土壤修复的地球化学“魔法”
“部分地区耕地重金属超标态势仍然比较严峻。在调查区13.86亿亩的耕地中，重金属超标的点位比例占到了8.2%，主要分布在南方。” 6月25日全国土地日当天，中国地质调查局发布《中国耕地地球化学调查报告（2015年）》，再次为中国的土壤污染问题敲响警钟。
土壤危机，是土地危机，也是农业危机，“向土壤污染宣战”直接关系到人民身体健康和国家经济安全，这也大大催生了各类污染治理和修复技术，催生了相关产业的发展和繁荣。
土地日宣传周期间，记者来到位于北京西北郊区的国土资源部生态地球化学重点实验室——国家地质实验测试中心生态地球化学研究室，与多位常年从事土壤污染调查、评价、修复的地质科技人员，面对面地谈起了人们高度关注的土壤污染修复问题。
本报记者：周飞飞
特邀专家：刘晓端 杨永亮 谭科艳 黄园英 刘斯文
土地日专家访谈
观点1
具有“廉价、高效、管理简单、无二次污染”等特点的地球化学工程技术，是当前重要且极具应用前景的土壤修复手段。
记者：随着我国城市化、工业化和农业集约化的快速发展，大量污染物通过各种途径进入土壤环境，导致土壤污染问题越来越严重。那么，按照污染物的来源，我国土壤污染有哪些类别？您觉得最重要的污染源是什么？
刘晓端：从污染物种类来看，类型大致可分为有机污染、无机污染及两者均存在的复合污染，其中有机污染物主要有多环芳烃(PAHs)、六六六和滴滴涕等有机氯农药、灭蚁灵等杀虫剂、挥发性有机物和半挥发性有机物石油类物质等，而无机污染物主要是砷、铅、镉、铬、锌、镍、汞、铜等各类元素。
刚刚发布的《中国耕地地球化学调查报告（2015年）》显示，我国耕地重金属超标与地质作用过程密切相关，而人类活动则是造成或加剧重金属超标的重要原因。采矿、冶金、电镀等工矿企业“三废”排放，以及农业生产中污水灌溉、化肥的不合理使用、畜禽养殖等人类活动造成或加剧了局部地区耕地重金属污染。
近几年，我们实验室一直在应用地球化学工程技术，针对金属矿山进行水土污染方面的研究。
记者：地球化学工程技术与其他修复技术相比，有着怎样的特色？
刘晓端：我国的土壤污染类型多样，呈现出新老污染物并存、无机有机复合污染的局面。既有重金属、农药、抗生素和持久性有机物等污染，又有放射性、病原菌等污染类型。土壤污染途径多，原因复杂，控制难度大。污染类型多样化和污染原因复杂化导致土壤污染修复工作难度增大。
采取何种有效可行的污染治理措施，是我国目前土壤污染修复治理的关键和亟待解决的问题。
污染土壤修复是指利用物理、化学和生物的方法转移、吸收、降解和转化土壤中的污染物，使其浓度降低到可接受水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质。大致可分为物理、化学和生物3种方法。
土壤重金属污染传统的治理通常采用物理、化学的方法，如客土换土法、淋滤法、吸附固定法、热处理法、络合浸提法、氧化还原法、电化学法等。虽然这些方法治理效果较好，历时较短，但往往投资大，难以管理，易造成二次污染。
与传统方法相比，生物修复技术具有成本低、来源广、无二次污染的特点，尤其适用于低浓度重金属的去除。目前，生物修复技术的主体主要包括植物、动物、微生物。其中应用较为广泛、治理效果显著的是植物修复和微生物修复。
地球化学工程技术，是应用地球化学的原理，通过人工制造的某些地球化学作用或利用地球化学原理制造的产品，实现环境污染治理与管理的途径、方法和技术。地球化学工程技术中常会应用非金属材料作为污染土壤修复的材料，其主要环境技术包括稀释/浓缩、分解/中和、隔离作用和固化作用。这种方法尽可能地不干扰自然界, 依靠元素自然循环来去除有关的化学元素。
记者：近年来，国家地质实验测试中心生态地球化学研究室针对不同生态系统和不同污染物的环境污染控制和修复技术开展了多项研究，应用的都是地球化学工程技术手段吗？效果怎样？
黄园英：我们利用地球化学工程技术原理，筛选出了同时对多种重金属具有很好去除效果的矿物材料，建立了对复合重金属污染水体具有特征吸附和固定作用的处理系统，从而阻断了重金属污染元素向生态链的运移。
