“PRF+”模式新技術(shù)對(duì)農(nóng)田重金屬污染修復(fù)治理的應(yīng)用

＊熊勇華 劉云 王文琪 曾祥榮 文陽(yáng)平 黃純輪,,3*

（1.江西普瑞豐生態(tài)科技有限公司南昌市農(nóng)田重金屬治理新材料工程技術(shù)研究中心 江西 330001 2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)功能材料與農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究所 江西 330045 3.宜春市宜豐生態(tài)環(huán)境局 江西 336000）

引言

水稻是我國(guó)三大糧食作物之一，稻谷年產(chǎn)量占我國(guó)糧食總產(chǎn)量的40%以上，對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有重要意義[1]。但是近些年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)的增加使農(nóng)田土壤受到了嚴(yán)重的破壞，加重了重金屬對(duì)農(nóng)田的污染，給水稻種植帶來(lái)了不可避免的影響[2]。2014年全國(guó)首次土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，我國(guó)土壤重金屬總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，其中耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率更是高達(dá)19.4%[3]。盡管政府、學(xué)者、企業(yè)都對(duì)耕地重金屬污染開(kāi)展了一系列治理修復(fù)，但農(nóng)田重金屬污染現(xiàn)象依然嚴(yán)重。尚二萍等人[4]在全國(guó)五大糧食生產(chǎn)區(qū)的3006個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)，數(shù)據(jù)顯示，2018年耕地土壤重金屬點(diǎn)位超標(biāo)率為21.49%，比2014年公報(bào)中提及的19.4%高出了2個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明我國(guó)耕地重金屬污染呈現(xiàn)加重局勢(shì)，對(duì)農(nóng)田重金屬進(jìn)行有效、徹底的修復(fù)刻不容緩。針對(duì)土壤重金屬污染，湖南省在2014年便首推了“VIP+n”農(nóng)田重金屬修復(fù)技術(shù)模式，利用優(yōu)勢(shì)水稻品種與土壤修復(fù)劑結(jié)合來(lái)降低農(nóng)田的重金屬含量[5]。學(xué)者們對(duì)土壤調(diào)理劑投入品進(jìn)行研究，通過(guò)施加不同的投入品對(duì)農(nóng)田污染重金屬進(jìn)行固化/穩(wěn)定化，取得了一定的研究成果[6-9]。部分學(xué)者通過(guò)種植重金屬超富集植物的方式對(duì)農(nóng)田重金屬進(jìn)行吸附拔除，通過(guò)研究不同重金屬超富集植物對(duì)農(nóng)田重金屬的吸附效果及機(jī)理，篩選出了適合不同重金屬拔除的植物，對(duì)農(nóng)田重金屬修復(fù)的研究提供了較大的幫助[10-11]。盡管已經(jīng)有大量學(xué)者對(duì)農(nóng)田重金屬污染修復(fù)開(kāi)展了系列研究，但大多僅對(duì)農(nóng)田土壤進(jìn)行修復(fù)研究[12-13]，而未對(duì)農(nóng)田水源進(jìn)行源頭監(jiān)控凈化，末端污染秸稈的處理也未得到重視（南方水稻秸稈仍然以還田為主），未形成整體的修復(fù)體系，難以從根源上對(duì)農(nóng)田重金屬污染進(jìn)行拔除，這導(dǎo)致農(nóng)田重金屬污染治理年年反復(fù)循環(huán)、永無(wú)止境[14]。針對(duì)這一現(xiàn)象，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)提出“PRF+”農(nóng)田重金屬污染治理模式新技術(shù)，從水源智能監(jiān)控凈化（P:Purification）、農(nóng)田重金屬污染治理（R:Remediation）、地力提升與作物增產(chǎn)（F:Foison）、秸稈離田再利用（+）入手，形成一條完整的農(nóng)田重金屬污染修復(fù)鏈，從源頭到終端對(duì)農(nóng)田重金屬污染進(jìn)行整體的治理修復(fù)，避免農(nóng)田重金屬污染循環(huán)反復(fù)，徹底解決農(nóng)田重金屬污染難題。

