理修復(fù)法是一種較早使用的治本修復(fù)技術(shù)，具有治本、穩(wěn)定等效果［5］，主要針對污染嚴(yán)重的較小地塊修復(fù)效果較明顯，但存在二次污染問題，容易導(dǎo)致土壤的結(jié)構(gòu)破壞和肥力下降，對污染面積較大的土壤需要消耗大量的人力和財(cái)力。

2.3 農(nóng)藝調(diào)控

農(nóng)藝調(diào)控技術(shù)是指采取農(nóng)藝措施對耕地土壤進(jìn)行有效調(diào)控，直接或間接達(dá)到修復(fù)耕地重金屬污染的目的，主要有重金屬低積累品種替代種植、施用對重金屬有拮抗作用的肥料、調(diào)理土壤pH值等措施［6］。農(nóng)藝調(diào)控適用于輕微和輕度重金屬污染耕地的修復(fù)，需要及時(shí)跟蹤監(jiān)測土壤和農(nóng)作物中的重金屬含量，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整農(nóng)藝調(diào)控技術(shù)。該技術(shù)不會(huì)改變土壤耕作性質(zhì)，操作簡單方便、技術(shù)較成熟、費(fèi)用不高，只是修復(fù)效果有限［7］。

3 修復(fù)技術(shù)篩選

現(xiàn)有市場應(yīng)用的耕地重金屬污染修復(fù)技術(shù)，根據(jù)各自的適宜污染程度、修復(fù)成本、修復(fù)周期、修復(fù)效果、優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行簡要比選，其結(jié)果如表1。

表1 修復(fù)技術(shù)篩選

原位鈍化技術(shù)長效性不足，一旦環(huán)境條件發(fā)生改變（比如施肥、植物吸收等帶來的酸化），已鈍化的不同形態(tài)的重金屬可能再次陸續(xù)釋放，重新造成污染；南方水稻根系較淺，并且稻田常年耕作形成的致密犁底層對稻田保水保肥功效顯著，在南方的水稻田一般不推薦過度深翻打破犁底層；葉面阻控是在作物關(guān)鍵生育期噴施具有拮抗或生理調(diào)控的葉面肥，有效阻控重金屬往籽粒里轉(zhuǎn)運(yùn)，最終降低籽粒重金屬超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)，該技術(shù)效果很不穩(wěn)定，一般須聯(lián)合其他技術(shù)共同使用；植物修復(fù)技術(shù)成本高，并且后處理困難，不適合羅坊鎮(zhèn)輕度鎘污染修復(fù)；替代種植適合重度重金屬污染的土壤修復(fù)，羅坊鎮(zhèn)以種植水稻為主，很難改變農(nóng)戶種植習(xí)慣。

針對羅坊鎮(zhèn)受污染耕地輕度鎘污染特點(diǎn)，本著安全性、可行性和因地制宜原則，初步篩選出低鎘積累作物種植技術(shù)。

3.1 低鎘積累品種種植

低鎘積累水稻種植屬于農(nóng)藝調(diào)控修復(fù)措施，在理化性質(zhì)相同的耕地種植不同品種的水稻，因鎘吸收累積量不同導(dǎo)致成熟水稻鎘含量有差異，所以可以通過種植低鎘積累水稻來降低鎘含量，已有研究表明篩選低累積作物對于輕、中度鎘污染土壤的修復(fù)及安全利用可行。

供試土壤來自渝水區(qū)羅坊羅家村，供試面積0.07 hm2，常年種植雙季稻，供試品種為黃華占，試驗(yàn)前耕作層土壤基本理化性質(zhì)為：土壤pH值5.41，總鎘0.61 mg/kg，鎘含量高于《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）風(fēng)險(xiǎn)篩選值0.3 mg/kg。對供試土壤分別種植5種不同水稻品種，檢測稻谷中鎘含量見表2。

表2 不同鎘積累水稻試驗(yàn)效果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，5種不同品種水稻種植成熟后鎘含量有一定差距，其中美香新占和湘晚12鎘含量低于0.5 mg/kg，但鎘濃度還不是十分理想，可以聯(lián)合其他措施使用。低積累水稻主要通過減少鎘由根部向地上部轉(zhuǎn)移的方式來降低可食部位鎘的濃度，在種植低鎘積累水稻的同時(shí)，可通過減少水稻根細(xì)胞所處環(huán)境、鎘吸收途徑可進(jìn)一步降低地上部位鎘的濃度。當(dāng)土壤呈酸性，鎘溶解性強(qiáng)，其有效性和遷移性增強(qiáng)；當(dāng)土壤呈堿性，鎘形成氫氧化物沉淀，有效性和遷移性降低，危害性會(huì)明顯降低，因此采取措施升高土壤pH值，低鎘積累成熟水稻鎘含量會(huì)進(jìn)一步降低。

3.2 聯(lián)合修復(fù)

