农田土壤污染与修复技术研究

文/郭兆熊 国家微生物肥料技术研究推广中心

2018年，习近平总书记在全国生态环境保护大会上提出：要全面落实《土壤污染防治行动计划》，突出重点区域，行业和污染物，强化土壤污染管控和修复，有效防范风险，让老百姓吃得放心，住的安心。

农田土壤的污染有原生母质重金属含量超标，发育的土壤相应也会超标；另外则是通过大气沉降、污染水源灌溉、污染水源侧渗，或者其他人为生产活动导致污染。在农田土壤中还有大量的农业土壤处于生产障碍，目前大家为了引起社会的重视，也笼统地归纳为土壤污染范畴。在一些成土母质含有重金属的农业耕作区，土壤的污染将随着母质的风化持续保持，即使修复也很难实现安全，一般建议不作为农业生产耕地使用。

根据我国土壤污染普查数据，全国土壤污染总超标率16.1%，其中中轻微、轻度、中度和重度污染点分别占11.2%、2.3%、1.5%、1.1%。污染物以无机型为主，占82.8%，有机型次之，复合型土壤污染比重较小。从区域看，南方土壤污染重于北方，长江三角洲、珠江三角洲、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，镉、汞、银、铅四种无机污染物含量分布呈现从西北到东南，从东北到西南逐渐升高。有机污染物六六六、滴滴涕、多环芳烃有机污染物点位超标率占0.5%、1.9%、1.4%。

我们95%的粮食来源于土壤，土壤不仅仅关系到吃，还是住、行、学习、工作等众多环境的承载者，所以土壤健康就是人类的健康。

农田土壤污染类型

根据农用地土壤污染风险管控标准规定，农田土壤污染主要是重金属和六六六、滴滴涕、苯并芘等污染物。

当土壤中污染物含量等于或者低于标准中规定的风险筛选值时，农用地土壤污染风险低，一般情况可以忽略；高于标准中规定风险筛选值时，可能存在农用地土壤污染风险，应加强土壤环境监测和农产品协同监测。当土壤中镉、汞、砷、铅、铬的含量高于风险筛选值、等于或者低于风险管控值时，可能存在食用农产品不符合质量安全标准等土壤污染风险，原则上应当采取农艺调控、替代种植等安全利用措施。当土壤中镉、汞、砷、铅、铬的含量高于标准中规定的风险管制值时，食用农产品不符合质量安全标准等农用地土壤污染风险高，且难以通过安全利用措施降低食用农产品不符合质量安全标准等农用地土壤污染风险，原则上应当采取禁止种植食用农产品、退耕还林等严格管控措施。

农田土壤生产障碍

在农业生产中，农业对待土壤的看法，土壤不仅仅是生长作物的表层疏松层，它是个类生命体。农业土壤有着物理、化学、生物等多方面性质，它不仅仅固定了作物，同时向作物提供了生长必需的营养元素、水分、氧气和温度等物质和能量。一旦农业生产中土壤的理化、生物性质发生改变，它向作物提供营养元素、水分、温度、氧气的能力下降，就说明土壤产生了生产障碍，土壤肥力随之下降，我们就需要针对不同的障碍类型，或者形成原因，将会指定一套有效的、可实现持续发展的修正方法。

在石油农业时代，大量的农用化工品投入，生产效率提高的同时，也带来了一些负面影响，农田土壤生产中出现生产障碍。例如现在比较普遍的土壤酸化、次生盐渍化、土壤板结、土壤生物（微生物）数量下降、重茬障碍等。

根据污染类型确定修复方法

农田土壤污染种类、浓度、修复工程量等影响了修复技术的选择。基本上土壤修复可以分为原位修复和异位修复。修复原理为化学途径、物理途径、生物途径，或者采用多种技术联合使用。有些地区除了污染土壤的修复，如果地下水位较浅，污染物在土壤中迁移到地下水体，还需要开展地下水修复。

