农田土壤重金属修复技术讲座.ppt

我国农田土壤重金属污染及其修复 土壤修复讲座 1我国土壤重金属污染现状 2农田土壤重金属修复技术 3农田土壤重金属修复案例 4重金属污染土壤控制对策 主要内容 1我国土壤重金属污染现状 2农田土壤重金属修复技术 3农田土壤重金属修复案例 4重金属污染土壤控制对策 主要内容 重金属：比重 5.0；大约有50种（不包括天然放射性和人 工合成放射性核素） 元素周期表 l 在国民工农业生产中具有重要作用 l 矿山开采、金属冶炼、工业生产、农药、饲料 添加剂等引起重金属污染问题 l 不可降解，进入环境会不断累积 l 高毒性、持久性、生物放大效应 为什么出现土壤重金属污染？ 有色金属矿山开采：废气、废水、尾矿 pH 4.17；Cu 11.04；Zn 9.66; Cd 0.015；Pb 1.34 mg/L 土壤水(mg/L) Cu 1.55 Zn 14.8 Cd 0.024 Pb 0.048 表层土壤(mg/kg) Cu 561 Zn 1135 Cd 2.45 Pb 429 当地农作物重金属污染 大白菜: Cu 15.0；Zn 62.8；Cd 0.2；Pb 1.5 mg/kg 我国铅、钨矿分布图 废水废石废渣废气 土壤污染 我国土壤污染趋势流域性和区域性污染 增加50% 增加10-40% Cd 湖南.益阳江苏.苏州 4.5%超 标 59.2% 0.2 ppm 11.1% 1.0 ppm 中科院红壤生态试验站长期肥料试验 李本银, 周东美 等, 土壤学报, 2008 国家粮食卫生标准为 200 g/kg 稻米Cd含量(ug/kg) 认识：有机肥农业并不安全！ 我国设施农业概况 l我国设施农业 栽培面积达到86.7万公顷，按绝对 面 积计 算为世界第一。其中塑料中小棚40.7万公顷， 占46.9；塑料大棚23.3万公顷，占269；温室 22.7万公顷，占26.2。 l设施农业 在我国各地得到了广大推广，目前我国已 经成为世界上设施栽培面积及总产 量最大的国家 。 重金属积累和有效性提高更为显著 CuCd 南京市江宁区湖熟镇设施蔬菜基地 种植5年以上重金属即出现明 显积累；10年以上土壤Cd最 高可高出露天菜地5倍；也受 土地利用类型影响 山东寿光设施蔬菜土壤重金属随种植年限的变化 Ecotoxico. Environ. Saf., 2013. 97: 204-209; 98: 324-330 Sci. Total Environ., 2013. 470-471: 1140-1150 设施土壤环境问题 l 团粒结构被破坏，土壤容重变小，土壤板结，通气透 水性差。 l 长期大量使用化学肥料，尤其是许多生理酸性肥料或 者氮肥均会造成土壤酸化。 l 缺少雨水淋溶作用，且土壤蒸发程度高，出现土壤盐 分累积，最高可达到露地土壤的20 倍以上。 l 经常处于高温高湿条件，土壤中真菌等各种病菌大量 繁殖，侵害蔬菜秧苗培育和设施大田的种植生长， 病菌的繁殖危害极大影响到设施蔬菜的产量与品质。 土壤污染现状 l 2006-2010年间，国家环保部和国土资源部开展了 全国土壤现状调查及污染防治专项，资金达 10亿元。 l 截至2010年底，全国共采集土壤、农产品等各类 样品21,3754个，获得有效调查数据495万个，制 作图件近1,1000件。建成全国土壤污染状况调查数 据库和样品库。 全国土壤污染状况调查公报 耕地：土壤点位超标率为19.4%，其中轻微、轻 度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、 1.8%和1.1%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、 铅、滴滴涕和多环芳烃。 从污染分布情况看，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。 土壤污染现状 l 2012年，财政部与农业部两部委联合印发了农 产品产地土壤重金属污染防治实施方案，财政部 向农业部拨款8.27亿，由农业部在未来五年的时间 内对全国农产品产地的土壤污染状况进行调查。 