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农产品产地土壤重金属外源污染来源解析及防控策略研究

北极星环境修复网  来源:《环境监测管理与技术》  作者:师荣光 郑向群等  2018/6/4 7:20:05  我要投稿  

北极星环境修复网讯:导读:文章分析了工业生产排放、污水灌溉、矿产资源开发、农业投入品施用、大气颗粒物降尘及固体废弃物堆放等农产品产地土壤重金属主要外源污染来源,在此基础上构建了包括工业过程源、固定燃烧源、灌溉水源、废弃物堆放源、流动源和农业投入品源的来源清单,并从建立健全源头预防和强化过程控制2个方面,提出了加强农产品产地土壤重金属污染监管的相关建议。

前言

农产品产地是人类赖以生存和发展的物质基础,也是国家粮食安全和人民群众健康的根本保障。人类活动及高强度外源物质的输入扰乱了土壤系统原有的物质循环过程,致使土壤化学性质改变和污染物增加,特别是土壤中Cd、Pb、As等元素不同程度的积累,不仅破坏了土壤的正常功能,影响环境质量,还会通过食物链不断富集,导致农产品中重金属含量超标,危害人畜健康。我国农产品产地土壤重金属污染日益突出,已经成为全社会关注的焦点。据《全国土壤污染状况调查公报》显示,我国耕地土壤环境质量堪忧,点位超标率为19.4%,长江三角洲地区因工业污染造成万亩连片农田受Cd、Pb、As、Zn等多种元素污染。

污染物排放或来源清单是研究污染物在环境中物理化学过程和迁移转化规律的先决条件,也是模拟污染物分布和制定污染物减排的基础。目前,对土壤中重金属污染来源的研究多集中在解析方法方面,主要包括化学形态、剖面分布、同位素示踪及空间分析和多元统计等。而在土壤污染调查、监测和评价工作中,土壤重金属污染排放的基础数据不够全面,通过建立土壤污染来源清单开展土壤污染现状评价和污染来源解析的相关研究也极少。

因此,构建我国农产品产地土壤重金属污染来源清单,开展来源解析,提出污染防控策略,对于保障农产品产地环境安全具有重要意义。

1我国农产品产地土壤重金属污染来源

农产品产地土壤重金属污染来源极为复杂,主要受成土母质及人类活动的影响。成土母质是影响农产品产地土壤重金属含量的内在因素,而随着经济社会的发展,人类活动的贡献已超过自然来源。从国内外多年的研究成果来看,工业污染排放、污水灌溉、大气沉降,以及污泥、农药、肥料、农膜、地膜的农田施用等已成为我国农产品产地土壤重金属污染的主要来源。

1.1工业生产排放

工业生产排放的重金属随废水、雨水、大气沉降等途径进入农田是农产品产地土壤重金属的主要来源(见表1)。尤其是大量向城郊和农村转移的乡镇企业,往往存在着对环保不重视、排污设施老化、环保技术水平滞后等问题,导致重金属排放严重超标,进一步加重了农产品产地土壤重金属污染。据统计,1980年我国工业排污导致的污染耕地面积达266.7万hm2,1988年增至666.7万hm2,1992年增至1000万hm2。另据《全国环境统计公报》,2013年全国废水排放总量695.4亿t,工业烟(粉)尘排放量1094.6万t,工业固体废物产生量32.8亿t。工业“三废”大量排放的污染物导致农用水源、农田土壤和农区大气受到严重影响,从而直接导致农产品产地土壤重金属污染。

1.2污水灌溉

我国是一个水资源十分短缺的国家,仅农业每年缺水就达300亿m3,为弥补水源的严重不足,利用污水灌溉的现象极为普遍。1976年—1980年的普查结果显示,全国污水灌溉面积为140万hm2,占全国耕地面积的1.4%。到20世纪80年代末,我国污水灌溉面积已超过133.3万hm2。1996年—1999年的第二次普查结果显示,全国污水灌溉面积达360万hm2,占全国总灌溉面积的7.3%,到1999年已经发展到440万hm2。污水灌溉引起的农产品产地土壤重金属污染已经成为我国污灌区的最严重问题,20世纪80年代初期由于污水灌溉不当造成约62.9万hm2农田受到不同程度的污染,而1990年前后全国因污水灌溉造成重金属污染农田的面积接近上亿亩。如天津污灌区以Cd、Hg、As污染为主;北京污灌区以Zn、Cd、Hg、Pb污染为主;辽宁张士灌区污水灌溉面积一度曾达2800hm2,Cd、Hg、Pb、Ni等积累处于极高水平;山西污灌区以Hg、Cd、As污染为主;广州市郊污灌区土壤中Cd、Pb、Hg等的浓度为清灌区的1.8~4.5倍,重金属积累已有明显异常;甘肃白银污灌区农田Cr、Pb、As、Cd等有害物质已严重超标,且有逐年加重的趋势。据统计,用于灌溉的污水每年向农田土壤贡献As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn的总量分别为219t、30t、51t、1486t、1.3t、237t、183t、4432t。

