徐应明：农田土壤重金属污染原位钝化修复技术探讨
“看不见”的重金属污染已成为我国农产品的“隐形杀手”。化肥过量使用会造成土壤酸化，进而会诱发土壤重金属离子活性的提高。土壤PH值每下降一个单位，重金属镉的活性就会提升100倍，增加骨痛病等疑难病症的患病风险。
2015年4月14日，农业部副部长张桃林在国新办发布会上表示，中国农业资源环境遭受着外源性污染和内源性污染的双重压力，农业可持续发展遭遇瓶颈，其已超过工业成为我国最大的面源污染产业，总体状况不容乐观。
土壤重金属污染给农田造成了不可忽视的危害，现在的污染区域分布具体是怎样的?又该怎样治理?治理之后对土壤的使用又有哪些影响?中国生态修复网对一直致力于研究土壤、水体重金属和有毒有机物污染调控机理与修复技术的农业部环境保护科研监测所、农业部产地环境质量重点实验室主任、中国农业科学院农田土壤重金属污染修复创新团队首席徐应明研究员进行了采访。
【专家对话】
问：徐老师您好，据有关报道，我国现在受重金属污染的耕地多达3亿亩，约占全国耕地总面积的1/5。我们赖以生存的土地受到了重金属的污染，但土壤污染究竟有多严重，它给人们的食品安全造成了怎样的严重影响，这是人们迫切所要知道的?
答：2014年4月17日国家环境保护部和国土资源部发布了全国土壤镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种无机污染物点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。从公布的数据来看，尽管环境保护部和国土资源部都已经开展了全国土壤重金属污染状况调查，但有关农田土壤重金属污染面积究竟多少目前尚无确切统计的公开数据。
2012年农业部在财政部专项经费支持下，在全国开展了农产品产地土壤重金属污染状况普查、监测预警、土壤修复示范及禁产区划分等工作，重点摸清全国工矿企业区、大中城市郊区、污水灌区等重点区域农产品产地重金属污染底数，完善农产品产地土壤环境质量档案，建立农产品产地分级管理制度，建立农产品产地土壤重金属监测预警机制，开展土壤修复示范试点及农产品产地禁产区划分试点等工作。
希望通过这次普查能够比较准确地获得全国农产品产地土壤重金属污染状况，但由于本次大规模普查仅采集土壤样品，而未实行土壤-农产品一对一采样形式进行调查，因此，最终获得的结果也将与环境保护部和国土资源部获得的结果一样，仅仅是农田土壤重金属污染状况数据，而并不能真实全面地反映农产品重金属污染状况。
这是因为全国各地农田土壤类型、酸碱性、有机质含量、耕作制度、降雨等各种因素差异很大，目前的土壤环境质量标准重金属限量值全国是统一的，这就导致重金属超标的土壤农产品不一定超标，如对重金属镉污染，在北方碱性土壤区域或土壤有机质含量高的区域或南方春季多雨季节采样，土壤重金属镉超标，但农产品却不一定超标，特别是在北方碱性土壤区域，在土壤重金属镉超标1-2倍时，种植的蔬菜等农产品不一定超标;在广西等地水稻田土壤轻度镉污染情况下，由于春季多雨，种植早稻的稻米镉超标就不明显，而同样稻田种植晚稻稻米镉超标就很明显。因此，这时采用土壤环境质量标准来判断农产品重金属污染状况就存在很大的不确定性。
所以，农田土壤重金属污染普查的结果，能否真正反映实际情况是受到诸多因素干扰和影响的，好的、准确的普查结果，需要有一个科学合理的普查设计方案、严格和规范的操作规程、严格按照要求的执行力、高水平的实验室分析检测能力、普查成员培训和管理严格到位等等措施的保障。
就目前我国农田土壤重金属污染状况来看，湖南、江西、云南、贵州、四川、广西等有色金属矿区土壤重金属污染尤为严重。我国西南地区(云南、贵州、广西等)土壤重金属背景值远高于全国土壤背景值，如镉、铅、锌、铜、砷等。这主要是由于重金属含量高的岩石(石灰岩类)在风化成土过程中释放重金属而富集土壤中的缘故。大中城市郊区以污水灌溉农田土壤重金属污染为主，其中蔬菜，特别是叶类蔬菜超标比较明显，部分地区，玉米和小麦的镉、铅、汞等重金属污染超标也比较明显，但应该注意到对玉米、小麦重金属超标现象仍然需要考虑大气污染源的输入，而不一定全部来自土壤污染。
问：面对土壤重金属污染这样一个严峻的问题，目前有哪几种类型的修复技术，您所熟悉的土壤重金属污染钝化修复技术相比之下又有哪些优势?
