“PRF+”模式新技術對農田重金屬污染修復治理的應用

＊熊勇華 劉云 王文琪 曾祥榮 文陽平 黃純輪,,3*

（1.江西普瑞豐生態科技有限公司南昌市農田重金屬治理新材料工程技術研究中心 江西 330001 2.江西農業大學功能材料與農業應用研究所 江西 330045 3.宜春市宜豐生態環境局 江西 336000）

引言

水稻是我國三大糧食作物之一，稻谷年產量占我國糧食總產量的40%以上，對保障我國糧食安全具有重要意義[1]。但是近些年來人類活動的增加使農田土壤受到了嚴重的破壞，加重了重金屬對農田的污染，給水稻種植帶來了不可避免的影響[2]。2014年全國首次土壤污染狀況調查公報顯示，我國土壤重金屬總的點位超標率為16.1%，其中耕地土壤點位超標率更是高達19.4%[3]。盡管政府、學者、企業都對耕地重金屬污染開展了一系列治理修復，但農田重金屬污染現象依然嚴重。尚二萍等人[4]在全國五大糧食生產區的3006個樣點進行實測，數據顯示，2018年耕地土壤重金屬點位超標率為21.49%，比2014年公報中提及的19.4%高出了2個百分點，說明我國耕地重金屬污染呈現加重局勢，對農田重金屬進行有效、徹底的修復刻不容緩。針對土壤重金屬污染，湖南省在2014年便首推了“VIP+n”農田重金屬修復技術模式，利用優勢水稻品種與土壤修復劑結合來降低農田的重金屬含量[5]。學者們對土壤調理劑投入品進行研究，通過施加不同的投入品對農田污染重金屬進行固化/穩定化，取得了一定的研究成果[6-9]。部分學者通過種植重金屬超富集植物的方式對農田重金屬進行吸附拔除，通過研究不同重金屬超富集植物對農田重金屬的吸附效果及機理，篩選出了適合不同重金屬拔除的植物，對農田重金屬修復的研究提供了較大的幫助[10-11]。盡管已經有大量學者對農田重金屬污染修復開展了系列研究，但大多僅對農田土壤進行修復研究[12-13]，而未對農田水源進行源頭監控凈化，末端污染秸稈的處理也未得到重視（南方水稻秸稈仍然以還田為主），未形成整體的修復體系，難以從根源上對農田重金屬污染進行拔除，這導致農田重金屬污染治理年年反復循環、永無止境[14]。針對這一現象，項目團隊首創提出“PRF+”農田重金屬污染治理模式新技術，從水源智能監控凈化（P:Purification）、農田重金屬污染治理（R:Remediation）、地力提升與作物增產（F:Foison）、秸稈離田再利用（+）入手，形成一條完整的農田重金屬污染修復鏈，從源頭到終端對農田重金屬污染進行整體的治理修復，避免農田重金屬污染循環反復，徹底解決農田重金屬污染難題。

1.農田重金屬污染與修復現狀

土壤是農業生產的物質基礎，土壤的健康關系到糧食的安全，更進一步影響著經濟的發展和社會的穩定[15]。近年來中國在經濟、文化、工業等方面快速發展的同時也在加強農業方面的關注與發展，在2016年國務院就印發了《土壤污染防治行動計劃》并正式實施[16]，這也意味著國家將土壤健康及糧食安全提到了一個新的高度。

農田重金屬污染是指農田土壤中污染重金屬的含量過高，主要的農田污染重金屬包括鎘、鉛、砷、鉻、汞、銅、鎳等相關金屬元素，這些元素會伴隨植物的生長進入作物的果實中，繼而進入人體內危害人體健康，其中鎘元素是糧食作物中污染最廣、相關污染量最大的重金屬元素。2014年4月環境保護部和國土資源部聯合發布了《全國土壤污染狀況調查公報》，結果顯示全國農田土壤重金屬污染嚴重，全國土壤總超標率達到16.1%，整體環境狀況不容樂觀。2013年湖南益陽爆發的“鎘大米”事件，導致了近百噸大米被銷毀，農民的勞動成果與國家的財產受到了重大的損失。向捷等[17]在2014年發表的研究結果上表示，我國每年被重金屬污染的糧食高達120萬噸，造成的直接經濟損失超過200億元。在湖南“鎘大米”事件爆發后，農田重金屬污染修復得到了政府及大量學者的關注，湖南在此基礎上提出了“VIP+n”的農田重金屬修復體系，構建了“低鎘品種（Variety）＋全生育期淹水灌溉（Irrigation）＋施加生石灰調節土壤酸堿度（pH）＋輔助措施（N）”的稻米鎘污染控制技術體系，該體系在一定程度上對農田重金屬污染起到了較好的修復作用，保護了土壤的健康與糧食的安全。同時，隨著國內外學者的不斷深入研究，農田重金屬修復也出現了多種多樣的修復方式，包括物理化學修復技術、植物吸附技術、固定穩定化技術、微生物修復法、農業生態修復法、聯合修復法等[18-23]相關技術，這些技術在一定程度上對農田重金屬的污染起到了一定的治理修復效果。但現在為止國內還較少出現一種一體化的農田重金屬修復模式，本團隊在田間實驗研究及其產業化應用推廣的基礎上，首次提出能夠對農田重金屬污染進行一體化治理修復的“PRF+”農田重金屬污染治理模式新技術來指導農田重金屬污染治理修復工作。

