作者：徐建明，何麗芝，唐先進，劉杏梅

單位：浙江大學環(huán)境與資源學院;浙江農(nóng)林大學環(huán)境與資源學院，碳中和學院

卷期：《土壤學報》2023年第60卷第5期

重金屬污染影響土壤的正常功能，并通過食物鏈富集對生態(tài)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生威脅。因此，重金屬污染耕地土壤的安全利用是保證糧食安全生產(chǎn)和人類健康膳食的重要基礎(chǔ)。曾希柏、徐建明等在2013年首次提出耕地土壤安全利用的概念，指出可利用一些物理化學技術(shù)或生物手段使土壤中重金屬含量或有效性大幅度降低，阻止土壤重金屬進入植物體內(nèi)，切斷重金屬向農(nóng)產(chǎn)品及人體轉(zhuǎn)移的主要途徑。

本文重點分析了重金屬低積累農(nóng)作物品種篩選、重金屬原位鈍化和農(nóng)藝調(diào)控等當前我國重金屬污染耕地土壤安全利用中最為常見的幾類技術(shù)及其在應(yīng)用過程中暴露的問題，并針對性地提出了改進建議，以期為污染耕地土壤的安全利用提供有益參考。

01

污染耕地土壤的

安全利用手段

基礎(chǔ)環(huán)節(jié)種植重金屬低積累作物

重金屬低積累作物站在超積累植物的對立面，通常將重金屬攔阻在體外或積累在非可食部分，從而降低可食部分的重金屬含量。種植重金屬低積累作物是抑制重金屬在食物鏈中流通和保障人體健康的一種有效措施，具有成本低、易推廣的優(yōu)勢。

目前作物對重金屬積累的種間差異已有較多研究，并得出了影響作物種內(nèi)差異的因素為重金屬積累基因，如水稻的OsHMA2基因、小麥的TaHMA2和TaLCT1基因、白菜的重金屬ATP酶、馬鈴薯的StABC4和StWRKY29基因等。因此，針對性地選擇重金屬低積累作物，是重金屬污染耕地安全利用的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵環(huán)節(jié)重金屬原位鈍化技術(shù)

在重金屬污染土壤中施加一些鈍化材料，如沸石、赤泥、海泡石、石灰、含磷材料等無機鈍化劑，或畜禽糞便、堆肥、污泥、農(nóng)業(yè)廢棄物等有機鈍化劑，可通過吸附、沉淀、絡(luò)合和氧化還原等機理，促使可交換態(tài)重金屬轉(zhuǎn)化為有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)，從而降低其在土壤中的有效濃度、遷移性和生物有效性。

由于鈍化過程并未降低土壤中重金屬總量，僅是通過各種作用暫時性地降低了重金屬的有效態(tài)濃度。因此，應(yīng)關(guān)注鈍化劑對土壤重金屬鈍化作用的長期效果以及可能造成的環(huán)境風險，易降解有機鈍化劑的環(huán)境風險、可行性、穩(wěn)定性等更需進行長期的監(jiān)測和評估。

配套環(huán)節(jié)農(nóng)藝調(diào)控措施

施肥和水分管理是農(nóng)藝調(diào)控中影響土壤重金屬生物有效性的最常用措施，可通過改變土壤理化性質(zhì)(pH、氧化還原電位Eh、陽離子交換量CEC、有機質(zhì)含量等)直接與重金屬發(fā)生沉淀、絡(luò)合或氧化還原作用，調(diào)節(jié)植物根際微生物群落結(jié)構(gòu)等方面，降低土壤中重金屬的生物有效性及重金屬的轉(zhuǎn)運效率，有效減少農(nóng)作物對重金屬的積累

適當?shù)妮喿骱烷g作是提高土壤肥力和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量并增加植物對重金屬耐受性的有效措施。此外，超積累植物與低積累作物間作，可通過降低農(nóng)作物重金屬的轉(zhuǎn)運能力、提高光能利用效率、緩解重金屬脅迫及改善土壤養(yǎng)分和微生物群落等方面調(diào)控兩者的生長發(fā)育，增強超積累植物對重金屬的吸收和富集，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，獲得較高的經(jīng)濟效益。

重度污染耕地的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整

開展重度污染耕地土壤治理是促進耕地質(zhì)量提升、守牢耕地質(zhì)量紅線、落實“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略和保障國家糧食安全的重要舉措。種植非食用農(nóng)作物(如能源植物)是重度污染耕地土壤安全經(jīng)濟利用的途徑之一。在種植非食用農(nóng)作物的同時，輔以適宜的耕地安全利用手段(如間作、輪作、施加調(diào)理劑等)，對促進非食用農(nóng)作物移除重金屬可起到協(xié)同作用。此外，通過化學淋洗與非食用農(nóng)作物聯(lián)合的手段也可達到重度污染耕地的修復?？傊?，從時間和空間上對耕地進行有效配置，可使污染耕地得到安全、有效、完整的修復利用并產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。