1.農(nóng)田重金屬污染與修復(fù)現(xiàn)狀

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤的健康關(guān)系到糧食的安全，更進(jìn)一步影響著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定[15]。近年來(lái)中國(guó)在經(jīng)濟(jì)、文化、工業(yè)等方面快速發(fā)展的同時(shí)也在加強(qiáng)農(nóng)業(yè)方面的關(guān)注與發(fā)展，在2016年國(guó)務(wù)院就印發(fā)了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》并正式實(shí)施[16]，這也意味著國(guó)家將土壤健康及糧食安全提到了一個(gè)新的高度。

農(nóng)田重金屬污染是指農(nóng)田土壤中污染重金屬的含量過(guò)高，主要的農(nóng)田污染重金屬包括鎘、鉛、砷、鉻、汞、銅、鎳等相關(guān)金屬元素，這些元素會(huì)伴隨植物的生長(zhǎng)進(jìn)入作物的果實(shí)中，繼而進(jìn)入人體內(nèi)危害人體健康，其中鎘元素是糧食作物中污染最廣、相關(guān)污染量最大的重金屬元素。2014年4月環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部聯(lián)合發(fā)布了《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，結(jié)果顯示全國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染嚴(yán)重，全國(guó)土壤總超標(biāo)率達(dá)到16.1%，整體環(huán)境狀況不容樂(lè)觀。2013年湖南益陽(yáng)爆發(fā)的“鎘大米”事件，導(dǎo)致了近百?lài)嵈竺妆讳N(xiāo)毀，農(nóng)民的勞動(dòng)成果與國(guó)家的財(cái)產(chǎn)受到了重大的損失。向捷等[17]在2014年發(fā)表的研究結(jié)果上表示，我國(guó)每年被重金屬污染的糧食高達(dá)120萬(wàn)噸，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)200億元。在湖南“鎘大米”事件爆發(fā)后，農(nóng)田重金屬污染修復(fù)得到了政府及大量學(xué)者的關(guān)注，湖南在此基礎(chǔ)上提出了“VIP+n”的農(nóng)田重金屬修復(fù)體系，構(gòu)建了“低鎘品種（Variety）＋全生育期淹水灌溉（Irrigation）＋施加生石灰調(diào)節(jié)土壤酸堿度（pH）＋輔助措施（N）”的稻米鎘污染控制技術(shù)體系，該體系在一定程度上對(duì)農(nóng)田重金屬污染起到了較好的修復(fù)作用，保護(hù)了土壤的健康與糧食的安全。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者的不斷深入研究，農(nóng)田重金屬修復(fù)也出現(xiàn)了多種多樣的修復(fù)方式，包括物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)、植物吸附技術(shù)、固定穩(wěn)定化技術(shù)、微生物修復(fù)法、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)法、聯(lián)合修復(fù)法等[18-23]相關(guān)技術(shù)，這些技術(shù)在一定程度上對(duì)農(nóng)田重金屬的污染起到了一定的治理修復(fù)效果。但現(xiàn)在為止國(guó)內(nèi)還較少出現(xiàn)一種一體化的農(nóng)田重金屬修復(fù)模式，本團(tuán)隊(duì)在田間實(shí)驗(yàn)研究及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣的基礎(chǔ)上，首次提出能夠?qū)r(nóng)田重金屬污染進(jìn)行一體化治理修復(fù)的“PRF+”農(nóng)田重金屬污染治理模式新技術(shù)來(lái)指導(dǎo)農(nóng)田重金屬污染治理修復(fù)工作。

2.農(nóng)田重金屬污染的危害

重金屬污染對(duì)土壤和生物具有累積毒性效應(yīng)，很難通過(guò)自然降解去除，當(dāng)重金屬進(jìn)入土壤后，其遷移、富集和轉(zhuǎn)化會(huì)造成各種生態(tài)污染效應(yīng)，在受重金屬污染的農(nóng)田進(jìn)行作物種植，會(huì)導(dǎo)致作物的產(chǎn)物受到重金屬污染，進(jìn)而通過(guò)食物鏈傳遞到人體，對(duì)人體產(chǎn)生危害。Md Saiful Islam等人[24]研究了孟加拉國(guó)土壤和蔬菜中微量金屬的污染水平以及對(duì)城市人口的健康風(fēng)險(xiǎn)，研究結(jié)果表明，受重金屬污染的土壤種植出來(lái)的蔬菜均受到了重金屬的污染，而食用受污染蔬菜的總目標(biāo)危害值（THQ）為4.0，遠(yuǎn)大于正常1.0的水平，從而顯示食用受污染蔬菜對(duì)人體健康存在危害；Naseem Zahra等人[25]的研究中提到，鎘對(duì)人體的腎臟、骨骼、腸道等都具有一定的傷害，且會(huì)大幅度提高人體獲得癌癥的可能；Laura D.K.Thomas等人[26]對(duì)埃文茅斯鋅冶煉廠周?chē)┞队阪k和其他重金屬人群的早期腎臟損害進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明生活在埃文茅斯鋅冶煉廠周?chē)娜硕际艿搅随k的影響，其中腎臟的損壞遠(yuǎn)高于正常人，且女性所受的傷害高于男性，同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，直接空氣接觸對(duì)人體的傷害較小，而食用在受污染土壤上種植的自產(chǎn)蔬菜或吸入受污染的灰塵受到傷害更大。

