農(nóng)田土壤重金屬修復技術講座

1、我國農(nóng)田土壤重金屬污染及其修復土壤修復講座土壤修復講座我國土壤重金屬污染現(xiàn)狀農(nóng)田土壤重金屬修復技術農(nóng)田土壤重金屬修復案例重金屬污染土壤控制對策主要內(nèi)容主要內(nèi)容我國土壤重金屬污染現(xiàn)狀農(nóng)田土壤重金屬修復技術農(nóng)田土壤重金屬修復案例重金屬污染土壤控制對策主要內(nèi)容主要內(nèi)容重金屬：比重 5.0；大約有50種（不包括天然放射性和人工合成放射性核素）元素周期表l 在國民工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要作用l 礦山開采、金屬冶煉、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)藥、飼料添加劑等引起重金屬污染問題l 不可降解，進入環(huán)境會不斷累積l 高毒性、持久性、生物放大效應為什么出現(xiàn)土壤重金屬污染？有色金屬礦山開采：廢氣、廢水、尾礦pH 4.17；Cu 11

2、.04；Zn 9.66; Cd 0.015；Pb 1.34 mg/L土壤水(mg/L)Cu 1.55 Zn 14.8 Cd 0.024 Pb 0.048 表層土壤(mg/kg)Cu 561 Zn 1135 Cd 2.45 Pb 429 當?shù)剞r(nóng)作物重金屬污染大白菜: Cu 15.0；Zn 62.8；Cd 0.2；Pb 1.5 mg/kg我國鉛、鎢礦分布圖廢水廢石廢渣廢氣土壤污染我國土壤污染趨勢流域性和區(qū)域性污染增加50%增加10-40%Cd 湖南湖南. .益陽益陽0.00.10.20.30.40.50.6020406080100背 景 值 頻度(%)Cd總 量 (mg kg-1)江蘇江蘇. .蘇

3、州蘇州4.5%超標59.2% 0.2 ppm11.1% 1.0 ppm中科院紅壤生態(tài)試驗站長期肥料試驗李本銀, 周東美 等, 土壤學報, 2008國家糧食衛(wèi)生標準為 200 g/kg稻米Cd含量(ug/kg)認識：有機肥農(nóng)業(yè)并不安全！我國設施農(nóng)業(yè)概況l我國設施農(nóng)業(yè)栽培面積達到86.7萬公頃，按絕對面積計算為世界第一。其中塑料中小棚40.7萬公頃，占46.9；塑料大棚23.3萬公頃，占269；溫室22.7萬公頃，占26.2。l設施農(nóng)業(yè)在我國各地得到了廣大推廣，目前我國已經(jīng)成為世界上設施栽培面積及總產(chǎn)量最大的國家 。重金屬積累和有效性提高更為顯著CuCd南京市江寧區(qū)湖熟鎮(zhèn)設施蔬菜基地種植5年以上重

4、金屬即出現(xiàn)明顯積累；10年以上土壤Cd最高可高出露天菜地5倍；也受土地利用類型影響山東壽光設施蔬菜土壤重金屬隨種植年限的變化Ecotoxico. Environ. Saf., 2013. 97: 204-209; 98: 324-330 Sci. Total Environ., 2013. 470-471: 1140-1150設施土壤環(huán)境問題l 團粒結構被破壞，土壤容重變小，土壤板結，通氣透水性差。l 長期大量使用化學肥料，尤其是許多生理酸性肥料或者氮肥均會造成土壤酸化。l 缺少雨水淋溶作用，且土壤蒸發(fā)程度高，出現(xiàn)土壤鹽分累積，最高可達到露地土壤的20 倍以上。l 經(jīng)常處于高溫高濕條件，土壤中

5、真菌等各種病菌大量繁殖，侵害蔬菜秧苗培育和設施大田的種植生長， 病菌的繁殖危害極大影響到設施蔬菜的產(chǎn)量與品質(zhì)。土壤污染現(xiàn)狀l 2006-2010年間，國家環(huán)保部和國土資源部開展了全國土壤現(xiàn)狀調(diào)查及污染防治專項，資金達10億元。l 截至2010年底，全國共采集土壤、農(nóng)產(chǎn)品等各類樣品21,3754個，獲得有效調(diào)查數(shù)據(jù)495萬個，制作圖件近1,1000件。建成全國土壤污染狀況調(diào)查數(shù)據(jù)庫和樣品庫。全國土壤污染狀況調(diào)查公報耕地：土壤點位超標率為19.4%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環(huán)芳烴。 從污染分

