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长江三角洲地区农用地土壤重金属污染状况与防治建议

北极星环境修复网  来源:中国工程科学  作者:甘婷婷等  2021/9/10 8:40:58  我要投稿  

北极星环境修复网讯:摘要:长江三角洲地区(简称长三角地区)是我国重要的工农业生产基地,关注该地区农用地土壤重金属污染状况对促进地区经济社会良性发展、保障生态环境安全具有重要意义。本文根据近20年发表的长三角地区农用地土壤重金属相关文献中的重金属含量数据,全面分析长三角不同区域农用地土壤典型重金属累积情况与污染状况,系统探究导致长三角地区农用地土壤重金属累积与污染的主要原因。分析发现,工业“三废”排放、交通运输、化肥、农药、农膜等的大量施用(使用),使得长三角地区农用地土壤中重金属Cd累积与污染情况最为严重,其次是Cu、Hg和Pb,而浙江台州和安徽铜陵分别存在Cd、Hg、Cu,Cd、Pb、Cu多种重金属复合污染问题。针对长三角地区农用地土壤重金属污染防治的迫切需求和主要污染成因,在农用地土壤重金属污染源头控制、农用地土壤重金属快速动态监测、农用地土壤分级管理、重金属污染农用地土壤修复新技术研发、农用地土壤污染防治立法等方面提出了相关防治建议,以期为改善长三角地区农用地土壤生态环境、促进优质高效农业的可持续发展提供参考。

一、前言

长江三角洲地区(简称长三角地区)包括上海市、江苏省、浙江省和安徽省(三省一市),作为我国重要的农产品生产基地和著名的商品粮基地,年均农业总产值和粮食总产量均占全国的12%以上 [1]。然而近年来,长三角地区农用地土壤环境不容乐观,《全国土壤污染状况调查公报》指出本地区的耕地土壤环境污染问题较为突出,且以无机重金属污染为主 [2]。农用地土壤重金属污染对农产品的品质和产量具有重要影响,对人体健康乃至生态环境构成严重威胁,制约了农业经济的可持续发展。

针对长三角地区农用地土壤重金属污染状况的调查研究,主要以小范围区域采样的实验室分析为主 [3~5];受采样点位土壤环境及采样数量的限制,所获得的少量重金属数据在综合全面反映长三角地区重金属污染状况方面缺乏代表性。为全面了解长三角地区农用地土壤重金属污染状况、主要污染来源以指导有效防治,本文根据近20年发表的与长三角地区农用地土壤重金属相关文献中的重金属含量数据,依据区域划分,相对全面地分析长三角地区农用地土壤中典型重金属的累积情况与污染状况,系统探究导致长三角地区农用地土壤重金属累积与污染的主要原因。针对污染成因提出长三角地区农用地土壤重金属污染防治建议,以期为改善长三角地区土壤生态环境、促进优质高效农业的可持续发展提供参考。

二、长三角地区农用地土壤典型重金属污染状况

课题组搜集了近20年发表的与长三角地区农用地土壤重金属相关文献,对不同区域的典型重金属 Cd、Ni、Cu、As、Hg、Pb、Cr和 Zn含量数据进行汇总;将重金属平均含量与当地省市的土壤背景值 [6]进行对比,根据重金属累积系数,分析不同区域农用地土壤典型重金属的累积情况。以《土壤环境质量标准(修订)(GB 15618—2008)》 [7]中的农业用地土壤无机污染物环境质量二级标准值(5.5<pH<6.5)为评价依据,根据《全国土壤污染状况评价技术规定》 [8]列出的单项污染指数法及相应分级标准,完成了不同区域农用地土壤典型重金属的污染状况评价。

