农田土壤重金属修复技术讲座

1、农田土壤重金属修复技术讲座我国土壤重金属污染现状农田土壤重金属修复技术农田土壤重金属修复案例重金属污染土壤控制对策主要内容主要内容我国土壤重金属污染现状农田土壤重金属修复技术农田土壤重金属修复案例重金属污染土壤控制对策主要内容主要内容重金属：比重 5.0；大约有50种（不包括天然放射性和人工合成放射性核素）元素周期表l在国民工农业生产中具有重要作用l矿山开采、金属冶炼、工业生产、农药、饲料添加剂等引起重金属污染问题l不可降解，进入环境会不断累积l高毒性、持久性、生物放大效应为什么出现土壤重金属污染？有色金属矿山开采：废气、废水、尾矿pH 4.17；Cu 11.04；Zn 9.66; Cd 0.

2、015；Pb 1.34 mg/L土壤水(mg/L)Cu 1.55 Zn 14.8 Cd 0.024 Pb 0.048 表层土壤(mg/kg)Cu 561 Zn 1135 Cd 2.45 Pb 429 当地农作物重金属污染大白菜: Cu 15.0；Zn 62.8；Cd 0.2；Pb 1.5 mg/kg我国铅、钨矿分布图废水废石废渣废气土壤污染我国土壤污染趋势流域性和区域性污染增加50%增加10-40%Cd 湖南湖南. .益阳益阳0.00.10.20.30.40.50.6020406080100背 景 值 频度(%)Cd总 量 (mg kg-1)江苏江苏. .苏州苏州4.5%超标59.2% 0.2

3、 ppm11.1% 1.0 ppm中科院红壤生态试验站长期肥料试验李本银, 周东美 等, 土壤学报, 2008国家粮食卫生标准为 200 g/kg稻米Cd含量(ug/kg)认识：有机肥农业并不安全！我国设施农业概况l我国设施农业栽培面积达到86.7万公顷，按绝对面积计算为世界第一。其中塑料中小棚40.7万公顷，占46.9；塑料大棚23.3万公顷，占269；温室22.7万公顷，占26.2。l设施农业在我国各地得到了广大推广，目前我国已经成为世界上设施栽培面积及总产量最大的国家 。重金属积累和有效性提高更为显著CuCd南京市江宁区湖熟镇设施蔬菜基地种植5年以上重金属即出现明显积累；10年以上土壤C

4、d最高可高出露天菜地5倍；也受土地利用类型影响山东寿光设施蔬菜土壤重金属随种植年限的变化Ecotoxico. Environ. Saf., 2013. 97: 204-209; 98: 324-330 Sci. Total Environ., 2013. 470-471: 1140-1150设施土壤环境问题l团粒结构被破坏，土壤容重变小，土壤板结，通气透水性差。l长期大量使用化学肥料，尤其是许多生理酸性肥料或者氮肥均会造成土壤酸化。l缺少雨水淋溶作用，且土壤蒸发程度高，出现土壤盐分累积，最高可达到露地土壤的20 倍以上。l经常处于高温高湿条件，土壤中真菌等各种病菌大量繁殖，侵害蔬菜秧苗培育和设

5、施大田的种植生长， 病菌的繁殖危害极大影响到设施蔬菜的产量与品质。土壤污染现状l2006-2010年间，国家环保部和国土资源部开展了全国土壤现状调查及污染防治专项，资金达10亿元。l截至2010年底，全国共采集土壤、农产品等各类样品21,3754个，获得有效调查数据495万个，制作图件近1,1000件。建成全国土壤污染状况调查数据库和样品库。全国土壤污染状况调查公报耕地：土壤点位超标率为19.4%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃。 从污染分布情况看，南方土壤污染重于北方；长江三角洲、珠江

6、三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出，西南、中南地区土壤重金属超标范围较大。土壤污染现状l2012年，财政部与农业部两部委联合印发了农产品产地土壤重金属污染防治实施方案，财政部向农业部拨款8.27亿，由农业部在未来五年的时间内对全国农产品产地的土壤污染状况进行调查。l农业部组织全国农业环境监测站开展调查，全国有130多万个点位，其中江苏、江西各3万多个点，山东、山西各6万多个点。l检测重金属主要包括：Cd，Cr，Pb，As，Hg。我国土壤重金属污染现状农田土壤重金属修复技术农田土壤重金属修复案例重金属污染土壤控制对策主要内容主要内容修复思路从区域、流域角度从区域、流域角度l工矿

