土壤污染通常認(rèn)為是土壤中的污染物濃度增多所造成的。在我的理解來(lái)講是，當(dāng)土壤中因?yàn)槿鄙倌骋环N物質(zhì)而使污染物釋放出來(lái)，成為污染源。”——陳寶梁

陳寶梁，浙江大學(xué)教授、博導(dǎo)

土壤等于什么?

首先提出第一個(gè)問(wèn)題，土壤應(yīng)該等于什么?我想大家有各種各樣的答案。我們來(lái)看看習(xí)總書(shū)記對(duì)土壤是怎么定義的，他說(shuō)我們對(duì)待耕地要像對(duì)待大熊貓一樣進(jìn)行保護(hù)，可見(jiàn)土壤的寶貴程度可以等同于大熊貓。我們國(guó)家提出對(duì)環(huán)境污染進(jìn)行宣戰(zhàn)，包括水、大氣、土壤，但我認(rèn)為土壤不僅僅等同于大熊貓，土壤有很多更神奇的過(guò)程。

第一，眾所周知土壤可以給我們生產(chǎn)很多東西，我們的衣食住行都來(lái)自土壤。我們經(jīng)常說(shuō)土壤給我們生成三個(gè)F，即食品(Food)、纖維素(Fiber)以及我們的燃料(Fuel);同時(shí)土壤還有自凈功能，保證生產(chǎn)產(chǎn)品的安全健康，沒(méi)有大地我們將無(wú)法生存。但與此同時(shí)，土壤又受到大量的污染，工農(nóng)業(yè)廢棄物大量進(jìn)入土壤中。

目前，我國(guó)耕地土壤受污染面積達(dá)3.5億畝，污染修復(fù)難度非常大，土壤污染防治是國(guó)際重大環(huán)境問(wèn)題。因此，如何保護(hù)我們的土壤，成為決定我們生存品質(zhì)及下一代人健康的問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)我國(guó)土壤污染問(wèn)題，我們國(guó)家在2016年全面啟動(dòng)了土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃，簡(jiǎn)稱“土十條”，提出在未來(lái)的五年，投資兩萬(wàn)億用于土壤污染治理。在此過(guò)程中，如何進(jìn)行科學(xué)治理則是擺在我們面前重要課題。

土壤污染防控包括污染來(lái)源控制、污染土壤修復(fù)以及土壤界面調(diào)控，其關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題涉及污染特征、界面行為、生物有效性、毒理效應(yīng)。首先，我們要知道污染物在土壤中的整個(gè)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，以及在土壤中如何實(shí)現(xiàn)界面和生物有效性調(diào)控。土壤是一個(gè)復(fù)雜的體系，土壤污染防治涉及面非常廣，特別需要多學(xué)科交叉進(jìn)行研究。

我們研究團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)土壤污染防治的國(guó)家需求和學(xué)科前沿，通過(guò)將近30年努力，逐步發(fā)展成為“環(huán)境界面行為與調(diào)控技術(shù)原理”國(guó)家自然基金委創(chuàng)新研究群體，并在去年有幸獲得了資助。在這個(gè)過(guò)程中，我們的核心成員中有6位獲得國(guó)家杰青基金資助，并且都是研究環(huán)境化學(xué)方向。我們共同承擔(dān)項(xiàng)目、聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)生、合作發(fā)表論著，合作開(kāi)展一系列的研究工作，許多工作都是與研究生一起共同完成的。有機(jī)會(huì)與全校不同專業(yè)背景的研究生一起交流，非常高興;因?yàn)槲矣挚吹轿覀兾磥?lái)的同行，我們能培養(yǎng)我們的同行是非常喜樂(lè)的一件事情。

根據(jù)我們初步調(diào)研，全國(guó)環(huán)保類的國(guó)家自然基金委創(chuàng)新研究群體共有12個(gè)，其中化學(xué)部有4個(gè)創(chuàng)新研究群體、工材學(xué)部也有4個(gè)、地學(xué)部也有4個(gè)。按研究領(lǐng)域份：大氣2項(xiàng)、水質(zhì)4項(xiàng)、土壤1項(xiàng)、區(qū)域2項(xiàng)、毒理2項(xiàng)、生態(tài)1項(xiàng)，我們是全國(guó)唯一一家以土壤污染防治為主要攻克對(duì)象的創(chuàng)新研究群體。

