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土壤深处的“战争”
2018-10-09   来源:南方日报   

土壤深处的“战争”

这是一次特殊的郊游。小朱和小程在前面走得轻车熟路,记者在后面紧赶慢赶才能勉强跟上。雨中的田垄极其泥泞,一脚踩上去,松软的泥土就到了脚面。好不容易走过一片膝盖高的花卉,来到一块被绿色覆满的田里,这里的作物都很矮,又不常见,甚至叫不出名字,但对于当地来说却有重大的意义。

土壤深处的“战争”

这里是广东省韶关市仁化县,重金属污染防治重点区域。近年来,韶关全面推进对土壤重金属污染的综合防治,是全国6个先行区之一,在技术验证、种植替代、环境管理等方面有阶段性进展。在广州、佛山、东莞等地,科研人员也都进行了大量的技术探索和治理实践,取得了显著的进展。

今年5月,全国生态环境保护大会在北京召开,习近平总书记出席会议并发表重要讲话。他在讲话中强调,党的十八大以来,我们开展一系列根本性、开创性、长远性工作,加快推进生态文明顶层设计和制度体系建设,加强法治建设,建立并实施中央环境保护督察制度,大力推动绿色发展,深入实施大气、水、土壤污染防治三大行动计划,率先发布《中国落实2030年可持续发展议程国别方案》,实施《国家应对气候变化规划(2014-2020年)》,推动生态环境保护发生历史性、转折性、全局性变化。

习近平强调,生态环境是关系党的使命宗旨的重大政治问题,也是关系民生的重大社会问题。广大人民群众热切期盼加快提高生态环境质量。我们要积极回应人民群众所想、所盼、所急,大力推进生态文明建设,提供更多优质生态产品,不断满足人民群众日益增长的优美生态环境需要。

面对这个全民关注的问题,南方日报记者采访了环保、国土部门相关治理工作主管机构以及研究机构的专家,并实地探访了土壤污染治理工作相关试点,推出南方特稿,为读者详细报道这场土壤深处的“战争”。

地表下20厘米▶▷重金属这样进入食物链

2018年8月3日,下雨了。

此前已经很久没有下雨,这天一次下了个透。晶莹的雨珠,落到青翠多肉的叶子上,顺着那密密层层的叶片滑入植株的深处。植株间,地膜下,褐色的土壤在雨水的滋润下显得更加油润。

松软的土壤像海绵一样,贪婪地将雨水吸收进去。土壤的“血液”得到了补充,各种化学和物理变化一一展开。无机盐类、胶体、有机化合物更多地溶入了土壤溶液中,各种离子的活性上升了。

在下雨的间隙,亚热带的阳光穿透了薄云和雾气,把热量辐射到地表,毫无商量的余地。这里是北纬25度,夏季平均气温超过28摄氏度。蒸腾作用出场了——叶片上的气孔打开,让水分从叶表的气孔蒸发到空气中,给自己降一降温。“‘空调’就是我的命。”植株说。

“空调”也使植株口干舌燥,很快,从叶片到根须,各个部分都在呐喊着:“我需要水,水……”

“根须物流公司”加强了工作。几十万条根须、难以计数的根毛都拼命扩大着自己的表面积,通过一个个细胞持续吸收水分,以供应整个植株的需要。它们很快将根须附近的土壤溶液“吸干”。

溶液流体是养分的源泉,根须附近的土壤溶液少了,就与其他地方形成了水势和浓度差,其他地方的养分和水在压力下自然运移过来。很快,地表以下20厘米的地方,养分离子的质流大量形成。离子争先恐后地随着质流奔向植株的根须,穿过根须的细胞皮,到达植株之中,成为植株的一部分。

在这些被吸收的养分离子中,有一类特殊的“难民”——锌、镉、铅等重金属的离子。它们有的来自地下的矿石风化物,有的来自地表的降尘,还有的来自洗矿的废水,都被地下水、河水、雨水或灌溉水一股脑儿地融合到土壤中。在没有被人们发现的时候,它们悄悄地通过植物的根系溜进了稻谷和蔬菜中,上了人们的餐桌。

超积累植物▶▷景天家族的奥妙

小朱和小程是江苏萤火虫环境科技有限公司的工程师,都在韶关从事土壤污染治理工作。可以形象地形容他们的治理方法为“拔毒法”,就是用“超积累植物”吸收和富集土壤中的重金属,再将植物安全处置,达到治理目的。