答：在农田土壤重金属污染修复中，由于必须确保修复后农田土壤质地、理化性质、环境质量等要素不能发生明显变化，不能影响农业正常生产，不能明显降低农作物产量和品质，同时不能显著增加农民耕作负担，所以，相对于场地土壤重金属的污染修复，农田土壤重金属污染修复有其自身需求和特殊性。
目前，适应于农田土壤重金属污染修复的技术措施主要包括：(1)农艺调控措施，(2)原位化学钝化/稳定化技术，(3)超富集植物/富集植物提取技术。其中农艺调控主要指采取水肥管理、低累积品种替换、土壤pH调节、叶面调理剂拮抗抑吸及种植结构调整等措施来控制土壤重金属污染，直接或间接达到降低农产品对重金属吸收累积的目的。
农艺调控措施具有操作简单、费用低、技术较成熟等优点，但存在一定的缺点，比如修复效果受地域环境、季节、土壤性质等影响较大，使得修复效果不稳定、修复效率较低等，对南方酸性水稻田镉污染地区，采取农艺调控措施，稻米镉降低率一般在10%~30%左右，该项措施仅适应于农产品重金属轻微和轻度超标农田土壤重金属污染调控;其中，对农产品超标较高的农田土壤重金属污染，一般很难通过农艺调控措施将农产品中重金属含量降低到食品污染物控制限量标准值以下。
原位钝化修复技术主要是指向污染土壤中添加一种或多种钝化修复剂，通过调节土壤理化性质以及吸附、沉淀、离子交换、腐殖化、氧化-还原等一系列反应，改变重金属元素在土壤中的化学形态和赋存状态，实现土壤中重金属的钝化/稳定化，降低其在土壤中的可移动性和生物有效性，从而阻止重金属从土壤通过植物根部向农作物地上部的迁移累积，以达到治理污染土壤的目的。
钝化修复技术与其他修复技术相比具有如下优势：(1)修复速率快、稳定性好、费用较低、操作简单;(2)不影响农业生产，可以实现“边生产边修复”;(3)能够改善农田土壤环境质量;(4)适用于大面积中轻度重金属污染农田土壤修复治理。目前，在重金属污染农田的修复治理中已得到广泛应用，而且有可能被认为是农田土壤重金属污染较为实用、有效的一种技术措施。特别是对农艺调控措施无法解决的中轻度重金属污染农田，钝化修复是一种较好的防控技术手段。
问：土壤重金属污染钝化修复技术主要是通过添加外源物质，将重金属转化为不易溶解、迁移能力或毒性更小的形式，以降低其对农田生态系统的危害风险，那这种外源物质具体是什么，它会对土壤造成什么影响?
