中國土壤污染與修復科技研究進展和展望

摘要：土壤污染與修復是土壤學的一個重要分支學科，對推進中國土壤污染管控與修復工作、保障國家土壤環(huán)境安全和生態(tài)文明建設發(fā)揮著重要的科技支撐作用。簡要分析了中國土壤污染狀況，介紹了國內(nèi)外土壤污染與修復技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，指出了我國土壤污染防治科技研發(fā)中存在的若干問題，提出了今后我國土壤污染與修復科技研究與發(fā)展的總體思路與主要方向等對策建議。

我國土壤污染防治形勢嚴峻。當前，農(nóng)用地污染面廣、量大，工礦企業(yè)場地土壤與地下水污染問題突出，流域性或區(qū)域性土壤污染態(tài)勢凸顯，土壤污染風險增大，威脅我國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、人居環(huán)境安全和生態(tài)環(huán)境安全[1-2]。習近平總書記曾多次強調(diào)“強化土壤污染管控和修復，有效防范風險，讓老百姓吃得放心、住得安心”。開展土壤污染過程與風險基礎研究，推進土壤污染管控與修復共性關鍵技術研發(fā)，強化土壤環(huán)境監(jiān)管，保障土壤環(huán)境安全，既是加大《土壤污染防治行動計劃》科技支撐力度的現(xiàn)實需要，也是支撐美麗中國、生態(tài)文明建設的長期需要。本文簡要分析了我國土壤污染狀況，介紹了國內(nèi)外土壤污染與修復技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，指出了我國土壤污染防治科技研發(fā)中存在的若干問題，提出了我國土壤污染與修復科技研究與發(fā)展今后的總體策略與主要方向等對策建議。

1、我國耕地和工礦場地土壤環(huán)境污染狀況

我國土壤污染在區(qū)域上涉及西南、華中、華南、華東、華北、西北、東北七大區(qū)的各省市區(qū)，空間上遍布城市、城郊、農(nóng)村及自然環(huán)境(例如地質(zhì)高背景區(qū))，在利用方式上涵蓋農(nóng)用地、建設用地、礦區(qū)、油田和軍事用地[2-3]。在污染物類型上，耕地土壤以重金屬為主，包括鎘、砷、汞、鉻、鉛、鉈、銻等;工礦場地，除重金屬外，常出現(xiàn)有機污染物，包括苯系物、鹵代烴、石油烴、持久性有機污染物等。

有的土壤還存在病原菌、病毒等生物性污染，有的則存在爆炸物、化學武器殘留物、放射性核素、抗生素及抗性基因、塑料及微塑料等[4-5]。這些污染物在土壤中以不同的賦存形態(tài)、含量、污染方式及污染程度存在，具有不同的釋放性、遷移性、有效性和風險性[5-6]。對土壤環(huán)境中這些污染物的源徑-匯和過程-含量-效應-風險，人們研究和了解得相當有限。

2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》[7]顯示，總的調(diào)查點位超標率為16.1%，中度和重度污染點位分別為1.5%和1.1%。耕地土壤的超標率高達19.4%，面廣、量大，危及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和生物生態(tài)安全。工礦業(yè)場地土壤污染問題突出，點位超標率達36.3%，有色金屬礦采選、有色金屬冶煉、石油開采、石油加工、化工、焦化、電鍍、制革、造紙、廢物處置、電子廢舊產(chǎn)品拆解等重點行業(yè)用地及周邊土壤污染風險高，危及人居環(huán)境安全和生態(tài)系統(tǒng)健康。

2、國內(nèi)外土壤污染與修復技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

近20年來，我國農(nóng)用地和工礦用地土壤污染過程與修復科技快速發(fā)展。根據(jù)全球文獻計量分析，我國近20年發(fā)表英文(SCI)論文數(shù)量逐年增加，在2010年就超過美國，位居第一;我國土壤修復技術專利在全球的占比呈直線增加，比例達60%以上，遠高于世界其他國家或地區(qū)，美國位于第二位。