l 农业部组织全国农业环 境监测站开展调查，全国 有130多万个点位，其中江苏、江西各3万多个点， 山东、山西各6万多个点。 l 检测重金属主要包括：Cd，Cr，Pb，As，Hg。 1我国土壤重金属污染现状 2农田土壤重金属修复技术 3农田土壤重金属修复案例 4重金属污染土壤控制对策 主要内容 修复思路 从区域、流域角度 l 工矿企业废水、废气、废渣达标排放 l 存在风险或潜在风险的尾矿库、矸石堆和开采面等 的复垦 l 废水的净化处理：严格阻断污染源对农田系统重金 属的供给 避免：边修复、边污染 l 客土法 l 调节pH l 土壤改良 l 植物修复 l 微生物修复 l 动物修复（如蚯蚓等 ） l 化学淋洗 l 电动 重金属污染耕地修复技术 l 1980s，改良研究，最早与矿区和污灌等污染有关 l 1990s，植物修复 l 2000s，电动修复，微生物修复，动物修复（蚯蚓）、联合修复技术 农田修复 l 土壤调查、评估、分级：农产品安全性、土壤重金属 有效性（快速诊断技术，不同来源重金属其生物有效 性存在差异） l 降活：改良剂（降低重金属活性或释放能力）吸 附、络合、沉淀、新矿物；竞争（Ca，Mg，H等）； l 减存：植物（作物、超积累植物、能源植物、草坪草 等）移除（经济效益和二次风险问题 ） l 降活与减存是一对矛盾。前茬植物影响后茬植物 中低度污染农田需加强水肥管理和品种 l 淹水可以有效降低水稻Cd吸收，而增加对As等的 吸收。对Cd问题，淹水减少吸收，但增加收割的 困难。机械设备问题 ？ l 生理酸性肥料如NH4+-N会降低土壤酸度，应避免使 用 l 集约化养殖畜禽粪肥应该慎用，防止带入重金属 l 品种吸收确有差异，应进一步加强。但品种产量和 退化问题需考虑 编编号品种名CdZnCu 1A160.0125.68.33 2JY2930.0125.54.83 3JY2530.0124.74.98 4Z7330.0226.37.18 5YK190.0320.14.57 6XS090.0328.55.05 7BraUL0.0324.55.52 8ZZY10.0718.83.89 9A582.9631.311.0 10A543.8329.912.1 11A394.5029.410.2 12A825.4522.310.1 13A1846.5632.110.9 14A706.7430.914.8 15A1587.8629.510.2 16A1598.6527.410.5 镉低积累水稻品种筛选 利用这些Cd低积累水稻品种，可实现低污 染农田土壤的安全生产。 田间条件下，随着钙镁 磷肥施用量的增加，水稻产量逐渐 增高，分别为 5706 kg hm-2、6504 kg hm-2和7265 kg hm-2 。施用钙镁 磷肥对水稻地上部重金属含量的降低有良好作 用。 田间试验水稻地上部锌镉浓度变化（水稻品种A16) 水稻高产栽培技术 不同水分管理下成熟期水稻糙米总As和Cd浓度 灌溉糙米As浓度升高，而Cd浓度降低；Cd的变化比As明显； Cd轻度污染土壤上传统灌溉和淹水保证安全生产 As变化范围：1.3-2.1倍 Cd变化范围：8.5-40.8倍 调节土壤pH 土壤重金属吸附与pH关系土壤pH缓冲作用 时间 pH 如：石灰石、生石灰等 改良剂对稻米Cu、Cd含量的影响 施用改良剂处理稻米中Cu、Cd含量分别降低了7.64%37.07%和 13.63%50.38%。紫云英、锌肥和CK处理稻米中Cd含量超出“食品 中镉限量卫生标准”（0.2mg/kg）2.5%32% 。 CuCd 10736.79 羟基磷灰石显著减少水稻对Cd的吸收 生物质炭制备 高温 厌氧 质量 产生PAHs等 重金属的浓缩 气体 颗粒物 生物质炭 生物质炭对土壤Cd固定及水稻Cd吸收影响 土壤和生物质炭的基本性质 试验处理 红壤区水稻 秸秆制备 土壤性质变化 水稻生长变化 水稻籽粒中的Cd含量 面积：1公顷; 生物量: 12吨/公顷，Cd去除率12%/年。 对于低污染农田土壤（全量Cd 1 mg kg-1），考虑修复效率 的递减规律，预计种植3-4次可实现达标修复！ 