接下來(lái)重點(diǎn)介紹我的研究工作。土壤一旦被污染，就可通過(guò)系列界面源源不斷地威脅農(nóng)作物安全。如何阻控土壤污染過(guò)程，我提出的思路：在污染土壤中添加一個(gè)超強(qiáng)吸附材料，形成優(yōu)先的吸附位點(diǎn)，打破原有的土壤/水的固液平衡，使污染物得以轉(zhuǎn)移。調(diào)控材料本省的低廉/安全/簡(jiǎn)單尤為重要。界面調(diào)控過(guò)程可以從宏觀層面上進(jìn)行描述、也可以微觀地、納米尺度上理解。其關(guān)鍵的是我們能否模擬土壤界面的有效的位點(diǎn)，來(lái)發(fā)展高效界面調(diào)控材料。

在這個(gè)過(guò)程中，我們應(yīng)當(dāng)把土壤當(dāng)成什么?土壤可當(dāng)成一個(gè)非常重要多功能材料，你看到是土，其實(shí)它是一個(gè)非常聰明的體系，智商超過(guò)人類，它能夠幫助我們改善前面我提到的過(guò)程。從組成來(lái)看，土壤里有微生物、天然有機(jī)質(zhì)、礦物生物炭，還有大量的分子，這些在30~40厘米厚度的耕作層中起著非凡作用。

土壤污染通常認(rèn)為是土壤中的污染物濃度增多所造成的。在我的理解來(lái)講是，當(dāng)土壤中因?yàn)槿鄙倌骋环N物質(zhì)而使污染物釋放出來(lái)，成為污染源。為此我們利用生物炭來(lái)調(diào)控土壤界面行為及作用機(jī)理。

“硅糖”緩解土壤鋁毒

生物炭(Biochar)是生物質(zhì)(秸稈、畜禽糞質(zhì))在缺氧或無(wú)氧條件下低溫裂解制備的富碳固體，是一種多功能的環(huán)境友好材料，在退化土壤改良、土壤固碳增匯、污染土壤修復(fù)具有廣闊的應(yīng)用前景。生物炭在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用已有兩、三千年的歷史，但其相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究則剛剛開(kāi)始，從這個(gè)意義上講農(nóng)民比我們聰明得多;生物炭的作用機(jī)理一直沒(méi)有突破，存在許多值得我們深入研究的課題。

下面，我講三個(gè)具體例子。第一個(gè)是關(guān)于生物炭中碳與硅結(jié)構(gòu)關(guān)系及環(huán)境意義。我們將水稻秸稈轉(zhuǎn)化成我們所需要的生物炭，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)的表征發(fā)現(xiàn)，在升高炭化溫度的過(guò)程中生物炭的結(jié)構(gòu)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，從富硅結(jié)構(gòu)逐漸演變?yōu)楦惶冀Y(jié)構(gòu)。我的一個(gè)博士生幫我畫(huà)了一個(gè)動(dòng)畫(huà)，我們可以追蹤到整個(gè)溫度升高的演變過(guò)程，生物炭中C-Si組分相互保護(hù)的演變規(guī)律。從宏觀上看，植物從土壤攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)炭化形成生物炭，施加生物炭最終又回到土壤的循環(huán)過(guò)程。我們研究發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)過(guò)程中，生物炭的穩(wěn)定性至關(guān)重要。通常認(rèn)為炭化溫度越高、生物炭的芳構(gòu)化越強(qiáng)、穩(wěn)定性越強(qiáng)，但是我們的研究結(jié)果不一致，水稻秸稈生物炭最為穩(wěn)定的碳質(zhì)為500攝氏度制得的生物炭而不是700攝氏度制得的生物炭。其中碳與硅耦合的過(guò)程非常重要，會(huì)使其從量變引起質(zhì)變，這是由很多微觀的機(jī)理控制的。

第二個(gè)例子，土壤會(huì)酸化產(chǎn)生鋁毒，在全世界關(guān)于鋁毒的研究中引起了很大關(guān)注。早期的石灰造成非常嚴(yán)重的土壤退化問(wèn)題，我們利用生物炭可以使小麥的根生長(zhǎng)中毒性完全被抑制，較少的生物炭即可緩解鋁毒，使小麥長(zhǎng)勢(shì)良好。另外，我們看看它的長(zhǎng)期過(guò)程如何。我們要先研究除了碳質(zhì)表面結(jié)構(gòu)和二氧化硅顆粒之外;溶解態(tài)的硅參與緩解植物鋁毒的整個(gè)環(huán)節(jié)。