土壤污染作为一个制约人类社会可持续发展的基本问题正受到日益广泛的关注，污染土壤的修复治理已成为大家十分关心的问题。随着工农业生产的发展和乡村的城市化，土壤污染迅速蔓延，污染程度也逐渐加深。污染土壤的治理是根据污染物和土壤的物理、化学性质及存在状态，进行有效分离或其他处理，使土壤特性得以恢复和利用，减轻或消除污染物对生态环境的影响。从根本上说，污染土壤修复的技术原理可包括为：

（1）改变污染物在土壤中的存在形态或同土壤的结合方式，降低其在环境中的可迁移性与生物可利用性。

（2）降低土壤中有害物质的浓度。目前在土壤修复行业，已有的土壤修复技术达到一百多种，常用技术也有十多种，大致可分为物理、化学和生物三种方法。近年来，在政府财政支持下，我国开展了多个类型场地的修复技术设备研发。尽管可以罗列的土壤及地下水污染的修复技术很多，但实际上经济实用的修复技术很少。

土壤修复技术归纳起来常用的有以下几种：

固化/稳定化法。稳定/固化指通过固态形式在物理上隔离污染物或者将污染物转化成化学性质不活泼的形态，降低污染物的危害，可分为原位和异位两种。稳定/固化法适用于重金属污染土壤的修复，一般不适用于有机污染物污染。

物理工程法。物理工程措施包括客土法、换土法、深耕翻土法、电动力修复法等，工程措施具有稳定、见效快的优点，但存在工程量大、投资费用高、二次污染隐患等缺点，不适宜大面积污染土壤的治理。

化学淋洗法。土壤淋洗修复是借助能促进土壤环境中污染物溶解或迁移的化学/生物化学溶剂，利用重力作用或通过水力压头推动淋洗液注入被污染的土层中，然后把含有污染物的液体从土层中抽提出来，进行分离和污水处理的技术。该技术可用于处理土壤中的污染物有：碳氢化合物、氯化烃、重金属、无机盐、有机农药等。

化学改良法。土壤改良剂也被称为土壤调节剂，一般用来改善土壤的理化性质。目前所施用的土壤改良剂或多或少含有一些农作物生长所必需的营养元素，在缺素土壤上施用含有相应部分微量元素的改良剂还能起到为植物提供养分的作用。目前改良剂种类繁多、效果不尽相同，根据其效果又具有不同的别称，如土壤结构剂能促进土壤团粒形成，土壤固定剂能防止水土流失，以及使用最广泛的调节土壤酸碱度的土壤调酸剂。以下几种是针对改良酸性土壤的调酸剂。

石灰类改良剂。石灰矿在我国分布广泛，加之石灰生产工艺简单、价格低廉，在农业生产中施用石灰类物质非常常见。常见的石灰类物质主要有石灰石、生石灰、熟石灰等。施用这类改良剂可以迅速有效地提高土壤pH值，并中和土壤中的潜在性酸，降低土壤溶液中交换性铝含量，还能补充酸性土壤中缺乏的钙元素。但在酸性土壤施用石灰也有不足的地方，土壤长期施用石灰会导致加速土壤K+和Mg2+浸出，停止施加会出现更强的复酸化过程。施用石灰还会加速土壤有机质中富里酸和胡敏酸分解，石灰施入后通过加速土壤C、N循环会降低土壤中的N含量。

工业和矿业副产品。人们研究发现，白云石、粉煤灰、磷矿粉、磷石膏、碱渣等矿物和淤泥、制浆废液等物质中含有碱性物质，可以中和土壤中的酸性成分，提高土壤酸碱度。但磷矿粉、磷石膏、碱渣在提高土壤pH值的同时，无法完全消除自身含有的少量重金属元素（Cd、Cr、Pb等），田间长期大量施用会增加重金属积累的风险。

有机改良剂。施用有机质能增强土壤颗粒凝聚性，改善土壤孔隙结构，增强土壤团粒结构。可以施加到土壤中的有机物来源十分广泛，除了农业生产中本身产生的动植物残体外，还有人畜家禽的粪便、绿肥和草木灰，以及由不同有机材料制成的生物质炭等。生物质炭具备比较高的稳定性，不容易被土壤中的微生物分解，且生物质炭具备比较高的pH值，施加到酸性土壤中可以提高土壤pH值，降低土壤酸度。

