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2022农田土壤重金属污染及修复技术综述论文

   日期:2022-04-21    

近年来,我国重金属污染加剧,土壤重金属污染对生态环境、食品安全和人类健康构成了严重威胁。根据环境保护部和国土资源部发布的调查公报,我国土壤环境状况普遍不乐观,部分地区土壤污染严重,耕地土壤环境质量令人担忧,工矿废弃土地土壤环境问题突出。由于农田重金属污染的复杂性、长期积累、隐蔽性、毒性缓慢、诊断特殊性和长期恢复,重金属污染已成为人类健康的隐形杀手。中国的研究人员在农田重金属污染防治领域做了大量工作,并采取了许多有效的措施。

可采取多种措施加强农田重金属污染控制。例如,加强源污染控制,提高耕地土壤本身对重金属的承载能力,提高土壤pH价值、加快土壤环境保护立法,加强耕地重金属污染修复控制重大技术研究,制定耕地重金属污染修复评价技术标准,建立农田重金属污染修复生态补偿机制。

那么,农田土壤重金属污染的修复技术有哪些呢?

污染土壤修复的技术原理可概括为:(1)降低污染风险,即通过改变土壤中污染物的存在形式或与土壤的结合,降低环境中的可迁移性和生物利用性;(2)减少污染总量,即通过处理从土壤中去除有害物质,降低土壤中有害物质的总浓度。

基于上述基本原理,提出了物理、化学、生物、农业艺术监管等多种修复类型。与工业场所的重金属污染相比,农田土壤的重金属污染面积巨大,但主要是中轻度污染。其修复技术和方法的选择首先需要考虑农业生产方法和类型,其次是有效性、经济性和推广性。

目前,农田重金属污染修复技术主要包括以下四种:工程措施、农业艺术控制措施、钝化修复技术、植物修复技术。

一、工程措施

污染土壤的物理修复主要包括客土法、翻耕混合法、去表土法、表面清洁土壤覆盖法等。客土法(换土法)是指重污染土壤多采用客土或换土,但换土应妥善处理;稀释法(翻耕混合)是指在污染土壤中加入大量未污染土壤,降低重金属含量;去表土法是指去除重金属污染的表面土壤,然后翻耕;深耕翻耕法(旋耕法)是指污染程度轻、土层厚、面积小的污染场所。

客土法对重金属污染重、面积小的农田,特别是设施农业局部温室土壤重金属污染具有非常明显的修复效果,不受外部条件限制,治理效果彻底;混合法治理效果不明显;表土法和表面清洁土壤覆盖法效果较好,但仍需注意下层重金属污染。

农田重金属污染大、成本高,农田重金属污染工程治理技术仅适用于小面积、严重污染的土壤修复;大面积农田重金属污染修复不仅需要大量的人力物力,而且成本高,容易削弱农田肥力,破坏耕作层。日本富山县水稻田镉污染采用客土法治理,整个项目成本407亿日元(约合3.4覆盖神通河盆地863公顷农田(约30万元/亩),治理时间为33年。

二、农艺调控措施

主要是指水管理、施肥调控、低积累品种替代、土壤调节等农业方法pH调整种植结构等措施,控制农田重金属污染,直接或间接达到修复农田重金属污染的目的。研究表明,水稻在整个生育期都能显著降低土壤镉的有效状态,减少水稻中镉的吸收和积累。

农业调控措施操作简单,成本低,技术成熟。缺点是修复效果有限,仅适用于农田重金属轻微污染的修复;其中,种植结构调整可能使农民难以接受,影响粮食数量安全。

为了降低土壤砷的毒性,一般的修复措施可以采用从水田到旱地的种植方式。然而,在镉和砷的复合污染下,从水田到旱地的改变将提高镉的生物有效性。因此,理镉和砷污染需要综合考虑,以避免在减少镉污染的同时增加砷污染。

在污染临界值附近或已被镉污染的土壤上,应避免施用尿素、氯化铵、普通钙等高酸性肥料。在常用的磷钾肥中,磷酸二铵和硫酸钾更适合镉污染土壤。同时,在作物生长期,在作物茎叶表面喷洒硒肥、锌肥或硅肥等微量元素,可抑制或拮抗作物对重金属镉、砷的吸收和积累。

在轻度重金属污染的农田中种植低积累作物品种可以显著降低作物地面上部的重金属积累,但低积累作物品种不适应重金属含量略高的土壤,需要与化学钝化修复技术相结合;此外,低积累作物品种(如水稻)的来源没有得到保证。

镉在不同作物中的积累大小为:洋葱和大蒜>叶菜类>根茎类>豆类>茄果类>瓜类,因此对菜地重金属镉污染,可通过调整作物品种起到一定的修复作用。

三、原位钝化修复技术

通过调节土壤理化性质、吸附、沉淀、离子交换、腐殖化、氧化-恢复等一系列反应,固定土壤中的有毒重金属,或将重金属转化为不活跃的化学形式,降低其生物有效性,防止重金属从植物根部迁移到作物上部,实现污染土壤的修复技术。

钝化修复技术具有修复速度快、稳定性好、成本低、操作简单等特点。同时不影响农业生产,可实现边修边生产,特别适用于大面积轻度重金属污染农田土壤的修复。大量研究表明,土壤钝化修复后,重金属镉、铅等有效状态一般可降低30%-60作物(稻米、蔬菜地上部)中镉、铅的含量可降低30%-70%;一般土壤中镉、铅等钝化修复的稳定性可达3年以上。但这种修复技术可能会影响土壤环境质量,需要长期监测和评估修复的长期稳定性。

在实际的农田重金属污染修复中,主要是化学钝化修复,辅助农业艺术控制措施,实现重金属污染农田的安全生产,控制水稻等农产品重金属超标。

四、植物修复技术

目前,常用的土壤重金属污染修复植物是超富集植物。超富集植物是指能够过度吸收重金属并将其运输到地面上部的植物。一般来说,超富集植物上重金属含量是同一生长条件下普通植物的100倍,其临界含量分别为镉100mg/kg,锌10000mg/kg,铅、铜、镍均为1000mg/kg;同时,植物地面上部的重金属含量高于根部的重金属含量,对高浓度金属的耐受性强,土壤中重金属的富集系数大于1。

目前,我国筛选出的重金属超富集植物主要有:砷超富集植物-蜈蚣草;镉超富植物-龙葵和天蓝白菜;锌和镉超富植物-东南景天;铜积累植物-海州香等。

植物修复技术具有修复成本低、适应性广、耐受性强、不破坏土壤理化性质的优点;但过度积累的植物通常较短,生物量低,生长缓慢,修复效率低,机械化操作困难,植物无害化处理困难。此外,由于不同地区气候等自然条件的不同,过度积累的植物也受到不同地区生长的影响。

一般来说,中度污染镉、砷污染农田的超富集植物修复至少需要十年,甚至几十年到几百年;植物修复一般不容易轻度污染重金属土壤。植物修复更适合高重金属污染土壤,但随着修复寿命的增加,修复效率会逐渐下降,影响修复效果,增加治理成本。


 
 
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