6、布情況看，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)土壤重金屬超標范圍較大。土壤污染現(xiàn)狀l 2012年，財政部與農(nóng)業(yè)部兩部委聯(lián)合印發(fā)了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染防治實施方案，財政部向農(nóng)業(yè)部撥款8.27億，由農(nóng)業(yè)部在未來五年的時間內(nèi)對全國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的土壤污染狀況進行調(diào)查。l 農(nóng)業(yè)部組織全國農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站開展調(diào)查，全國有130多萬個點位，其中江蘇、江西各3萬多個點，山東、山西各6萬多個點。l 檢測重金屬主要包括：Cd，Cr，Pb，As，Hg。我國土壤重金屬污染現(xiàn)狀農(nóng)田土壤重金屬修復技術農(nóng)田土壤重金屬修復案例重金屬污染土壤控制對策主要內(nèi)容

7、主要內(nèi)容修復思路從區(qū)域、流域角度從區(qū)域、流域角度l 工礦企業(yè)廢水、廢氣、廢渣達標排放l 存在風險或潛在風險的尾礦庫、矸石堆和開采面等的復墾l 廢水的凈化處理：嚴格阻斷污染源對農(nóng)田系統(tǒng)重金屬的供給 避免：邊修復、邊污染l 客土法l 調(diào)節(jié)pHl 土壤改良l 植物修復l 微生物修復l 動物修復（如蚯蚓等）l 化學淋洗l 電動 重金屬污染耕地修復技術l 1980s，改良研究，最早與礦區(qū)和污灌等污染有關l 1990s，植物修復l 2000s，電動修復，微生物修復，動物修復（蚯蚓）、聯(lián)合修復技術農(nóng)田修復l 土壤調(diào)查、評估、分級：農(nóng)產(chǎn)品安全性、土壤重金屬有效性（快速診斷技術，不同來源重金屬其生物有效性存在差

8、異）l 降活：改良劑（降低重金屬活性或釋放能力）吸附、絡合、沉淀、新礦物；競爭（Ca，Mg，H等）；l 減存：植物（作物、超積累植物、能源植物、草坪草等）移除（經(jīng)濟效益和二次風險問題）l 降活與減存是一對矛盾。前茬植物影響后茬植物中低度污染農(nóng)田需加強水肥管理和品種l 淹水可以有效降低水稻Cd吸收，而增加對As等的吸收。對Cd問題，淹水減少吸收，但增加收割的困難。機械設備問題？l 生理酸性肥料如NH4+-N會降低土壤酸度，應避免使用l 集約化養(yǎng)殖畜禽糞肥應該慎用，防止帶入重金屬l 品種吸收確有差異，應進一步加強。但品種產(chǎn)量和退化問題需考慮編號編號品種名品種名CdZnCu1A160.0125.68

9、.332JY2930.0125.54.833JY2530.0124.74.984Z7330.0226.37.185YK190.0320.14.576XS090.0328.55.057BraUL0.0324.55.528ZZY10.0718.83.899A582.9631.311.010A543.8329.912.111A394.5029.410.212A825.4522.310.113A1846.5632.110.914A706.7430.914.815A1587.8629.510.216A1598.6527.410.5鎘低積累水稻品種篩選 利用這些Cd低積累水稻品種，可實現(xiàn)低污染農(nóng)田土壤的安

