农田土壤重金属修复技术讲座

我国农田土壤重金属污染及其修复土壤修复讲座一．我国土壤重金属污染现状二．农田土壤重金属修复技术三．农田土壤重金属修复案例四．重金属污染土壤控制对策主要内容一．我国土壤重金属污染现状二．农田土壤重金属修复技术三．农田土壤重金属修复案例四．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在国民工农业生产中具有重要作用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不可降解，进入环境会不断累积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pH4.17；Cu11.04；Zn9.66;Cd0.015；Pb1.34mg/L土壤水(mg/L)Cu1.55Zn14.8Cd0.024Pb0.048表层土壤(mg/kg)Cu561Zn1135Cd2.45Pb429当地农作物重金属污染大白菜:Cu15.0；Zn62.8；Cd0.2；Pb1.5mg/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0.00.10.20.30.40.50.6020406080100背景值频度(%)Cd总量(mgkg-1)江苏.苏州4.5%超标59.2%0.2ppm11.1%1.0ppm中科院红壤生态试验站长期肥料试验处理CuZnCdPbMnFeTreatmentsmgkg-1gkg-1CK24.0de64.1b0.11b24.6a126a36.8aN23.0e64.6b0.10b28.1a118a35.8aNK26.1bc63.7b0.13b25.9a124a35.9aMS30.5a71.2a0.33a27.3a113a36.9aNMS30.1a69.3a0.34a25.0a110a35.5aNP24.3d62.9b0.13b27.7a116a35.3aNPK23.7de65.4b0.12b27.8a119a37.3aNPKMS28.1ab70.4a0.31a27.9a131a35.6aNPKS1/225.5bc63.7b0.13b27.0a121a34.9a李本银,周东美等,土壤学报,2008国家粮食卫生标准为200μg/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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26．9％；温室22.7万公顷，占26.2％。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;98:324-330Sci.TotalEnviron.,2013.470-471:1140-1150设施土壤环境问题团粒结构被破坏，土壤容重变小，土壤板结，通气透水性差。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。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。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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。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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。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。检测重金属主要包括：Cd，Cr，Pb，As，Hg。一．我国土壤重金属污染现状二．农田土壤重金属修复技术三．农田土壤重金属修复案例四．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工矿企业废水、废气、废渣达标排放存在风险或潜在风险的尾矿库、矸石堆和开采面等的复垦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客土法调节pH土壤改良植物修复微生物修复动物修复（如蚯蚓等）化学淋洗电动……重金属污染耕地修复技术1980s，改良研究，最早与矿区和污灌等污染有关1990s，植物修复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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）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）；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）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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？生理酸性肥料如NH4+-N会降低土壤酸度，应避免使用集约化养殖畜禽粪肥应该慎用，防止带入重金属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号品种名CdZnCu1A160.0125.68.332JY2930.0125.54.833JY2530.0124.74.984Z7330.0226.37.185YK190.0320.14.576XS090.0328.55.057BraUL0.0324.55.528ZZY10.0718.83.899A582.9631.311.010A543.8329.912.111A394.5029.410.212A825.4522.310.113A1846.5632.110.914A706.7430.914.815A1587.8629.510.216A1598.6527.410.5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5706kghm-2、6504kghm-2和7265kghm-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。04080120160200糙米秸秆Zn(mgkg-1)CK低量钙镁磷肥高量钙镁磷肥012345糙米秸秆Cd(mgkg-1)CK低量钙镁磷肥高量钙镁磷肥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00.10.20.30.40.50.6中香1号印度尼西亚稻秀水09甬优09两优培九中浙优1号巴西陆稻国稻6号糙米As浓度(mg/kg)水稻品种DICKW00.20.40.60.811.21.41.6中香1号印度尼西亚稻秀水09甬优09两优培九中浙优1号巴西陆稻国稻6号糙米Cd浓度(mg/kg)水稻品种DICkW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020406080100246810pH吸附量时间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%。CuCd10736.79羟基磷灰石显著减少水稻对Cd的吸收CKnano-HAP0.5%nano-HAP1%nano-HAP2%0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45Cdconcentartionsinricegrain(mgkg-1)abbcc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处理修复材料添加浓度淹水方式CKW无0淹水0.5%BCW生物质炭0.5%淹水1%BCW生物质炭1%淹水2%BCW生物质炭2%淹水CKD无0旱作0.5%BCD生物质炭0.5%旱作1%BCD生物质炭1%旱作2%BCD生物质炭2%旱作pHTOC(gkg-1)CEC(cmolkg-1)总Cd(mgkg-1)有效态Cd(mgkg-1)土壤5.0831.38.801.640.843生物质炭10.04591674.650.290红壤区水稻秸秆制备2.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0CKW0.5%BCW1%BCW2%BCWCKD0.5%BCD1%BCD2%BCD土壤pHdbcdbcda0.00.20.40.60.81.01.2CKW0.5%BCW1%BCW2%BCWCKD0.5%BCD1%BCD2%BCD土壤中有效态Cd含量(mgkg-1)aabdabce土壤性质变化水稻生长变化01020304050CKW0.5%BCW1%BCW2%BCWCKD0.5%BCD1%BCD2%BCD稻米籽粒重(g盆-1)ecdabaedcbc0.00.61.21.82.43.03.6CKW0.5%BCW1%BCW2%BCWCKD0.5%BCD1%BCD2%BCD水稻籽粒中Cd含量(mgkg-1)abcddeeede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Cd1mgkg-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01000200030004000500060007000低污染低中污染中污染高污染污染程度Zn浓度(mgkg-1)未修复修复0246810121416低污染低中污染中污染高污染污染程度Cd浓度(mgkg-1)未修复修复80.190.196.889.124.832.070.164.2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(0.11mgkg-1),Zn(111mgkg-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（mgkg-1）S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10--0100200300400500处理前T1T2T3T4T5Cu、Zn、Cr等单一、复合以及有机物存在下的电动修复Chemosphere,2004,56(3):265-273Chemosphere,2005,61(4):519-527Environ.Int.,2005,31(6):885-890J.Hazard.Mater.,2007,142:111-117三个月土壤铜去除率达76%Chemosphere,2006,63:964