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保卫土壤:地球化学全力出击

2017-07-07 14:10:06    来源: 中国国土资源报    作者:周飞飞

提要:6月27日,十二届全国人大常委会第二十八次会议分组审议了《中华人民共和国土壤污染防治法(草案)》。作为我国国家层面制定的第一部土壤污染防治领域的单行法,草案对农用地和建设用地土壤污染的风险管控和修复分别作出规定。面对国家针对土壤污染的高度关注,国土资源部长期从事污染土壤修复的专家怎么看?日前,记者走访了中国地质科学院矿产资源研究所陈明研究员。

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7月6日,陈明团队在湖南湘潭进行镉铅锌铜汞污染场地修复前调查。    

《土壤污染防治法》呼之欲出,土壤修复产业再迎利好

经过雨水连日的洗涤,北京恢复了阳光灿烂的夏季“日常”。看上去,陈明的心情也很晴朗,他说,比起手中多个土壤修复项目进展顺利,更让他高兴的是国家对土壤污染高度关注的“大气候”。

他告诉记者,自己曾多次参加土壤污染防治法立法讨论会。《土壤污染防治法》反映了预防为主、保护优先、分类管理、风险管控、污染担责、公众参与等土壤污染防治的原则,它的及时出台,对防治土壤污染将有巨大的推动作用。草案明确国家每10年组织一次土壤环境状况普查,并实行土壤污染状况监测制度。同时,建立土壤污染防治基金制度,设立中央和省级土壤污染防治基金,鼓励企业以市场运作方式参与土壤污染防治。“就土壤污染修复市场而言,这无疑是继‘土十条’之后,在本行业最振奋人心的国家政策。”

被公众称为“土十条”的《土壤污染防治行动计划》要求,到2020年,初步遏制土壤污染加重趋势,保持土壤环境质量总体稳定,农用地和建设用地土壤安全得到基本保障,土壤环境风险得到基本管控;受污染耕地和污染地块安全利用率均达到90%或以上。到2030年,土壤质量要稳中向好,农用地和建设用地土壤安全有效保障,土壤环境风险得到全面管控;受污染耕地和污染地块安全利用率均达到95%以上。到本世纪2050年左右,土壤环境质量全面改善,生态系统实现良性循环。

“目标明确,难度很大,完善立法显然是关键的一步。”陈明说,我国的土壤污染整体上分成耕地污染、场地污染和矿山污染3大类,实际工作中还会涉及到固废、淤泥和河湖底泥等。对农用地而言,可按污染程度和相关标准划为3个类别:未污染和轻微污染的划为优先保护类,轻度和中度污染的划为安全利用类,重度污染的划为严格管控类。

《土壤污染防治法(草案)》细化了农用地分类管理制度,规定“安全利用类”耕地集中区应定期开展耕地土壤和农产品协同监测;对于“严格管控类”农用地,将依法划定特定农产品禁止生产区;对于建设用地,将建立土壤污染风险管控和修复名录制度,列入名录的污染地块,不得批准其作为住宅、公共管理与公共服务等用地。同时,草案还禁止在居民区和学校、医院、疗养院、养老院等单位周边新建或者扩建可能造成土地污染的建设项目。

“农用地严格管控、分类利用,污染地块不得作为住宅用地,这些都大大激发了土壤修复市场的活力。土壤修复产业即将迎来一个新的快速发展期。”他告诉记者,我国约有4200万亩轻度污染和2800万亩中度污染耕地,属于安全利用类。纵观国内外耕地修复,真正见效快而且一次修复效果能够持续数年的耕地修复技术其最低成本也在3~5万元/亩,而且视土壤类型和污染物种类而差异巨大。因此,仅安全利用类耕地修复一项,预计市场空间至少有2.1万亿元人民币。“此外,还有约2000万亩属于重度污染的严格管控类耕地,同样需要不同形式的处理和修复,相关市场空间应该大于前者。”