10、全生產(chǎn)。田間條件下，隨著鈣鎂磷肥施用量的增加，水稻產(chǎn)量逐漸增高，分別為5706 kg hm-2、6504 kg hm-2和7265 kg hm-2。施用鈣鎂磷肥對水稻地上部重金屬含量的降低有良好作用。田間試驗水稻地上部鋅鎘濃度變化（水稻品種A16) 水稻高產(chǎn)栽培技術不同水分管理下成熟期水稻糙米總As和Cd濃度 灌溉糙米As濃度升高，而Cd濃度降低；Cd的變化比As明顯； Cd輕度污染土壤上傳統(tǒng)灌溉和淹水保證安全生產(chǎn)As變化范圍：變化范圍：1.3-2.1倍倍Cd變化范圍：變化范圍：8.5-40.8倍倍調(diào)節(jié)土壤pH土壤重金屬吸附與pH關系土壤pH緩沖作用時間pH如：石灰石、生石灰等改良劑對稻米Cu

11、、Cd含量的影響施用改良劑處理稻米中Cu、Cd含量分別降低了7.64%37.07%和13.63%50.38%。紫云英、鋅肥和CK處理稻米中Cd含量超出“食品中鎘限量衛(wèi)生標準”（0.2mg/kg）2.5%32% 。CuCd10736.79羥基磷灰石顯著減少水稻對Cd的吸收CKnano-HAP 0.5% nano-HAP 1%nano-HAP 2%0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45 Cd concentartions in rice grain (mg kg-1)abbcc生物質(zhì)炭制備高溫厭氧質(zhì)量產(chǎn)生PAHs等重金屬的濃縮氣體顆粒物生物質(zhì)炭生物質(zhì)炭對土

12、壤Cd固定及水稻Cd吸收影響土壤和生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)土壤和生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)試驗處理試驗處理紅壤區(qū)水稻紅壤區(qū)水稻秸稈制備秸稈制備土壤性質(zhì)變化水稻生長變化水稻籽粒中的Cd含量面積：1公頃; 生物量: 12噸/公頃，Cd去除率12%/年。對于低污染農(nóng)田土壤（全量Cd 1 mg kg-1），考慮修復效率的遞減規(guī)律，預計種植3-4次可實現(xiàn)達標修復！浙江富陽浙江富陽 湖南湘潭湖南湘潭超富集植物連續(xù)種植伴礦景天，修復9次后土壤全量Cd和Zn分別下降80.1-96.8%和24.8-70.1%，低污染土壤全量Cd (0.11 mg kg-1), Zn (111 mg kg-1)已經(jīng)低于國家環(huán)境質(zhì)量二級標準！土

13、壤電動修復研究絡合誘導可顯著提高電動修復效率，闡明了土壤pH調(diào)控是土壤重金屬活化和遷移的關鍵因素土壤剖面（自陽極）土壤Cu （mg kg-1）S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 -0100200300400500 處理前處理前T1T2T3T4T5Cu、Zn、Cr等單一、復合以及有機物存在下的電動修復Chemosphere, 2004, 56(3): 265-273Chemosphere, 2005, 61(4): 519-527Environ. Int., 2005, 31(6): 885-890 J. Hazard. Mater., 2007, 142: 111-1

14、17n 三個月土壤銅去除率達76%Chemosphere, 2006, 63: 964-971銅污染土壤電動修復中試試驗電動修復技術是一種具有較強的競爭力的場地污染土壤修復技術0-2020-4040-6060-8080-10002004006008001000 140d 90 d 30 d 0 d距陽極距離（cm）土壤Cu濃度（mg kg-1）處理前DGS6等菌株對植物生長具有一定促生作用玉米地上部 玉米根系CK-Cu 400 G.m-Cu 400 G.i-Cu 400摩西球囊霉（摩西球囊霉（Glomus mosseae）根內(nèi)球囊霉（根內(nèi)球囊霉（Glomus intraradices）叢枝菌根

15、真菌提高植物耐銅性，促進生長提高植物耐銅性，促進生長 CK 副冠球囊霉副冠球囊霉 Glomus coronatum 重度污染土壤：耐性、超富集、特色經(jīng)濟植物美洲商陸美洲商陸（Phytolacca americana） 海州香薷（海州香薷（ Elsholtzia haichowensis ）黃花月見草黃花月見草(Oenothera biennis) 龍葵（龍葵（Solanum nigrum） 鳳丹鳳丹（Paeonia suffruticosa)發(fā)展農(nóng)田土壤的聯(lián)合修復技術l 肥料、微生物菌：改善植物生長能力和吸收重金屬能力l 葉面肥或植物重金屬吸收抑制劑：使用Si、Se、Zn、稀土等l 間作、套種

