耕地重金屬污染鈍化修復技術及其推廣應用

王文琪，汪裕唐，黃純輪，劉 云，韓建龍，劉 君，左思佳，許 超，文陽平

(1.江西農業大學，江西 南昌 330045；2.江西普瑞豐生態科技有限公司，江西 南昌 330096)

1 耕地重金屬污染現狀

1.1 耕地重金屬污染概念

耕地重金屬污染是指土壤中有毒的重金屬元素含量過高，例如Hg、Cd、Pb、Zn等元素含量超標[1]，耕地重金屬污染超標對糧食及人體健康安全都有極大的威脅。我國耕地重金屬污染的來源主要是農藥和糞肥的輸入，其次是自然成因和農業化肥，以魯南某典型農業區15個水庫為例[2]，農藥和糞肥的輸入對重金屬污染貢獻率為46.6%，自然成因對重金屬污染貢獻率為21.7%，農業化肥對重金屬污染貢獻率16.6%。徐金英等[3]沿長江干流從上游至下游采集84個點位樣品，分析其表層水體重金屬污染狀況及可能來源，研究結果表明人類活動對水體中的重金屬來源有著重要影響。在文鳳偉[4]的研究中，同樣指明了人類活動是造成農田重金屬污染的主要原因。

1.2 土壤污染的實際情況

根據環境保護部會同國土資源部開展的首次全國土壤污染狀況調查顯示[5]，我國主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環芳烴，全國土壤總的點位超標率為16.1%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%；從土地利用類型看，耕地、林地、草地土壤點位超標率分別為19.4%、 10.0%、10.4%。耕地重金屬污染的往往影響到糧食的安全，進一步給人類的生活及健康帶來了極大的危害，日本富士山的“痛痛病”、2013年5月 “鎘大米”“血鉛超標”“尿鎘超標”等無一不是重金屬污染對人類生產生活的影響，且無一不慘痛。由此可見，我國土壤安全已經達到了極其嚴峻的程度，保護好土壤資源，及時對土壤重金屬污染進行修復已經刻不容緩。

2 國內外土壤修復技術發展現狀

耕地重金屬污染已經引起了國內外學者的廣泛注意，并已經產生了一些比較成熟的土壤重金屬修復研究成果，常用的土壤重金屬修復技術有物理修復技術、化學修復技術和生物修復技術等[6]。

物理修復技術主要包括去表土法、淋洗法、熱處理法等相關方法。去表土法是指將表層土壤部分或全部用清潔土壤替換，降低可被植物吸收重金屬離子的濃度。淋洗法是指用溶劑與需要除去的污染物反應，將溶劑與污染物一起從土壤中分離。例如：通過絡合作用將土壤中的重金屬離子留在試劑中已達到降低土壤重金屬濃度的目的。熱處理法則一般用于去除易揮發重金屬污染例如Hg等。

化學修復方法主要包括化學固定技術、化學還原技術，這些技術主要通過化學反應對土壤中的重金屬離子進行鈍化，降低重金屬對土壤或植物的傷害。化學固定技術降低重金屬離子的可移動性和溶解性；化學還原技術可以將高價態毒性更強的重金屬離子還原為價態較低的離子，降低其毒性。

生物修復包括植物修復和微生物修復2種。植物修復一般通過種植有高效富集或積累能力的植物，通過植物自身的高效富集或超積累作用吸收土壤中的重金屬離子，多次種植后可以將土壤中重金屬濃度降低到可以接受范圍內，是一種很好的環境友好型修復方法，但是植物生長周期相對較長，治理速度較慢。微生物修復[7]主要分為放線菌修復重金屬污染、細菌修復重金屬污染和真菌修復重金屬污染。修復主要機理是生物吸附和富集作用、氧化還原作用、溶解和沉淀作用以及菌根真菌作用等。

在耕地重金屬修復的過程中，化學固定技術由于不影響作物種植，成本較低，操作簡便，能有效對土壤中的重金屬離子進行鈍化而收到了廣大農民的歡迎。

3 土壤鈍化劑主要作用

土壤鈍化劑分為無機鈍化劑(沸石、硅藻土、海泡石、膨潤土等[8])、有機鈍化劑(腐殖酸、生物炭等[9])、新型復合鈍化劑(有機—無機復合材料[10])。

很多鈍化劑由于自身結構具有很強的吸附作用，進入土壤后可以很好地接著發揮吸附作用。通過施加特定土壤鈍化劑可以吸附特定對土壤或植物有害的重金屬離子。以沸石為例，天然沸石的主要成分為硅鋁酸鹽、水分子、可交換陽離子，還含有少部分雜質元素。首先，沸石的三維結構使得其具有很大的空隙，利于陽離子進入起到吸附的效果。其次，沸石的主要成分硅鋁酸鹽含大量局部負電荷，可以吸引帶正電荷的可交換正離子[13]，進入土壤后，帶正電荷的可交換正離子被土壤中的重金屬離子替代，即化學吸附與離子交換作用。