02中國重金屬污染耕地土壤

安全利用過程存在的問題

2.1

耕地污染源的防控力度不足

目前我國對重金屬污染防控高度重視，防控重點主要集中于行業(yè)防治(如采礦、冶金、電鍍等行業(yè))中廢水、廢渣和廢氣的排放，但對于農(nóng)業(yè)源頭的防治尚未引起足夠重視。秸稈還田是提升地力的有效措施，但當秸稈來自于重金屬污染區(qū)時，在還田過程中，秸稈含有的重金屬又返回土壤，造成污染。此外，當污染秸稈用于畜牧飼料時，秸稈中的重金屬會進入動物體內(nèi)并富集，最終進入食物鏈危害人體健康。同時，動物排泄物中的重金屬又會被作為有機肥施入耕地土壤，造成新一輪的重金屬循環(huán)。而無機肥和農(nóng)藥作為提高作物產(chǎn)量的有效手段，其含有的重金屬也不可忽視。

因此，控制污染耕地的秸稈還田或還田時期，集中處理污染秸稈，減少肥料和農(nóng)藥施用量等，亦是減少重金屬積累的有效途徑。此外，一些地區(qū)的大氣污染造成的干濕沉降對土壤重金屬含量的影響也不容忽視。

2.2

土壤污染與作物安全性關(guān)系不明

作物安全性主要受土壤中重金屬的總量及賦存形態(tài)、土壤理化性質(zhì)及作物類型影響。由于自然成土過程中的重金屬在土壤中多以相對穩(wěn)定的形態(tài)存在，導致有些土壤中的重金屬總量超標，但生物有效性總體上較弱，穩(wěn)定性較強，其生物富集因子明顯低于人類活動帶來的重金屬，不易被植物吸收利用。此外，作物對污染物的吸收具有差異性，如葉類菜、莖類菜、茄果類和鮮豆類對重金屬As的富集能力依次降低。對于重金屬污染土壤的劃定與管理，也需要辯證看待。不能“一刀切”，要根據(jù)實際情況適當調(diào)整污染土壤的管理手段，這對保障我國糧食安全生產(chǎn)有著重要的指導意義。

2.3

多目標元素下

作物的低積累特性及其穩(wěn)定性較差

由于當前土壤的重金屬污染具有復雜多樣性，僅針對特定目標元素篩選出的低積累品種難以保證對其他重金屬元素的低積累性，篩選可滿足多目標元素的低積累品種更具實用意義。

目前低積累作物的研究主要集中在重金屬低積累農(nóng)作物品種的篩選和培育，而作物對重金屬的積累除作物類型及品種基因差異外，還受區(qū)域氣候、土壤類型、土壤重金屬污染特征、灌排水等地域環(huán)境因素及農(nóng)藝管理措施的制約，這可能會導致作物的重金屬低積累特性不可重復，出現(xiàn)甚至矛盾，遺傳穩(wěn)定性差，難以大面積推廣。如“秀水63”的粳稻籽粒中Cd含量在浙江不同地區(qū)存在顯著性差異。

2.4

原位鈍化劑具有一定的施用風險

原位鈍化過程并未改變污染土壤中重金屬的總量，僅是改變了其在土壤中的賦存形態(tài)，當土壤環(huán)境條件如pH、Eh、可溶性有機質(zhì)含量等變化時，或者發(fā)生凍融、干濕交替等環(huán)境脅迫，以及微生物對鈍化劑的降解等均可能會導致重金屬從土壤中緩慢釋放并重新分配，再次導致土壤重金屬污染。此外，某些鈍化劑僅可降低特定重金屬的生物有效性，當被施入復合污染土壤時，可能會造成其他重金屬元素的活化。

而某些無機鈍化劑如石灰、磷礦石、粉煤灰、沸石等，可能會降低作物對養(yǎng)分的吸收，抑制作物生長，還可能會造成地表水的富營養(yǎng)化。因此，對進入市場的鈍化劑進行監(jiān)管，建立完善及科學的鈍化劑施用方法，并對其安全性和安全利用效果進行長效性評估，有利于保證糧食安全生產(chǎn)和人體健康。

2.5

其他問題

我國幅員遼闊，不同地區(qū)污染狀況及土壤性質(zhì)的差異，導致污染情況復雜多變，現(xiàn)有的土壤治理措施無法滿足所有地區(qū)的治理需求，缺乏可直接套用的專業(yè)指導體系。此外，我國現(xiàn)有的土壤重金屬污染治理技術(shù)多為單項技術(shù)，跨部門、行業(yè)(包括企業(yè))的聯(lián)動差，技術(shù)推廣被局限在小范圍內(nèi)，難以大規(guī)模推廣。此外，耕地污染通常面臨著責任主體不清，農(nóng)戶配合積極性差的窘境，這與當前的治理過程中經(jīng)費補貼標準過低、項目單一有關(guān)。重度污染耕地的調(diào)查也依舊存在采樣點位不足、區(qū)域劃分邊界有待厘清、類別劃分及動態(tài)調(diào)整不健全等問題。