3.“PRF+”農(nóng)田重金屬污染治理新模式技術(shù)

江西普瑞豐生態(tài)科技有限公司聯(lián)合江西農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)農(nóng)田重金屬污染的治理修復(fù)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，針對(duì)農(nóng)田重金屬污染治標(biāo)不治本、年年需投入的現(xiàn)象，進(jìn)行了一系列的產(chǎn)品及相關(guān)方案升級(jí)，最終根據(jù)農(nóng)田重金屬污染的來(lái)源、重金屬污染的特征等相關(guān)特點(diǎn)，首次提出了“PRF+”農(nóng)田重金屬污染治理模式新技術(shù)，該模式通過(guò)水源智能監(jiān)控凈化，農(nóng)田重金屬污染治理，地力提升與作物增產(chǎn)，秸稈離田再利用四個(gè)維度入手，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田重金屬污染一體化治理修復(fù)。

(1)水源智能監(jiān)控凈化

農(nóng)田重金屬污染主要的來(lái)源有大氣沉降、水源引入、人為引入等，其中人為引入主要發(fā)生在有相關(guān)重金屬礦場(chǎng)及工業(yè)廢棄地周邊[27-30]?，F(xiàn)有的重金屬污染修復(fù)治理技術(shù)在源頭治理上關(guān)于人為活動(dòng)所帶來(lái)的污染方面研究較多，在礦場(chǎng)復(fù)墾復(fù)綠、礦場(chǎng)開(kāi)采規(guī)劃、工廠廢氣廢水處理等多個(gè)角度都進(jìn)行了研究，因此人為活動(dòng)對(duì)農(nóng)田重金屬的污染得到了一定的控制，但在非人為活動(dòng)造成的源頭污染治理修復(fù)研究較少。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)長(zhǎng)期的研究發(fā)現(xiàn)田間灌溉水的來(lái)源不穩(wěn)定，存在各種污染因素，其中就包括了各種重金屬離子，這些重金屬離子是在水流經(jīng)過(guò)各種地方后富集而成，陳成忠等[31]的研究表明，盡管水體中的重金屬污染并未超標(biāo)，但在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的沉積后依然會(huì)造成污染風(fēng)險(xiǎn)，部分河段污染程度較高，在進(jìn)行長(zhǎng)期使用后會(huì)導(dǎo)致土壤健康與糧食安全問(wèn)題[32-33]。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)這一情況，研究開(kāi)發(fā)出了水源智能監(jiān)控凈化系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由傳感器、智能水流分口器、堿性吸附鈍化池等部件組成，如圖1所示。運(yùn)行時(shí)傳感器對(duì)水源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在檢測(cè)到水流中存在污染因子時(shí)將信號(hào)傳遞給智能水流分口器，分口器閉合無(wú)污染水源管道閘口，打開(kāi)污染水源管道閘口，使污染水流流入堿性鈍化吸附池內(nèi)進(jìn)行凈化吸附，在凈化完成后無(wú)污染的水流流入農(nóng)田中進(jìn)行灌溉，避免了因水源引入重金屬離子給農(nóng)田帶來(lái)的污染。