7、企业废水、废气、废渣达标排放l存在风险或潜在风险的尾矿库、矸石堆和开采面等的复垦l废水的净化处理：严格阻断污染源对农田系统重金属的供给 避免：边修复、边污染l 客土法l 调节pHl 土壤改良l 植物修复l 微生物修复l 动物修复（如蚯蚓等）l 化学淋洗l 电动 重金属污染耕地修复技术l 1980s，改良研究，最早与矿区和污灌等污染有关l 1990s，植物修复l 2000s，电动修复，微生物修复，动物修复（蚯蚓）、联合修复技术农田修复l土壤调查、评估、分级：农产品安全性、土壤重金属有效性（快速诊断技术，不同来源重金属其生物有效性存在差异）l降活：改良剂（降低重金属活性或释放能力）吸附、络合、沉淀

8、、新矿物；竞争（Ca，Mg，H等）；l减存：植物（作物、超积累植物、能源植物、草坪草等）移除（经济效益和二次风险问题）l降活与减存是一对矛盾。前茬植物影响后茬植物中低度污染农田需加强水肥管理和品种l淹水可以有效降低水稻Cd吸收，而增加对As等的吸收。对Cd问题，淹水减少吸收，但增加收割的困难。机械设备问题？l生理酸性肥料如NH4+-N会降低土壤酸度，应避免使用l集约化养殖畜禽粪肥应该慎用，防止带入重金属l品种吸收确有差异，应进一步加强。但品种产量和退化问题需考虑编号编号品种名品种名CdZnCu1A160.0125.68.332JY2930.0125.54.833JY2530.0124.74.9

9、84Z7330.0226.37.185YK190.0320.14.576XS090.0328.55.057BraUL0.0324.55.528ZZY10.0718.83.899A582.9631.311.010A543.8329.912.111A394.5029.410.212A825.4522.310.113A1846.5632.110.914A706.7430.914.815A1587.8629.510.216A1598.6527.410.5镉低积累水稻品种筛选 利用这些Cd低积累水稻品种，可实现低污染农田土壤的安全生产。田间条件下，随着钙镁磷肥施用量的增加，水稻产量逐渐增高，分别为570

10、6 kg hm-2、6504 kg hm-2和7265 kg hm-2。施用钙镁磷肥对水稻地上部重金属含量的降低有良好作用。田间试验水稻地上部锌镉浓度变化（水稻品种A16) 水稻高产栽培技术不同水分管理下成熟期水稻糙米总As和Cd浓度灌溉糙米As浓度升高，而Cd浓度降低；Cd的变化比As明显；Cd轻度污染土壤上传统灌溉和淹水保证安全生产As变化范围：变化范围：1.3-2.1倍倍Cd变化范围：变化范围：8.5-40.8倍倍调节土壤pH土壤重金属吸附与pH关系土壤pH缓冲作用时间pH如：石灰石、生石灰等改良剂对稻米Cu、Cd含量的影响施用改良剂处理稻米中Cu、Cd含量分别降低了7.64%37.07

11、%和13.63%50.38%。紫云英、锌肥和CK处理稻米中Cd含量超出“食品中镉限量卫生标准”（0.2mg/kg）2.5%32% 。CuCd10736.79羟基磷灰石显著减少水稻对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生物质炭制备高温厌氧质量产生PAHs等重金属的浓缩气体颗粒物生物质炭生物质炭对土壤Cd固定及水稻Cd吸收影响土壤和生物质炭的基本性质土壤和生物质炭的基本性质试验

12、处理试验处理红壤区水稻秸红壤区水稻秸秆制备秆制备土壤性质变化水稻生长变化水稻籽粒中的Cd含量面积：1公顷; 生物量: 12吨/公顷，Cd去除率12%/年。对于低污染农田土壤（全量Cd 1 mg kg-1），考虑修复效率的递减规律，预计种植3-4次可实现达标修复！浙江富阳浙江富阳 湖南湘潭湖南湘潭超富集植物连续种植伴矿景天，修复9次后土壤全量Cd和Zn分别下降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)已经低于国家环境质量二级标准！土壤电动修复研究络合诱导可显著提高电动修复效率，阐明了土壤pH调控是土壤重金属活化