陈明说,按照最保守的估计,我国至少有污染场地50万个,修复成本为1000万元至数十亿元每个不等,估计平均修复成本约为5000万元,市场空间约为25万亿元。另外,我国有不同规模的污染矿山约6万座,绝大部分存在生态破坏和重金属污染问题,面积一般在数平方公里。由于其修复难度更甚于耕地和污染场地,如果都要进行修复的话,修复成本将是天文数字。

土壤污染积重难返,形成缓变型地球化学灾害

以往数十年的粗犷式经济发展,大量的污染物快速进入水土系统,使某些地方的土壤成为最肮脏、形成机理最复杂、修复难度最大的环境介质。

陈明告诉记者,人类自青铜时代就向自然界投放各种化学物质。尤其是工业革命以来,人类在采掘自然资源、进行物质生产、创造物质文明的同时,也大量向自然界排放各种废弃物和有毒有害物质;现代化的农业使大量的农药、化肥残留在土壤中。

尽管土壤系统也具有一定的环境容量和自净功能,即土壤可以容纳少量的重金属或有机污染物,把它们转化成活性较差的形态,如果缓慢加入可能不至于造成严重的生态危害,但环境容量是有限的,自净能力也是有限的,也需要时间去“消化”。如果外部的污染物长期不断地加入进土壤系统,或者加入的速度太快,就会使有害物质的累积量超越了土壤承受能力限度,则土壤的理化性质就会发生剧烈变化,甚至此前积累的、相对稳定形态的污染物会重新被活化、二次释放而容易被各种植物吸收,并进一步导致对生态系统乃至人体健康带来严重的和不可逆转的灾害性后果。这种情况在1978年被欧洲科学家定义为“化学定时炸弹”。

中国科学院院士谢学锦先生首先将“化学定时炸弹”的概念引入中国,引燃了国内土壤和沉积物中污染物的非线性积累与释放的研究热潮。从2001年开始,在谢学锦等的建议下,国内将“化学定时炸弹”的研究转向更具科学内涵的“缓变型地球化学灾害”研究。

2002年,陈明作为项目或课题负责人承担了国土资源部“十五”规划项目和国家“973”课题,开始研究缓变型地球化学灾害爆发过程和机理,认为重金属的缓变型地球化学灾害主要体现在污染物的不同存在形态之间的相互转化上,并定义了其中了两个重要概念——“污染物可释放总量”和“活动形态的总浓度”。也就是说,土壤中绝大多数污染物都存在不同的形态,有的形态可以溶于水,直接被动物、植物吸收,有的则在常温常压下是稳定的,不溶于水,也不会直接被动物植物吸收。例如:土壤中的铬可以以铬尖晶石形式存在,在常温常压下极为稳定,即使是在现代冶炼条件下也不容易释放出来。“因此土壤修复重点考虑的不是污染物的总量,而是如何遏制或消除土壤中‘可释放’的活动形态的污染物。”

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2014年,在福建德化做Hg污染土壤修复的盆栽实验。    

2004年,陈明在执行科技部重点国际合作项目“大型城市水土环境污染机理与综合修复技术研究”中,研究了硫化钠/硫代硫酸钠作为稳定化剂的可能性及其缺陷,并基于缓变型地球化学灾害理论提出了用炭石灰进行重金属污染土壤修复的思路,取得了较好的修复效果。

2012年,陈明又承担了“海西经济区缓变型地球化学灾害研究”课题,带领团队探索了汞元素缓变型地球化学灾害链的组成与阻断途径,将天然矿物与纳米材料结合起来,研发了一种新型汞稳定化剂,可使汞元素超标土壤中的活动态汞下降65%以上,敏感作物空心菜中汞含量下降75~90%。

“如今,国土资源部已形成一系列具有地学特色的理论研究成果和土壤修复技术。其中,理论研究成果主要体现在缓变型地球化学灾害和地球化学工程学两方面,在技术上则研发了以地球化学工程技术为核心的若干种土壤修复剂及重金属污染土壤的电动修复技术。”陈明介绍说。