某些變價金屬價態的變化不僅可以導致其生物可利用性、活性、毒性的變化。還可以輔助其他方法例如化學淋洗除去土壤中的重金屬。劉針鈴等[14]利用水槽模擬戶外農田實驗，通過調控土壤淹水時間來控制土壤的氧化還原電位，實驗結果表明，在土壤淹水條件下，土壤的氧化還原電位逐漸降低，淋洗去除土壤中重金屬的效果逐漸升高，說明通過改變土壤的氧化還原電位去除土壤中的重金屬是可行的。

4 土壤鈍化劑的推廣應用

2020 年5 月中下旬，在九江市新塘鄉四華村，進行了75畝農田的Cd污染修復試驗，該地區土壤pH值為5.41，土壤鎘污染最高值為0.4～0.5 mg/kg之間，作物種類及種植制度為小麥-水稻輪作。在水稻種植前1～2周采用人工施撒的方式施用江西普瑞豐生態科技有限公司生產的土壤鈍化劑，施用量為 200 kg/畝。

采樣點按照 15 畝布置一個點位，共布置 5 個點位。按照 NY/T 398 的規定的要求，參考《農產品樣品采集流轉制備和保存技術規定》，在每茬作物收獲后采集農產品，在每個采樣點上選擇連續 3 兜健康的水稻，采集其全部完整的稻穗，形成一個單個樣品，再將同個采樣單元內的所有樣品混合，構成一個混合樣品，測定水稻籽粒中的 Cd 含量，評估鈍化劑的使用效果。土壤樣品根據《農用地土壤樣品采集流轉制備和保存技術規定》進行采集。

5 土壤鈍化劑應用效果

5.1 施用效果

通過對采集的水稻樣品進行檢測，5個點位中水稻樣品內的鎘含量分別為 0.11 mg/kg、0.11 mg/kg、0.11 mg/kg、0.1 mg/kg和0.097 mg/kg，顯著性水平α為0.05，最小值 0.097 mg/kg，最大值0.11 mg/kg，平均值0.1054 mg/kg。修復后水稻檢測樣品中鎘含量均顯著低于《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB2762-2017 )中水稻總鎘含量規定的0.2 mg/kg。施用鈍化劑前該地區土壤pH值為5.41，土壤鎘污染最高值為0.4～0.5 mg/kg之間，說明在施用土壤鈍化劑后能有效降低土壤中Cd離子的活性，降低土壤中Cd離子向作物轉移的能力。

根據柴桑區農業農村局提供的測產報告，2020年10月22日，柴桑區農業農村局組織有關專家對柴桑區受污染耕地安全利用項目進行中稻測產驗收。經專家組測產，柴桑區2020年受污染耕地安全利用項目范圍內水稻畝產量平均單產達516.75 kg/畝，較去年增產8.75 kg/畝，同比增長1.72%，柴桑區2020年農用地安全利用項目范圍內水稻畝產量不低于當年當地畝產水平的90%，故耕地污染治理項目未對農產品產量造成影響并且在一定程度上提高了產量。

5.2 社會影響

土壤中Cd的鈍化，首先，需要土壤鈍化劑的生產，促進了土壤修復行業的發展；其次，在運輸過程中，運輸行業的作用不可忽略；再者，是土壤鈍化劑的施灑，在此過程中需要當地農民的幫助，通過短期合同與他們達成協議，以完成土壤鈍化劑的施灑及后期檢測，在一定程度上推動了就業。當土壤鈍化后鎘含量降至一定適合種植的范圍時，該土地又可以用于種植新的植物實現農產品的增產，帶動就業，推動經濟。

根據九江市農業農村污染防治委員會辦公室關于印發《2019—2020 年九江市受污染耕地安全利用工作總體方案》(九環農委辦字 [2019]6 號)、九江市農業農村局、生態環境局《關于下達2020 年農用地安全利用及嚴格管控目標任務的通知》、(九農字[2020]7號)文件精神，全面完成2837 畝輕中度污染耕地安全利用、116 畝重度污染耕地的嚴格管控任務，實現受污染耕地安全利用率達到 93%以上的目標，全區受污染耕地安全利用率達到考核目標要求，土壤重金屬污染風險得到基本管控，農產品質量安全得到基本保障。對于輕中度污染耕地，要優先和科學利用受污染耕地的生產功能，實現耕地土壤污染治理與農業生產的有效結合。九江市新塘鄉四華村安全利用類土壤點位鎘污染最高值在 0.4～0.5 mg/kg 之間，經過處理后可以將水稻中總鎘含量降至國家標準限量值0.2 mg/kg以下，符合可持續發展理念。

6 結論

從推廣試驗的結果來看，通過施用土壤鈍化劑能有效對土壤中的重金屬離子進行鈍化，降低重金屬離子向農作物轉移的活力，同時施用土壤鈍化劑還能在一定程度上增加農作物的產量，因此在農業生產中通過施用土壤鈍化劑的形式來降低作物中重金屬含量是切實可行的。