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图1 50年来四种不同管理情景下农业系统中镉(Cd)输入和输出的概念模型。
(NoA: 无干预; Phyto: 植物修复; Chem: 化学稳定化; Alter: 替代种植)
研究结果显示:植物修复和化学稳定化具有最佳的生命周期环境可持续性。无干预情景(NoA)具有最大的一次环境影响,主要来源于镉污染物通过食物链进入人体产生的毒性。实施植物修复和化学稳定化后,研究案例中的总环境影响降低了约29%(图2)。而针对替代种植,由于考虑时间与空间尺度的限制,其通过干扰粮食平衡而产生的间接环境影响有较大的不确定性。
图2 四种管理方式的三次生命周期环境影响
化学稳定化(钝化)通过施加药剂来降低污染物的活性,从而阻止其向植物体内转移,是国内主流的农田风险管控方式。目前,生石灰、黏土矿物、生物炭等材料均表现出较好的管控效果。我们的研究结果显示,研究案例中稳定化试剂生产的环境足迹占总二次影响的86%。研发更高性能和可持续的稳定化材料,降低修复材料消耗和避免过度修复,成为实现大规模推广的关键。此外,对稳定化材料进入土壤后的长期环境行为还认识不足。药剂进入土壤之后,其对污染物的固定作用可能受紫外线、干湿循环、冻融循环和微生物等土壤生态过程的干扰而呈现不同特征。我们的研究表明,材料的长效性不仅影响了稳定化的总体效果,也是其二次环境影响大小的决定因子。比如本研究中如果药剂使用寿命超过4年,化学稳定化将优于植物修复(图3)。因此,需要进一步提高稳定化材料的长期有效性预测水平,加强其老化机制方面的基础研究以支撑相关政策法规的制定。
图3 影响植物提取生命周期影响的关键因素
植物修复,尤其是以超积累植物为主体的植物提取技术,能够在不破坏土壤结构的基础上将污染物从土壤中彻底移除,具有广泛的应用潜力。例如本研究采用的镉超富集植物伴矿景天,实施3-5年左右修复即可将轻中度镉污染农田土壤达到国家风险管控标准。值得注意的是,修复植物的生物富集系数(BCF)影响着植物修复的周期,进而影响修复的总体环境影响(图3)。提高修复植物的BCF是提升修复技术比较优势、减少二次影响的关键。另外,目前针对修复植物常用的焚烧和填埋处置方式引起广泛关注,因为容易产生污染物的转移而导致二次影响。我们的研究发现,研究案例中由运输过程产生的影响高达32%,这是因为低生物量密度的干物质运输造成了额外的交通消耗。因此,提高运输效率和缩短修复植物后期处置的运输距离同样非常重要。
对于重金属污染超标严重的耕地,可以将农作物替代为不可食用的经济、能源作物实现其风险可控的安全利用。如果仅考虑一次和二次影响,替代种植无疑是最佳选择。根据市场均衡理论,替代种植可能驱动更多的水田开垦来弥补粮食损失。如果这一弥补发生在国内,新开垦的水田可以假设发生在中国东北的旱地上。近年来(2009-2016)中国南方水稻田的减少总是通过东北水田垦造来平衡。这样一来,将中国东北水田垦造的环境影响纳入系统时,替代种植方式的总环境影响仅低于无干预情景,额外产生了71%的间接影响(图4)。如果这一弥补发生在国外,比如在巴西亚马逊地区砍伐热带雨林来进行水稻生产,替代种植的总环境影响将超过无干预情景。研究估算出这一情境下的总环境影响是中国东北替代种植的1.9倍,并产生687吨CO2当量的温室气体排放(图4)。因此,在中国污染农田上大规模推广替代种植方式,不仅需要协调个体农户的社会和经济诉求,同时也需要将替代种植发生后产生的更广泛影响考虑在内。相关政策的制定与选择需要慎重考虑。
图4 中国东北地区与巴西亚马逊雨林的替代种植
总而言之,我们的研究结果表明针对受污染农田开展植物修复和化学稳定化能够显著降低无干预措施的总环境影响,并反映出替代种植考虑土地使用后的间接环境影响而有较大不确定性。采用生命周期评价方法能够对我国受污染农田的治理提供新思路,帮助决策者更好地指导新政策工具的设计和实施。
以上论文来自清华大学环境学院侯德义课题组,近期以 “Integrated Life Cycle Assessment for Sustainable Remediation of Contaminated Agricultural Soil in China”为题发表在环境领域权威期刊Environmental Science & Technology (IF=9.028)(2021年8月)。清华大学环境学院博士生金远亮为论文第一作者,侯德义副教授为论文通讯作者。中科院南京土壤所吴龙华研究员、胡鹏杰副研究员,广东省科学院生态环境与土壤研究所李芳柏研究员、方利平研究员,以及华中农业大学陈畅博士等为论文共同作者。
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