本研究提出了一個綜合污染農田修復三次環(huán)境影響的生命周期評價方法，對重金屬污染農田管理的四種情形：無干預、植物修復、化學穩(wěn)定化和替代種植開展分析。研究發(fā)現：1)植物修復和化學穩(wěn)定化能顯著降低無干預的總環(huán)境影響;2)植物修復的生物富集系數(BCF)和干物質運輸距離、穩(wěn)定化藥劑的上游生產及長效性是決定兩者比較優(yōu)勢的關鍵;3)如果將修復后土地使用的間接影響考慮在內，替代種植方式產生的總環(huán)境影響在某些情形下有可能遠高于前兩者。研究結果為相關技術研發(fā)和政策制定提供了依據。

健康的土壤是實現聯合國可持續(xù)發(fā)展目標(UNSDGs)的基礎。然而，全球范圍內的農藥、肥料、灌溉廢水、塑料和農村廢物的持續(xù)使用造成了嚴重的農業(yè)土壤污染。特別在亞太地區(qū)，快速經濟增長驅動的工業(yè)、采礦和能源生產與傳統(tǒng)農業(yè)實踐與消費行為產生劇烈沖突，引起的土壤污染直接導致人類健康的惡化。我國大量耕地土壤點位超標，其中鎘超標尤為嚴重，引發(fā)了農產品重金屬超標的“鎘大米”等事件。采取有效措施控制污染蔓延并實現退化土地的可持續(xù)利用，成為我國迫切面臨的重要議題。

對污染土壤采取修復或風險管控，是恢復土地功能、保證人體健康和農產品安全的主要手段。國外針對污染土壤的修復，分別經歷了早期的“一刀切”修復和之后基于風險的修復方法，進入21世紀以來，逐漸形成了綠色可持續(xù)修復的總體趨勢。而在我國，早期主要關注的是農田土壤肥力質量的提升，在中低產田、鹽堿地、以及荒漠化土地的綜合治理層面開展了大量工作。九十年代中期以來，隨著工業(yè)活動和礦山開采引發(fā)的農田重金屬污染逐步為公眾知曉，特別是一系列的農產品安全事件爆發(fā)，驅動了我國針對農田重金屬污染的綜合治理。2016年以來，在《土壤污染防治法》和“土壤污染防治行動計劃”的指導下，我國逐步構建起農用地污染風險管控分級分類的管理框架。同期，科技部和農業(yè)農村部分別啟動了“農業(yè)面源和重金屬污染農田綜合防治與修復技術研發(fā)”和“全國農產品產地土壤重金屬污染防治”等系列專項。相繼形成了工程措施、植物修復、化學穩(wěn)定化、農藝調控和替代種植等修復與安全利用技術。但面對我國龐大且多樣復雜的農田重金屬污染修復需求時，這些技術對于不同類型土壤污染時可能存在效果不穩(wěn)定、適用范圍窄、成本不可控等弊端。因此，建立適用于我國國情的農田土壤污染綠色可持續(xù)修復技術與方法體系，實現“因地制宜”地修復與風險管控顯得尤為重要。

農田污染土壤的修復與場地相比存在很大差異。首先，農田土壤污染物主要集中在表層0~30cm范圍，但分布面積廣，采用傳統(tǒng)的場地修復方法容易產生過高的經濟成本。例如日本采用客土法修復1公頃土地的費用大約需要2000萬-5000萬日元，折合人民幣幾百萬元;其次，污染農田修復的目標是要恢復土地正常的生產功能。目前來看，植物修復、化學穩(wěn)定化代表了我國污染農田治理的兩個重要的研究和應用方向。相對于場地污染修復，污染農田治理需要綜合更多因子，例如土壤條件、種植作物、社會偏好等。因此難以直觀判斷不同修復技術使用的優(yōu)劣;最后，污染農田治理后，土地的再利用會對更廣闊的范圍產生影響。比如替代種植措施，不僅影響到農戶的生計問題，在大規(guī)模推廣的情景下對當地糧食市場產生的沖擊，及其引發(fā)的后續(xù)影響也需要予以考慮。

生命周期評估(LCA)能夠量化各種環(huán)境影響，是評估修復可持續(xù)性的有效工具。以往研究在場地修復領域開展了大量工作，量化了不同修復技術和應用場景的二次影響。但就農田土壤污染修復而言，僅考慮修復過程的二次影響是遠遠不夠的。因為無論采用什么技術，污染物在農田土壤和農產品中都會有殘留，進而產生圍繞污染物本身的一次環(huán)境影響。尤為重要的是，上述提到的修復后土地使用產生的間接影響(三次影響)也會干預最終的修復決策。

基于以上問題，清華大學侯德義課題組開展了污染農田可持續(xù)修復的生命周期系統(tǒng)建模(圖1)。該模型提出了定量刻畫污染農田修復一次、二次和三次環(huán)境影響的科學方法，并在構建的污染農田概念模型基礎上對四種常用管理情景(無干預、植物修復、化學穩(wěn)定化、替代種植)進行生命周期分析。

圖150年來四種不同管理情景下農業(yè)系統(tǒng)中鎘(Cd)輸入和輸出的概念模型。

(NoA:無干預;Phyto:植物修復;Chem:化學穩(wěn)定化;Alter:替代種植)

