黃 迪，黃志紅，孔 輝，易 浩，龍 翔，楊燕群，肖惠寧

（1圣清環(huán)保股份有限公司，昆明650100；2南京林業(yè)大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，南京210037）

0 引言

根據(jù)2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》[1]，中國全國土壤點位超標(biāo)率為16.1%，耕地土壤點位超標(biāo)率為19.4%；全部超標(biāo)點位中的82.8%屬無機污染物超標(biāo)，重金屬如Cd、Pb、As、Hg、Cr、Cu、Zn、Ni污染是其污染的主要類型。中國土壤污染總體形勢不容樂觀，部分地區(qū)污染嚴重，農(nóng)田土壤污染形勢嚴峻[2]。中國農(nóng)田土壤重金屬污染呈現(xiàn)區(qū)域性污染嚴重的特點，以西南（云南、貴州等地）、華中、長江三角洲及珠江三角洲等地的污染尤為嚴重[3-4]。農(nóng)田土壤重金屬污染直接影響到農(nóng)產(chǎn)品、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)及人居環(huán)境的健康安全，農(nóng)田土壤重金屬污染受到廣泛關(guān)注[5-7]。

目前對農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)的報道多是實驗規(guī)模關(guān)于修復(fù)技術(shù)、修復(fù)藥劑等內(nèi)容的研究，相關(guān)修復(fù)技術(shù)、修復(fù)藥劑的大田修復(fù)實踐較為缺乏[8]。筆者通過對已實施的云南省某農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)工程進行報道，介紹其項目概況、修復(fù)工藝選擇、藥劑篩選、工程實施等內(nèi)容，研究重金屬污染農(nóng)田土壤的穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)，為重金屬污染農(nóng)田土壤的安全利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 項目概況

項目所在地會澤縣是中國重要的有色金屬礦區(qū)之一，已探明的鉛鋅礦儲量約152.8萬t，區(qū)域內(nèi)共有30余家冶煉企業(yè)。由于礦產(chǎn)開采、冶煉加工導(dǎo)致地表水、地下水受到嚴重的重金屬污染，而長期污水灌溉農(nóng)田導(dǎo)致重金屬在土壤內(nèi)積累，造成土壤的Cd、Pb、Zn等多種重金屬污染。該區(qū)域已被列為全國138個重金屬污染重點防控區(qū)。

項目區(qū)土壤類型為紅壤，主要農(nóng)作物為玉米，采用重金屬穩(wěn)定化技術(shù)修復(fù)的面積為40.50 hm2，工期為2018年2月—2019年12月。

1.1 土壤及作物污染情況

1.1.1 監(jiān)測點位布設(shè) 項目土壤采樣點位布設(shè)參照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)要求，在水平方向（表層土，0～20 cm）按0.33 hm2/樣品采用梅花布點進行取樣檢測，共取122個土樣檢測；在垂直方向（土壤剖面）按2.67 hm2/樣品采用梅花布點分別對0～20、20～60、60～100 cm土層取樣檢測，每層取15個土樣檢測；玉米采樣點位與表層土采樣點位一致。

1.1.2 污染情況 土壤污染為Cd、Pb、Zn重度污染，Cd污染尤為嚴重，詳見表1；土壤剖面隨深度增加污染程度有所降低，詳見表2；由于土壤污染導(dǎo)致玉米籽粒重金屬超標(biāo)，詳見表3。

表1 水平方向（土壤表面）土壤污染情況表

表2 垂直方向土壤污染情況表（平均值）

表3 玉米籽粒污染情況表

1.2 修復(fù)目標(biāo)確定

按照“安全利用—修復(fù)治理”相結(jié)合的原則，項目實施是為實現(xiàn)項目區(qū)農(nóng)產(chǎn)品（玉米）的達標(biāo)生產(chǎn)，并為西南地區(qū)同類型土壤修復(fù)提供經(jīng)濟高效、環(huán)境友好的實用技術(shù)示范參考，根據(jù)項目區(qū)的污染程度、污染特點，將其劃分為A(6.67 hm2)、B(33.83 hm2)2個修復(fù)區(qū)域，具體修復(fù)目標(biāo)為：