生物修复法。利用生物，特别是微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染环境或消除环境中污染物的一个受控或自发进行的过程。其中微生物修复技术是利用微生物，土着菌、外来菌、基因工程菌，对污染物的代谢作用而转化、降解污染物，主要用于土壤中有机污染物的降解。通过改变各种环境条件，如营养、氧化还原电位、共代谢基质，强化微生物降解作用以达到治理目的。

植物修复法。植物修复技术指利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发和转化、降解的作用机制来清除环境中污染物质的一项新兴污染环境治理技术。具体地说，就是利用植物的特性来转化、利用污染物，通过氧化－还原或水解作用，使污染物得以降解和脱毒的能力。利用植物根际圈特殊生态条件加速土壤微生物的生长，显著提高根际圈微环境中微生物的生物量和潜能，从而提高对土壤有机物的分解能力，以及利用某些植物特殊的积累与固定能力去除土壤中无机和有机污染物的能力，被统称为植物修复。根据植物修复原理可将其分为植物萃取、植物挥发、植物稳定以及植物促进等技术。

优点：治理初期就可以使一半以上的土地直接种植农作物，最大限度地保证耕地面积，在耕地面积不足的地方更具优势；污土堆积区通过套种模式进行，上部乔木可以供园林使用，乔木的生长也为地被超富集植物的生长提供了较好的生长环境，污染治理的同时也合理利用了土地产生一定的经济效益；成本相对较低，操作简便，易于施工；生态扰动较小，不会产生二次污染。缺点：植物修复技术目前仍处在实验阶段，对于污染环境治理的具体应用而言，还存在一些局限性。植物修复技术目前受其局限性制约，无法大面积应用于实地修复；堆积区的治理周期相对较长。

联合修复法

植物—微生物联合修复技术。微生物通过多种渠道影响土壤中重金属的生物效应。根区是植物根系和根际微生物作用的场所，微生物的活动可以改变土壤溶液的pH值，从而改变土壤对重金属的吸附特性；还可产生HS等，可与重金属反应，而微生物的细胞壁或粘液层能直接吸收或吸附重金属。Akiko等研究表明，豆科植物与重组的根菌之间的共生作用可以提高重金属的吸收。蔡信德等研究表明，非根区土中添加镍的质量分数对土壤中细菌、真菌和放线菌总数有一定的促进作用，土壤中微生物生物量最大，从而提高其修复效果。

改良剂—植物修复。在土壤中加入土壤改良剂（包括磷酸盐、石灰、硅酸盐等）调节土壤营养及其物理化学条件。廖敏等研究表明，在低石灰条件下，土壤中有机质的主要官能团羟基和羧基与OH-反应促使其带负电，土壤可变电荷增加，土壤有机结合态的重金属比较多。

螯合剂—植物修复。Cafer等研究了EDTA和柠檬酸对向日葵修复重金属污染土壤的影响，结果表明，在一定浓度下可提高向日葵对重金属Cr、Cd吸收。

电压—植物修复。在电压作用下，电极附近土壤溶液发生电化学元素反应，改变了土壤中的氧化一还原电位、pH等理化性质，加快土壤固体上重金属的解吸，提高土壤溶液中重金属的含量，从而有利于植物的吸收、积累，加快修复过程。

基因工程—植物修复。利用基因重组技术是将具有金属累积特性的基因导入到生物量大且易收获的植物中，并利用该植物特定的受体细胞与载体一起得到复制和表达，使受体细胞获得新的遗传特性，最后将转基因植物进行田间试验，以确定是否达到目的。

由于农田土壤污染一般面积较大，需要修复的工程量较大，多采用原位修复。

修复技术选择原则

可行性原则：一是技术上可行，选用的修复技术对污染农田土壤的治理效果比较好，能达到预期目标，能大面积实施和推广；二是经济上可行，治理成本不能太高，便于推广，应尽量采用成熟度高和可操作性强的技术；

安全性原则：尽可能选择对土壤肥力、生产力负面影响小的技术，在农田土壤修复技术实施过程中，不要带入新的污染物，不产生二次污染，不会对农田土壤环境、农作物和周边环境以及人群健康产生不利影响，风险可接受；

