耕地重金属镉污染安全利用修复

廖绍群 傅凯文

（1.新余市生态环境污染防治渝水中心，江西 新余 338000；2.新钢集团安全环保部，江西 新余 338000）

0 引言

当前，我国农业土壤重金属污染整体态势不容乐观，全国约有两千万公顷耕地受到不同程度的镉、砷、铬、铅等重金属污染，约占耕地总面积的1/5［1］。2014年《全国土壤调查公报》显示土壤镉的点位超标率达7.0%，位于八大超标金属元素之首［2］。根据2019年新余市渝水区农用地土壤污染详查，罗坊镇受污染耕地面积359.4 hm2，为集中连片区域，占比18.2%，其中：罗家村153.2 hm2，坪塘村123.2 hm2，松林村82.8 hm2，土壤类型为石灰岩发育的水稻土壤，主要污染特点为轻度镉污染（土壤Cd质量分数0.27～0.83mg/kg，pH值4.60～6.20），其镉含量高于《农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）风险筛选值0.3 mg/kg，低于风险管制值1.5 mg/kg，在受污染区块内随机采样成熟水稻，水稻也存在不同程度的镉超标，原则上应当采取农艺调控等技术进行修复并安全利用。

1 污染成因

土壤重金属污染的主要类型是外源性污染，通过污水灌溉、农药化肥施用、大气沉降等外源因素输入，加剧农业土壤中的重金属污染物含量超标。该地种植水稻，通过实地调查，主要原因有3个：一是该地块灌溉水来自袁河，经过多个村庄后进入农田，在袁河上游和附近区域存在较多家禽家畜养殖场，以养猪、养鸡鸭居多，养殖场在养殖过程中会产生大量的养殖废水，有些养殖废水未经处理或未达标直接排入河道，而养殖废水夹杂的动物粪便中含有重金属、氨氮等成分；二是在袁河上游存在一些采矿区和污染企业，由于对洗矿废水、工业污水、生产粉尘等的处置措施不到位，导致废水通过地表径流流入袁河（主要的灌溉水水源），随着长期使用这类污水进行灌溉，同时含重金属的粉尘随大气飘落到农田，使土壤中金属含量上升、土壤中重金属形态发生改变，造成农田重金属污染；三是不合理地施用化肥或者施用了含有镉等重金属的农药，如磷肥含镉比较高，施用加量就会导致重金属镉含量上升，一些农药中也含有镉、汞、铅、锌等重金属，正常施农药也增加土壤镉含量［3］。

2 修复技术

土壤重金属污染修复难度大、危害影响深远、治理周期长，需要根据不同情况选择合适的修复技术。耕地土壤重金属修复技术主要包括化学修复、物理修复、农艺调控。

2.1 化学修复

化学修复是指在受重金属污染的土壤中添加稳定化剂、抑制剂等化学物质，来改变土壤pH值、氧化还原电位等理化性质，经氧化还原、沉淀、吸附、抑制、络合螯合和拮抗等作用来降低重金属。其中的原位化学固定修复方法应用较为广泛，其技术核心是向污染土壤中加入土壤钝化剂改变土壤的物理、化学性质，通过对重金属的吸附、离子交换、沉淀或共沉淀作用，改变重金属在土壤中的化学形态和存在状态，从而降低其生物有效性和迁移性，减少重金属元素对动植物的毒性及其环境风险，该方法不仅成本低，易于实施，且当季修复效果明显，特别适用于大面积中轻度的重金属污染耕地治理，具有较明显的技术优势，但是，钝化技术只是暂时钝化重金属，降低其活性，并未降低土壤中重金属总量，一旦环境条件发生改变（比如施肥、植物吸收等带来的酸化），已钝化的不同形态的重金属可能再次陆续释放，重新造成污染。

2.2 物理修复

物理修复法通常是通过物理工程，如换土、客土、深耕翻土等工程措施，达到降低土壤重金属污染物含量，取得土壤修复的预期效果［4］。客土适用于重度污染区域，深耕翻土适用于轻度污染土壤。物理修复法是一种较早使用的治本修复技术，具有治本、稳定等效果［5］，主要针对污染严重的较小地块修复效果较明显，但存在二次污染问题，容易导致土壤的结构破坏和肥力下降，对污染面积较大的土壤需要消耗大量的人力和财力。

2.3 农艺调控

农艺调控技术是指采取农艺措施对耕地土壤进行有效调控，直接或间接达到修复耕地重金属污染的目的，主要有重金属低积累品种替代种植、施用对重金属有拮抗作用的肥料、调理土壤pH值等措施［6］。农艺调控适用于轻微和轻度重金属污染耕地的修复，需要及时跟踪监测土壤和农作物中的重金属含量，进一步优化调整农艺调控技术。该技术不会改变土壤耕作性质，操作简单方便、技术较成熟、费用不高，只是修复效果有限［7］。

3 修复技术筛选

现有市场应用的耕地重金属污染修复技术，根据各自的适宜污染程度、修复成本、修复周期、修复效果、优缺点等进行简要比选，其结果如表1。

表1 修复技术筛选

原位钝化技术长效性不足，一旦环境条件发生改变（比如施肥、植物吸收等带来的酸化），已钝化的不同形态的重金属可能再次陆续释放，重新造成污染；南方水稻根系较浅，并且稻田常年耕作形成的致密犁底层对稻田保水保肥功效显著，在南方的水稻田一般不推荐过度深翻打破犁底层；叶面阻控是在作物关键生育期喷施具有拮抗或生理调控的叶面肥，有效阻控重金属往籽粒里转运，最终降低籽粒重金属超标风险的技术，该技术效果很不稳定，一般须联合其他技术共同使用；植物修复技术成本高，并且后处理困难，不适合罗坊镇轻度镉污染修复；替代种植适合重度重金属污染的土壤修复，罗坊镇以种植水稻为主，很难改变农户种植习惯。