与传统物理、化学和生物技术相区别，基于地球化学原理和技术，提出的低成本建造、低成本运行、快速、高效、简单的重金属污染环境的地球化学工程技术，迎合了时代发展对环保技术“廉价、高效、管理简单、无二次污染”的需求。我们已建立的示范工程运行监测数据进一步表明，以黏土矿物作为反应材料对酸性矿山废水中的重金属离子去除是非常有效的，水处理成本约为0.55元/吨，非常适合今后在工程上大规模推广应用。
刘晓端：我们的目标是，逐步建立基于地球化学工程技术的水、土环境污染控制和修复技术体系和示范基地，强化已有技术方法的推广应用，推动技术方法的产业化进程。
观点2
不一定要把土壤中的污染物提取出来，可以通过对土壤中的重金属元素进行吸附、固定、隔离，设置地球化学障，阻断污染元素向生态链的运移。
记者：国土资源部生态地球化学重点实验室是什么时候成立的？有关土壤污染修复的项目是什么时候开始出现且多起来的？
刘晓端：重点实验室的前身国家地质实验测试中心生态地球化学研究室，成立于1993年。20多年来，承担了一系列国家、部门重大环境地球化学研究项目，如获国家科学技术进步二等奖的“区域地球化学与农业和健康”、获国土资源科技进步二等奖的“人体硒缺乏与过剩的地球化学特征及其预测”、获国土资源科技进步一等奖的973项目“首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理与调控原理”，以及“地质体对水资源保障的双重作用及其应用”、“典型地区土壤污染演化及安全预警系统研究”、“东北重工业城市地球化学环境生态安全监测与修复治理的技术研究”等。
中国开展土壤污染修复项目始于1995年，当时采用的是生物修复的方法。我们大约是在本世纪初开始进入污染土壤和水体的环境控制与地球化学修复技术研究领域的。由于国家越来越重视，这几年我们这方面的项目越来越多，如，“我国典型矿山环境污染评价与修复技术研究”、“金属矿山环境污染机理和防治研究”、“纳米铁用于饮用水中砷的有效去除技术研究”、“农田土壤中典型持久性有机污染物的降解与修复”等。通过这些项目的实施，我们在环境重金属污染修复领域获得了许多重要进展和成果。
记者：请简单讲一下地球化学工程技术修复受污染土壤的思路。
刘晓端：近10年来，实验室依托《金属矿山重金属污染土壤的地球化学工程控制修复技术开发与示范》、《生态地球化学环境与修复技术研究》，以及多个有关矿山重金属污染控制与修复技术的示范项目。
我们的整体思路是：依据地球化学原理，充分利用地质体或自然介质的作用，通过对修复材料、修复工艺和控制技术中的关键问题的研究，建立具有对重金属元素有特征吸附、固定、隔离作用的地球化学障，阻断污染元素向生态链的运移，从而保障农作物的健康。这也说明，改善土壤环境质量不一定非要把重金属元素等“毒素”运移出来，只要把它们固化在土壤内，阻止它们进入食物链，就能保障人们的餐桌安全。
记者：能否具体讲讲有关土壤修复示范区的情况？
刘晓端：在安徽某铜矿的尾矿坝附近，我们建立了一个重金属污染土壤修复示范区，选用一种或几种黏土矿物，结合一定的环境条件控制技术，对重金属元素进行吸附，使重金属超标土壤上种植的超标蔬菜中的重金属含量达到《食品中污染物限量标准》。如今，该研究成果已经成功用于江西某铅锌矿冶炼厂重金属污染山体的修复，使寸草不生的酸化和多金属污染土壤得以恢复种植功能，山体复绿。
杨永亮：我们在沈阳进行东北重工业城市地球化学环境生态安全监测与修复治理技术研究时，针对污染地区建立了水—土—植物生态保护与治理技术应用示范点。
开展了土壤重金属污染修复方法的研究和饮用地下水中重金属离子的去除技术的研究，最终形成了磷酸盐岩化学固定法对铅、锌、镉的土壤污染治理技术，以及纳米铁材料修复浅层地下水和对深层饮用地下水中的重金属元素的取出技术，获得了非常好的效果。修复后土壤上长出的多种蔬菜，原土中所含的多种重金属元素均未超标，可以放心食用。这一成果受到当地农民的肯定和欢迎。