(一)上海市农用地土壤典型重金属污染状况

相比于上海市的土壤背景值,整个上海市农用地土壤中重金属Hg的累积程度最高。嘉定区、闵行区、青浦区、金山区、松江区、宝山区和浦东新区重金属Hg均有较高的累积系数,嘉定区重金属Pb的累积程度也较高;其他区域重金属Cd、Cu、As、Hg、Pb、Cr和 Zn的累积程度较低,重金属平均含量接近于上海市土壤背景值(见图1)。根据上海市不同区域农用地土壤典型重金属的单项污染指数(见图2),各个区域农用地土壤均未发生重金属Cd、Cu、As、Cr和Zn的污染情况;但是嘉定区农用地土壤出现了重金属Hg和Pb的轻微污染,闵行区、青浦区、金山区农用地土壤中重金属Hg也处于轻微污染水平。应重视嘉定区、闵行区、青浦区、金山区农用地土壤中重金属Hg,嘉定区农用地土壤中重金属Pb的污染防治。

(二)江苏省农用地土壤典型重金属污染状况

相比于江苏省的土壤背景值,南京市农用地土壤中重金属Cd的累积程度最高,其次是重金属Cu、Zn和Pb;苏州市农用地土壤中重金属Cd也有一定程度的累积,而其他区域农用地土壤中重金属Cd、Ni、Cu、As、Hg、Pb、Cr和 Zn的累积程度并不高(见图3)。根据江苏省不同区域农用地土壤典型重金属的单项污染指数(见图4),江苏省各区域农用地土壤中均未发生重金属Ni、Cu、As、Pb、Cr和Zn的污染情况,但是南京市农用地土壤中重金属Cd、苏州市农用地土壤中重金属Hg均处于Ⅱ级轻微污染水平。应注意这两个区域农用地土壤中重金属Cd和Hg的污染防治,以避免重金属Cd和Hg持续累积而致使更为严重的重金属污染问题。

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图1 上海市不同区域农用地土壤重金属累积系数

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图2 上海市不同区域农用地土壤重金属单项污染指数

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图3 江苏省不同区域农用地土壤重金属累积系数

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图4 江苏省不同区域农用地土壤重金属单项污染指数

(三)浙江省农用地土壤典型重金属污染状况

相比于浙江省的土壤背景值,整个浙江省农用地土壤中重金属Cd的累积最为严重,其次为重金属Hg。从区域分布来看,台州市重金属Cu、As和Zn,嘉兴市和绍兴市重金属Cu,金华市重金属Cu和Pb以及杭州市重金属Zn均有较高程度的累积。然而浙江省其他区域农用地土壤中重金属Ni、Cu、As、Pb、Cr和Zn的累积情况并不明显(见图5)。根据浙江省不同区域农用地土壤典型重金属的单项污染指数(见图6),浙江省各区域农用地土壤中均未发生重金属Ni、As、Pb、Cr和Zn的污染情况;但是杭州市、宁波市、金华市农用地土壤中重金属Cd,台州市农用地土壤中重金属Cu,杭州市、台州市和绍兴市农用地土壤中重金属Hg均处于Ⅱ级轻微污染水平;台州市农用地土壤中重金属Cd达到Ⅳ级中度污染水平。台州市农用地土壤重金属污染较为严重,同时存在重金属Cd、Cu和Hg的复合污染问题;杭州市农用地土壤也同时存在重金属Cd和Hg的复合污染问题。应重视台州市、杭州市、绍兴市、嘉兴市和金华市农用地土壤重金属污染的防治。