2.1土壤污染成因和過程研究與發(fā)展現(xiàn)狀

近40多年來，歐美發(fā)達國家在土壤污染來源、過程、機制、效應、風險、預測等基礎理論與方法上開展了系列研究[8]。在土壤-植物和土壤-地下水系統(tǒng)污染物遷移轉化機制，特別是微觀分子機制、多介質(zhì)傳輸機制、多界面分配機制、多尺度預測模型等方面，取得了長足的研究進展[9]。解析了多尺度污染物源-徑-匯和形態(tài)/劑量-受體關系，建立了污染源數(shù)據(jù)庫、生物毒性數(shù)據(jù)庫和環(huán)境基準體系;在對土壤環(huán)境背景及基準研究的基礎上，建立了污染物的遷移風險、生態(tài)風險和健康風險評估方法;形成了土壤污染防治的基礎理論、方法及技術原理，發(fā)展了基于界面行為調(diào)控的土壤-植物和土壤-地下水污染物有效性調(diào)控方法;為污染土壤環(huán)境質(zhì)量標準制定及修復新技術設計奠定了理論與方法基礎。

在國內(nèi)，近40年來，通過20世紀80年代第二次土壤普查和21世紀初第一次全國土壤污染調(diào)查，積累了大量基礎性數(shù)據(jù)，建立了全國土壤背景值圖集[10]，分析了我國土壤污染特征，評價了土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，提出了土壤污染防治對策[11]。近20年來，在國家“973”計劃項目支持下，圍繞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護和生態(tài)文明建設，在京津冀、長江三角洲(長三角)、珠江三角洲(珠三角)、東北老工業(yè)基地、西南礦區(qū)和地質(zhì)高背景地區(qū)等區(qū)域，開展了多尺度土壤污染特征、污染物遷移轉化機制、界面過程和環(huán)境風險等方面的系列研究，了解了土壤中污染物遷移轉化規(guī)律、生物有效性和污染風險，初步闡明了重金屬與持久性有機污染物復合污染及生態(tài)效應，建立了部分土壤環(huán)境基準與標準，發(fā)展了土壤污染風險管控與修復技術原理，為土壤污染防治提供了理論與方法指導[12]。“十三五”期間，在國家重點研發(fā)計劃項目支持下，土壤污染成因、過程及風險研究進入了新階段，未來5年內(nèi)將在土壤污染源匯關系與源解析、污染物積累與轉化機制、污染物擴散與驅(qū)動機制和污染風險評估方法與指標體系等方面取得系統(tǒng)性、創(chuàng)新性研究進展。

2.2、土壤污染管控與修復技術研究與發(fā)展現(xiàn)狀

近20年來，在國家“863”計劃項目等支持下，我國土壤污染修復技術研究，于“十五”起步，“十一五”進步，“十二五”發(fā)展，“十三五”跨越;20年的進展，帶動了土壤修復技術應用和綠色修復產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，在修復技術、裝備及規(guī)?；瘧蒙吓c先進國家的距離在加快縮短。技術支撐上，初步建立了場地土壤修復技術體系，快速、原位的土壤修復技術得到研究與應用;技術裝備上，研制了能支持快速土壤修復的多種裝備;技術產(chǎn)業(yè)上，研發(fā)的技術支撐了規(guī)?；瘧眉爱a(chǎn)業(yè)化運作?？傮w上，在農(nóng)用地土壤污染管控與修復技術上，我國與發(fā)達國家并駕齊驅(qū)，有的已處領先地位;在建設用地方面，我國的土壤污染管控與修復技術水平與歐美國家相比尚有距離[13-14]。

