中国北方碱性农田土壤镉污染修复:现状与挑战

中国土壤镉污染面积广、程度深,但针对于我国北方碱性农田土壤镉污染治理的理论研究及技术研发却较为薄弱。基于VOSviewer软件,分析了近20年来国内外关于碱性土壤镉防控领域的研究方向、主推技术与国际研究格局。在此基础上,系统梳理了碱性土壤中镉的转化过程及影响因素,结合原位化学钝化技术、植物修复和农艺调控措施,进一步总结了碱性土壤镉治理的科学与技术问题。我国碱性农田镉污染治理面临关注度不高、技术研发滞后以及转化困难、土壤-作物(小麦)镉吸收机制不清晰等诸多问题。因此,亟需提高碱性农田土壤镉污染防治的重视程度,研发、试点具有针对性的技术推广模式,构建土壤-作物(小麦)镉精准防控体系,以推动碱性土壤镉污染修复技术与理论的发展及粮食的安全生产。

不同土地利用方式下的场地土壤环境容量评价

从土壤功能和环境风险的角度出发,结合我国具体实际,对场地土壤的不同土地利用方式进行分类,以人体健康、地下水安全、土壤生物为敏感受体,研究在不同土地利用方式下基于不同敏感受体的综合土壤环境阈值计算方法,构建场地土壤环境容量的评价方法.在此基础上,以重金属Cd为模式污染物,计算了我国红壤区不同土地利用方式下的土壤环境容量,对场地土壤环境容量的评价方法进行验证.公园用地、居住用地、工矿用地和商服用地的土壤Cd环境容量分别为11.68kg/hm^(2)、28.89kg/hm^(2)、40.84kg/hm^(2)和40.84kg/hm^(2).本研究为基于不同敏感受体的场地土壤的环境阈值和环境容量评估提供了参考方法和案例,为场地土壤环境容量的评价奠定科学基础,对提升我国场地土壤的环境管理水平具有重要意义.

土壤重金属–有机物复合污染环境效应与修复技术研究进展

重金属–有机物复合污染已是土壤污染的一种普遍形式,其环境危害和治理难度远大于单一污染土壤,因此,重金属–有机物复合污染土壤修复治理是我国环保领域亟需解决的现实难题。基于此,本文首先介绍了重金属与有机污染物在土壤中的复合污染现状;其次,分析了土壤中重金属与有机污染物的交互作用及其环境效应;然后,从物化修复、生物修复和联合修复这3方面综述了不同技术手段对重金属–有机物复合污染土壤修复的研究进展;最后,提出了重金属–有机物复合污染土壤修复研究的发展方向。

基于群体感应的生物膜技术在土壤污染修复中的应用与展望

生物膜修复技术凭借其高效性、安全性和经济性,已被广泛应用于土壤中难降解污染物的去除。其中,群体感应效应在生物膜修复过程中起着至关重要的作用。群体感应是微生物普遍存在的细胞间通讯形式,有助于生物膜内不同细菌种内/种间的信息交流,使微生物能够在“群体水平”上相互协作,能够调控生物膜胞外聚合物的生成以及对污染物的吸附固定与降解。本文在简要介绍生物膜和群体感应的功能和作用基础上,结合近年来群体感应调控生物膜形成以及对污染物的降解基础上,综述了群体感应在生物膜修复技术中的应用,最后对生物膜群体感应系统在污染土壤修复中的工程化设计进行了展望。

长江三角洲地区土壤环境质量与修复研究 Ⅳ.废旧电子产品拆解场地周边农田土壤酸化和重金属污染特征

对长江三角洲某典型废旧电子产品拆解场地周边基本农田保护区水稻土进行了采样及土壤基本理化性质和重金属污染特征研究。结果表明,该地区水稻土pH变化范围为3.8～4.4,平均为4.1,较我国第二次土壤普查的该区表层水稻土pH6.0降低了2个单位,存在着严重的酸化现象。农田土壤中Cu、Cd全量平均值分别达到土壤环境质量二级标准值的8.6倍和31.0倍,综合污染指数为32.3,已达严重污染程度。土壤pH降低提高重金属的活性,Cu、Cd的0.1molL-1HCl提取率分别达到了72.0%和50.8%。在水稻籽粒中,Cd的含量已达到国家粮食卫生标准的2倍多,对该农田保护区农产品安全构成风险,需要采取措施对其进行控制和修复。