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图5 浙江省不同区域农用地土壤重金属累积系数

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图6 浙江省不同区域农用地土壤重金属单项污染指数

(四)安徽省农用地土壤典型重金属污染状况

相比于安徽省的土壤背景,整个安徽省农用地土壤中重金属Cd的累积程度最为严重,其次为重金属Cu和Hg。从区域分布来看,铜陵市农用地土壤中存在严重的重金属Cd和Cu的累积情况,也存在一定程度的重金属Hg、Pb和Zn的累积;芜湖市农用地土壤存在较高程度的重金属Cu、Cd、Hg和As累积情况;巢湖市农用地土壤中重金属Cd和As、合肥市农用地土壤中重金属Cd的累积程度也较高;而其他区域农用地土壤中重金属累积情况并不明显(见图7)。根据安徽省不同区域农用地土壤典型重金属的单项污染指数(见图8),安徽省各区域农用地土壤中均未发生重金属Ni、As、Hg、Cr和Zn的污染情况;但是铜陵市农用地土壤中重金属Pb处于Ⅱ级轻微污染水平,重金属Cd和Cu达到Ⅳ级中度污染水平;芜湖市农用地土壤中重金属Cu处于Ⅲ级轻度污染水平;滁州市农用地土壤中重金属Cd达到Ⅴ级重度污染水平。安徽省铜陵市农用地土壤重金属污染最为严重,且存在着重金属Cd、Cu和Pb的复合污染问题,应针对性加强农用地土壤重金属的污染防治力度;还应重视滁州市和芜湖市农用地土壤中单项重金属Cd和Cu的污染问题。

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图7 安徽省不同地区农用地土壤重金属累积系数

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图8 安徽省不同地区农用地土壤重金属单项污染指数

三、长三角地区农用地土壤重金属污染的来源分析

课题组搜集了近20年发表的长三角地区农用地土壤重金属相关文献,对典型重金属Cd、Ni、Cu、As、Hg、Pb、Cr和Zn的变异系数(VC)进行汇总,据此获得不同重金属元素变异系数的平均值(见图9)。从区域分布来看,江苏省重金属Cd和Pb以及上海市重金属Hg的变异系数均超过100%,江苏省重金属Hg、浙江省重金属Cd和Hg以及安徽省重金属Cd、Cu和Hg的变异系数也均超过50%。这表明,长三角地区农用地土壤中重金属Cd、Pb、Hg和Cu都具有极强的空间分异性,不同区域的重金属含量差异较大;整个长三角地区的农用地土壤重金属受人为活动因素影响显著。工业“三废”(废气、废水、固体废弃物)排放,交通运输污染,化肥、农药、粪肥、农用膜等的大量使用,这些人为污染源构成了重金属进入长三角地区农用地土壤的主要途径。

(一)工业“三废”排放

长三角地区是我国重要的工业生产基地,拥有钢铁、冶炼、电镀、化工、采矿、电子、纺织、印染、汽车制造等众多产业,2018年工业生产总值达104 369.51亿元(占全国的34.2%),规模以上工业企业有近11.38万家(占全国的30.03%) [1],工业制造业主要产品产量(见表1)具有优势。

长三角地区雄厚的工业生产实力伴生了较为严峻的环境重金属污染问题,可能的原因有:工业生产不乏使用众多含有重金属Cd、Cr、Hg、Cu、As、Pb和Zn的原材料,火力发电厂、金属冶炼厂、水泥厂等燃煤产生的烟尘及工业粉尘中含有大量重金属Hg、As、Cd、Cu和Pb等,金属矿山的开采、冶炼及尾砂、废渣的堆积也会释放重金属Cd、Pb和Zn等。

根据《中国统计年鉴2019》,2017年长三角地区废气中烟(粉)尘排放量为8.72×105t,工业固体废弃物产生量为3.012×108t;废水排放总量为1.475×1010t,其中含重金属Pb的废水排放量为1.867×107t、含重金属 Hg 的废水排放量为 6.97×105t、含重金属Cd的废水排放量为2.121×106t、含重金属Cr的废水排放量为4.268×108t、含重金属As的废水排放量为8.729×106t [1]。因此,长三角地区工业“三废”的大量排放成为重金属进入农用地土壤的最主要途径。

(二)交通运输污染

我国是世界上汽车保有量最大的国家。汽车涂料、防腐材料、制动器、轮胎中通常含有Cd、Cu、Pb、Zn和Ni等重金属,汽车燃油和润滑油中通常含有Pb和Cu等重金属 [9],因此汽车燃油与润滑油的泄漏、汽车尾气的排放、车辆刹车时轮胎、制动系统的机械磨损、轮胎的老化等都会向周围环境中释放重金属,进而通过大气沉降在土壤中并逐渐累积。即使这些重金属含量较低,但与日俱增的汽车数量以及燃油的大量使用,仍然会导致土壤存在重金属污染的风险。研究表明 [10],汽车刹车片磨损释放的重金属Cu污染负荷最大,其次是Zn、Pb、Cr和Cd;汽车轮胎磨损释放的重金属Zn污染负荷最大,其次是Pb、Cr、Cu、Ni和Cd。