低鎘積累水稻種植可以一定程度降低成熟水稻鎘含量，通過種植美香新占和湘晚12兩種水稻品種，其鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近0.5 mg/kg，高于0.2 mg/kg，嘗試通過調(diào)節(jié)土壤pH值，用有機(jī)肥替代常規(guī)肥和低鎘積累水稻種植聯(lián)合修復(fù)。就聯(lián)合修復(fù)進(jìn)行了小試和中試。

小試供試土壤來自渝水區(qū)羅坊坪塘村，供試面積0.34 hm2，常年種植雙季稻，供試品種為黃華占，試驗(yàn)前耕作層土壤基本理化性質(zhì)為：土壤pH值5.73，鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.26 mg/kg。對供試土壤分別施用2種不同修復(fù)組合，試驗(yàn)修復(fù)效果如表3。

表3 小試聯(lián)合修復(fù)試驗(yàn)效果

中試供試土壤來自渝水區(qū)羅坊羅家村，供試面積13.4 hm2，常年種植雙季稻，供試品種為黃華占，試驗(yàn)前耕作層土壤基本理化性質(zhì)為：土壤pH值5.24～5.54，總鎘0.337～0.765 mg/kg。采取低鎘積累品種+石灰+有機(jī)肥的聯(lián)合措施進(jìn)行安全利用，水稻成熟后在區(qū)域內(nèi)采集10個(gè)稻谷樣品檢測其鎘含量，檢測結(jié)果如表4。

表4 中試聯(lián)合修復(fù)試驗(yàn)效果

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，聯(lián)合修復(fù)鎘處理效果更佳，采取低鎘積累品種+石灰+有機(jī)肥的聯(lián)合措施，在土壤鎘1.26 mg/kg情況下（超風(fēng)險(xiǎn)篩選值76℅）可以實(shí)現(xiàn)稻谷中鎘不超標(biāo)，低于標(biāo)準(zhǔn)0.2 mg/kg；在土壤鎘本底值更低的情況下，可以極大地降低稻谷鎘含量，80%的點(diǎn)位水稻鎘含量都低于0.1 mg/kg。

羅坊鎮(zhèn)受污染耕地呈弱酸性（pH值4.60～6.20），酸性土壤會(huì)增加鎘的解吸，促進(jìn)鎘被水稻根部吸收。向土壤灑石灰可中和酸性，使土壤pH值升高，高p H值土壤會(huì)導(dǎo)致Cd2+水解，生成Cd（OH）2和Cd3（PO4）2沉淀，進(jìn)而減少鎘的遷移，使得水稻籽粒中鎘含量降低。常規(guī)肥（如磷肥）含鎘比較高，用有機(jī)肥代替磷肥可從源頭減少鎘污染，并且土壤中有機(jī)質(zhì)的含量在一定程度上影響重金屬的遷移轉(zhuǎn)化，有機(jī)質(zhì)通過直接吸附或腐殖質(zhì)與鎘形成穩(wěn)定化合物降低有效性鎘的濃度。

4 修復(fù)方案及動(dòng)態(tài)監(jiān)測

考慮不同修復(fù)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、成熟性、工程適用性、適宜土壤污染程度等多方面因素，結(jié)合“江西省受污染耕地安全利用治理修復(fù)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整試點(diǎn)2018—2019年度實(shí)施方案和技術(shù)要點(diǎn)（贛農(nóng)辦字［2018］28號(hào)）文件”，以及羅坊鎮(zhèn)土壤重金屬鎘污染以“輕度污染”為主的需求情況，可采用種植低鎘積累品種+石灰+有機(jī)肥的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。

修復(fù)實(shí)施前、實(shí)施中和實(shí)施后，應(yīng)依據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 166—2004）、《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（NY/T 395—2012）、《農(nóng)用地污染土壤修復(fù)項(xiàng)目管理指南（試行）》及《耕地污染治理效果評價(jià)準(zhǔn)則》（NY/T 3343—2018），對修復(fù)地塊土壤、植物（水稻、其他經(jīng)濟(jì)作物）、灌溉水等進(jìn)行有效動(dòng)態(tài)監(jiān)測重金屬含量，以動(dòng)態(tài)調(diào)整修復(fù)細(xì)節(jié)，邊生產(chǎn)、邊修復(fù)，邊試驗(yàn)、邊優(yōu)化。

5 結(jié)語

耕地是人類賴以生存的重要資源，其重金屬污染直接影響我國糧食安全，保護(hù)耕地人人有責(zé)，耕地重金屬污染治理迫在眉睫。然而土壤重金屬污染情況較為復(fù)雜，要結(jié)合污染程度及來源具體分析，因地制宜運(yùn)用化學(xué)、物理、農(nóng)藝調(diào)控等治理修復(fù)方法，力爭達(dá)到最佳修復(fù)效果，進(jìn)一步推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。：