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名称 农田土壤重金属污染及综合治理研究
发布机构 科技外事处 索引号 2189234/2021-01754
主题分类 科技发展 文号
发布日期 2021-09-08 主题词

农田土壤重金属污染及综合治理研究

发布日期:2021-09-08 15:22 信息来源:科技外事处 访问量:? 字体 :[ 大 ][ 中 ][ 小 ]

农田土壤重金属污染及综合治理研究

引言

    随着工业化、城市化进程加快,生态环境污染问题成为制约经济社会发展的重要因素。近年来,我国粮食主产区耕地面积土壤重金属污染呈现出上升趋势。据相关部门监测,点位超标率从7.16%增加到了21.49%,增长了14.36个百分点。农田土壤重金属污染主要有镉、镍、铜、锌和汞等元素为主。而且,南方粮食主产区的农田土壤重金属污染要显著重于北方。全国松嫩平原、三江平原、黄淮海平原、长江中游及四川盆地等五大粮食主产区农田土壤重金属以轻度污染为主,其中,镉污染比重加剧的趋势较为显著,从点位超标比重的1.32%增长至17.39%。农田土壤重金属污染不仅导致农田土壤污染,影响农作物产量,还会经农作物将重金属元素通过食物链影响到居民的健康。因此,掌握农田土壤重金属污染评价,评估农田土壤重金属污染风险现状,及时采取相应修复治理措施,对做好农田土壤污染治理具有积极的现实指导意义。

1 农田土壤重金属污染特点

1.1迁移转化

    重金属元素一旦浸入至农田土壤环境巾,便会由此发生一系列的物理、化学反应,并在各种反应过程中发生迁移转变,且随着农田生态环境的变化而影响物理、化学反应。例如,重金属元素溶解、沉积、氧化,以及还原等均可以还原。但在一些特殊条件下,农田土壤重金属元素具有稳定性。此外,不同生物种类对农田土壤中的重金属元素耐受情况不同。由于重金属元素难以降解,在土壤中长期富集后转化为有机金属化合物,毒性及危害性更大,抑制土壤的活性,以及生物酶的作用。尤其是长期富集后,经由食物链进人人体,危害性较大。

1.2形态多变

    重金属元素大多具有较强的化学活性,化合价变化大,与其他元素发生各种物理、化学反应。而且,随着土壤pH值变化,农田土壤中的重金属元素会发生各种反应,出现各种形态,使得农田土壤中的重金属元素的毒性、稳定性存在较大差异,增加了重金属污染治理难度。如重金属元素由自然状态转变为络合态、离子态等,会进一步增加土壤的重金属元素毒性,尤其是离子态铜、锌、铅等重金属元素,毒性会高于络合物。此外,农田土壤中的重金属元素还会通过各种物理、化学反应,而形成有机物,其毒性要大于由重金属元素形成的无机物。因此,农田土壤重金属污染监测及评估,既要分析重金属元素的类型,还要掌握其形态,才能更加准确的评价其相应的污染程度。

1.3难以消除

    重金属元素一旦浸入土壤,土壤中的微生物难以通过分解,使其浓度降低或分解利用。甚至还会因为微生物将各种重金属元素聚集,发生各种反应而生成土壤中重金属毒性更强的物质。可见,由于农田土壤中重金属元素的难消除性而增加了后期的处理难度。即,农田土壤中的重金属元素在土壤或其微生物体内富集,久而久之,长期积累,给土壤生态系统,甚至人体产生不利影响,短期内难以恢复。

2 农田土壤重金属污染原因

2.1农药化肥

    我国是农药化肥的最大生产国和消费国,过量化肥农药的使用是导致农田土壤重金属污染的重要因素。据统计,2019年我国农用化肥的施用量达到了5403.59万吨,化肥的过量使用,虽然能够有效帮助农作物实现增产增收,但也有相当部分的化肥被农田土壤所吸收,并经过灌溉、雨水等进入水域,从而进一步加大了农田土壤的重金属污染程度。其中磷肥、复合肥、钾肥、氮肥等过量使用等会加大农田土壤重金属元素含量超标。此外,农药的过量使用也会加剧农田土壤重金属污染。

2.2固体废弃物

    固体废弃物也是农田重金属污染的重要因素之一,尤其是乡镇工业企业及工业园区附近的农田土壤中,大量成分复杂、种类繁多的固体废弃物直接堆放在农田附近,通过雨水淋洗,以及固体废弃物的渗滤液污染,都会引起农田土壤重金属发生污染。在风吹日晒、水源中扩散,都会加剧农田土壤重金属含量,导致污染物超标。