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图9 长三角不同区域农用地土壤典型重金属变异系数

表1 2018年长三角地区工业产品产量

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注:数据来源于《中国统计年鉴2019》。

长三角地区的汽车保有量和车辆燃油消耗量均呈逐年上升趋势,2018年汽车保有量为8.405×107辆,交通运输消耗汽油和柴油为3.252×107t(见图10)。交通运输污染是该地区农用地土壤重金属污染的重要成因。2013年对南京市八卦洲公路两侧农田土壤重金属含量和空间差异性进行的分析表明 [11],横跨公路两侧农田土壤中的重金属Ni、Pb、Cr和Zn含量平均值,显著高于八卦洲土壤重金属背景值。对沪宁高速句容、丹阳和苏州路段公路两侧农田土壤重金属Pb、Cd、Cr和Zn的空间分布特征研究发现 [12],公路两侧农田土壤中这4种重金属都存在不同程度的累积以及较大的空间变异;随着车流量的增加,公路两侧农田土壤中Pb和Cd含量显著增加,说明道路交通是导致长三角地区公路两侧农田土壤重金属累积的主要原因。

(三)化肥、农药、粪肥的大量施用与农膜的使用

化肥、农药、粪肥和农膜是农业生产中不可或缺的农业投入品,但长期大量甚至过量施用(使用)将带来严重的农用地土壤重金属污染问题,主要原因有:磷肥、氮肥和复合肥等化肥中含有较高含量的As、Cd、Pb、Zn、Cr和Hg等重金属,猪粪、鸡粪、牛粪、羊粪等畜禽粪肥中含Cu、Zn、As、Cd、Cr和Ni等重金属,杀虫剂和杀菌剂等农药中含有Hg、Cu、Cd和As等重金属,农用薄膜在加工中会添加含有重金属Cd的热稳定剂。

根据《中国统计年鉴2019》,长三角地区2018 年农业生产中的化肥施用量达6.904×106t,其中氮肥和复合肥施用量最高,其次是磷肥和钾肥;农业生产中农药的使用量为2.11×105t,农用薄膜的使用量为2.985×105t(见表2) [1]。化肥、农药和农膜的高强度施用(使用)导致长三角地区农用地土壤出现了重金属累积甚至污染问题。对芜湖市三山区菜地土壤重金属污染特征分析表明 [13],农药、化肥和鸡粪的长期施用是当地菜地中重金属As和Zn富集的主要原因。对富阳地区不同类型农田土壤重金属变异特征研究表明 [14],有机肥的施用是导致土壤中Cu和Zn含量较高的重要原因之一。

四、长三角地区农用地土壤重金属污染的防治建议

(一)控制农用地土壤重金属污染源头

2011年《重金属污染综合防治“十二五”规划》指出,仅依靠末端治理这种单一方式无法从根本上解决重金属污染问题。应注重“预防为主、防治源头、重视过程、末端治理”的综合防控理念,对导致长三角地区农用地土壤重金属污染的源头实施强化控制。

严控工业“三废”源头污染

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图10 不同年份长三角地区的汽车保有量及燃油消耗量

注:数据来源于《中国统计年鉴》(2011—2019)。

表2 2018年长三角地区农用品使用量

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注:数据来源于《中国统计年鉴2019》。

长三角地区工业生产中的“三废”排放是农用地土壤中重金属的主要污染来源。2018年《关于打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》发布后,三省一市分别提出了“加快城市建成区重污染企业搬迁改造或关闭退出实施方案”,要求市、县行政区范围内实际建成或正在建设、相对集中分布的地区,对水泥、平板玻璃、化工、焦化、钢铁5个行业领域重污染企业进行搬迁改造或关闭退出。