(1)在農(nóng)用地方面，根據(jù)國際技術的研發(fā)歷程、產(chǎn)業(yè)化程度和應用推廣的分析，側重發(fā)展農(nóng)用地土壤重金屬污染管控與修復技術，可歸納為三類：I類技術(植物提取與資源化技術)相對成熟，已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，仍是研究熱點;II類技術(重金屬鈍化與替代種植技術)正逐漸成熟，開始進入產(chǎn)業(yè)化階段，緩慢發(fā)展;III類技術(植物阻隔與穩(wěn)定化技術)已有研究基礎，正在加快產(chǎn)業(yè)化進程，快速發(fā)展。相對于發(fā)達國家，我國農(nóng)用地土壤污染治理技術研究起步較晚，但進步迅速。在我國，植物阻隔/穩(wěn)定化技術研發(fā)早于國際，植物提取與資源化技術已處國際領先地位。我國的相關論文、專利數(shù)量增幅明顯，但篇均引用頻次大幅落后美國等發(fā)達國家①，指明需要繼續(xù)加強提升研究質(zhì)量和學術影響力。正在努力的方向是豐富修復植物種質(zhì)資源[15]、提升修復功能材料產(chǎn)品效益[16]、發(fā)展資源-材料-技術-效評體系[17]，繼續(xù)加大投入，形成高效、廉價、安全、普適的農(nóng)用地土壤污染管控與修復技術模式。

(2)在工礦用地方面，歐美國家已經(jīng)形成場地土壤污染調(diào)查、風險評估、標準制定、管理控制、修復技術和法規(guī)體系[18-19];正在著力研發(fā)高效、安全、低能耗、低成本、低碳排的生物修復技術及多技術耦合智能系統(tǒng)。近20年來，我國場地-地下水污染風險管控與修復技術發(fā)展上，發(fā)表的英文(SCI)論文數(shù)量快速增加，已經(jīng)超越美國;雖然在多種新技術發(fā)明的時間上落后于美國平均約十年，但我國發(fā)明專利占國際的比例接近三分之二①。然而，我國的相關技術轉化率較低，總體上仍處于跟蹤階段。

在重金屬污染修復方面，國內(nèi)外的共同熱點在植物修復、固化/穩(wěn)定化藥劑及設備、淋洗設備，電動修復的電極材料研發(fā)和微生物修復的菌劑研發(fā)等。有機污染修復方面，發(fā)表的論文數(shù)量明顯少于重金屬;我國的不少工作集中于有機污染物的熱脫附設備以及微生物修復藥劑的研發(fā)。熱脫附及相關技術在國際上已步入產(chǎn)業(yè)化階段，在國內(nèi)異位和原位熱脫附技術廣泛應用于難降解性或持久性有機物污染場地土壤的修復。近年來，國內(nèi)外生物修復技術研究與發(fā)展迅速。近10年我國的相關技術研發(fā)明顯增強[20]。微生物轉化技術、生物質(zhì)炭復合納米技術、強化氧化/還原技術、多相抽提技術、深度垂向阻隔技術、可滲透反應屏障技術等在國內(nèi)得到發(fā)展，并應用于場地土壤與地下水管控與修復?，F(xiàn)正努力創(chuàng)新研發(fā)綠色高效環(huán)境功能材料，研制智能化、模塊化裝備，提升綠色和可持續(xù)的土壤污染管控與修復技術、產(chǎn)品與裝備水平，致力于土壤污染綜合防治與安全利用技術體系及模式的形成，提升土壤環(huán)境管理與風險監(jiān)管能力及土壤污染協(xié)同治理水平。

2.3、土壤污染與修復科技研究與發(fā)展趨勢

縱覽國內(nèi)外土壤污染與修復科技研究與發(fā)展，其總體趨勢表現(xiàn)為：

(1)在過程與效應上，從傳統(tǒng)污染物、單一污染過程與生態(tài)效應關注到新興污染物及其復合污染過程與健康效應，從單一的物理、化學或生物學過程及機制發(fā)展到多介質(zhì)、多界面、多過程耦合機制。