长江三角洲地区土壤环境质量与修复研究 Ⅴ.废旧电子产品拆解场周边农田土壤含氯有机污染物残留特征

对长江三角洲地区某废旧电容器拆解场地周边农田基本保护区表层水稻土中含氯有机化合物的组成及含量进行初步研究。结果表明，供试土壤中20种PCBs总含量在84．19～377．4μg kg^-1之间，平均含量为204．8μg kg^-1，其中二氯、三氯、四氯代同系物总和占总PCBs的73．7％～96．2％，存在着PCBs的外源输入。HCH的总含量为10．61～33．11μg kg^-1，DDT总含量为11．36～33．28μg kg^-1，残留水平较低，但β-HCH、γ-HCH、∑HCH和∑DDT的平均含量均高于荷兰土壤标准的目标值。此外，DDT与土壤有机碳呈显著负相关，而其他含氯有机化合物的含量并未呈现出与土壤有机碳的相关性。

中国土壤环境污染态势及预防、控制和修复策略

在综述中国土壤环境污染态势及成因的基础上,提出了土壤环境污染的预防、控制和修复策略。指出了当前中国土壤环境污染态势严峻,表现出土壤污染范围在扩大,污染物种类在增多,出现了复合型、混合型的高风险污染区,呈现出从污灌型向与大气沉降型并重转变、城郊向农村延伸、局部向区域蔓延的趋势;体现出土壤污染与土壤酸化的叠加、多种传统污染物与新兴污染物相互混合的态势,危及粮食生产、食物质量、生态安全、人体健康以及区域可持续发展。认为以预防为主,预防、控制和修复相结合是中国在相当长时期内的土壤环境保护策略;土壤污染预防需要法律法规、评价标准、管理政策和公众参与,土壤污染控制需要发展物化控制、生物学控制及其协同控制技术,土壤污染修复需要研发工程修复技术、材料、产品与设备,建立技术规范、评价标准和管理体系,推动市场化和产业化发展。

基于电子顺磁共振波谱法的土壤环境持久性自由基的检测方法研究

本研究以不同类型土壤为研究对象,分别对电子顺磁/自旋共振波谱仪(EPR/ESR,X-波段连续波)的中心磁场、微波功率、调制幅度等主要测试参数进行调试与优选,确立EPR测定土壤环境持久性自由基(EPFRs)的仪器参数优选方法及参考值。结果表明,根据样品实测频率ν(约9.82 GHz)与EPFRs的g因子可设置谱仪中心磁场约3502 G。微波功率可采用微波功率饱和曲线法、微波衰减相邻6 dB信号比较法优选,两法各有优缺点,建议结合选用。若与27 dB相比,微波衰减设置为≤15 dB,低场峰(g=2.0030~2.0035)有由于功率饱和而引起其自旋浓度被不同程度抑制的趋势,并且27 dB左右(25~30 dB)被认为是该峰的较优微波衰减值。然而,高场峰(g=2.0004)对其响应存在差异,高衰减值为较佳。此外,调制幅度应小于峰-峰宽(3.28 G),若兼顾研究较窄峰(约1 G),1 G较为适宜。本EPR谱仪测试参数优选方法可确保g因子的准确度、EPR图谱的分辨率与超精细分裂等信息的可靠性,为土壤与环境固态样品EPFRs的测定提供科学依据,促进该项技术的应用与发展。

MgAl-LDHs磁性颗粒对镉污染农田土壤的减量修复研究

以不同巯基改性的镁铝层状双金属氢氧化物(MgAl-LDHs)为原材料制备了4种毫米级磁性颗粒修复材料,并开展了对土壤中镉(Cd)去除效果的对比试验,考察了MgAl-LDHs磁性颗粒修复材料的投加量和作用时间对Cd去除效果的影响,探讨了修复材料对3种实际污染农田土壤(Cd总量在0.73~0.86mg/kg)中Cd的去除效果与机制。结果表明:以泰克莱尔MgAl-LDHs为原材料制得的磁粒MgAl-LDHs-C对Cd的去除效果最好,其与土壤的最佳投加质量比为1∶10,最适作用时间为3 h,在此条件下,浙江台州土壤DTPA提取态Cd含量由0.56mg/kg下降至0.30mg/kg;控制m土∶V液为1∶2,反应温度为25℃,振荡频率为180r/min,按照最优选投加量和作用时间分别向江苏太仓、甘肃白银和浙江台州污染农田土壤中施用MgAl-LDHs-C,3种土壤中Cd总量去除率分别达到26.0%、23.8%和34.7%。土壤Cd形态分析结果显示,MgAl-LDHs-C可以显著降低土壤可交换态、可还原态、可氧化态Cd的含量。因此,本研究所制备的MgAl-LDHs-C材料具有良好的土壤Cd去除能力,可为Cd污染农田土壤的减量修复提供科学依据。