①加快推进废气、废水净化处理新工艺以及固体废弃物回收再利用新工艺的开发与推广应用,减控工业“三废”排放的数量和浓度。②加强工业“三废”污染排放管控,督促各工业企业严格执行污染排放国家标准,杜绝工业“三废”超标排放现象;及时完善相关行业污染物排放标准和污染防治技术规范,为工业“三废”排放监管提供重要依据。③鼓励发展清洁能源,开发环保型原材料,制定涉重金属重点工业行业清洁生产技术推行方案,推进工业企业对清洁能源、环保型原材料、清洁生产技术、先进生产工艺和设备的使用;全面整治尾矿、煤矸石、冶炼渣等固体废物的堆放场所,加强电子废物、废轮胎等工业废物的处理处置。

2. 严控交通运输源头污染

①鼓励开展车用涂料、防腐材料、制动器、轮胎固化剂和促进剂等无污染新型材料的研发与应用推广,实现汽车制造过程中含重金属原材料的减量使用,降低汽车行驶过程中刹车磨损、轮胎老化磨损带来的重金属污染强度。②加快升级燃油品质,推广使用无铅汽油等清洁燃料;升级汽车尾气污染物排放标准,逐步开展汽车尾气净化装置的强制安装,降低汽车燃油与尾气排放带来的农用地土壤重金属污染风险。③研发汽车尾气污染防治配套设施,提高汽车尾气污染物的过滤、净化和防治能力。

3. 严控化肥、农药、农膜等农业源头污染

农业生产应合理安排农药化肥施用的时间和次数,提高利用率、减少使用量;妥善处理好农药化肥的废弃包装物,推广使用高效、低毒、低残留农药和生态有机肥。加强植物病虫害预警系统防治体系的研发和应用,推广测土配方施肥技术和缓控释肥技术,做到农业施肥、用药有据可依。严格规范含重金属兽药、饲料添加剂的使用,减少畜禽粪便施用带来的农用地土壤重金属污染。鼓励农业生产者提高科学施肥、用药和环保的意识,规模化开展化肥农药科学使用技术培训。

在农膜使用方面,提高农业生产者对废旧农膜污染长远性和严重性的认识,提高废旧农膜回收意识和主动性。推广适期揭膜技术,运用农作物倒茬轮作制度,减少农膜使用量、提高农膜回收利用率。支持无污染可降解绿色生物地膜的研发和推广使用,实行不可降解农膜的减量使用,逐步消除农膜残留带来的农用地土壤重金属污染。

(二)监控与治理农用地土壤重金属污染

1. 加强农用地土壤重金属快速动态监测

土壤污染物监测为土壤环境监管与污染防治提供支持数据,是土壤环境质量评价与土壤环境污染治理的重要基础和前提。应深入开展长三角地区农用地土壤重金属监测与调查,革新传统的“现场采样-实验室分析”的重金属检测分析模式;重点研发非入侵式、高精度、小型化、智能化的土壤重金属现场快速监测和应急监测技术与仪器设备,避免繁琐费时的现场采样及前处理过程来消除对被测土壤环境的扰动。通过新技术应用,降低土壤重金属污染调查研究的成本,提高污染快速筛查和应急监测的时效性,实现大面积农田的土壤重金属浓度数据的快速准确获取。

①为了掌握长三角地区农用地土壤重金属污染的时间和空间分布变化情况,应实施基于地理信息系统和高光谱遥感技术的土壤重金属污染大面积立体动态高精度监测技术应用,建立长三角地区农用地土壤重金属污染的快速、大面积、立体动态监测系统。②引入互联网技术和信息技术,发挥大数据在环境监测方面的基础性作用,建立长三角地区农用地土壤环境质量自动监测网络体系、农用地土壤环境质量监测数据库。③形成长三角地区农用地土壤环境信息化管理平台,注重环境监测数据的合理共享与科学管理,全面掌握农用地土壤环境质量动态变化信息,为土壤重金属污染水平和演变趋势的判断与评估提供数据支持。