16、：促生、增加非糧食作物而減少糧食作物中重金屬的吸收l 輪作：糧食作物非糧食作物；糧食作物草坪草；糧食作物花卉；糧食作物-速生苗木我國土壤重金屬污染現(xiàn)狀農(nóng)田土壤重金屬修復技術農(nóng)田土壤重金屬修復案例重金屬污染土壤控制對策主要內(nèi)容主要內(nèi)容貴溪冶煉廠是目前國內(nèi)規(guī)模最大、技術最先進的閃速煉銅廠，但冶煉過程中產(chǎn)生的廢渣約20萬t/a。周圍農(nóng)田受到廢氣、滲漏水和廢水等的污染面積達2000-3000畝。廠廠渣渣冶冶貴貴貴溪冶煉廠修復工程項目（2012.1-2013.12）項目中標價格項目中標價格：1572.36萬元江西省領導視察并給予江西省領導視察并給予高度評價高度評價江銅貴冶周邊區(qū)域九牛崗土壤修復示范項目貴

17、冶周邊Cu/Cd土壤集成修復示范工程修復前修復中修復后貴溪竄山垅老灌區(qū)修復區(qū)水稻測產(chǎn)（2012,10,09）處處理理株高（cm）穗長（cm）每畝株數(shù)（萬）每株有效穗每畝有效穗（萬）每穗粒數(shù)每穗實粒數(shù)結實率（%）千粒重（g）畝產(chǎn)（折合干重、公斤）對對照照100.423.41.0710.110.81591469232.5338單單改改劑劑90.825.51.0715.316.323120689.529.5448綜綜調(diào)調(diào)劑劑107.226.61.1317.419.7224202 90.5631.0504竄山垅老灌區(qū)修復區(qū)水稻稻米中銅鎘含量處理大米銅（mg/kg）大米鎘（mg/kg）未施用7.250.

18、562單修復劑5.190.232單+綜合調(diào)理劑5.080.22食品衛(wèi)生標準10.00.2主要修復單元區(qū)修復前后土壤有效態(tài)銅鎘含量核心修復區(qū)巨菌草長勢修復植物或作物使用l 作物含量仍超標，應該用于制作工業(yè)酒精（成本與效益分析）等非食用性的產(chǎn)品l 能源植物用于發(fā)電（沼氣發(fā)酵）、草坪花卉可以用于居民裝飾；堆肥、有益元素的強化肥料等l 一些耐性或超積累植物可以提取一些有用藥物，如香精等l 防治二次環(huán)境污染海州香薷海州香薷伴礦景天伴礦景天示范示范: 1.5公頃公頃; 生物量生物量: 16噸噸/公頃公頃 ；Cu去除率：去除率：10%/年年示范示范: 1公頃公頃; 生物量生物量: 12噸噸/公頃；公頃； C

19、d去除率：去除率：12%/年年浙江富陽建立銅/鎘污染土壤植物修復示范基地l 湖南湘潭：鎘污染稻田土壤修復示范l 河南濟源：鎘砷污染旱地土壤示范l 浙江慈溪：鋅鎘污染菜地土壤修復試驗l 遼寧沈陽：鎘污染菜地土壤試驗l 貴州貴陽：多金屬污染菜地土壤試驗修復技術示范推廣情況湖南湘潭示范基地湖南湘潭示范基地2013.6.14土壤土壤Cd：0.6 mg/kg植物植物Cd：86.0 mg/kg田間修復效率：田間修復效率：15.6%河南濟源河南濟源修復示范區(qū)修復示范區(qū)2013.7.13土壤土壤Cd：2.81 mg/kg植物植物Cd：101 mg/kg田間修復效率：田間修復效率：6.9%糧食作物糧食作物/修復