因地制宜原则：根据土壤的污染面积、污染种类、污染程度、修复的时间、成本和未来土地用途等因素综合考虑，经过科学论证，选择合理的修复技术；

修复周期：修复技术在满足技术上可行且具备可操作性的前提下，其修复周期应尽可能短，以满足场地开发建设对时间进度的要求。

目前农田土壤修复评价体系有待完善

目前环保部门进行的土壤修复项目，都会严格按照相关的标准文件执行，并由专家组成专家组充分讨论，严格评审，遵循着土壤污染初步调查（污染物识别－采样检测－风险筛选－调查结果）步骤开展工作。如果初步调查存在污染物超过风险筛选标准，就需要进一步详细调查，确定污染物详细污染范围、污染强度，以及需要修复的范围、工程量、修复目标等。

但是，在农业行业存在着大量的“声称”土壤修复的活动。实际上只是针对土壤在农业生产中出现的障碍，进行土壤调理、土壤改良。更多的表现在使用土壤调理剂、土壤改良剂，或者有机肥、生物有机肥，或者某些矿物来源的产品，或者组合套餐的方式添加到农田中，使其生产障碍得到缓解，从而恢复部分农田土壤肥力。

氮肥的过量施用，导致土壤酸化，从而引起地下病虫害增加，引起某些作物生理性缺钙等，通过土壤调理剂效果是很好的。但是目前这种以调理剂改良的做法，验证方法多为比较作物根系生长情况，或者测产，或者定性描述地下病虫害减少等，缺乏定量的评价。

在一些作物上，重茬障碍比较突出，有采用调酸碱度的方法，也有施用有机肥的方法，也有使用微生物的方法，但是多数采用自己设置试验，试验评价定性多于定量。

不管是肥料，还是调理剂、改良剂，用作物根系生长情况可以说明一定作用，但是不是唯一评价标准，因为目前农业投入品中，刺激作物根系生长的激素使用可以混淆调理剂的功能。

土壤修复 做减法也是不错的选择

土壤是个类生命体，它不仅是农业里面那个用来固定根系的基质，土壤肥力包括很多方面，不仅仅是我们知道的营养元素。人类在营养过剩，或者大量摄入一些所谓的保健品后，身体平衡打破，就会生病。或者不能摄入足够营养，超负荷工作，也会生病。土壤和人类一样，由于过量施用化肥、农药、抗生素等，带来了水土流失、环境污染、农产品品质下降和农田生物多样性减少等一系列问题。土壤生病了，需要给它吃点“药”，可以重新回到平衡。也许它需要的仅仅是休息，就可以得以恢复。它需要在自然状态下休整，比如说一块农田农业生产发生障碍，如果我们休耕，不再管它，第一年农田的生物多样性就可以得以恢复，第三年它的土壤肥力便可以恢复。

农田土壤修复，目标是让农田提供安全的农产品，让人们吃得放心。

区别土壤污染的概念。在农业生产土壤中，土壤生产障碍发生比例较大。目前我们场地土壤污染项目正在逐步开展调查、评估和修复。农田土壤如果按照农用地土壤污染风险管控标准没有超标的话，称土壤生产障碍更加客观，对生产障碍给予科学、客观的调理、改良。避免以土壤污染统称，加大消费者对农产品安全的过度焦虑。

完善农田土壤障碍消除评价标准。针对农田土壤生产障碍，如何进行科学、客观、公开的改良，需要从障碍调查、改良方案制定、改良效果评价等方面根据实际情况，制定相关的实施、验收标准，给予科学的评价。

对土壤调理剂、修复剂、改良剂应该指定更严格的污染物标准。目前市场上各种类型的土壤调理剂、土壤改良剂、土壤修复剂、有机肥改良剂、生物有机肥修复剂等产品，原料来源广、工艺差距大、产品质量监管力度弱，有些产品含有一定数量的潜在污染物，应制定更为严格的污染物限量标准，防止某些不合格或者有污染风险的投入品，借改良之名，行污染之实。