刘斯文：在赣南地区，我们建立了离子型稀土矿山的环境修复示范区，将地球化学工程技术用于离子型稀土矿山环境污染的控制与修复，即通过在注液坑中设置地球化学障，改善坑内土壤环境，阻止污染物的迁移，保证植物的生长条件，为矿山复绿提供了基本保证。
稀土矿山污染土壤的修复分为四步：一是通过添加自然黏土矿物，调整土壤地球化学属性，同时，筛选修复植被；二是调整修复场地的土壤地球化学属性，将调整后的好土壤装入生态袋中，利用柔性结构技术将生态袋固定在修复场地上，形成护坡，并在生态袋上进行植被喷播；三是利用地球化学障技术阻断污染，改善土壤环境，并尝试种植林木；四是长期监测修复效果。
地质工作者在稀土矿区污染土壤的修复实践证明：土壤修复有效地改善了局部土壤地球化学环境，防止了水土流失，降低了潜在生态风险的强度。
观点3
自然环境是相互联系、相互作用的整体，解决土壤污染问题不能就土论土。
黄园英：在江西某铜矿附近，我们建设了酸性矿山废水重金属污染治理示范工程，以对大坞河流域土壤影响最大的重金属污染源——酸性矿山废水为研究对象，利用地球化学工程技术，分别对酸性矿山废水和土壤中重金属污染治理进行了研究，筛选出水体和土壤中重金属修复材料，形成了一整套重金属污染控制与防治技术方案。
示范工程运行5个月的监测结果表明，以价格低廉的黏土矿物材料——凹凸棒土作为反应介质，能够对水土中重金属具有很好的治理效果，重金属锰的平均去除率为93%。经示范工程处理后的河水能够达到我国综合污水一级排放标准，水体环境和重金属含量都符合《国家农田灌溉水标准》。当地农民可以放心地用处理后的河水浇地，彻底改变了大坞河水“祸害”农田的现状。而且，原来大坞河鱼虾绝迹，经处理水质得到明显改善后，不仅鱼能生存，且可大量繁殖。
谭科艳：针对示范区内受重金属污染的土壤，我们通过改善土壤pH值，施用土壤改良剂，添加特定的修复材料，对土壤中重金属进行固定。经修复后的土壤种植的蔬菜，测得处理后土壤中可食用部分蔬菜中重金属含量能够满足《食品中污染物限量》的标准。
在某铅锌矿冶炼厂旧址，我们对受镉、铅和砷等重金属污染的土壤进行了修复，修复后种植的马尾松和红叶石楠生长茂盛，而未经修复土壤种植的马尾松成活率非常低，且难以生长，充分表明了，地球化学工程技术可以大大减少土壤中重金属对植物的危害，能够抑制土壤中重金属的迁移能力，达到保护植物和保障人民健康的作用。
记者：我注意到大家在介绍土壤污染修复的时候谈到不少水体污染修复方面的研究，两者是什么关系？
刘晓端：土壤是自然生态系统的组成部分，土壤污染和水体污染、大气污染等问题是一个多系统的问题：地下水和地表水都会跟土壤产生接触，而空气中含有的各种污染物也会通过诸如降雨等形式渗入地表，最终造成土壤和地下水污染物的一部分。因此，土壤修复工作针对的对象不仅是土壤，而且要同时考虑到大气和水体污染的问题。
解决土壤污染的问题不能“就土论土”，我们的研究是“水土不分家”。
杨永亮：《中国耕地地球化学调查报告（2015年）》告诉人们，在人类活动强烈地区，工农业活动是造成土壤重金属快速累积和污染超标的原因，尤其是现今情况下，大气中有毒元素的沉降是极其重要的污染途径。
为了研究污染物传输的季节性变化，我们选取青藏高原东部边缘的阿坝州卧龙高海拔地区及若尔盖高原湿地作为研究对象，研究了不同季节大气、降水、地表水、土壤、植被、牦牛中持久性有机污染物的变化特征，并通过后向气流轨迹分析以及应用铅同位素示踪原理，对近地表大气气溶胶污染来源进行了探讨。
观点4
地球化学技术方法不是万能的，应突破专业所局限，因地制宜研究复合型技术。
记者：看来，土壤污染治理需要具备大环境观。
刘晓端：不仅自然环境是一个整体，科学也应该没有界限，不要局限在自己的专业中。就土壤修复技术来看，地球化学技术方法不是万能的，应该积极融合诸多相关学科的思路和方法，研究复合型技术。当然，根据我们的学科特点和优势，我们的研究方向是以地球化学技术方法为主，综合生物修复等其他各类手段。
记者：已经有所突破了吗？
谭科艳：有了一定的突破。