13、和迁移的关键因素土壤剖面（自阳极）土壤Cu （mg kg-1）S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 -0100200300400500 处理前处理前T1T2T3T4T5Cu、Zn、Cr等单一、复合以及有机物存在下的电动修复Chemosphere, 2004, 56(3): 265-273Chemosphere, 2005, 61(4): 519-527Environ. Int., 2005, 31(6): 885-890 J. Hazard. Mater., 2007, 142: 111-117n三个月土壤铜去除率达76%Chemosphere, 2006, 63: 9

14、64-971铜污染土壤电动修复中试试验电动修复技术是一种具有较强的竞争力的场地污染土壤修复技术0-2020-4040-6060-8080-10002004006008001000 140d 90 d 30 d 0 d距阳极距离（cm）土壤Cu浓度（mg kg-1）处理前DGS6等菌株对植物生长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）根内球囊霉（根内球囊霉（Glomus intraradices）丛枝菌根真菌提高植物耐铜性，促进生长提高植物耐铜性，促进生长 CK 副冠球囊霉副冠球囊霉

15、Glomus coronatum 重度污染土壤：耐性、超富集、特色经济植物美洲商陆美洲商陆（Phytolacca americana） 海州香薷（海州香薷（ Elsholtzia haichowensis ）黄花月见草黄花月见草(Oenothera biennis) 龙葵（龙葵（Solanum nigrum） 凤丹凤丹（Paeonia suffruticosa)发展农田土壤的联合修复技术l肥料、微生物菌：改善植物生长能力和吸收重金属能力l叶面肥或植物重金属吸收抑制剂：使用Si、Se、Zn、稀土等l间作、套种：促生、增加非粮食作物而减少粮食作物中重金属的吸收l轮作：粮食作物非粮食作物；粮食作物草

16、坪草；粮食作物花卉；粮食作物-速生苗木我国土壤重金属污染现状农田土壤重金属修复技术农田土壤重金属修复案例重金属污染土壤控制对策主要内容主要内容贵溪冶炼厂是目前国内规模最大、技术最先进的闪速炼铜厂，但冶炼过程中产生的废渣约20万t/a。周围农田受到废气、渗漏水和废水等的污染面积达2000-3000亩。厂厂渣渣冶冶贵贵贵溪冶炼厂修复工程项目（2012.1-2013.12）项目中标价格项目中标价格：1572.36万元江西省领导视察并给予高度评价江西省领导视察并给予高度评价江铜贵冶周边区域九牛岗土壤修复示范项目贵冶周边Cu/Cd土壤集成修复示范工程修复前修复中修复后贵溪窜山垅老灌区修复区水稻测产（20

17、12,10,09）处理处理株高（cm）穗长（cm）每亩株数（万）每株有效穗每亩有效穗（万）每穗粒数每穗实粒数结实率（%）千粒重（g）亩产（折合干重、公斤）对照对照100.423.41.0710.110.81591469232.5338单改单改剂剂90.825.51.0715.316.323120689.529.5448综调综调剂剂107.226.61.1317.419.722420290.5631.0504窜山垅老灌区修复区水稻稻米中铜镉含量处理大米铜（mg/kg）大米镉（mg/kg）未施用7.250.562单修复剂5.190.232单+综合调理剂5.080.22食品卫生标准10.00.2主要

18、修复单元区修复前后土壤有效态铜镉含量核心修复区巨菌草长势修复植物或作物使用l作物含量仍超标，应该用于制作工业酒精（成本与效益分析）等非食用性的产品l能源植物用于发电（沼气发酵）、草坪花卉可以用于居民装饰；堆肥、有益元素的强化肥料等l一些耐性或超积累植物可以提取一些有用药物，如香精等l防治二次环境污染海州香薷海州香薷伴矿景天伴矿景天示范示范: 1.5公顷公顷; 生物量生物量: 16吨吨/公顷公顷 ；Cu去除率：去除率：10%/年年示范示范: 1公顷公顷; 生物量生物量: 12吨吨/公顷；公顷； Cd去除率：去除率：12%/年年浙江富阳建立铜/镉污染土壤植物修复示范基地l湖南湘潭：镉污染稻田土壤修