浙江富阳 湖南湘潭 超富集植物 连续种植伴矿景天，修复9次后土壤全量Cd和Zn分别下降80.1- 96.8%和24.8-70.1%，低污染土壤全量Cd (0.11 mg kg-1), Zn (111 mg kg-1)已经低于国家环境质量二级标准！ 土壤电动修复研究 络合诱导可显著提高电动 修复效率，阐明了土壤pH 调控是土壤重金属活化和 迁移的关键因素 土壤剖面（自阳极） 土壤Cu （mg kg-1 ） 处理前 T1 T2 T3 T4 T5 Cu、Zn、Cr等单一、复合 以及有机物存在下的电动 修复 Chemosphere, 2004, 56(3): 265-273 Chemosphere, 2005, 61(4): 519-527 Environ. Int., 2005, 31(6): 885-890 J. Hazard. Mater., 2007, 142: 111-117 n 三个月土壤铜去除率达76% Chemosphere, 2006, 63: 964-971 铜污染土壤电动修复中试试验 电动修复技术是一种具有较强的竞争力的场地污染土壤修复技术 距阳极距离（cm ） 土壤Cu浓度（mg kg-1 ） 处理前 DGS6等菌株对植物生长具有一定促生作用 玉米地上部 玉米根系 CK-Cu 400 G.m-Cu 400 G.i-Cu 400 摩西球囊霉（Glomus mosseae） 根内球囊霉（Glomus intraradices） 丛枝菌根真菌 提高植物耐铜铜性，促进进生长长 CK 副冠球囊霉 Glomus coronatum 重度污染土壤：耐性、超富集、特色经济植物 美洲商陆（Phytolacca americana） 海州香薷（ Elsholtzia haichowensis ） 黄花月见草(Oenothera biennis) 龙葵（Solanum nigrum） 凤丹（Paeonia suffruticosa) 发展农田土壤的联合修复技术 l 肥料、微生物菌：改善植物生长能力和吸收重金属 能力 l 叶面肥或植物重金属吸收抑制剂：使用Si、Se、Zn 、稀土等 l 间作、套种：促生、增加非粮食作物而减少粮食作 物中重金属的吸收 l 轮作：粮食作物非粮食作物；粮食作物草坪草 ；粮食作物花卉；粮食作物-速生苗木 1我国土壤重金属污染现状 2农田土壤重金属修复技术 3农田土壤重金属修复案例 4重金属污染土壤控制对策 主要内容 Your site here 贵溪冶炼厂是目前国内规模最大 、技术最先进的闪速炼铜厂，但 冶炼过程中产生的废渣约20万t/a 。周围农田受到废气、渗漏水和 废水等的污染面积达2000-3000 亩。 厂 渣 冶 贵 贵溪冶炼厂修复工程项目（2012.1-2013.12） 项目中标价格：1572.36万元 江西省领导视察并给予 高度评价 江铜贵冶周边区域九牛岗土壤修复示范项目 贵冶周边Cu/Cd土壤集成修复示范工程 修复前 修复中 修复后337337 504kg 504kg 贵溪窜山垅老灌区修复区水稻测产（2012,10,09） 处处 理 株 高（ cm） 穗 长 （cm ） 每 亩 株 数 （万 ） 每 株 有 效 穗 每亩 有效 穗（ 万） 每 穗 粒 数 每 穗 实 粒 数 结 实 率 （% ） 千 粒 重 （g ） 亩产（ 折合干 重、公 斤） 对对 照 100.423.41.0710.110.81591469232.5338 单单 改 剂剂 90.825.51.0715.316.323120689.529.5448 综综 调调 剂剂 107.226.61.1317.419.7224202 90.5631.0504 窜山垅老灌区修复区水稻稻米中铜镉含量 处理 大米铜 （mg/kg） 大米镉 （mg/kg） 未施用 7.250.56 2单修复剂 5.190.23 2单+综合调理剂 5.080.22 食品卫生标准 10.00.2 主要修复单元区修复前后土壤有效态铜镉含量 核心修复区巨菌草长势 修复植物或作物使用 l 作物含量仍超标，应该用于制作工业酒精（成本 与效益分析）等非食用性的产品 