高级氧化技术修复萘污染土壤和地下水研究进展

多环芳烃是土壤和地下水中普遍存在的持久性有机污染物。其中,萘是结构最简单的多环芳烃,具有迁移性强的特点,可通过多种途径在土壤和地下水中富集,是焦化、化工等历史遗留地块重点关注的污染物之一。高级氧化技术高效、安全且经济,因此,基于高级氧化的萘污染土壤和地下水修复技术受到越来越多的关注。本文综述了芬顿和类芬顿氧化、臭氧氧化和过硫酸盐氧化的反应机理,重点阐述了二价铁、微纳级零价铁、铁矿物、铁螯合物等均相及非均相活化剂活化的氧化技术在修复萘污染土壤和地下水方面取得的研究进展,介绍了多种高级氧化技术联合修复以及高级氧化技术与生物降解技术协同修复的研究现状,指出了目前萘的高级氧化技术研究存在的问题,并对研究做出了展望。

基于便携式X射线荧光光谱速测的设施菜地土壤重金属污染诊断与评价

土壤重金属污染快速诊断与评价是污染防控与风险管理的前提。以广东省典型设施蔬菜产地土壤为研究对象,采用便携式X射线荧光光谱法(portable X-ray fluorescence spectroscopy,PXRF)原位快速获取土壤重金属(镉(Cd)、铜(Cu)、铬(Cr)、铅(Pb)、锌(Zn)、砷(As)、镍(Ni)及汞(Hg))含量,在传统实验室方法验证PXRF的准确性和稳定性的基础上,对广东省设施菜地表层土壤重金属的污染状况进行快速诊断,并对土壤重金属污染风险进行评价。结果表明:(1)异位PXRF法对土壤Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、As及Ni的测定值与传统实验室方法测定值极显著相关(P<0.01),土壤Pb和As含量的PXRF原位测定值与传统实验室方法测定值极显著相关(P<0.01);(2)土壤含水量为150 g·kg^(-1)~200 g·kg^(-1)时,Cr、Pb、Zn和As的PXRF原位测定值与实验室测定值的相关性达到了极显著水平(P<0.01);(3)土壤Cd和Cu的超标现象较为突出,其点位超标率分别为20.9%和10.0%。设施菜地土壤Cd的平均含量为0.21 mg·kg^(-1),约为露天农田土壤的1.2倍。珠江三角洲地区设施土壤中各重金属的含量整体较其他地区高;(4)土壤Cd、Cu、Cr、Pb、Zn、As、Ni及Hg的单项污染指数均小于1,由高到低依次为Cd>Cu>Pb>Zn>Cr>As>Ni>Hg,内梅罗综合污染指数的均值为0.69。就整体平均值而言,土壤重金属污染程度处于清洁水平。PXRF实现了广东省设施菜地土壤重金属污染的快速诊断,并快速识别出Cd和Cu为设施菜地污染风险较高的潜在污染元素,研究结果可为设施农业土壤重金属污染快速诊断与评价提供方法和数据支撑。

间作对伴矿景天与油菜修复镉污染土壤的影响

为探究在镉污染土壤上伴矿景天与油菜(中双11号)间作种植对二者生长和镉吸收的影响。通过田间小区试验,共设置3个处理:伴矿景天与油菜间作、伴矿景天单作、油菜单作。结果表明,伴矿景天与油菜间作处理可提高伴矿景天和油菜对镉的提取能力,间作处理时伴矿景天的镉提取量为2.76μg/株,较伴矿景天单作处理高出7%,油菜的镉提取量为1.32μg/株,较油菜单作处理高出16%;修复后收获的菜籽油和油饼检出镉含量均符合标准,且间作处理的油饼检出镉含量较单作处理降低了41.7%。因此,伴矿景天和油菜间作种植技术可在修复土壤的同时实现农作物的安全生产,是一种有前景的植物间作修复技术。

加强土壤微/纳塑料研究支持新污染物治理行动

自20世纪50年代以来,全球塑料年生产量从1950年的1.70×10^(6) t激增到2020年的3.67×10^(8) t[1]。塑料的大量广泛使用、不完善的废物回收体系和不健全的废物管理制度,导致大量塑料垃圾被丢弃而进入环境和生态系统,造成日益严重的塑料污染[2]。进入环境中的塑料垃圾在物理、化学和生物学作用下不断发生风化、破碎和降解,形成微塑料(<5 mm)和纳塑料(<1μm)[3]。当前,环境中的微/纳塑料污染已成为全球广泛关注的热点环境问题。