19、复示范l河南济源：镉砷污染旱地土壤示范l浙江慈溪：锌镉污染菜地土壤修复试验l辽宁沈阳：镉污染菜地土壤试验l贵州贵阳：多金属污染菜地土壤试验修复技术示范推广情况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田间修复效率：田间修复效率：15.6%河南济源河南济源修复示范区修复示范区2013.7.132013.7.13土壤土壤Cd：2.81 mg/kg植物植物Cd：101 mg/kg田间修复效率：田间修复效率：6.9%粮食作物粮食作物/修复植物间作修复植物间作, 实现边生产边修复实现边生产边修复CKFCuNCuM1CuM2CuM3

20、香薷香料含铜有机肥料香薷黄酮修复植物处置1234流化床dccbba024681012141618CKFCuN CuM1 CuM2 CuM3处 理处 理籽实产量（克籽实产量（克/盆）盆）修复后植物的后续处理101211131415161718967812345异位淋洗异位淋洗异位淋洗原位淋洗原位淋洗原位淋洗原位淋洗原位淋洗异位淋洗处理区直接改良直接改良甘肃白银市农田土壤工程修复项目（2011.4-2012.10）总平布置图总平布置图修复费用非常高长株潭地区重点污染区域农田修复长株潭地区重点污染区域农田修复治理技术与经验水稻水稻“VIP”降镉技术模式降镉技术模式VIPn2014年修复示范效果早早中

21、中晚晚达标生产区53.1%40.5%26.6%管控生产区44.8%29.2%26.2%替代种植区20.3%19.1%9.90%棉花、蚕桑、麻类、花卉等日本农田土壤Cd污染治理l重度污染主要采用客土方法对污染土壤进行更换；l中轻度土壤主要采用水分管理措施，如2007年通过水分管理来控制植物镉含量的水田面积近60万亩；l日本在二战后土壤都定时施用硅肥。也曾进行大面积的石灰试验，但结果不甚理想，被认为只能作为辅助措施，但在实际应用中很少。修复费用l日本现在修复1公顷土地的费用，大约是2000万到5000万日元（约数百万元人民币）。l据日媒报道，导致日本痛痛病的神通川的863公顷的污染土壤，通过客土法

22、，在耗费33年和407亿日元（约合人民币30亿元）后，终于在2012年3月17日完成。电动修复现场示范工程全景图直流稳压电源，直流稳压电源，2套套pH自动记录仪，自动记录仪，1套电流记录仪套电流记录仪江苏省典型重金属污染农田修复试点示范项目(2015-2018)负责人：周东美 研究员江苏省农业环境监测与保护站二级标准值：二级标准值：pH 6.57.5 0.6 mg/kg项目概况 2014年6月起，先后在常州、宜兴、南京、徐州等地进行采样，确认宜兴宜兴和徐州徐州镉污染农田作为修复示范场地。1、徐州泉旺头村、徐州泉旺头村土壤pH为7.120.42，Cd浓度0.680.24 mg/kg2、宜兴长福村

23、、宜兴长福村土壤pH为5.390.28，Cd浓度0.620.06 mg/kg二级标准值：二级标准值：pH 6.5 0.3 mg/kg67预期目标确保示范区农产品重金属含量不超标食品安全国家标准食品中污染物限量（GB 2762-2012），且农产品重金属含量降低30%以上，施用后土壤重金属有效性（0.01M CaCl2提取）降低30%以上。举例：宜兴市长福村我国土壤重金属污染现状农田土壤重金属修复技术农田土壤重金属修复案例重金属污染土壤控制对策主要内容主要内容l关于加强土壤污染防治工作的意见（ 2008）l环境保护部“十二五”科技发展规划（2011）l关于加强完善环境保护标准体系的意见（2012）l2012年全国环境保护科技标准工作要点（2012）l国家环境保护标准“十二五”发展规划（2013）政 策 文 件国家环保部农业部l农业部关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见（ 2015-4-13）l国务院关于加强环境保护重点工作的意见（2011）l国家环境保护“十二五”规划（2011） 2013年1月23日，国务院办公厅关于印发近期土壤环境保护和综合治理工作安排的通知近期土壤环境保护和综合治理工作安排的通知l工作目标：逐步建立土壤环境保护政策、法规