2.3大气沉降

    交通运输、冶金、水泥、建筑及能源等行业,在其生产作业过程中会产生大量粉尘污染及废气污染物,污染物中许多重金属元素随着排放出的废气,以气溶胶、蒸气等形态进入大气环境巾,并沉降至农田土壤巾。此外,高速公路、城市周边大量机动车辆排放的含铅汽油,在其燃烧过程中会产生大量锌、铜、铅、铬等重金属元素,随着大气沉降,最终会影响农田土壤污染,导致农田土壤中重金属元素超标。

3 农田土壤重金属污染危害

    农田土壤重金属元素不仅会破坏生态环境,还会改变土壤结构、生物生长,以及生态系统破坏等,对生态环境有着较大影响。

3.1影响土壤理化性质

    (1)破坏土壤结构。铅、铜、砷、汞等重金属元素在农田土壤中富集,达到一定浓度后会深刻影响着土壤结构,改变了土壤结构及其有效成分,破坏农田土壤内部平衡,导致土壤出现板结、降低孔隙度等,进而影响农田土壤的通透性及含水量,使农田土壤出现贫瘠。

    (2)影响物质转化。即,农田土壤重金属元素会影响土壤物质中的生物与非生物间的反复运转及交换,既包括无机物质的有机质化,也包括有机物质的无机质化,影响土壤的结构组成及营养成分,如土壤的碳、氮及磷循环,最终影响农田土壤的质地、 pH值、孔隙度等,破坏土壤物质循环,造成土壤中的生物营养不良,减产等。

3.2影响土壤生物生长

    农田土壤重金属污染主要是由于人类的活动引起动态变化,随着重金属元素污染源输入至农田土壤以及农田土壤中的农作物吸收、流水等作用,从而对农作物、微生物及人体产生不利影响。

    (1)农作物。在灌溉水源及土壤中的重金属元素会随着质外体通道或共质体通道进入农作物,从而影响农作物的品质,导致农产品,如大米、萝卜等出现重金属元素超标。此外,重金属元素超标也会破坏农作物酶系统、叶绿素合成及改变核酸代谢水平等,影响农作物产量。

    (2)微生物。土壤中的真菌、放线菌、藻类等微生物,对土壤的硝化、硫化、固氮,以及有机质分解和养分转化发挥着重要作用。但当农田土壤重金属元素含量过高,会抑制微生物代谢、死亡,造成微生物群落结构发生改变。

    (3)人体。农田土壤重金属元素会经过农作物,并经过食物链最终影响人体的消化道等机体,产生骨痛病、铅中毒等。此外,农田作业过程中,因农药化肥的过量使用,大量重金属元素浮沉于空气中,经人体口腔、鼻腔等,影响呼吸道及肺部,长期富集,会造成机体病变。

4 农田土壤重金属污染防治对策

4.1源头治理

    从灌溉及施肥用药等源头做好农田土壤重金属污染防治。首先是科学施用农药化肥。根据农作物实际需要,精准施用农药化肥,严控施用的数量、次数及时间。大力推广有机肥、绿色肥料,推广生态绿色种植技术。有机肥施用前先进行高温堆肥处理,做好灭菌,降低污染。选用石灰石等土壤调理剂,降低农作物土壤酸度,缓解土壤中重金属铝元素,还可以有效补充土壤镁、钙等营养元素,改善土壤结构,提高土壤生物活性。此外,大力推广滴灌、喷灌等精准灌溉技术,切断重金属通过水源流入农田。

4.2因地种植

    根据《土壤环境监测技术规范》,做好农田土壤重金属污染评估,以及土壤区域划分,针对土壤中不同重金属富集程度等,采取差异化种植,最大限度地发挥农田土壤利用效率。针对已经遭受重金属污染严重的农田,严禁种植农作物,应该种蜈蚣草、小腊叶片等超量积累植物,达到改良土壤重金属污染程度。此外,还可以种植空麻、棉花等经济作物或观赏类植物。根据不同植物的重金属吸附能力及特性,选种合适的农作物。如,镉金属元素严重污染农田,可种植花生、油菜等低镉积累植物。总之,通过监测土壤重金属元素,合理规划,科学施肥,高效种植。

4.3科学修复

    农田土壤重金属污染,可选用物理法、化学法、生物法,以及综合修复技术,因地制宜,根据土壤重金属污染修复技术特点,有针对性进行科学修复,恢复土壤生态结构。例如,客土法、换土法可适用较小范围重金属污染农田,还可以选用热处理法、改良土壤法等先进技术。近年来,生物修复和生态修复等应用广泛,对农田重金属污染面积大、周期长等具有良好修复效果。此外,在土壤中加入改良剂、生物炭等,使土壤重金属元素挥发,降低有害重金属物质比重,达到修复处理效果。

结语

    综上,我国是农业生产大国,农田土壤重金属污染问题亟待解决。要针对当前农田土壤重金属污染的特点及原因,高度重视农田土壤重金属污染的危害,采取源头治理、因地种植和科学修复等措施,综合施策,降低农田土壤重金属污染的危害,保护好农业生产基本农田,为乡村振兴战略的实施发挥应有价值。