03

中國重金屬污染耕地土壤

安全利用過程中的改進建議

完善污染土壤劃定標準與管理手段

健全污染土壤防控體系

優(yōu)化污染土壤安全利用技術(shù)

04

結(jié)論

本文介紹了重金屬污染耕地安全利用的常見手段，并對安全利用過程中存在的問題及建議進行了梳理，其中秸稈還田作為土壤中重金屬農(nóng)業(yè)源輸入的影響不容忽視，在評估和界定土壤的污染程度時需結(jié)合作物和土壤中的重金屬濃度綜合評價，大力發(fā)展重金屬復合污染土壤的安全利用手段，篩選低施用風險的鈍化劑。最后需在政策及資金支持的前提下，結(jié)合農(nóng)戶意愿，對污染土壤進行全鏈條式設(shè)計，如考慮鈍化劑施用量與施用頻率、效果穩(wěn)定性、成本、生態(tài)風險、對土壤肥力的影響等，研發(fā)形成較低廉、高效率、強穩(wěn)定、全適應(yīng)、易操作、可持續(xù)的污染耕地土壤安全利用技術(shù)體系及模式，確保重金屬污染耕地土壤的安全利用。

作者簡介

徐建明

博士，教授，博士生導師。

浙江大學求是特聘教授、博士生導師。1990年畢業(yè)于原浙江農(nóng)業(yè)大學土壤農(nóng)化系，獲土壤學博士學位。現(xiàn)任農(nóng)田土壤污染防控與修復技術(shù)國家工程實驗室副主任，國務(wù)院學位委員會第八屆學科評議組成員，全國農(nóng)業(yè)專業(yè)學位研究生教育指導委員會資源利用與植物保護領(lǐng)域分委員會委員，2018-2022年教育部自然保護與環(huán)境生態(tài)類專業(yè)教學指導委員會委員，浙江大學農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家一級重點學科負責人，Research、Biogeosciences、Pedosphere副主編，CriticalReviewsinEnvironmentalScienceandTechnology、JournalofSoilsandSediments、Biochar、《土壤學報》、《植物營養(yǎng)與肥料學報》、《生態(tài)環(huán)境學報》、《土壤通報》、《土壤》、《環(huán)境污染與防治》等刊物編委。曾任原浙江農(nóng)業(yè)大學土壤農(nóng)化系系副主任、系主任，浙江大學環(huán)境與資源學院副院長、土水資源與環(huán)境研究所所長、浙江省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點實驗室主任，中國土壤學會副理事長等職。曾出訪美國、澳大利亞、英國、加拿大、日本、德國、法國、愛爾蘭、菲律賓、埃及等國進行合作研究或講學。

長期從事土壤化學與生物化學、土壤污染控制與修復、環(huán)境質(zhì)量與食物安全、生物地球化學過程與生態(tài)效應(yīng)等領(lǐng)域的教學和研究工作，主持國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體以及重點和國際合作重點項目、國家973項目課題、科技部國際合作重點項目、國家重大科技專項等各類縱向科研項目40余項，在PNAS、TheISMEJournal、Microbiome、GlobalChangeBiology、SoilBiology&Biochemistry、EnvironmentalMicrobiology、EnvironmentalScience&Technology等國際學術(shù)刊物發(fā)表論文370余篇，主編中、英文著作8部，獲省部級科學技術(shù)獎7項，獲授權(quán)國家發(fā)明專利20件，獲國家計算機軟件著作權(quán)登記10個。主編出版的《土壤學》(第三版)教材是“十一五”、“十二五”國家級規(guī)劃教材，2011年獲中華農(nóng)業(yè)科教基金會全國高等農(nóng)業(yè)院校優(yōu)秀教材獎，2019年12月主編出版的《土壤學》(第四版)于2021年獲首屆全國優(yōu)秀教材二等獎。

1998年享受國務(wù)院政府特殊津貼;2000年獲全國高校首屆青年教師獎;2004年獲國家杰出青年科學基金，入選國家級首批“新世紀百千萬人才工程”;2007年被聘為教育部長江學者特聘教授;2008年獲“中國土壤學會獎”，指導的1名博士獲全國百篇優(yōu)秀博士學位論文;2012年入選全國農(nóng)業(yè)科研杰出人才及“產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量與農(nóng)產(chǎn)品安全”創(chuàng)新團隊;2016年被授予國家環(huán)境保護專業(yè)技術(shù)領(lǐng)軍人才;2017年負責的“土壤污染過程與修復原理”入選國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體，被聘為國家水稻產(chǎn)業(yè)體系東南區(qū)土壤重金屬污染防治崗位科學家;2018年當選美國農(nóng)學會Fellow;2020年當選美國土壤學會Fellow，獲浙江大學五好導學團隊(主導師)。