（1）A區(qū)，耕作層土壤中Cd、Pb、Zn重金屬有效態(tài)含量均降低40%以上、總量均降低30%以上。

（2）B區(qū)，耕作層土壤中Cd、Pb、Zn重金屬有效態(tài)含量均降低40%以上。

（3）實現(xiàn)項目區(qū)農(nóng)田土壤的安全利用，即所種植玉米可食部分Cd、Pb、Zn含量95%以上符合國家標(biāo)準(zhǔn)[17]，且不減產(chǎn)。

2 修復(fù)工藝確定

2.1 修復(fù)技術(shù)選擇

農(nóng)田土壤重金屬污染的修復(fù)可從降低重金屬總量、降低重金屬有效態(tài)以使得重金屬在土壤中遷移性與生物可利用性降低、改變種植制度等方面著手[19]。其修復(fù)技術(shù)包括物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)、生物修復(fù)技術(shù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)、聯(lián)合修復(fù)技術(shù)等，修復(fù)技術(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)污染物種類、污染程度、氣候特點、土地利用方式、修復(fù)經(jīng)費、修復(fù)周期等因素并結(jié)合技術(shù)特點確定。表4對當(dāng)前主要修復(fù)技術(shù)進行對比，由于穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)作為常用的修復(fù)技術(shù)具有技術(shù)成熟、成本低、見效快、效果好等優(yōu)點[20-23]，結(jié)合本項目修復(fù)面積、項目地經(jīng)濟水平及所選技術(shù)后續(xù)在類似土壤環(huán)境中的推廣應(yīng)用，本項目以穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)降低重金屬有效態(tài)為基礎(chǔ)，聯(lián)合采用深耕翻土技術(shù)降低耕作層土壤中重金屬總量、選育低累積玉米的植物修復(fù)技術(shù)及農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)，分別對A區(qū)6.67 hm2采用重金屬穩(wěn)定化+深耕翻土+生土熟化+低累積玉米種植技術(shù)、對B區(qū)33.83 hm2采用重金屬穩(wěn)定化+低累積玉米種植技術(shù)。

表4 重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)技術(shù)應(yīng)用及優(yōu)缺點[24-30]

2.2 修復(fù)技術(shù)路線

根據(jù)選定的修復(fù)技術(shù)方案，修復(fù)技術(shù)路線包括修復(fù)前對項目區(qū)污染情況的復(fù)測及邊界的界定；穩(wěn)定化藥劑種類及施用工藝參數(shù)的小試、中試實驗研究，低累積玉米品種篩選小區(qū)實驗研究；對A區(qū)域耕作層翻耕破碎并施撒穩(wěn)定化藥劑后養(yǎng)護、深翻混勻、耕作層施撒生土熟化劑及有機肥，對B區(qū)域耕作層翻耕破碎并施撒穩(wěn)定化藥劑后養(yǎng)護；分別在A、B區(qū)域種植玉米；最后對土壤、農(nóng)產(chǎn)品取樣檢測評價修復(fù)效果。修復(fù)技術(shù)路線詳見圖1。

圖1 修復(fù)技術(shù)路線

2.3 修復(fù)藥劑篩選

2.3.1 穩(wěn)定化藥劑篩選小試實驗 穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)是向污染土壤中加入穩(wěn)定化藥劑，通過與重金屬發(fā)生吸附、沉淀（共沉淀）、絡(luò)合等作用降低重金屬在土壤中的遷移性和生物有效性。根據(jù)土壤理化性質(zhì)、污染元素特征、污染程度、種植作物等因素選擇合適的穩(wěn)定化藥劑是穩(wěn)定化技術(shù)的關(guān)鍵。表5列出了對Cd、Pb、Zn有穩(wěn)定化作用的主要藥劑，項目選取了生物碳、鐵改性生物炭、鐵改性纖維素、活性炭、堿性鈣渣、石灰、粉煤灰、海泡石、沸石、高嶺土、磷酸二氫鈣、磷礦粉、有機硅肥、純羊糞有機肥共14種穩(wěn)定化藥劑開展試驗，每種藥劑按試驗土壤質(zhì)量比設(shè)置0.10%、0.25%、0.50%的藥劑投加梯度，通過比較分析不同藥劑類型及投加比對土壤中重金屬Cd、Pb、Zn的穩(wěn)定化效果，優(yōu)選出鐵改性纖維素、堿性鈣渣、生物碳、海泡石、石灰5種穩(wěn)定化藥劑開展中試篩選試驗。