研究結果顯示：植物修復和化學穩(wěn)定化具有最佳的生命周期環(huán)境可持續(xù)性。無干預情景(NoA)具有最大的一次環(huán)境影響，主要來源于鎘污染物通過食物鏈進入人體產生的毒性。實施植物修復和化學穩(wěn)定化后，研究案例中的總環(huán)境影響降低了約29%(圖2)。而針對替代種植，由于考慮時間與空間尺度的限制，其通過干擾糧食平衡而產生的間接環(huán)境影響有較大的不確定性。

圖2四種管理方式的三次生命周期環(huán)境影響

化學穩(wěn)定化(鈍化)通過施加藥劑來降低污染物的活性，從而阻止其向植物體內轉移，是國內主流的農田風險管控方式。目前，生石灰、黏土礦物、生物炭等材料均表現出較好的管控效果。我們的研究結果顯示，研究案例中穩(wěn)定化試劑生產的環(huán)境足跡占總二次影響的86%。研發(fā)更高性能和可持續(xù)的穩(wěn)定化材料，降低修復材料消耗和避免過度修復，成為實現大規(guī)模推廣的關鍵。此外，對穩(wěn)定化材料進入土壤后的長期環(huán)境行為還認識不足。藥劑進入土壤之后，其對污染物的固定作用可能受紫外線、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和微生物等土壤生態(tài)過程的干擾而呈現不同特征。我們的研究表明，材料的長效性不僅影響了穩(wěn)定化的總體效果，也是其二次環(huán)境影響大小的決定因子。比如本研究中如果藥劑使用壽命超過4年，化學穩(wěn)定化將優(yōu)于植物修復(圖3)。因此，需要進一步提高穩(wěn)定化材料的長期有效性預測水平，加強其老化機制方面的基礎研究以支撐相關政策法規(guī)的制定。

圖3影響植物提取生命周期影響的關鍵因素

植物修復，尤其是以超積累植物為主體的植物提取技術，能夠在不破壞土壤結構的基礎上將污染物從土壤中徹底移除，具有廣泛的應用潛力。例如本研究采用的鎘超富集植物伴礦景天，實施3-5年左右修復即可將輕中度鎘污染農田土壤達到國家風險管控標準。值得注意的是，修復植物的生物富集系數(BCF)影響著植物修復的周期，進而影響修復的總體環(huán)境影響(圖3)。提高修復植物的BCF是提升修復技術比較優(yōu)勢、減少二次影響的關鍵。另外，目前針對修復植物常用的焚燒和填埋處置方式引起廣泛關注，因為容易產生污染物的轉移而導致二次影響。我們的研究發(fā)現，研究案例中由運輸過程產生的影響高達32%，這是因為低生物量密度的干物質運輸造成了額外的交通消耗。因此，提高運輸效率和縮短修復植物后期處置的運輸距離同樣非常重要。

對于重金屬污染超標嚴重的耕地，可以將農作物替代為不可食用的經濟、能源作物實現其風險可控的安全利用。如果僅考慮一次和二次影響，替代種植無疑是最佳選擇。根據市場均衡理論，替代種植可能驅動更多的水田開墾來彌補糧食損失。如果這一彌補發(fā)生在國內，新開墾的水田可以假設發(fā)生在中國東北的旱地上。近年來(2009-2016)中國南方水稻田的減少總是通過東北水田墾造來平衡。這樣一來，將中國東北水田墾造的環(huán)境影響納入系統(tǒng)時，替代種植方式的總環(huán)境影響僅低于無干預情景，額外產生了71%的間接影響(圖4)。如果這一彌補發(fā)生在國外，比如在巴西亞馬遜地區(qū)砍伐熱帶雨林來進行水稻生產，替代種植的總環(huán)境影響將超過無干預情景。研究估算出這一情境下的總環(huán)境影響是中國東北替代種植的1.9倍，并產生687噸CO2當量的溫室氣體排放(圖4)。因此，在中國污染農田上大規(guī)模推廣替代種植方式，不僅需要協(xié)調個體農戶的社會和經濟訴求，同時也需要將替代種植發(fā)生后產生的更廣泛影響考慮在內。相關政策的制定與選擇需要慎重考慮。

圖4中國東北地區(qū)與巴西亞馬遜雨林的替代種植

總而言之，我們的研究結果表明針對受污染農田開展植物修復和化學穩(wěn)定化能夠顯著降低無干預措施的總環(huán)境影響，并反映出替代種植考慮土地使用后的間接環(huán)境影響而有較大不確定性。采用生命周期評價方法能夠對我國受污染農田的治理提供新思路，幫助決策者更好地指導新政策工具的設計和實施。

以上論文來自清華大學環(huán)境學院侯德義課題組，近期以“IntegratedLifeCycleAssessmentforSustainableRemediationofContaminatedAgriculturalSoilinChina”為題發(fā)表在環(huán)境領域權威期刊EnvironmentalScience&Technology(IF=9.028)(2021年8月)。清華大學環(huán)境學院博士生金遠亮為論文第一作者，侯德義副教授為論文通訊作者。中科院南京土壤所吳龍華研究員、胡鵬杰副研究員，廣東省科學院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所李芳柏研究員、方利平研究員，以及華中農業(yè)大學陳暢博士等為論文共同作者。