圖1 水源智能監(jiān)控凈化系統(tǒng)模式圖

圖2 水源智能監(jiān)控凈化裝置圖

圖3 農(nóng)田重金屬污染治理施工圖

圖4 農(nóng)田地力提升與水稻增產(chǎn)圖

圖5 污染秸稈多聯(lián)產(chǎn)高附加值利用示意圖

(2)農(nóng)田重金屬污染治理

在自然因素及人為因素雙重作用下，重金屬不斷沉積導(dǎo)致我國(guó)大部分農(nóng)田存在重金屬污染，且部分農(nóng)田重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)[34-35]。隨著社會(huì)發(fā)展和對(duì)糧食安全的重視，有著重金屬污染的農(nóng)田已經(jīng)不適合再直接種植糧食[36]。我們需要對(duì)農(nóng)田中的重金屬污染進(jìn)行邊生產(chǎn)邊修復(fù)，對(duì)糧食安全的守護(hù)變得極為重要[37]。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一系列土壤調(diào)理劑，葉面阻控劑，硅基、鈣基、碳基超微可控修土凈水產(chǎn)品，結(jié)合微生物、植物等聯(lián)合修復(fù)技術(shù)和淹水等農(nóng)藝措施進(jìn)行全面修復(fù)治理，實(shí)現(xiàn)在根基、秸稈、作物果實(shí)多重阻控的作用下對(duì)農(nóng)田重金屬污染進(jìn)行治理，同時(shí)保證糧食的正常生產(chǎn)。以水稻種植中鎘污染為例，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)鎘元素的特性，研發(fā)了對(duì)應(yīng)的土壤調(diào)理劑與葉面阻控劑，該土壤調(diào)理劑在水稻種植前以基施的方式施用于農(nóng)田中，通過(guò)離子交換、吸附作用與pH調(diào)節(jié)作用將農(nóng)田中的Cd2+進(jìn)行固化穩(wěn)定化，從而降低Cd2+的活性，使其難以被水稻吸收，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田Cd2+污染的治理。此外項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)也研發(fā)了葉面阻控劑，該葉面阻控劑在水稻灌漿期進(jìn)行使用，通過(guò)噴施的形式使水稻秸稈、葉片快速吸收阻控劑，阻控劑進(jìn)入水稻體內(nèi)后與Cd2+形成競(jìng)爭(zhēng)，阻隔Cd2+進(jìn)入水稻籽粒中，保障糧食安全。該葉面阻控劑還使Cd2+僅停留在水稻秸稈與葉片中，便于后期對(duì)含有Cd2+的水稻秸稈和葉片進(jìn)行離田處理，從而實(shí)現(xiàn)Cd2+離田的效果，通過(guò)3～5年的修復(fù)治理，達(dá)到對(duì)農(nóng)田Cd2+污染的治本性治理。通過(guò)土壤調(diào)理劑和葉面阻控劑的應(yīng)用，結(jié)合農(nóng)藝措施，使作物中鎘含量降低率在30%以上。

表1 “PRF+”模式之農(nóng)田重金屬污染治理的水稻降鎘情況

(3)地力提升與作物增產(chǎn)

在長(zhǎng)期的種植后，農(nóng)田肥力容易出現(xiàn)不同程度的退化，特別是在近二十年來(lái)我國(guó)不少種植戶(hù)片面的追求作物產(chǎn)量提升，盲目使用大量農(nóng)藥化肥，進(jìn)一步造成地力退化，部分田塊糧食產(chǎn)量出現(xiàn)大幅度降低，作物產(chǎn)量減產(chǎn)后部分種植戶(hù)為提高產(chǎn)量進(jìn)一步盲目增加農(nóng)藥化肥的使用，對(duì)農(nóng)田造成二次傷害，農(nóng)田地理環(huán)境不斷惡劣。因此，在農(nóng)田重金屬污染修復(fù)的同時(shí)，積極引導(dǎo)種植戶(hù)重視科學(xué)性提高農(nóng)田地力同樣相當(dāng)重要。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)農(nóng)田地力退化成因，研究開(kāi)發(fā)出“微暴破生物有機(jī)肥”“木本泥炭土壤改良礦源有機(jī)肥”等相關(guān)產(chǎn)品，實(shí)施一地一策略的施肥方式，采用天然有機(jī)物為基礎(chǔ)，科學(xué)的進(jìn)行農(nóng)田施肥，幫助提高土壤肥力。改善土壤結(jié)構(gòu)，降低耕地重金屬遷移率，增加土壤中微生物與有機(jī)質(zhì)含量，提高農(nóng)田肥力，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)。在使用相關(guān)產(chǎn)品和措施后，根據(jù)田間水稻種植測(cè)產(chǎn)產(chǎn)量顯示，水稻的產(chǎn)量增產(chǎn)率接近10%，使在農(nóng)田重金屬污染治理修復(fù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)地力提升，助力作物增產(chǎn)。