1.3矿产资源开发

数千年的采矿史给人类社会带来了巨大的财富,对于国民经济发展具有十分重要的意义。然而矿山开采同时也引起了诸多负面问题,随着矿山开采、冶炼、尾矿、冶炼废渣和矿渣堆放等带入的重金属已造成矿区及其周边农产品产地土壤重金属的污染。我国矿产资源丰富,共有大中型矿山9000多座,小型矿山26万座,采矿活动及其废弃物排放不仅破坏和占用了大量的土地资源,也带来一系列影响深远的环境问题。我国农产品产地土壤重金属重度污染区基本都集中在矿区周边,如广东大宝山矿区、广西刁江和环江流域、湖南湘江流域、湖北大冶、江西德兴、云南个旧、甘肃白银、浙江富阳、四川攀枝花等。对矿区周边土壤和农田的调查监测结果显示,广东大宝山矿区大部分区域土壤中Cu、Zn、Pb、Cr等含量高于国家三级标准;广西刁江沿岸农田受到严重的As、Pb、Cd、Zn复合污染,已不适合农田利用;湖南湘西花垣矿区土壤中Pb、Zn、Cd含量均超过污染警戒值。

1.4农业投入品施用

近年来,我国化肥、有机肥、农药、农膜及污泥等农业投入品的滥用和不正当使用也加重了农产品产地土壤重金属污染。农用化肥中磷酸盐一般含有较多的Hg、Cd、As、Zn和Pb,磷肥中Cd含量往往较高,而氮肥中Pb含量较高,化肥施用已导致部分地区土壤重金属含量不同程度的升高。畜禽养殖业使用的配方饲料中往往添加了一定比例的能促进生长和提高饲料利用率的添加剂,除一部分被畜禽吸收外,往往以畜禽粪便的形式被排泄后直接施用于农田或被加工成有机肥,从而导致土壤中重金属的积累,我国农产品产地土壤中55%的Cd、69%的Cu和51%的Zn由有机肥输入。农膜施用也是导致农产品产地土壤重金属污染的一个重要原因。我国农膜使用量从1991年的31.9万t增加到2004年的93.1万t,且仍以每年10%的速度递增。据统计,我国农膜年残留量高达35万t,残膜率达42%,大量残膜遗留在农田0cm~30cm的耕作层。由于农用塑料薄膜生产应用的热稳定剂中含Cd、Pb等,在大量使用塑料大棚和地膜的过程中可能造成土壤污染。此外,污泥农用、过量农药施用等也给农产品产地带来不同程度的重金属污染。

1.5大气颗粒物降尘

大气颗粒物降尘可载带多种污染物,如Hg、As、Cd、Pb、Cr、Ni等,这些污染物的长期尘降累积效应必然导致土壤重金属含量增加。相关研究表明,大气降尘对耕地积累总As、Cr、Hg、Ni和Pb的贡献达43%~85%。就广大农区而言,随着我国工业的转移、农村交通事业的发展及农村能源结构的变化,农区面上的污染有不断加重的趋势。有研究表明,中国的大气沉降1a对农田土壤Zn、Pb、Cu、Cr、Ni、As、Cd、Hg的贡献可达78973t、24658t、13145t、7392t、7092t、3451t、493t、174t,应引起足够重视。

1.6固体废弃物堆放

固体废弃物堆放也是直接影响我国农产品产地环境的重要因素。据统计,因固体废弃物堆存而被占用和毁损的农田面积已达40万hm2,造成周边地区的污染农田面积超过333.3万hm2。广西南丹矿区每年向刁江排放含As尾矿1770t,直接导致流域范围内耕地土壤中As严重超标。在浙江、广东等电子垃圾处置的主要区域,局部区域农田严重污染,主要污染物包括Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等。对武汉市垃圾堆放场和杭州铬渣堆放区附近土壤的研究发现,这些区域土壤中的Cd、Hg、Cr等均高于当地土壤背景值,且其含量随距离增加而降低。

2我国农产品产地土壤重金属污染来源清单构建

根据国内外对农产品产地土壤重金属污染来源的调查和研究,结合我国实情,初步构建了我国农产品产地土壤重金属污染来源清单。该清单包括工业过程源、固定燃烧源、灌溉水源、废弃物堆放源、流动源和农业投入品源等6大类,每一类来源又根据各自的具体情况和重金属的产生特征分成2~3级。

2.1工业过程源

工业过程源指工业生产和加工过程,即对工业原料进行物理和化学转化过程中以污水、废气等形式排放的重金属污染物。其一级分类包括钢铁、有色冶炼、建材、化工、采矿等5个行业;二级分类包括上述行业的各种产品生产和加工(见表2);三级分类包括每种产品的主要工艺技术和设备。