“超积累植物”,是指能耐受和超量吸收重金属并将其运移到地上部积累的植物,其地上部分重金属浓度能达到普通植物体内的100倍左右。它们还有一个特点是吸收了重金属之后还能长得很好,自身不会“中毒”。不像花生、水稻之类,吸收到重金属之后可能自己就先枯黄死掉了。

景天科植物是一个大家族,有上千个品种,其中不少是著名的“超积累植物”。小朱她们种植的伴矿景天就是其中的一种,每年可以种植一茬或两茬,在重金属中轻度污染土地上每茬可以降低8%—10%的重金属含量。它的优点是生命力顽强、长得快、无需特别照顾、扦插方便。

据小朱介绍,伴矿景天种植密度一般为每亩3万株。

另外,伴矿景天的根系发达却又不深,只有20厘米左右,成熟之后可以直接用手拔起来,这点很重要。小朱她们的经历就是很好的说明——今年入夏以来,附近区域就几乎没怎么下过雨,附近的农户都在忙,花钱也雇不到人,两个工程师只好自己下田拔景天。如果种的是其他根系太深的植物,根扎到1米以下,收起来就太费人工了。

广东省地质实验测试中心环境地质科学研究所也在使用景天来进行土壤修复工作。他们的品种叫做东南景天,同属于景天科,研究所也在这一区域开展相关试验工作。实验数据表明,在受到重金属污染的土地上收获的景天,每千克中有13—17毫克的镉。由于景天92%都是水分,烘干后的“干草”中,镉含量可达160—218毫克/千克。这种“拔毒”的效率在植物中是相当高的。

两个难题▶▷推广和环保处理

“超积累植物”也并非没有弱点,最大的问题是经济性不好。比如景天本质上就是矿区的野草,所以才有生命力顽强无需特别照顾的优点,但也意味着这种植物实际上没什么特别的经济价值。伴矿景天目前每株一两元的市场价格,乘以每亩动辄要几万株的数量,这决定了它现在还只能少量应用于试验田,未来育苗成本下降后其优势将逐渐显现。

环境地质科学研究所副所长江海燕博士评估,景天在中轻度镉污染的土地上种植5至10年才能将污染问题基本解决。在这5至10年里,景天本身无法产生足够的经济效益,大规模种植不现实。

引入社会资本防控区域环境安全成为一个新思路。为此,政府架起桥梁引入“土壤修复与150mw光伏发电综合利用项目”,该项目去年获得了中国新能源创新奖。合肥阳光新能源科技有限公司项目总监张正茂告诉记者,当地与阳光电网用盈利补贴防治资金,提高技术可持续性。光伏板是遮阴的,刚好可以和喜阴的伴矿景天结合。

种植“超积累植物”本身有没有办法解决经济性问题?小朱她们目前将伴矿景天和观赏性植物间作,种景天“拔毒”,种观赏性植物如栀子、红叶石楠、毛杜鹃、鹅掌柴、野牡丹等卖钱。重金属只要不入口,就不会产生实质危害。

江海燕告诉记者,关于经济性问题,她们尝试了将东南景天与小白菜间作,发现相对比较安全,因为这种蔬菜的生长周期很短,还没来得及吸收大量的重金属和有害物质,就已经长成上市了。这对于农民来说是个好消息。不过,柳叶红苋菜、辣椒叶对重金属的吸收能力较强,为此江海燕建议,在污染土地上最好不要种植此类蔬菜。

使用“超积累植物”还有一个棘手的问题需要解决,就是如何处理已经富集了重金属的植株。这种特殊作物与一般的庄稼不同,“还田”肯定是不行的,随便烧掉也不行,会将部分重金属又放回大气中,最后还是毒害人类自己。普通的垃圾焚烧厂也没有处理过这样的垃圾,还需要试验测试其可行性。不过,中科院土壤研究所已经研发出了专门处理这种“超积累植物”的焚烧炉,解决了这一难题。

萤火虫环科目前正在研发一种新的处理方式,他们先用铡草机将伴矿景天铡碎,再进行固液分离,固体进行安全焚烧,液体加化学试剂进行沉淀处理。这种技术可对景天进行快速脱水处理,大幅缩短晾晒周期,并且处理后的植物体积缩减约90%,重量减少60%以上。

叶面上的较量▶▷植物里的“迅雷”纳米硒

当我们使用迅雷等下载软件的时候,经常会觉得上网的速度变慢了。这是因为,此类软件占用网络带宽。在带宽有限的条件下,一种操作占用了太多的带宽,自然会影响网速。这种思路也被应用到土壤污染的治理中。