(2)在分析與監(jiān)測上，從單一的污染物含量分析到多種監(jiān)測并存分析，從微觀的點源分析到宏觀的多源、多尺度的土壤立體智慧監(jiān)測。

(3)在風險與管理上，從健康風險到生態(tài)風險，從污染源阻隔到過程管控，融合遙感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的智能風險管理。

(4)在修復技術與利用上，單一修復技術到多技術耦合系統(tǒng)，從源頭控制、過程阻斷、凈化修復、安全利用到生態(tài)開發(fā)的集成治理再發(fā)展模式。

(5)在修復材料與裝備上，從單功能單目標到多功能多目標的靶向修復材料方向發(fā)展，從服務于離場異位修復的固定式裝備向支持現(xiàn)場原位修復的移動式、模塊化裝備方向發(fā)展。

(6)在工程應用方面，從單項修復走向場地土壤污染協(xié)同智慧修復方向發(fā)展。就近五年來的污染修復技術熱點及趨勢分析而言，國際上更多地關注生物修復、植物修復、固化/穩(wěn)定化等原位技術研究。例如，關注于生物群落結構對污染物去除的作用[21]、植物生長狀態(tài)對重金屬的富集[22]、長效性的固化/穩(wěn)定化材料(如生物質(zhì)炭)等[23]?？傮w而言，我國的研究熱點與國際的相一致。

3、我國土壤污染與治理科技研發(fā)中存在的若干問題

近年來，國家高度重視土壤污染防治科技的投入，科學技術部、國家自然科學基金委、生態(tài)環(huán)境部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中國科學院等部委相繼啟動了一批土壤污染過程、管控與修復重大項目，大大促進了土壤污染防治科技的發(fā)展。但是，在我國土壤污染與治理修復科技研發(fā)中尚存在如下重要問題：

(1)土壤環(huán)境基準是土壤環(huán)境質(zhì)量標準制定的基礎，可科學地反映土壤污染物的環(huán)境行為對相關受體的效應及其風險。我國土壤環(huán)境背景值和環(huán)境基準嚴重不足，難以滿足科學制定土壤環(huán)境質(zhì)量標準的需要;現(xiàn)有土壤環(huán)境質(zhì)量標準基本上與全國土壤類型和土壤利用方式脫鉤，難以支持國家及區(qū)域土壤環(huán)境標準化和差異化管理。

(2)風險評估與風險管理存在明顯局限性。在場地土壤和地下水健康風險評估模型計算上缺乏我國土壤中污染物的毒性和毒理參數(shù)，更是嚴重缺乏本土化參數(shù)，從而造成過于保守或過于寬松的風險控制值或修復目標值，難以有力、有效地支持科學的風險管控。迄今，我國尚缺乏大量研究支持下的、能有效保護土壤生物安全和生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)風險評估方法，亦缺乏能有效保護地下水安全的環(huán)境遷移風險評估方法。

(3)基于風險管控的穩(wěn)定化技術推廣應用難以降低土壤污染物超標率，難以體現(xiàn)土壤環(huán)境質(zhì)量的改善。特別是對農(nóng)用地土壤，在缺乏長效穩(wěn)定調(diào)理管控材料下，需要反復施用土壤穩(wěn)定劑，將嚴重影響良田的土壤肥力質(zhì)量和健康質(zhì)量。

上述問題關系到國家《土壤污染防治行動計劃》[24]中提出的目標的實現(xiàn)。例如，到2030年，全國土壤環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)中向好，農(nóng)用地和建設用地土壤環(huán)境安全得到有效保障，土壤環(huán)境風險得到全面管控;主要指標是到2030年，受污染耕地安全利用率達到95%以上，污染地塊安全利用率達到95%以上。