土壤——水环境中二苯砷酸污染及其修复研究进展

化学武器残留的二苯砷酸(Diphenylarsinic acid,DPAA)引起的土壤—水环境砷污染事件近年来受到广泛关注。国内外学者对土壤—水环境中DPAA的分析方法、污染状况、迁移转化和修复技术等的研究已取得一定进展。鉴于DPAA污染问题的严峻性和污染修复的迫切性,本文通过系统调研并结合笔者的研究工作,综述了土壤-水环境中DPAA分析方法、来源及污染状况的研究进展,探讨了DPAA吸附/解吸、迁移、转化过程及其关键影响因素和作用机制,阐述了对其污染的物理/化学、生物学修复机理研究;认为建立DPAA污染数据库,开展宏观及微观尺度上DPAA环境行为特征的研究,并系统构建DPAA污染的修复技术方法体系将是该领域今后研究的重点。同时,展望了未来的研究方向,旨在为促进土壤-水环境中DPAA污染及其修复的深入研究、有效降低DPAA的环境健康风险提供理论参考。

土壤酶对重金属污染的响应及指示研究进展

土壤酶在关键元素生物地球化学循环、动植物健康维持、环境污染净化等方面起着不可替代的重要作用,同时还是土壤污染程度评价的辅助指标之一。然而,由于土壤物理、化学和生物学性质的差异,以及研究方法的多样化,导致重金属与土壤酶活性之间的关系十分复杂,阻碍了土壤酶在土壤质量和健康评价中的应用。系统阐述了重金属污染对土壤酶的生态毒理效应,及其对土壤酶催化动力学特征的影响,构建了土壤-重金属-微生物对土壤酶作用的概念模型,并探讨未来的研究趋势和方向。土壤酶活性测定高效、便宜,且对重金属污染敏感,是极具潜力的土壤重金属污染评价的生物学指标,但仅采用土壤酶活性可能高估或低估重金属的生态毒性,加之当前对土壤酶的选择、活性的测定均缺乏统一的标准,致使难以建立重金属毒性阈值与土壤理化性质或土壤重金属有效性之间的定量关系,最终导致土壤酶在土壤污染生态风险评价中存在争议。未来亟需通过新技术和数学模型,深入揭示不同类型土壤中酶对重金属胁迫的响应机理,构建土壤性质与毒性阈值关系的经验模型,可为加强土壤酶在土壤质量和健康评价中的应用提供重要的理论依据。

不同品种烟草对轻度污染耕地土壤中镉的累积特征与减量修复潜力

烟草(NicotianatabacumL.)具有生物量大、适应性强、栽培面积广、栽种技术成熟等特点,对镉污染土壤可能具有较大的植物修复潜力。为了比较轻度镉(Cd)污染土壤上不同品种烟草对镉的积累能力和减量修复潜力,以烟草品种云烟87和K326为研究对象,采用盆栽试验比较了两种烟草在台州(铁聚水耕人为土,Cd0.83mg∙kg^(-1))和徐州(砂姜钙积潮湿变性土,Cd0.76mg∙kg^(-1))两种不同类型镉轻度污染土壤上的生长状况和镉累积特征,以及烟草收获后土壤中有效态Cd(CaCl_(2)和NH4OAc提取态)和总Cd的质量分数变化,评估了2种烟草对轻度Cd染土壤的减量修复潜力。结果表明,种植50 d后,同一品种在台州土壤中的株高、根和茎干质量显著高于徐州土壤,但同一土壤上生长的两种烟草之间在株高、地上部鲜质量和干质量等指标方面均无显著性差异。在2种土壤上,烟草K326的叶片中Cd质量分数(15.1-25.3 mg∙kg^(-1))均显著高于云烟87(11.7-20.7 mg∙kg^(-1)),但2种烟草的根和茎中的Cd质量分数无显著性差异。2种烟草的地上部生物富集系数和地下部向地上部转移系数均大于1;在徐州土壤上,云烟87和K326的地上部生物富集系数分别高达23.09和28.16,茎向叶转移系数则分别达到3.18和3.40。种植云烟87和K326可显著降低土壤中CaCl_(2)提取态和NH4OAc提取态Cd质量分数,从而显著降低土壤中有效态Cd和总Cd质量分数。烟草K326的Cd吸取总量(285.0-310.2µg∙pot^(-1))显著高于云烟87(254.8-261.2µg∙pot^(-1)),移除烟草植株后,云烟87和K326对土壤总Cd的去除率最高分别可达8.4%和9.4%。云烟87和K326可作为高积累性作物,对轻度污染耕地土壤具有较大的Cd减量修复潜力。