表5 主要修復(fù)藥劑

2.3.2 穩(wěn)定化藥劑篩選中試試驗 對優(yōu)選出的5種穩(wěn)定化藥劑，在項目區(qū)選定1.067 hm2土壤重金屬污染情況基本一致的試驗區(qū)域，分別按照3750、7500、15000 kg/hm2的投加量開展中試試驗，最終優(yōu)選出鐵改性纖維素、堿性鈣渣、海泡石作為工程實施的穩(wěn)定化藥劑。圖2為穩(wěn)定化藥劑施用量為7500 kg/hm2時對重金屬的穩(wěn)定化效果。

圖2 穩(wěn)定化藥劑篩選中試試驗效果圖

2.4 低累積玉米品種篩選小區(qū)試驗

項目區(qū)主要農(nóng)作物為玉米，低累積玉米品種篩選在于篩選出適宜項目區(qū)土壤種植且不易吸收土壤中重金屬的玉米品種，配合穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)，種植出符合國家標(biāo)準(zhǔn)的玉米，實現(xiàn)對重金屬污染農(nóng)田土壤的安全利用。在項目區(qū)選定1.13 hm2土壤重金屬污染情況基本一致試驗區(qū)域，對‘宣會7號’、‘宣禾玉1號’、‘地沃2號’、‘先玉696’、‘宣會6號’、‘勝玉6號’、‘秋碩玉8號’、‘西抗18’、‘慧玉6511’、‘會單888’、‘云黃3號’、‘玉都95’、‘保玉7號’、‘大天1號’、‘金玉2號’、‘新昭6號’、‘羅單566’共17個玉米品種開展篩選試驗，根據(jù)不同品種玉米籽粒重金屬含量，結(jié)合各品種玉米產(chǎn)量、耐澇、抗旱能力等因素，最終優(yōu)選出‘宣會7號’、‘地沃2號’、‘羅單566’共3個玉米品種用于工程實施。

3 工程實施

3.1 土壤重金屬穩(wěn)定化

3.1.1 土壤翻耕 根據(jù)項目修復(fù)目標(biāo)對項目地進行復(fù)測及修復(fù)邊界劃分后，對A、B區(qū)域各地塊進行清除雜草，破碎翻耕，平整等預(yù)處理。土壤翻耕作業(yè)采用3臺旋耕機翻耕破碎3遍，保證土壤破碎完全，翻耕深度約20 cm。

3.1.2 穩(wěn)定化藥劑施撒及混勻 對A區(qū)域施撒穩(wěn)定化藥劑，用旋耕機將耕作層土壤與藥劑混勻；再對土壤進行深翻混勻，深翻深度約80 cm；最后在耕作層土壤施撒生土熟化劑和有機肥，對深翻上來的生土進行熟化，生土熟化劑主要成分為泥炭、微生物菌劑、營養(yǎng)啟動劑、濕潤劑等，有機肥為純羊糞有機肥。

對B區(qū)域施撒固化穩(wěn)定化藥劑，用旋耕機將耕作層土壤與藥劑混勻。

3.1.3 穩(wěn)定化藥劑養(yǎng)護 施撒穩(wěn)定化藥劑并混勻后，需進行養(yǎng)護，養(yǎng)護時間為5～7天，養(yǎng)護期間采取灑水、覆膜等措施保持土壤含水率約30%，使藥劑與污染土壤充分反應(yīng)。

3.2 玉米種植及管理

將篩選得到的玉米品種在項目地最佳種植節(jié)令種植。玉米種植步驟為打塘、施肥、插籽、覆膜等。玉米種植后的田間管理包括間苗（補苗）、中耕追肥、除草、病蟲害防治等。

3.3 二次污染防治

項目的二次污染防治主要包括：（1）施工前，對擬投入使用的穩(wěn)定化藥劑進行嚴格檢測，防止通過藥劑引入重金屬污染；（2）施工中，對產(chǎn)生的揚塵污染進行灑水降塵，施工機械、運輸車輛出場之前，經(jīng)過草墊簾或淺水坑清洗輪胎，避免攜帶污染物出場；（3）施工后，對種植的玉米嚴格管理，達到國家標(biāo)準(zhǔn)的合理利用，未達國家標(biāo)準(zhǔn)的超標(biāo)作物及農(nóng)田廢棄物進行安全處置。