2.農田重金屬污染的危害

重金屬污染對土壤和生物具有累積毒性效應，很難通過自然降解去除，當重金屬進入土壤后，其遷移、富集和轉化會造成各種生態污染效應，在受重金屬污染的農田進行作物種植，會導致作物的產物受到重金屬污染，進而通過食物鏈傳遞到人體，對人體產生危害。Md Saiful Islam等人[24]研究了孟加拉國土壤和蔬菜中微量金屬的污染水平以及對城市人口的健康風險，研究結果表明，受重金屬污染的土壤種植出來的蔬菜均受到了重金屬的污染，而食用受污染蔬菜的總目標危害值（THQ）為4.0，遠大于正常1.0的水平，從而顯示食用受污染蔬菜對人體健康存在危害；Naseem Zahra等人[25]的研究中提到，鎘對人體的腎臟、骨骼、腸道等都具有一定的傷害，且會大幅度提高人體獲得癌癥的可能；Laura D.K.Thomas等人[26]對埃文茅斯鋅冶煉廠周圍暴露于鎘和其他重金屬人群的早期腎臟損害進行了研究，研究結果表明生活在埃文茅斯鋅冶煉廠周圍的人都受到了鎘的影響，其中腎臟的損壞遠高于正常人，且女性所受的傷害高于男性，同時研究還發現，直接空氣接觸對人體的傷害較小，而食用在受污染土壤上種植的自產蔬菜或吸入受污染的灰塵受到傷害更大。

3.“PRF+”農田重金屬污染治理新模式技術

江西普瑞豐生態科技有限公司聯合江西農業大學對農田重金屬污染的治理修復進行了長期的研究，針對農田重金屬污染治標不治本、年年需投入的現象，進行了一系列的產品及相關方案升級，最終根據農田重金屬污染的來源、重金屬污染的特征等相關特點，首次提出了“PRF+”農田重金屬污染治理模式新技術，該模式通過水源智能監控凈化，農田重金屬污染治理，地力提升與作物增產，秸稈離田再利用四個維度入手，實現了農田重金屬污染一體化治理修復。

(1)水源智能監控凈化

農田重金屬污染主要的來源有大氣沉降、水源引入、人為引入等，其中人為引入主要發生在有相關重金屬礦場及工業廢棄地周邊[27-30]?，F有的重金屬污染修復治理技術在源頭治理上關于人為活動所帶來的污染方面研究較多，在礦場復墾復綠、礦場開采規劃、工廠廢氣廢水處理等多個角度都進行了研究，因此人為活動對農田重金屬的污染得到了一定的控制，但在非人為活動造成的源頭污染治理修復研究較少。

項目團隊通過長期的研究發現田間灌溉水的來源不穩定，存在各種污染因素，其中就包括了各種重金屬離子，這些重金屬離子是在水流經過各種地方后富集而成，陳成忠等[31]的研究表明，盡管水體中的重金屬污染并未超標，但在經過長期的沉積后依然會造成污染風險，部分河段污染程度較高，在進行長期使用后會導致土壤健康與糧食安全問題[32-33]。項目團隊根據這一情況，研究開發出了水源智能監控凈化系統，該系統主要由傳感器、智能水流分口器、堿性吸附鈍化池等部件組成，如圖1所示。運行時傳感器對水源進行實時監控，在檢測到水流中存在污染因子時將信號傳遞給智能水流分口器，分口器閉合無污染水源管道閘口，打開污染水源管道閘口，使污染水流流入堿性鈍化吸附池內進行凈化吸附，在凈化完成后無污染的水流流入農田中進行灌溉，避免了因水源引入重金屬離子給農田帶來的污染。