我们选择工业污染严重的湖南株洲某地作为研究区，开展了水土重金属污染的地球化学—生物联合技术研究。研究使用不同黏土矿物和微生物修复材料同时修复土壤中重金属污染的效果，探讨其产生作用的机理，为不同类型污染土壤的修复提供理论依据和技术支撑。同时开展了地球化学—微生物法处理工业废水中锰和镉的修复技术研究，综合地球化学工程技术和生物的优势，达到修复的最佳效果和最低能耗的综合治理目的。
记者：效果怎么样？
谭科艳：能够高效去除工业废水中的高浓度镉和锰，达到相应排放同时利用该项技术,能够使种植蔬菜中的铅、汞、砷达标。
在这项研究中，已经完成了大批量的中试试验，采用一级硫酸盐还原生物滤池降低进水镉浓度，使其达到国家《污水排入城镇下水道水质标准》中对镉的排放要求；通过二级生物滤池处理，使水中镉浓度达到国家《地表水环境质量标准》中二至三类水对镉的要求，锰的浓度达到了集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准的限值要求。
在深度去除废水中镉、锰的实验中，我们采用锰氧化一级生物滤池对镉锰严重超标的水进行修复，使其可以满足国家《生活饮用水卫生标准》中对水中金属镉含量和锰含量的要求。
实验研究了锰氧化细菌深度处理微污染水体中镉的机理，为锰氧化细菌深度去除微污染水体中其他重金属元素提供理论基础。有关专家评价，这项技术解决了环境污染锰和镉修复的难点，是地球化学—生物联合修复重金属污染技术上的一项重大突破。
在土壤修复试验中，我们也采用了地球化学工程—生物技术——通过添加矿物和微生物，阻隔土壤中的铅、汞、砷进入生物链，使修复土壤上生长蔬菜中的三种重金属含量全部达到了《食品中污染物限量》标准，修复效果显著。
值得一提的是，该技术对镉有显著的修复效果，对镉的修复率达到了38.71%，可有效降低重金属高污染区人体暴露的风险，为从根本上解决“镉米”等有毒农产品泛滥的社会问题提供了技术支持的可能。
土壤教室
中国主要土地污染类型
中国的城市和农村都面临着十分严峻的土地污染问题，主要包括四大类：
重金属污染场地。主要来自钢铁冶炼企业、尾矿，以及化工行业固体废弃物的堆存场，代表性的污染物包括砷、铅、镉、铬等。
持续性有机污染物污染场地。中国曾经生产和广泛使用过的杀虫剂类持续性有机污染物主要有滴滴涕、六氯苯、氯丹及灭蚁灵等，有些农药尽管已经禁用多年，但土壤中仍有残留。中国目前农药类持续性有机污染物场地较多。此外，还有其他持续性有机污染物污染场地，如含多氯联苯的电力设备的封存和拆解场地等。
以有机污染为主的石油、化工、焦化等污染场地。污染物以有机溶剂类，如苯系物、卤代烃为代表。也常复合有其他污染物，如重金属等。
电子废弃物污染场地等。粗放式的电子废弃物处置会对人群健康构成威胁。这类场地污染物以重金属和持续性有机污染物（主要是溴代阻燃剂和二噁英类剧毒物质）为主要污染特征。
目前较为成熟的修复技术
当前，修复技术中比较成熟或应用较多的技术有固化/稳定化技术、化学氧化/还原技术、异位热脱附技术、异位土壤洗脱技术、水泥窑协同处置技术、土壤植物修复技术、土壤阻隔填埋技术、生物堆技术等。
植物修复和微生物修复
植物修复是一种利用自然生长植物或遗传培育植物修复金属污染土壤的技术的总称，是解决环境中重金属污染问题的一个很有前景的方法，并已在全球得到了迅速的发展和应用。
根据其作用过程和机理，重金属污染土壤的植物修复技术可分为3种类型：植物稳定、植物挥发、植物提取。
土壤微生物包括与植物根部相关的自由微生物、共生根际细菌、菌根真菌，它们是根际生态区的完整组成部分。
微生物在修复被重金属污染的土壤方面具有独特的作用，其抗重金属机制包括生物吸附、胞外沉淀、生物转化、生物累积和外排作用。通过这些作用，微生物可以降低土壤中重金属的毒性，改变根际微环境，吸附积累重金属，从而提高植物对重金属的吸收、挥发或固定效率。
不过，目前大部分微生物修复技术还局限在科研和实验室水平，实例研究还不多，无法大面积推广，对于微生物修复技术还需作更深入探索。（刘斯文）
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