2. 加强农用地分级管理

根据长三角地区农用地土壤重金属的实际污染程度,对农用地进行分级管理。①对于未受到重金属污染的清洁农用地,加强监控与管理,建立永久性保护制度,维护农用地的正常生产功能,确保农产品质量安全。②对于重金属轻度和中度污染的农用地,针对性调整农作物种植布局,筛选适合种植的农作物品种,可采取边种植边修复的技术方案来实现农用地的安全利用。③对于重金属重度污染的农用地,实行严格管控(如禁止种植食用性农作物),调整农作物种植结构,采用相应的重金属污染土壤修复和整治方案来实施土壤保护与修复治理,力争尽快恢复区域内的农田生态环境质量。

3. 研发重金属污染农用地土壤修复新技术

对遭受重金属污染的农用地土壤开展治理,目前较多采用的农用地土壤修复技术分为物理技术、化学技术和生物技术。①物理技术,如客土法、热脱附技术和电动修复技术等,因其成本高、修复效率较低、仅适用于小面积污染区域,应用与推广具有一定的局限性。②化学修复技术,如淋洗技术、固定-稳定化技术、化学氧化技术等,由于使用化学试剂而具有农用地土壤修复的二次污染风险。③生物修复技术,如植物修复技术、微生物修复技术等,因其不改变土壤原始功能,具有成本低、效率高、操作简单、不产生环境二次污染等诸多优点而获得推广和应用;但受限于生物体自身吸附重金属的固有特性,难以快速修复与治理重金属污染农用地。

针对现有物理、化学、生物类修复技术的优缺点,长三角地区农用地土壤环境及其重金属污染特性,重点开展农用地土壤重金属修复新技术、多技术复合的农用地土壤联合修复技术的研发工作。注重修复新技术在长三角地区农业生产中的推广应用,为长三角地区农用地土壤环境质量安全提供科技支撑。

(三)推进农用地土壤污染防治立法,健全法规标准体系

在长三角地区乃至全国农用地土壤污染形势依然严峻、土壤环境甚至有所恶化的现状下,针对我国农用地土壤污染防治相关法律法规较为分散、不够系统等突出问题,建议在现行《土壤污染防治行动计划》《中华人民共和国土壤污染防治法》的基础上,及时开展具有针对性且操作性强的“农用地土壤污染防治法”专项立法,制定农用地土壤环境保护、监管、污染防治等方面的实施细则,明确防治监管行政责任主体和各级政府的属地职责。

根据长三角地区农用地土壤特性、生产功能和农产品质量安全的要求,在现有《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)国家标准的基础上,细化制定农用地土壤污染调查和监测、类别划分、风险评估、种植业结构调整、修复与治理等行业性、地方性标准与技术规范,及时出台地方性的农用地土壤环境管理办法,适时优化有关化肥、农药、畜禽养殖、灌溉用水等农业生产活动的地方专项管理规定。通过立法,为长三角地区农用地土壤环境有效监管与污染防治提供依据和保障。

五、结语

在长三角地区,农用地土壤中的重金属Cd累积与污染情况最为严重,多个区域内存在重金属Cd污染问题;重金属Hg的累积与污染问题次之,而重金属Pb和Cu在部分区域也有一定程度的累积和轻微污染。导致长三角地区农用地土壤重金属Cd、Hg、Pb和Cu等累积甚至污染的主要原因有:工业“三废”排放、交通运输污染,化肥、农药、粪肥、农膜等的大量施用(使用)。

针对长三角地区农用地土壤重金属污染状况以及具体的污染来源,建议从农用地土壤重金属污染源头控制、农用地土壤重金属快速动态监测、农用地土壤分级管理、重金属污染农用地土壤修复新技术研发、农用地土壤污染防治立法等方面着手,加强污染防治,改善生态环境,保障农业用地安全生产,促进地区农业的优质、高效和可持续发展。


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