地球化学服务农业,揭秘农作物与土壤的关系

国内最早的区域性土壤地球化学质量调查工作试点是上世纪80年代中期,由浙江省区域地质调查大队实施。1988年,刚从长春地院毕业后被分配到浙江物探队刚刚一年的陈明又承担了“浙江省厚层覆盖区地球化学扫面设计”。在工作中,陈明了解到土壤地球化学质量与农产品的产量和质量密切相关,一个有趣的现象深深吸引了当事仅有22岁的他:浙江黄岩地区有些地方的蜜桔外表鲜亮,而某些地方的蜜桔则外皮变皱、口感发酸?

调查发现,优良的柑桔主要产于海拔200米以下的侏罗纪火山岩残积层发育区和滨海平原区,由于这类地区土层厚、通透性好、土壤养分丰富;而有些地方柑橘产量、品质下降,是因为土壤某些元素养分因长期种植流失严重。陈明记得很清楚,在一块柑橘种植区发现了一个奇怪的现象,在大部分柑橘树失绿、果实变差的同时,却有个别树未受影响,而这些树都被农民钉上了铁钉挂东西。这与土壤化学调查结论不谋而合:这里的土壤中缺铁,而铁钉生锈后恰恰增加了植物对铁元素的吸收。据说后来农民得知这个结论后,就在其他树根上也钉上了铁钉子,蜜桔就又恢复了之前的圆滚滚,味道也变得更甜了。

陈明告诉记者,其实古人很早就对“农作物种类品质与土壤密切相关”有所认识。距今2500年前的《晏子春秋》中曾记载了这样一段:“橘生淮南则为橘,生于淮北则为枳,叶徒相似,其实味不同。所以然者何?水土异也。”而现代科学尤其是地质科学完全可以从地球化学的角度,更为详细地解答农业地质背景与农作物的关系。

1989年,陈明回到长春地院读研究生。1990年,他代表长春地院参加了由原地矿部国家地质试验测试中心承担、李家熙负责的国家“八五”攻关项目——《区域地球化学在农业和生命科学上的应用研究》,通过生命元素在岩石、水、土、食物直至人体迁移循环过程中不同介质内的含量及其分布特征,将岩石圈一生物圈一水圈系列中的主要环节有机地连结起来,总结和概括出区域性环境地球化学背景,研究影响生态环境的主要因素和相关因素,揭示生态环境现实状况,对地球化学环境作出客观评价,建立合理的区划,以达到治理环境、促进工农业生产和提高人们健康水平的目的。“正是这个项目,改变了我的人生轨迹。”陈明说。后来,陈明还参与了针对吉林人参、河北水蜜桃等特色农产品的区域土壤地球化学背景研究,与同事们共同揭示了地域土壤组成的“化学秘密”,为当地农作物种植区划分、品质提升提出了一些建议,可惜的是,这些地质科研项目的成果并没有得到推广和应用。

修复重金属土壤,国土资源行业要重拳出击

国内外对土壤重金属污染的治理主要从两方面入手:一是活化手段,即增加重金属的溶解性和迁移性,通过土壤淋洗和植物萃取等手段把土壤固相中的重金属快速转移出土壤。二是钝化手段,即改变重金属在土壤中的存在形态,通过降低重金属的生物有效性,从而降低农作物对重金属的吸收量,降低污染风险。从农业生产的角度看,钝化手段比较符合现阶段我国农业的发展水平,经济可靠且易于农民掌握,有利于大面积推广。

“地球化学工程学原理是应用地球化学知识,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。”陈明告诉记者,在这一思路下,地质科学工作者提出了稳定化、净化和适宜化3种土壤修复思路。稳定化就是把不稳定的有害组分固定住,使其失去生物有效性;净化就是把高含量的有害组分去除掉或充分降低;适宜化就是在某些情况下把一些有益元素加入到特定的系统中去。