4、我國土壤污染與治理修復科技研發(fā)展望

土壤環(huán)境安全是支撐美麗中國和健康中國建設的重要基礎。防治土壤污染，保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、人居環(huán)境安全和生態(tài)環(huán)境安全，是我國鄉(xiāng)村振興和生態(tài)文明建設的重大戰(zhàn)略需求。我國土壤污染防治策略應針對我國社會經(jīng)濟發(fā)展中面臨的重點區(qū)域、重點行業(yè)、重點污染物的土壤污染問題，以“保護優(yōu)先、綜合防控、改善質(zhì)量、安全利用”為土壤污染防治出發(fā)點，構建基于“基準化監(jiān)管”和“凈土化修復”的土壤污染防治理論和技術創(chuàng)新、工程應用與管理支撐以及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的全鏈條式科技創(chuàng)新體系，建立多學科融合、多部門協(xié)同、產(chǎn)學研結合和國際合作的自主創(chuàng)新機制，培育具有市場開拓力和國際競爭力的土壤修復企業(yè)，全面提升土壤污染防治科技水平，支撐和引領土壤污染攻堅戰(zhàn)，搶占土壤污染防治領域的國際戰(zhàn)略制高點，形成我國土壤污染治理體系，以安全健康的土壤支撐美麗中國和生態(tài)文明建設。《中華人民共和國土壤污染防治法》[25]明確指出，國家支持對土壤環(huán)境背景值和環(huán)境基準研究，而且修復活動應當優(yōu)先采取不影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、不降低土壤生產(chǎn)功能的生物修復措施。建議未來重點研究方向如下：

(1)土壤污染過程、效應與生態(tài)健康風險。包括土壤環(huán)境污染物的多尺度效應及其轉化的新方法和新技術;土壤圈污染物多介質(zhì)、多界面、多過程耦合動力學機制與氣候變化影響預測;區(qū)域土壤復合污染物的生物地球化學過程與環(huán)境質(zhì)量演變;重大工程活動和自然及人為災害的土壤環(huán)境影響;土壤中污染物與生物相互作用、致毒機理與調(diào)控機制;土壤污染的食物安全、生物安全與健康風險;原位強化生物修復技術原理等科學問題。

(2)土壤污染監(jiān)測技術、風險評估方法和環(huán)境基準。包括土壤新型污染物與環(huán)境暴露分析方法;基于人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域土壤污染快速識別與環(huán)境信息傳輸處理方法;土壤污染高精度調(diào)查和智慧監(jiān)測系統(tǒng);土壤污染生態(tài)風險、健康風險和遷移風險評估方法及其在土壤環(huán)境基準中的應用;區(qū)域土壤環(huán)境背景值、風險評估本土化參數(shù)與土壤環(huán)境安全利用指標;基于土壤類型及利用方式下農(nóng)用地土壤-作物系統(tǒng)污染過程-效應-風險-安全評估方法;區(qū)域土壤污染物生物有效性與環(huán)境基準/標準制定等科學問題。

(3)土壤污染修復功能材料、綠色技術和智能裝備。包括土壤污染的長效穩(wěn)定/轉化/去除和生物降解功能材料;土壤復合污染阻控和修復靶向技術;土壤污染植物、微生物組[26]及其原位協(xié)同自凈修復技術;土壤和地下水污染現(xiàn)場原位修復的規(guī)?；悄苎b備;修復后土壤安全利用、評估與空間生態(tài)開發(fā)技術;農(nóng)用地、建設用地、礦區(qū)油田和軍事場地等污染土壤的靶向仿生、協(xié)同精準和智慧修復等綠色可持續(xù)凈土科技問題。

(4)土壤環(huán)境信息管理系統(tǒng)與智能服務平臺。在長江經(jīng)濟帶、黃河流域、京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)等重點區(qū)域，建立區(qū)域土壤污染與環(huán)境質(zhì)量演變長期定位研究基地和多區(qū)域多要素觀測網(wǎng)絡系統(tǒng);建立基于多源數(shù)據(jù)融合的國家土壤環(huán)境信息管理系統(tǒng)與智能服務平臺等區(qū)域土壤環(huán)境精準管理與安全保障等科技問題。