l 能源植物用于发电（沼气发酵）、草坪花卉可以 用于居民装饰；堆肥、有益元素的强化肥料等 l 一些耐性或超积累植物可以提取一些有用药物， 如香精等 l 防治二次环境污染 海州香薷 伴矿景天 示范: 1.5公顷顷; 生物量: 16吨/ 公顷 ；Cu去除率：10%/年 示范: 1公顷顷; 生物量: 12吨/公顷顷； Cd去除率：12%/年 浙江富阳建立铜/镉污染土壤植物修复示范基地 l 湖南湘潭：镉污染稻田土壤修复示范 l 河南济源：镉砷污染旱地土壤示范 l 浙江慈溪：锌镉污染菜地土壤修复试验 l 辽宁沈阳：镉污染菜地土壤试验 l 贵州贵阳：多金属污染菜地土壤试验 修复技术示范推广情况 湖南湘潭示范基地 2013.6.14 土壤Cd：0.6 mg/kg 植物Cd：86.0 mg/kg 田间修复效率：15.6% 河南济源 修复示范区 2013.7.13 土壤Cd：2.81 mg/kg 植物Cd：101 mg/kg 田间修复效率：6.9% 粮食作物/修复植物间作, 实现边生产边修复 CKFCuNCuM1CuM2CuM3 小麦黄熟期生长情况小麦黄熟期生长情况 香薷香料 含铜有机肥料 香薷黄酮 修复植物 处置 1 2 3 4 流化床 修复后植物的后续处理 甘肃白银市农田土壤工程修复项目（2011.4-2012.10） 总平布置图 修复费用非 常高 长株潭地区重点污染区域农田修复 治理技术与经验 水稻“VIP”降镉技术模式 VIPn 2014年修复示范效果 早中晚 达标生产区53.1%40.5%26.6% 管控生产区44.8%29.2%26.2% 替代种植区20.3%19.1%9.90% 棉花、蚕桑、麻类、花卉等 日本农田土壤Cd污染治理 l 重度污染主要采用客土方法对污染土壤进行更换 ； l 中轻度土壤主要采用水分管理措施，如2007年通 过水分管理来控制植物镉含量的水田面积近60万 亩； l 日本在二战后土壤都定时施用硅肥。也曾进行大面 积的石灰试验，但结果不甚理想，被认为只能作 为辅助措施，但在实际应 用中很少。 修复费用 l 日本现在修复1公顷土地的费用，大约是2000万到 5000万日元（约数百万元人民币）。 l 据日媒报道，导致日本痛痛病的神通川的863公顷 的污染土壤，通过客土法，在耗费33年和407亿日 元（约合人民币30亿元）后，终于在2012年3月17 日完成。 电动修复现场示范 工程全景图 直流稳压电源，2套pH自动记录仪，1套电流记录仪 江苏省典型重金属污染农田修复试点 示范项目(2015-2018) 负责人：周东美 研究员 江苏省农业环境监测与保护站 二级标准值： pH 6.57.5 0.6 mg/kg 项目概况 2014年6月起，先后在常州、宜兴、南京、徐州等地进行采 样，确认宜兴和徐州镉污染农田作为修复示范场地。 1、徐州泉旺头村 土壤pH为7.120.42，Cd浓度0.680.24 mg/kg 2、宜兴长福村 土壤pH为5.390.28，Cd浓度0.620.06 mg/kg 二级标准值： pH 6.5 0.3 mg/kg 预期目标 67 确保示范区农产品重金属含量不超标食品安全国家标准食 品中污染物限量（GB 2762-2012），且农产品重金属含量 降低30%以上，施用后土壤重金属有效性（0.01M CaCl2提取 ）降低30%以上。 举例：宜兴市长福村 1我国土壤重金属污染现状 2农田土壤重金属修复技术 3农田土壤重金属修复案例 4重金属污染土壤控制对策 主要内容 l 关于加强土壤污染防治工作的意见（ 2008） l 环境保护部“十二五”科技发展规划（2011） l 关于加强完善环境保护标准体系的意见（2012） l 2012年全国环境保护科技标准工作要点（2012） l 国家环境保护标准“十二五”发展规划（2013） 政 策 文 件 国家环保部 农业部 l 农业部关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见 （ 2015-4-13） l 国务院关于加强环境保护重点工作的意见（2011） l 国家环境保护“十二五”规划（2011）