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2015年,与同事和研究生在湖南湘潭做重金属污染土壤电动修复技术试验。    

陈明告诉记者,与传统物理、化学和生物技术相比,采用地球化学工程技术治理重金属污染,具有廉价、高效、管理简单、无二次污染的特点。其中,利用黏土矿物或通过改性来生产地球化学处理剂,原料来源广泛、价格低廉,不会对环境造成二次污染,非常适用于重金属污染土壤的修复工程。

据他介绍,近些年,国土资源部利用地球化学工程技术,在重金属污染土壤修复等方面积累了大量技术经验,形成了多个示范性工程。如:国家地质实验测试中心在安徽铜陵尾矿坝的重金属污染土壤修复示范区,选用若干种黏土矿物,结合一定的环境条件控制技术,使重金属元素超标土壤中种植的蔬菜的重金属元素含量达到《食品中污染物限量标准》。该研究成果已经成功用于德兴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恢复种植功能,山体复绿。再比如:将含磷矿物用于土壤重金属污染原位修复,使重金属元素有效态转化为稳定的形态,降低其有效性和生物可利用性;采用地球化学工程—生物土壤修复技术,有效降低重金属高污染区人体暴露的风险。

近几年,陈明带领的资源所土壤修复科研团队利用不同天然矿物材料对重金属的专属吸附性,研发3种高效土壤重金属稳定化剂专利技术,可将重金属禁锢在土壤微粒中,不易被氧化、分解和重溶,从而使得修复效果具有长期稳定性。测试表明,新型修复剂可降低65%以上的土壤活动态重金属,并降低70%~95%的农产品中的重金属。

针对大城市高地价区的场地污染修复,陈明团队还研究了一种重金属提取技术——具有地学特色的“原地异位”的EK-SS电动修复技术。该技术用电动力模拟多期次脉动热液成矿作用过程,利用重金属捕获器可以将高浓度重污染土壤、重金属污染固体废弃物甚至矿石在48~72小时内将土壤中重金属去除60%~90%。

“任何一种土壤修复技术都不是万能的,因为我国各地土壤特性不同、气候条件各异,污染物种类、浓度以及活动态、非活动态都不一样,而且土地的用途各不相同,如城市的场地修复可以下猛药,耕地修复就必须高标准严要求,以保证土壤的微生物种群、营养物质、分层结构都不破坏,而矿山修复更为复杂。所以,我认为在实际进行土壤修复时,必须做到因土而异、订制施治,这样才能像老中医一样,做到一人一方,才能做到药到病除。特别是耕地修复,由于土壤类型、自然地理条件、污染物种类及其组合、污染物含量范围等因素错综复杂的交叉,实际上不存在‘一药治百病’的‘仙方’。”陈明强调。

值得关注的是,目前的《土壤污染防治法》主要关注了场地污染和耕地污染,而对矿山这个重金属污染的源头的关注比较少。陈明认为,过去由于中国地质科学院定位于社会公益型研究基础,主要从事基础性、公益性研究工作,很在在应用性的土壤修复技术研究方面获得国家和部门项目资助,这是非常可惜的。在当前“万众创新”的大形势下,这样的局面有望被打破,国土资源部门数十年积累的地质、地球化学基础研究成果有望在土壤修复领域发扬光大。对于矿山环境修复,国土资源部门的科技工作者应有“舍我其谁”的担当。

记者离开时,陈明表达了自己的一个愿望:“当前党中央、国务院高度重视土壤环境保护工作。作为具有深厚基础、长期经验和技术优势的国土资源部门,理应加大对相关理论研究和技术研发的支持,针对国家对矿山土壤环境修复的迫切需求,快速形成实用性强的土壤修复创新成果,为国家解决土壤污染难题和生态文明建设作出应有的贡献。”

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