圖1 水源智能監控凈化系統模式圖

圖2 水源智能監控凈化裝置圖

圖3 農田重金屬污染治理施工圖

圖4 農田地力提升與水稻增產圖

圖5 污染秸稈多聯產高附加值利用示意圖

(2)農田重金屬污染治理

在自然因素及人為因素雙重作用下，重金屬不斷沉積導致我國大部分農田存在重金屬污染，且部分農田重金屬含量嚴重超標[34-35]。隨著社會發展和對糧食安全的重視，有著重金屬污染的農田已經不適合再直接種植糧食[36]。我們需要對農田中的重金屬污染進行邊生產邊修復，對糧食安全的守護變得極為重要[37]。項目團隊研發出了一系列土壤調理劑，葉面阻控劑，硅基、鈣基、碳基超微可控修土凈水產品，結合微生物、植物等聯合修復技術和淹水等農藝措施進行全面修復治理，實現在根基、秸稈、作物果實多重阻控的作用下對農田重金屬污染進行治理，同時保證糧食的正常生產。以水稻種植中鎘污染為例，項目團隊根據鎘元素的特性，研發了對應的土壤調理劑與葉面阻控劑，該土壤調理劑在水稻種植前以基施的方式施用于農田中，通過離子交換、吸附作用與pH調節作用將農田中的Cd2+進行固化穩定化，從而降低Cd2+的活性，使其難以被水稻吸收，實現對農田Cd2+污染的治理。此外項目團隊也研發了葉面阻控劑，該葉面阻控劑在水稻灌漿期進行使用，通過噴施的形式使水稻秸稈、葉片快速吸收阻控劑，阻控劑進入水稻體內后與Cd2+形成競爭，阻隔Cd2+進入水稻籽粒中，保障糧食安全。該葉面阻控劑還使Cd2+僅停留在水稻秸稈與葉片中，便于后期對含有Cd2+的水稻秸稈和葉片進行離田處理，從而實現Cd2+離田的效果，通過3～5年的修復治理，達到對農田Cd2+污染的治本性治理。通過土壤調理劑和葉面阻控劑的應用，結合農藝措施，使作物中鎘含量降低率在30%以上。

表1 “PRF+”模式之農田重金屬污染治理的水稻降鎘情況

(3)地力提升與作物增產

在長期的種植后，農田肥力容易出現不同程度的退化，特別是在近二十年來我國不少種植戶片面的追求作物產量提升，盲目使用大量農藥化肥，進一步造成地力退化，部分田塊糧食產量出現大幅度降低，作物產量減產后部分種植戶為提高產量進一步盲目增加農藥化肥的使用，對農田造成二次傷害，農田地理環境不斷惡劣。因此，在農田重金屬污染修復的同時，積極引導種植戶重視科學性提高農田地力同樣相當重要。項目團隊根據農田地力退化成因，研究開發出“微暴破生物有機肥”“木本泥炭土壤改良礦源有機肥”等相關產品，實施一地一策略的施肥方式，采用天然有機物為基礎，科學的進行農田施肥，幫助提高土壤肥力。改善土壤結構，降低耕地重金屬遷移率，增加土壤中微生物與有機質含量，提高農田肥力，促進作物生長，實現作物增產。在使用相關產品和措施后，根據田間水稻種植測產產量顯示，水稻的產量增產率接近10%，使在農田重金屬污染治理修復的同時實現地力提升，助力作物增產。

表2 “PRF+”模式之地力提升與作物增產的水稻產量情況

(4)秸稈離田再利用

“PRF+”農田重金屬污染治理模式新技術中，在農田重金屬進行修復階段，通過使用葉面阻控劑實現重金屬停留在秸稈中，避免農作物的果實免受重金屬污染，但如何避免污染秸稈對農田的二次污染則成為難題。實際上，不僅是經過“PRF+”農田重金屬污染治理模式新技術種植作物的秸稈會存在重金屬污染問題，只要是受污染的農田在種植作物過程中秸稈均會受到不同程度的污染，盡管傳統的秸稈直接焚燒回田已經被禁止，但依舊有大量的農戶甚至企業通過秸稈粉碎后與豬糞等相關有機質混合漚肥的形式將秸稈制成有機肥進行回田，雖然這樣可以有效地對秸稈進行利用并且增加農田的有機質，但也在一定程度上導致了重金屬的再度回田，使重金屬在種植過程中形成了一個循環鏈，難以有效從農田中拔除。秸稈主要是由C-H組成，主要為木質素和纖維素，項目團隊根據這一特點，對作物秸稈進行材料化利用，一方面研發污染秸稈多聯產實現高附加值利用[36]，通過熱解氣化、凈化提純、冷卻成型等相關步驟來進行污染秸稈發電、供熱、供氣、制備工業用炭、蜂窩炭等，也可通過氣化過程中實現重金屬元素與秸稈殘渣的分離，實現重金屬的提取及提取后無污染的秸稈殘渣研制有機肥、炭基肥等相關方面的應用；另一方面根據秸稈的組成，將秸稈開發成建材、板材[36-37]，使污染秸稈產生額外價值的同時有效避免因回田而對農田造成循環污染。

4.結語

農田重金屬污染一直是農業種植中的一大挑戰，給中國乃至世界糧食安全及人類健康都造成了極大影響，相對于其他修復技術，本項目團隊提出的“PRF+”農田重金屬污染治理模式新技術在原“VIP+n”基礎上進一步完善，強調源頭和末端對重金屬污染治理的貢獻，兼顧地力肥效提升的作用，對農田重金屬污染治理實現標本兼治，能夠有效避免外來重金屬持續輸入并實現農田現有重金屬的有效離田；實現修復治理與作物種植同時進行，避免因重金屬修復而造成作物減產；對地力實現提升，增加作物產量，做到助農豐收，幫助鄉村振興工作的有效開展。因此，“PRF+”農田重金屬污染治理模式新技術是一種有效的農田重金屬污染根治化修復技術模式，這一模式在江西大部分縣市進行了推廣應用并獲得極好效果，持續保持該模式的運用和完善將對今后的農田重金屬污染治理修復起到極大的幫助。