针对罗坊镇受污染耕地轻度镉污染特点，本着安全性、可行性和因地制宜原则，初步筛选出低镉积累作物种植技术。

3.1 低镉积累品种种植

低镉积累水稻种植属于农艺调控修复措施，在理化性质相同的耕地种植不同品种的水稻，因镉吸收累积量不同导致成熟水稻镉含量有差异，所以可以通过种植低镉积累水稻来降低镉含量，已有研究表明筛选低累积作物对于轻、中度镉污染土壤的修复及安全利用可行。

供试土壤来自渝水区罗坊罗家村，供试面积0.07 hm2，常年种植双季稻，供试品种为黄华占，试验前耕作层土壤基本理化性质为：土壤pH值5.41，总镉0.61 mg/kg，镉含量高于《农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）风险筛选值0.3 mg/kg。对供试土壤分别种植5种不同水稻品种，检测稻谷中镉含量见表2。

表2 不同镉积累水稻试验效果

试验结果显示，5种不同品种水稻种植成熟后镉含量有一定差距，其中美香新占和湘晚12镉含量低于0.5 mg/kg，但镉浓度还不是十分理想，可以联合其他措施使用。低积累水稻主要通过减少镉由根部向地上部转移的方式来降低可食部位镉的浓度，在种植低镉积累水稻的同时，可通过减少水稻根细胞所处环境、镉吸收途径可进一步降低地上部位镉的浓度。当土壤呈酸性，镉溶解性强，其有效性和迁移性增强；当土壤呈碱性，镉形成氢氧化物沉淀，有效性和迁移性降低，危害性会明显降低，因此采取措施升高土壤pH值，低镉积累成熟水稻镉含量会进一步降低。

3.2 联合修复

低镉积累水稻种植可以一定程度降低成熟水稻镉含量，通过种植美香新占和湘晚12两种水稻品种，其镉质量分数接近0.5 mg/kg，高于0.2 mg/kg，尝试通过调节土壤pH值，用有机肥替代常规肥和低镉积累水稻种植联合修复。就联合修复进行了小试和中试。

小试供试土壤来自渝水区罗坊坪塘村，供试面积0.34 hm2，常年种植双季稻，供试品种为黄华占，试验前耕作层土壤基本理化性质为：土壤pH值5.73，镉质量分数1.26 mg/kg。对供试土壤分别施用2种不同修复组合，试验修复效果如表3。

表3 小试联合修复试验效果

中试供试土壤来自渝水区罗坊罗家村，供试面积13.4 hm2，常年种植双季稻，供试品种为黄华占，试验前耕作层土壤基本理化性质为：土壤pH值5.24～5.54，总镉0.337～0.765 mg/kg。采取低镉积累品种+石灰+有机肥的联合措施进行安全利用，水稻成熟后在区域内采集10个稻谷样品检测其镉含量，检测结果如表4。

表4 中试联合修复试验效果

以上实验结果显示，联合修复镉处理效果更佳，采取低镉积累品种+石灰+有机肥的联合措施，在土壤镉1.26 mg/kg情况下（超风险筛选值76℅）可以实现稻谷中镉不超标，低于标准0.2 mg/kg；在土壤镉本底值更低的情况下，可以极大地降低稻谷镉含量，80%的点位水稻镉含量都低于0.1 mg/kg。

罗坊镇受污染耕地呈弱酸性（pH值4.60～6.20），酸性土壤会增加镉的解吸，促进镉被水稻根部吸收。向土壤洒石灰可中和酸性，使土壤pH值升高，高p H值土壤会导致Cd2+水解，生成Cd（OH）2和Cd3（PO4）2沉淀，进而减少镉的迁移，使得水稻籽粒中镉含量降低。常规肥（如磷肥）含镉比较高，用有机肥代替磷肥可从源头减少镉污染，并且土壤中有机质的含量在一定程度上影响重金属的迁移转化，有机质通过直接吸附或腐殖质与镉形成稳定化合物降低有效性镉的浓度。

4 修复方案及动态监测

考虑不同修复技术的经济性、成熟性、工程适用性、适宜土壤污染程度等多方面因素，结合“江西省受污染耕地安全利用治理修复种植结构调整试点2018—2019年度实施方案和技术要点（赣农办字［2018］28号）文件”，以及罗坊镇土壤重金属镉污染以“轻度污染”为主的需求情况，可采用种植低镉积累品种+石灰+有机肥的联合修复技术。

修复实施前、实施中和实施后，应依据《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）、《农田土壤环境质量监测技术规范》（NY/T 395—2012）、《农用地污染土壤修复项目管理指南（试行）》及《耕地污染治理效果评价准则》（NY/T 3343—2018），对修复地块土壤、植物（水稻、其他经济作物）、灌溉水等进行有效动态监测重金属含量，以动态调整修复细节，边生产、边修复，边试验、边优化。

5 结语

耕地是人类赖以生存的重要资源，其重金属污染直接影响我国粮食安全，保护耕地人人有责，耕地重金属污染治理迫在眉睫。然而土壤重金属污染情况较为复杂，要结合污染程度及来源具体分析，因地制宜运用化学、物理、农艺调控等治理修复方法，力争达到最佳修复效果，进一步推动我国农业绿色发展。：