這張圖我們花了很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)畫(huà)，告訴大家的是土壤產(chǎn)生鋁毒的過(guò)程，大家可以看到產(chǎn)生鋁毒的原因是土壤中缺少硅，那我們可以加入碳硅耦合，重新幫助鋁和硅結(jié)合在一起。這個(gè)形態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程是由于添加了新材料得以實(shí)現(xiàn)。生物炭可看作“硅糖”，在緩解土壤鋁毒具有巨大的應(yīng)用潛力。

第三，我想提一個(gè)問(wèn)題，土壤中除了有機(jī)組分外，還有很多礦物質(zhì)和沙子。能否提高沙石吸附污染物的能力呢。我們想到的是現(xiàn)在非常熱的石墨烯納米片層，我們利用石墨烯與硅結(jié)合在一起，通過(guò)調(diào)控可以得到一個(gè)性能非常好的沙石。石墨烯在沙的表面形成單一片層負(fù)載，大大提高其吸附性能，提高污染物的吸附能力。可以看到附著一層石墨烯納米片層后，對(duì)污染物的吸附提高了6~7個(gè)數(shù)量級(jí)，這點(diǎn)告訴大家，我們可以僅僅用一個(gè)很少量的東西來(lái)取得非常大的變化，即從量變到質(zhì)變的過(guò)程。所以科學(xué)研究雖然是一項(xiàng)具體的工作，但也蘊(yùn)含了許多哲學(xué)問(wèn)題。包括世界觀、方法論，都是我們科學(xué)研究中非常重要的方法。所以科學(xué)研究可以改變我們的世界觀，通過(guò)研究你可以獲得很多樂(lè)趣，你可能也得到非常多的力量。

接下來(lái)一張圖我想告訴大家，這個(gè)過(guò)程中我們經(jīng)常忽略另一個(gè)物質(zhì)——水。水分子非常奇妙，有納米級(jí)的水，也有微米級(jí)的水，它們非常奇特。我們可以從環(huán)境過(guò)程或者水過(guò)程得到很多啟示。

土壤非常復(fù)雜，我們所做的工作僅是一個(gè)非常小的部分，我們沒(méi)有辦法完全解決土壤問(wèn)題。或許需要很長(zhǎng)的歷史，需要幾代人的努力，才可以幫助我們正確地認(rèn)識(shí)和對(duì)待土壤，對(duì)待我們居住的環(huán)境。這當(dāng)然需要多學(xué)科的交叉，需要文科也需要理科，需要有健康獨(dú)立的個(gè)人，也需要我們這個(gè)群體開(kāi)展工作。最后一張PPT留給大家，土壤等于什么，大家一起回去思考，從不同角度來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

謝謝大家。

“科學(xué)900秒”-互動(dòng)

提問(wèn)：您剛才說(shuō)土壤的污染，你的思路不是土壤里的東西多了，而是土壤中的物質(zhì)少了，你往里面加了生物炭，那我們加進(jìn)去的東西要回收嗎，或者我們?cè)趺刺幚砗罄m(xù)的問(wèn)題?

陳寶梁：添加物質(zhì)很重要的一方面是要保證這個(gè)物質(zhì)是安全可靠的，所以我們是采用模擬土壤的過(guò)程又回到土壤，而土壤當(dāng)中還有一個(gè)很重要的物質(zhì)，就是微生物。微生物可以將土壤中的生命和非生命的物質(zhì)很好地進(jìn)行傳遞。另外土壤中還有很多腐殖質(zhì)，很多物質(zhì)會(huì)結(jié)合在上面從而發(fā)生改變，腐殖質(zhì)可以提取很多的東西，這個(gè)過(guò)程中非常有意思。我們生物炭比較安全，改變了以前需要回收的過(guò)程。同時(shí)剛才講到超級(jí)沙的問(wèn)題，這個(gè)過(guò)程也是非常有意思，我們只加了單層石墨烯，卻完全改變了表面的過(guò)程，所以這也是一個(gè)非常有意思的思路，這里面99%沒(méi)有用，我們只要1%就夠了。

提問(wèn)：我們國(guó)家的土壤中南北有沒(méi)有什么差異?是不是土壤當(dāng)中水分比例的高低也會(huì)對(duì)這個(gè)土壤污染有很大的影響?