20、植物間作修復植物間作, 實現(xiàn)邊生產(chǎn)邊修復實現(xiàn)邊生產(chǎn)邊修復CKFCuNCuM1CuM2CuM3香薷香料含銅有機肥料香薷黃酮修復植物處置1234流化床dccbba024681012141618CKFCuN CuM1 CuM2 CuM3處 理處 理籽實產(chǎn)量（克籽實產(chǎn)量（克/盆）盆）修復后植物的后續(xù)處理101211131415161718967812345異位淋洗異位淋洗異位淋洗原位淋洗原位淋洗原位淋洗原位淋洗原位淋洗異位淋洗處理區(qū)直接改良直接改良甘肅白銀市農(nóng)田土壤工程修復項目（2011.4-2012.10）總平布置圖總平布置圖修復費用非常高長株潭地區(qū)重點污染區(qū)域農(nóng)田修復長株潭地區(qū)重點污染區(qū)域農(nóng)田修復

21、治理技術與經(jīng)驗水稻水稻“VIP”降鎘技術模式降鎘技術模式VIPn2014年修復示范效果早早中中晚晚達標生產(chǎn)區(qū)53.1%40.5%26.6%管控生產(chǎn)區(qū)44.8%29.2%26.2%替代種植區(qū)20.3%19.1%9.90%棉花、蠶桑、麻類、花卉等日本農(nóng)田土壤Cd污染治理l 重度污染主要采用客土方法對污染土壤進行更換；l 中輕度土壤主要采用水分管理措施，如2007年通過水分管理來控制植物鎘含量的水田面積近60萬畝；l 日本在二戰(zhàn)后土壤都定時施用硅肥。也曾進行大面積的石灰試驗，但結果不甚理想，被認為只能作為輔助措施，但在實際應用中很少。修復費用l 日本現(xiàn)在修復1公頃土地的費用，大約是2000萬到500

22、0萬日元（約數(shù)百萬元人民幣）。l 據(jù)日媒報道，導致日本痛痛病的神通川的863公頃的污染土壤，通過客土法，在耗費33年和407億日元（約合人民幣30億元）后，終于在2012年3月17日完成。電動修復現(xiàn)場示范工程全景圖直流穩(wěn)壓電源，直流穩(wěn)壓電源，2套套pH自動記錄儀，自動記錄儀，1套電流記錄儀套電流記錄儀江蘇省典型重金屬污染農(nóng)田修復試點示范項目(2015-2018)負責人：周東美 研究員江蘇省農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測與保護站二級標準值：二級標準值：pH 6.57.5 0.6 mg/kg項目概況 2014年6月起，先后在常州、宜興、南京、徐州等地進行采樣，確認宜興宜興和徐州徐州鎘污染農(nóng)田作為修復示范場地。1、徐

23、州泉旺頭村、徐州泉旺頭村土壤pH為7.120.42，Cd濃度0.680.24 mg/kg2、宜興長福村、宜興長福村土壤pH為5.390.28，Cd濃度0.620.06 mg/kg二級標準值：二級標準值：pH 6.5 0.3 mg/kg預期目標67確保示范區(qū)農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量不超標食品安全國家標準食品中污染物限量（GB 2762-2012），且農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量降低30%以上，施用后土壤重金屬有效性（0.01M CaCl2提?。┙档?0%以上。舉例：宜興市長福村我國土壤重金屬污染現(xiàn)狀農(nóng)田土壤重金屬修復技術農(nóng)田土壤重金屬修復案例重金屬污染土壤控制對策主要內(nèi)容主要內(nèi)容l 關于加強土壤污染防治工作的意見（ 2008）l 環(huán)境保護部“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃（2011）l 關于加強完善環(huán)境保護標準體系的意見（2012）l 2012年全國環(huán)境保護科技標準工作要點（2012）l 國家環(huán)境保護標準“十二五”發(fā)展規(guī)劃（2013）政 策 文 件國家環(huán)保部農(nóng)業(yè)部l 農(nóng)業(yè)部關于打好農(nóng)業(yè)面源污染防治攻堅戰(zhàn)的實施意見（ 2015-4-13）l 國務院關于加強環(huán)境保護重點工作的意見（2011）l 國家環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃（2011） 2013年1月23日，國務院辦公廳關于印發(fā)近期土壤環(huán)境保近期土壤環(huán)境保護和綜合治理工作安排的通知護和