表2 “PRF+”模式之地力提升與作物增產(chǎn)的水稻產(chǎn)量情況

(4)秸稈離田再利用

“PRF+”農(nóng)田重金屬污染治理模式新技術(shù)中，在農(nóng)田重金屬進(jìn)行修復(fù)階段，通過(guò)使用葉面阻控劑實(shí)現(xiàn)重金屬停留在秸稈中，避免農(nóng)作物的果實(shí)免受重金屬污染，但如何避免污染秸稈對(duì)農(nóng)田的二次污染則成為難題。實(shí)際上，不僅是經(jīng)過(guò)“PRF+”農(nóng)田重金屬污染治理模式新技術(shù)種植作物的秸稈會(huì)存在重金屬污染問(wèn)題，只要是受污染的農(nóng)田在種植作物過(guò)程中秸稈均會(huì)受到不同程度的污染，盡管傳統(tǒng)的秸稈直接焚燒回田已經(jīng)被禁止，但依舊有大量的農(nóng)戶(hù)甚至企業(yè)通過(guò)秸稈粉碎后與豬糞等相關(guān)有機(jī)質(zhì)混合漚肥的形式將秸稈制成有機(jī)肥進(jìn)行回田，雖然這樣可以有效地對(duì)秸稈進(jìn)行利用并且增加農(nóng)田的有機(jī)質(zhì)，但也在一定程度上導(dǎo)致了重金屬的再度回田，使重金屬在種植過(guò)程中形成了一個(gè)循環(huán)鏈，難以有效從農(nóng)田中拔除。秸稈主要是由C-H組成，主要為木質(zhì)素和纖維素，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)這一特點(diǎn)，對(duì)作物秸稈進(jìn)行材料化利用，一方面研發(fā)污染秸稈多聯(lián)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高附加值利用[36]，通過(guò)熱解氣化、凈化提純、冷卻成型等相關(guān)步驟來(lái)進(jìn)行污染秸稈發(fā)電、供熱、供氣、制備工業(yè)用炭、蜂窩炭等，也可通過(guò)氣化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)重金屬元素與秸稈殘?jiān)姆蛛x，實(shí)現(xiàn)重金屬的提取及提取后無(wú)污染的秸稈殘?jiān)兄朴袡C(jī)肥、炭基肥等相關(guān)方面的應(yīng)用；另一方面根據(jù)秸稈的組成，將秸稈開(kāi)發(fā)成建材、板材[36-37]，使污染秸稈產(chǎn)生額外價(jià)值的同時(shí)有效避免因回田而對(duì)農(nóng)田造成循環(huán)污染。

4.結(jié)語(yǔ)

農(nóng)田重金屬污染一直是農(nóng)業(yè)種植中的一大挑戰(zhàn)，給中國(guó)乃至世界糧食安全及人類(lèi)健康都造成了極大影響，相對(duì)于其他修復(fù)技術(shù)，本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出的“PRF+”農(nóng)田重金屬污染治理模式新技術(shù)在原“VIP+n”基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善，強(qiáng)調(diào)源頭和末端對(duì)重金屬污染治理的貢獻(xiàn)，兼顧地力肥效提升的作用，對(duì)農(nóng)田重金屬污染治理實(shí)現(xiàn)標(biāo)本兼治，能夠有效避免外來(lái)重金屬持續(xù)輸入并實(shí)現(xiàn)農(nóng)田現(xiàn)有重金屬的有效離田；實(shí)現(xiàn)修復(fù)治理與作物種植同時(shí)進(jìn)行，避免因重金屬修復(fù)而造成作物減產(chǎn)；對(duì)地力實(shí)現(xiàn)提升，增加作物產(chǎn)量，做到助農(nóng)豐收，幫助鄉(xiāng)村振興工作的有效開(kāi)展。因此，“PRF+”農(nóng)田重金屬污染治理模式新技術(shù)是一種有效的農(nóng)田重金屬污染根治化修復(fù)技術(shù)模式，這一模式在江西大部分縣市進(jìn)行了推廣應(yīng)用并獲得極好效果，持續(xù)保持該模式的運(yùn)用和完善將對(duì)今后的農(nóng)田重金屬污染治理修復(fù)起到極大的幫助。