答：目前，国内外在农田土壤重金属污染钝化修复中，使用的钝化剂材料主要包括：(1)粘土矿物，如海泡石、蒙脱土、膨润土、凹土、高岭土等;(2)碳材料，如秸秆炭、黑炭、果壳炭、骨炭等;(3)含磷材料，如钙镁磷肥、羟基磷灰石、磷矿粉、磷酸盐等;(4)硅钙材料，如石灰、石灰石、碳酸钙镁、硅酸钠、硅酸钙、硅肥等;(5)金属氧化物，如氧化铁、硫酸亚铁、硫酸铁、针铁矿、氧化锰、锰钾矿等;(6)有机物料，如畜禽粪便、腐殖酸、泥炭、有机堆肥等;(7)工业废弃物，如粉煤灰、钢渣、赤泥、污泥等。但在实际农田使用中，应尽可能避免使用工业废弃物作为钝化修复剂，以免给农田土壤带来新的二次污染或破坏土壤结构和理化性质及环境质量，对农田长期环境质量带来不可预测的不利影响。
当前农田土壤重金属污染钝化修复中使用的材料种类繁多，性能和价格差别均较大，大部分使用的钝化剂原材料价格一般在1000元/吨~3000元/吨，钝化剂使用量在500kg/亩~1000kg/亩左右。从目前使用效果来看，农田土壤重金属污染钝化修复后，重金属Cd、Pb等有效态降低率可达10%~30%，农作物(稻米、蔬菜地上部)中Cd、Pb等含量降低率可达30%~70%，结合农艺调控措施，修复效率最高可以达到90%，一般土壤中Cd、Pb等钝化修复稳定性可以达到3年以上，而且，很多情况下，随着修复时间的延长，土壤中重金属钝化修复稳定性效果明显增强。说明，钝化剂在土壤中老化时间的延长，有利于修复效果的提高。因此，钝化剂究竟什么时间施用到农田土壤中，修复效果最佳，需要进一步扩展大田试验研究。
在农田土壤重金属污染钝化修复中，特别要注意钝化剂大量施用有可能对土壤环境质量造成的不利影响，具体在钝化剂使用后需要加强对钝化剂自身稳定性、钝化/稳定化后的重金属长期稳定性、钝化剂对土壤质地和理化性质及环境质量的长期影响，以及钝化修复对农作物生长、产量及品质等影响进行综合跟踪监测评估。总之，一个好的钝化剂材料，不仅需要具有良好钝化修复效果，而且需要对吸附固定重金属离子具有良好选择性，对吸附固定重金属离子具有高度固定稳定性，以及价格适中、环境友好和易于操作。
问：目前土壤重金属污染钝化修复技术已经运用到实践中，有了典型示范区，具体推广到其他的污染区时，又有哪些因素是必须要注意的?
答：目前，我们团队正在根据农业部、财政部《农产品产地土壤重金属污染防治实施方案》要求，在湖南、广西、天津等地开展南方酸性水稻田土壤重金属镉污染，以及北方污水灌区重金属镉、铅等污染修复治理示范工作，示范面积均较大，修复区土壤和农产品检测结果表明，修复效果非常明显，在南方酸性水稻田土壤镉污染下，超标3倍以下的稻米经修复后完全可以降低到食品安全国家标准食品中污染物限量标准值以下，可以满足中轻度重金属镉污染农田土壤修复治理要求。
但任何一项技术都有其适应性，技术的好与不好也有其环境条件和人为因素的限制，只有技术与环境及人为良好操作的匹配，才能发挥出技术最佳的性能。就农田土壤重金属污染钝化修复技术而言，在异地复制应用时，必须考虑到修复技术的适应性问题。具体应关注技术所应用的土壤类型和土壤酸碱性，同时需要关注修复区农田种植农作物品种，修复地域的气候(主要为降雨)、农艺制度及耕作制度等，这些因素都会在不同程度上对钝化修复效果产生一定的影响，导致钝化修复技术在异地复制应用时效果产生变化，甚至导致钝化修复效果不明显。
如某些钝化剂在南方酸性水稻田镉污染土壤修复中效果非常显著，但当应用到北方污灌菜地碱性土壤上时，修复效果却并不明显;部分钝化修复技术在南方酸性水稻田镉污染土壤修复应用中，春季和夏秋季修复效果可能存在很大差异，这与春季南方多雨，水稻田土壤长期处于淹水还原状态有关，而夏秋季南方雨水相对较少，水稻田土壤大部分时间处于氧化状态有关。
所以，农田土壤重金属污染钝化修复效果在某种程度上与修复地土壤类型、酸碱性及降雨、水肥管理、作物品种和耕作制度等均存在很大相关性，在异地复制应用时必须考虑到这些因素对修复技术效果的影响。
总之，任何一项好的修复技术都需要与适应的环境条件、良好的操作方式相结合，才能发挥出其最大效能，还农民一片安全健康的耕作土壤。
作者简介
徐应明农业部环境保护科研监测所研究员主要研究方向为土壤、水体重金属和有毒有机物污染调控机理与修复技术、农药在农作物和土壤中污染行为与残留动态规律等。
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