陳寶梁：第一個(gè)，關(guān)于我們國(guó)家土壤分布，剛才有一張圖沒(méi)有仔細(xì)講，我們國(guó)家在南方地區(qū)土壤是酸性，北方是堿性，在酸性的土壤當(dāng)中重金屬很快釋放出來(lái)，所以有些地方癌癥是呈區(qū)帶性的分布。第二個(gè)問(wèn)題你講到水分子，最近剛剛有一個(gè)在荷蘭拿了博士學(xué)位的學(xué)生來(lái)我這里做博后，她想做土壤里的水分子的問(wèn)題。我們認(rèn)為土壤里的水分子，從宏觀的水到納米級(jí)的水，是完全不一樣的，水分子會(huì)變化，會(huì)影響土壤當(dāng)中物質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化，這又是一個(gè)變化過(guò)程。在座很多博士生、研究生從不同角度來(lái)研究，你從醫(yī)學(xué)來(lái)研究也是非常有意思的。

提問(wèn)：我是物理系的，我想問(wèn)的問(wèn)題是關(guān)于向沙子中石墨烯類物質(zhì)，這些的東西都比較高科技，比較昂貴，有哪些適合老百姓來(lái)改善土壤的東西?

陳寶梁：生物炭是很滿意的材料，關(guān)于生物炭，我們生活在農(nóng)村的同學(xué)們肯定知道，早期的農(nóng)業(yè)耕作當(dāng)中要復(fù)土，得到草木灰，我對(duì)草木灰也做過(guò)很多的實(shí)驗(yàn)，我回老家看我爺爺?shù)臅r(shí)候在農(nóng)村也采集了一些草木灰回來(lái)。對(duì)草木灰的利用對(duì)我們國(guó)家來(lái)講這是一個(gè)非常好的機(jī)會(huì)，但是日本人做得比我們?cè)?，他們已?jīng)做了兩千多年了，現(xiàn)在土地整個(gè)改善過(guò)程比我們好得多。我十多年前去美國(guó)的時(shí)候，美國(guó)所有的都是木屑回土，十年之后改變了，采用炭化后回土。所以這當(dāng)中你剛才提的非常好，一定要很簡(jiǎn)單的一種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)自然凈化。

提問(wèn)：陳老師你好，我自己家里面有幾塊土地，每年秋收以后玉米就把秸稈燒掉，可以當(dāng)做你所說(shuō)的生物炭，我想問(wèn)的是每年都燒的話，會(huì)不會(huì)積累到一定量的時(shí)候會(huì)帶來(lái)什么影響、后果?或者您認(rèn)為往土壤當(dāng)中添加生物炭最佳的頻率是多少?

陳寶梁：這是我們所要研究的。我曾經(jīng)接待一個(gè)院士，他一下車就告訴我，他也對(duì)生物炭感興趣，他問(wèn)國(guó)際國(guó)內(nèi)生物炭總是看到好的一面，但生物炭一定有它的負(fù)效應(yīng)。是的，所有的技術(shù)都一樣，都有兩面性，當(dāng)我們用一種技術(shù)來(lái)治理污染的時(shí)候，一定會(huì)產(chǎn)生新的效應(yīng)，這是邏輯的一分為二的觀點(diǎn)。你剛才講的是重要的問(wèn)題，我們要加多少量不會(huì)引起新的問(wèn)題，加了多少量不會(huì)引起二次污染的問(wèn)題是需要探索的。二次污染很復(fù)雜，來(lái)源于生物炭本身自由基的問(wèn)題，污染物的持久性問(wèn)題。而且在整個(gè)土壤中另一個(gè)組分改變的問(wèn)題是復(fù)雜的，意味著調(diào)節(jié)一定要在平衡的范圍內(nèi)。自然界是一個(gè)平衡的過(guò)程。你家里的秸稈，因?yàn)槲覀儑?guó)家秸稈的回收中變成生物炭，這是一個(gè)非常重要的產(chǎn)業(yè)，但是沒(méi)有解決秸稈回收的問(wèn)題，當(dāng)中的成本較高。成本很高需要通過(guò)生命周期來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，我們都要核算碳的平衡，這是非常重要的過(guò)程。實(shí)際上CAD固碳交易減排也是聯(lián)合國(guó)減排一個(gè)非常重要的機(jī)制。