2.2固定燃烧源

固定燃烧源指利用燃料燃烧时产生的热量,为发电、工业生产和生活提供热能和动力的燃烧设备。其一级分类包括电力、供热、工业和民用等4个部门;二级分类包括煤炭、生物质及各种气体和液体燃料;三级分类涵盖了各种具体的燃烧设备。

2.3灌溉水源

灌溉水源指农田灌溉的用水来源。其一级分类包括地表水、地下水、污水和再生水等4类;二级分类包括上述4类的子类,其中地表水包括河川径流、湖泊、水库等,地下水包括浅层地下水和深层地下水,污水包括城市生活污水、工业污水、城市生活和工业污水的混合污水、畜禽粪便污水等,再生水包括城市污水处理厂出水,以及其他经过污水处理设施处理后达到再生水农田回灌标准的出水。

2.4废弃物堆放源

废弃物堆放源指在生产建设、日常生活和其他社会活动中,因人类对物品物质的变化规律及其功能演变的认知有限,或是因当前技术水平限制等因素产生的暂时不能被人类使用,导致被丢弃、废弃的物品资源。其一级分类包括工业废物、生活垃圾、农业废弃物等3个来源;二级分类包括上述3个来源的各种废弃材料,其中工业废物主要指矿场、金属冶炼厂等产生的废液、废渣等,生活垃圾主要包括人类生活产生的厨余垃圾、包装废物、建筑废弃物、电子垃圾、废弃的生活用品等,农业废弃物指在农业生产过程中产生的秸秆、粪便、农膜等农资废弃物。

2.5流动源

流动源指由发动机牵引、能够移动的各种客运、货运交通设施和机械设备。其一级分类包括道路流动源和非道路流动源2类;二级分类包括汽油、柴油、燃料油、天然气、液化石油气等主要燃料类型;三级分类包括各种类型的机动车、非道路交通工具和机械等。

2.6农业投入品源

农业投入品源指在农产品生产过程中使用或添加的物质,包括化肥、农药、各种有机肥、农膜、污泥等。其一级分类包括农药、肥料、农膜等3类;二级分类包括上述3类的各种产品来源,如肥料可分为有机肥与化肥,有机肥中的重金属主要来源于畜禽粪便、秸秆、尾菜,化肥中则来源于矿物原料和化工原料,而在生产过程中使用的热稳定剂所含的Cd和Pb会混入农膜。

3防控策略

3.1加强农产品产地土壤重金属污染源头的管控

根据上述我国农产品产地土壤重金属污染的6个主要来源,其防控宜遵循“防重于治”的原则。依托现有监测体系,进一步完善监测技术和方法,以清洁生产为目标,对农产品产地土壤重金属污染来源全程监控,主要包括生产原材料的选择、生产工艺的改进及进入农产品产地前的消减等3个方面。

3.2加强农产品产地安全管理

开展农产品产地环境质量普查,通过调查和监测,摸清底数,为管理决策提供依据。同时,做好农产品产地土壤重金属污染监测预警,开展监控点布设,及时掌握其污染变化动态和趋势。针对中、低度重金属污染农产品产地,开展土壤污染修复治理,逐步改善农产品质量安全状况;针对重度重金属污染农产品产地,开展禁止生产区划分和种植品种调整,避免产出被重金属污染的农产品。

3.3完善农产品产地土壤重金属污染防治的法律法规及标准体系

进一步完善农产品产地土壤重金属污染监督管理制度、应急监测和控制制度,以及耕地投入品、农区灌溉用水安全准入制度,制定农药、化肥的合理使用制度,建立并完善耕地环境分区分类管理制度。此外,还应尽快制定化肥、农药、地膜、农膜等农业投入品中污染物的限量标准,以及农业投入品清洁生产的使用技术规范等相关技术标准,指导农民规范、合理地使用农业投入品。

3.4构建农产品产地土壤重金属污染预警信息平台

构建我国农产品产地土壤重金属污染预警信息平台,实现监测信息、污染源信息、农业投入品信息、污染治理与修复技术等农产品产地污染及治理相关信息的共享。建立国家级农产品产地污染信息数据库,成立预警信息数据加工国家队,加强污染预测和预警,逐步建立“政府主导、专家撑腰、厂群共谋、社会参与”的农产品产地土壤重金属污染监控机制。

3.5加强耕地环境保护技术研发和宣传教育体系

重点加强农产品产地土壤重金属对人体健康危害的风险评估及污染物溯源和污染预警研究,研发高精度、高效率的检测技术和设备,以及重金属污染农田联合修复技术,建立修复推广示范基地,研究开发低污染、有机污染农田快速修复技术和设备。同时,各级政府应加大农产品产地土壤污染防治宣传、教育与培训力度,发挥舆论导向作用,逐步建立农产品产地土壤环境保护宣传教育体系,引导广大群众积极参与和支持农产品产地土壤污染防治工作。

原标题:农产品产地土壤重金属外源污染来源解析及防控策略研究

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