摘自:《资源节约与环保》2021年第7

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农田土壤重金属污染及综合治理研究

科技外事处 2021-09-08

农田土壤重金属污染及综合治理研究

引言

    随着工业化、城市化进程加快,生态环境污染问题成为制约经济社会发展的重要因素。近年来,我国粮食主产区耕地面积土壤重金属污染呈现出上升趋势。据相关部门监测,点位超标率从7.16%增加到了21.49%,增长了14.36个百分点。农田土壤重金属污染主要有镉、镍、铜、锌和汞等元素为主。而且,南方粮食主产区的农田土壤重金属污染要显著重于北方。全国松嫩平原、三江平原、黄淮海平原、长江中游及四川盆地等五大粮食主产区农田土壤重金属以轻度污染为主,其中,镉污染比重加剧的趋势较为显著,从点位超标比重的1.32%增长至17.39%。农田土壤重金属污染不仅导致农田土壤污染,影响农作物产量,还会经农作物将重金属元素通过食物链影响到居民的健康。因此,掌握农田土壤重金属污染评价,评估农田土壤重金属污染风险现状,及时采取相应修复治理措施,对做好农田土壤污染治理具有积极的现实指导意义。

1 农田土壤重金属污染特点

1.1迁移转化

    重金属元素一旦浸入至农田土壤环境巾,便会由此发生一系列的物理、化学反应,并在各种反应过程中发生迁移转变,且随着农田生态环境的变化而影响物理、化学反应。例如,重金属元素溶解、沉积、氧化,以及还原等均可以还原。但在一些特殊条件下,农田土壤重金属元素具有稳定性。此外,不同生物种类对农田土壤中的重金属元素耐受情况不同。由于重金属元素难以降解,在土壤中长期富集后转化为有机金属化合物,毒性及危害性更大,抑制土壤的活性,以及生物酶的作用。尤其是长期富集后,经由食物链进人人体,危害性较大。

1.2形态多变

    重金属元素大多具有较强的化学活性,化合价变化大,与其他元素发生各种物理、化学反应。而且,随着土壤pH值变化,农田土壤中的重金属元素会发生各种反应,出现各种形态,使得农田土壤中的重金属元素的毒性、稳定性存在较大差异,增加了重金属污染治理难度。如重金属元素由自然状态转变为络合态、离子态等,会进一步增加土壤的重金属元素毒性,尤其是离子态铜、锌、铅等重金属元素,毒性会高于络合物。此外,农田土壤中的重金属元素还会通过各种物理、化学反应,而形成有机物,其毒性要大于由重金属元素形成的无机物。因此,农田土壤重金属污染监测及评估,既要分析重金属元素的类型,还要掌握其形态,才能更加准确的评价其相应的污染程度。

1.3难以消除

    重金属元素一旦浸入土壤,土壤中的微生物难以通过分解,使其浓度降低或分解利用。甚至还会因为微生物将各种重金属元素聚集,发生各种反应而生成土壤中重金属毒性更强的物质。可见,由于农田土壤中重金属元素的难消除性而增加了后期的处理难度。即,农田土壤中的重金属元素在土壤或其微生物体内富集,久而久之,长期积累,给土壤生态系统,甚至人体产生不利影响,短期内难以恢复。

2 农田土壤重金属污染原因

2.1农药化肥

    我国是农药化肥的最大生产国和消费国,过量化肥农药的使用是导致农田土壤重金属污染的重要因素。据统计,2019年我国农用化肥的施用量达到了5403.59万吨,化肥的过量使用,虽然能够有效帮助农作物实现增产增收,但也有相当部分的化肥被农田土壤所吸收,并经过灌溉、雨水等进入水域,从而进一步加大了农田土壤的重金属污染程度。其中磷肥、复合肥、钾肥、氮肥等过量使用等会加大农田土壤重金属元素含量超标。此外,农药的过量使用也会加剧农田土壤重金属污染。

2.2固体废弃物

    固体废弃物也是农田重金属污染的重要因素之一,尤其是乡镇工业企业及工业园区附近的农田土壤中,大量成分复杂、种类繁多的固体废弃物直接堆放在农田附近,通过雨水淋洗,以及固体废弃物的渗滤液污染,都会引起农田土壤重金属发生污染。在风吹日晒、水源中扩散,都会加剧农田土壤重金属含量,导致污染物超标。

2.3大气沉降

    交通运输、冶金、水泥、建筑及能源等行业,在其生产作业过程中会产生大量粉尘污染及废气污染物,污染物中许多重金属元素随着排放出的废气,以气溶胶、蒸气等形态进入大气环境巾,并沉降至农田土壤巾。此外,高速公路、城市周边大量机动车辆排放的含铅汽油,在其燃烧过程中会产生大量锌、铜、铅、铬等重金属元素,随着大气沉降,最终会影响农田土壤污染,导致农田土壤中重金属元素超标。