中国农田土壤环境质量管理现状与展望

农田土壤环境质量保护与管理是保障粮食安全和农业可持续发展的重要前提。近年来,随着我国社会经济的快速发展,农田土壤环境质量退化和土壤污染问题逐渐凸显。经过几十年的努力,我国目前基本形成以"土壤污染防治法"和"土壤污染防治行动计划"为核心政策,相关配套管理办法、标准和技术规范等为基础的土壤环境质量管理体系。本文简要梳理了我国农田土壤环境质量状况与污染成因,回顾了我国农田土壤环境保护及环境管理的发展历程,总结了我国农田土壤环境质量管理与标准体系建设的最新进展,对比分析了农田土壤环境管理的国际经验,针对性地提出了我国农田土壤环境管理的对策与展望,以期为我国农田土壤环境质量管理及污染防控提供参考和借鉴。

内生细菌强化重金属污染土壤植物修复研究进展

近年来,植物修复因其独特的优势备受推崇,尤其是当前植物内生细菌的应用为植物修复重金属污染土壤提供了有效的新方案。在植物修复过程中,耐重金属的内生细菌利用与植物的共生互惠关系,通过自身的抗性系统缓解重金属的毒性,促进植物对其迁移,并通过溶磷、固氮等途径改善植物营养以及分泌植物激素、铁载体、特异性酶、抗生素等作用,促进植物在逆境条件下的生长和对重金属的富集。本文综述了近年来国内外关于重金属抗性植物内生细菌促进植物生长、增强植物对重金属的抗性以及影响重金属在植物体内吸收、转运和积累的作用机制,系统分析了内生细菌促进植物修复重金属污染土壤的机理,并进一步讨论了植物内生细菌在重金属污染土壤植物修复工程中的应用前景与研究方向。

土壤环境质量指导值与标准研究 Ⅴ.镉在土壤-作物系统中的富集规律与农产品质量安全

通过查阅国内现有镉污染农田土壤和作物中镉含量的相关资料,包括近30年来公开发表文献、国家"七五"科技攻关环保项目"土壤环境容量研究"等科研成果,结合本实验室在长江三角洲、珠江三角洲典型地区污染农田调查数据,经筛选后从88组研究中共收集到镉污染农田土壤和作物中镉含量对应数据509对。根据镉盐来源,将收集的数据分为污染农田调查数据和添加镉盐试验数据;根据作物不同,分为水稻、小麦、茎/叶类蔬菜、根菜和果菜地调查数据。采用富集系数和一元回归模型的方法基于土壤镉含量预测作物可食部分镉含量;采用多元回归模型的方法基于土壤镉含量和土壤pH预测作物可食部分镉含量。结果表明,回归模型对作物可食部分镉含量的预测效果明显优于富集系数中位值;回归模型95%预测上限对作物可食部分镉含量的保守预测优于富集系数90分位值。土壤pH显著影响作物对镉的吸收。影响模型回归效果和预测能力的主要因素是数据分布不均和数据量不足。模型对比后选用多元回归模型的95%预测上限推导稻田和茎/叶类蔬菜用地基于农产品质量安全的土壤镉含量环境基准。

有机酸和FeCl_3复合浸提修复Cd、Pb污染农田土壤的研究

采用振荡浸提方法,研究了有机酸(柠檬酸、酒石酸)与Fe Cl3复合浸提对Cd、Pb污染农田土壤重金属的去除效果和影响因素,测定了浸提前后土壤中重金属形态和浸提液中常量元素含量。结果表明,柠檬酸(100 mmol·L-1)和Fe Cl3(20 mmol·L-1)复合浸提,对土壤中Cd、Pb的去除效率分别达到了40.7%和20.9%,酒石酸(100 mmol·L-1)和Fe Cl3(20 mmol·L-1)复合浸提,对Cd、Pb的去除效率分别达到了42.6%和16.5%,均高于相同浓度有机酸、Fe Cl3单独浸提的去除效率。有机酸-Fe Cl3对重金属的去除率随p H值升高而减少。液固质量比为5∶1、浸提时间为24 h、浸提3次比较适宜;有机酸-Fe Cl3对Cd的去除主要是交换态(77.3%~79.8%)和铁锰氧化态(86.7%~87.0%),有机结合态几乎没有变化;对Pb的去除主要是铁锰氧化态(70.0%~70.8%)和有机结合态(58.8%~66.0%),交换态显著增加至24.2%~24.5%,Cd、Pb碳酸盐结合态几乎消失,残渣态无变化。污染土壤中的Pb经过多次浸提,去除率可显著提高,连续3次浸提达到47.0%~48.2%。