3.4 修復(fù)效果評價

3.4.1 評價方法 由第三方監(jiān)測單位對修復(fù)前、后的樣品進行取樣檢測，對于土壤重金屬總量、有效態(tài)效果評價采用各污染區(qū)整體求平均值的方法，對于玉米效果評價采用所取樣中的樣品95%達標(biāo)。

3.4.2 修復(fù)效果 經(jīng)修復(fù)，A、B區(qū)耕作層土壤中Cd、Pb、Zn重金屬有效態(tài)含量均降低40%以上，A區(qū)耕作層土壤中Cd、Pb、Zn重金屬總量均降低30%以上，A、B區(qū)所種植玉米可食部分Cd、Pb、Zn含量95%以上達標(biāo)且均有增產(chǎn)，詳見圖3。修復(fù)效果達到既定目標(biāo)。

圖3 項目修復(fù)效果

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

通過項目的實施，主要有如下結(jié)論。

（1）采取控源—減量—降活—低吸—農(nóng)產(chǎn)品安全達標(biāo)生產(chǎn)的修復(fù)模式，通過小試—中試—工程實施系統(tǒng)的工藝研究、技術(shù)應(yīng)用，保證了修復(fù)效果并降低了修復(fù)成本，實現(xiàn)了污染農(nóng)田土壤的安全利用。

（2）應(yīng)用重金屬Cd、Pb、Zn復(fù)合污染土壤分類治理技術(shù)（穩(wěn)定化和深耕翻土），集成物理—化學(xué)—生物—農(nóng)業(yè)生態(tài)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，構(gòu)建具有針對性的穩(wěn)定化—植物—農(nóng)藝調(diào)控的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)體系，實現(xiàn)了重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)、生態(tài)建設(shè)、經(jīng)濟效益的有機結(jié)合。

（3）根據(jù)土壤污染類別、污染程度、修復(fù)目標(biāo)等因素篩選出的修復(fù)技術(shù)、穩(wěn)定化藥劑、低累積玉米品種，在西南地區(qū)類似農(nóng)田土壤環(huán)境條件下具有較好的推廣應(yīng)用價值，建立了中國西南地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬Cd、Pb、Zn復(fù)合污染修復(fù)治理示范基地。

4.2 展望

農(nóng)田土壤安全與人類健康息息相關(guān)，近年來重金屬污染農(nóng)田土壤的治理修復(fù)越發(fā)受到社會各界關(guān)注，其研究已經(jīng)越來越得到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的關(guān)注[8]，但有以下問題待解決：

（1）完善相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范?！锻寥拉h(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》(GB 15618—2018)是中國當(dāng)前唯一的農(nóng)田土壤修復(fù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)只給出土壤重金屬總量的篩選值和管制值，未涉及用于評價穩(wěn)定化修復(fù)效果的基于土壤關(guān)鍵參數(shù)的重金屬有效態(tài)含量指標(biāo)及評價方法；沒有確定農(nóng)田土壤修復(fù)目標(biāo)值的方法和標(biāo)準(zhǔn)，工程上采用有效態(tài)含量降低10%～50%的評價指標(biāo)過于寬泛，忽視了實際修復(fù)效果及對農(nóng)作物的影響。

（2）豐富投資機制，拓寬資金來源。目前中國農(nóng)田土壤修復(fù)資金主要來源于國家財政，每年撥付的專項資金主要用于試點、示范工程的建設(shè)，不足以支持全國性的污染農(nóng)田土壤治理修復(fù)。因此在農(nóng)田土壤修復(fù)的投融資機制上應(yīng)進行積極探索，如鼓勵綠色信貸、建立地方政府修復(fù)基金、積極引入民間資本等。

（3）加強技術(shù)和裝備研發(fā)。當(dāng)前農(nóng)田土壤（尤其是旱地）污染修復(fù)技術(shù)大多處于試驗及試點階段，大田修復(fù)實踐缺乏；常用的穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)配合植物修復(fù)技術(shù)、農(nóng)藝調(diào)控措施雖能達到農(nóng)田的安全生產(chǎn)，但存在持續(xù)施藥、未根本改善土壤環(huán)境等問題，該技術(shù)未取得突破性進展；大田修復(fù)中與修復(fù)技術(shù)相配套的專業(yè)裝備缺乏，如施藥裝備、專業(yè)的土壤深翻裝備等，裝備的缺失進一步阻礙了相關(guān)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。