3 农田土壤重金属污染危害

    农田土壤重金属元素不仅会破坏生态环境,还会改变土壤结构、生物生长,以及生态系统破坏等,对生态环境有着较大影响。

3.1影响土壤理化性质

    (1)破坏土壤结构。铅、铜、砷、汞等重金属元素在农田土壤中富集,达到一定浓度后会深刻影响着土壤结构,改变了土壤结构及其有效成分,破坏农田土壤内部平衡,导致土壤出现板结、降低孔隙度等,进而影响农田土壤的通透性及含水量,使农田土壤出现贫瘠。

    (2)影响物质转化。即,农田土壤重金属元素会影响土壤物质中的生物与非生物间的反复运转及交换,既包括无机物质的有机质化,也包括有机物质的无机质化,影响土壤的结构组成及营养成分,如土壤的碳、氮及磷循环,最终影响农田土壤的质地、 pH值、孔隙度等,破坏土壤物质循环,造成土壤中的生物营养不良,减产等。

3.2影响土壤生物生长

    农田土壤重金属污染主要是由于人类的活动引起动态变化,随着重金属元素污染源输入至农田土壤以及农田土壤中的农作物吸收、流水等作用,从而对农作物、微生物及人体产生不利影响。

    (1)农作物。在灌溉水源及土壤中的重金属元素会随着质外体通道或共质体通道进入农作物,从而影响农作物的品质,导致农产品,如大米、萝卜等出现重金属元素超标。此外,重金属元素超标也会破坏农作物酶系统、叶绿素合成及改变核酸代谢水平等,影响农作物产量。

    (2)微生物。土壤中的真菌、放线菌、藻类等微生物,对土壤的硝化、硫化、固氮,以及有机质分解和养分转化发挥着重要作用。但当农田土壤重金属元素含量过高,会抑制微生物代谢、死亡,造成微生物群落结构发生改变。

    (3)人体。农田土壤重金属元素会经过农作物,并经过食物链最终影响人体的消化道等机体,产生骨痛病、铅中毒等。此外,农田作业过程中,因农药化肥的过量使用,大量重金属元素浮沉于空气中,经人体口腔、鼻腔等,影响呼吸道及肺部,长期富集,会造成机体病变。

4 农田土壤重金属污染防治对策

4.1源头治理

    从灌溉及施肥用药等源头做好农田土壤重金属污染防治。首先是科学施用农药化肥。根据农作物实际需要,精准施用农药化肥,严控施用的数量、次数及时间。大力推广有机肥、绿色肥料,推广生态绿色种植技术。有机肥施用前先进行高温堆肥处理,做好灭菌,降低污染。选用石灰石等土壤调理剂,降低农作物土壤酸度,缓解土壤中重金属铝元素,还可以有效补充土壤镁、钙等营养元素,改善土壤结构,提高土壤生物活性。此外,大力推广滴灌、喷灌等精准灌溉技术,切断重金属通过水源流入农田。

4.2因地种植

    根据《土壤环境监测技术规范》,做好农田土壤重金属污染评估,以及土壤区域划分,针对土壤中不同重金属富集程度等,采取差异化种植,最大限度地发挥农田土壤利用效率。针对已经遭受重金属污染严重的农田,严禁种植农作物,应该种蜈蚣草、小腊叶片等超量积累植物,达到改良土壤重金属污染程度。此外,还可以种植空麻、棉花等经济作物或观赏类植物。根据不同植物的重金属吸附能力及特性,选种合适的农作物。如,镉金属元素严重污染农田,可种植花生、油菜等低镉积累植物。总之,通过监测土壤重金属元素,合理规划,科学施肥,高效种植。

4.3科学修复

    农田土壤重金属污染,可选用物理法、化学法、生物法,以及综合修复技术,因地制宜,根据土壤重金属污染修复技术特点,有针对性进行科学修复,恢复土壤生态结构。例如,客土法、换土法可适用较小范围重金属污染农田,还可以选用热处理法、改良土壤法等先进技术。近年来,生物修复和生态修复等应用广泛,对农田重金属污染面积大、周期长等具有良好修复效果。此外,在土壤中加入改良剂、生物炭等,使土壤重金属元素挥发,降低有害重金属物质比重,达到修复处理效果。

结语

    综上,我国是农业生产大国,农田土壤重金属污染问题亟待解决。要针对当前农田土壤重金属污染的特点及原因,高度重视农田土壤重金属污染的危害,采取源头治理、因地种植和科学修复等措施,综合施策,降低农田土壤重金属污染的危害,保护好农业生产基本农田,为乡村振兴战略的实施发挥应有价值。


摘自:《资源节约与环保》2021年第7

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