前面提到,重金属离子是同所有的植物养分离子一起被根须吸收进植物体内的,而植物根须的吸收能力是有限的。如果能够让一种对人体无害甚至有益的元素大量进入植物体内,就能够在一定程度上阻止和减少植物对铅镉等重金属元素的吸收。这一次,科研人员找到的“有益元素”是硒。

硒元素曾一度被认定为毒性元素,后来终于正名,成为“必需微量元素”之一,但在人群中的摄入量仍较低。暨南大学陈填烽教授一直致力于纳米硒的研究,并取得丰硕的成果。环境地质科学研究所的科研人员联合暨南大学陈填烽教授将其研发的多糖功能化纳米硒应用在重金属污染土壤修复上,尝试在植物的生长中人为添加硒元素。在轻微度镉污染土壤中,他们将多糖功能化纳米硒在水稻的分蘖期初期、分蘖盛期以及齐穗期进行叶面喷施,三次合计喷施量为1.5克硒/亩,收获后测量发现,种植的水稻天优390糙米中镉含量与空白对照相比降低了64.15%,糙米中镉的含量下降到0.171毫克/千克;而以10克硒/亩进行土壤均匀添加后,糙米中镉含量与空白对照相比降低了56.69%,糙米中镉的含量下降到0.206毫克/千克。水稻糙米中硒含量的变幅为0.082—0.257毫克/千克,判定为富硒稻米。这一做法实现了减少重金属镉污染土壤对水稻的毒害作用,并生产得到高价值的富硒农作物。

“这个过程中有一个硒镉拮抗机理在发挥作用。”江海燕介绍,当纳米硒进入土壤后,硒和镉离子结合为硒镉大分子难溶物。这种东西一看名字就很古怪,当然也不受植物们的欢迎。植物的根系在吸收养分离子的时候,并不是对所有“难民”都给“落地签”的。在植物的根系细胞中有一个叫做凯氏带的结构,它是植物的“海关”和“边防大队”,把硒镉难溶物牢牢地挡在外面,而养分离子则可以通过根系内皮层的原生质体进入植物体内。硒镉拮抗机理还加强了植物体内的相关反应,降低了镉离子向籽粒中转运的效率。

环境地质科学研究所还将这种做法推广到蔬菜上,增城迟菜心用纳米硒进行叶面喷洒,喷施量为0.5克/亩作用下,产出的增城迟菜心中硒的含量高达0.206毫克/千克,是空白对照的41倍。按人均每天蔬菜的食用量为0.5千克进行计算,摄入的硒含量为100微克。

在叶面上喷洒相关制剂就可阻隔重金属的积累,因此该技术被称为“叶面阻隔技术”。它最大的优点是在叶面上喷洒相关化合物就可以改变重金属在植株体内的分配,抑制重金属向籽粒的运输,有效减少作物中的重金属积累,可以较为方便地大面积应用。这场叶面上的较量,科研人员又取得了胜利。

“常规武器”▶▷成本大大降低的钝化材料

与其他“战争”一样,在治理重金属污染的“战争”中,成本也是问题的关键。只有找到成本足够低廉、可以大规模应用的“武器”,才有彻底取得胜利的可能。膨润土等钝化材料的使用是科研人员找到的另一种成本较低的方案。膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产,具有很好的离子交换性。环境地质科学研究所的科研人员对膨润土进行了巯基化改性的处理,使其能够更好地吸附和固定镉离子。

环境地质科学研究所还开发了金盾1号钝化材料,这是一种具有多孔结构和较大比表面积的粉状材料,富含有大量的硅氧化物及铝氧化物,同时还包含少量的氧化亚铁、氧化铁、氧化镁、氧化钙、二氧化钛、碳粒等。其中二氧化硅、氧化铝、氧化铁成分可部分溶于水后形成胶凝物质水化硅酸盐、水化铝酸盐、氢氧化铝、氢氧化铁等物质,对重金属有非常好的吸附—絮凝沉淀效果。在少量氧化钙的作用下,材料在溶液中呈现电负性,容易吸附带正电的重金属离子。

这些钝化材料的工作原理就是,通过各种复杂的化学反应,让土壤中的重金属离子转化为无法被植物所吸收的化合物,也就无法进入食物链,从而保证了餐桌的安全。而这些钝化材料的成本是多少呢?最便宜的是2元/每公斤,根据污染情况,每亩要使用500—1500公斤,可以保证一亩农田一年之内的安全。也有60元/每公斤的钝化材料,可以保证数年内的种植安全。

尾声▶▷永远的离开

在项目现场,一株最茂盛的伴矿景天上方,一只握住植株,用力拔起,带出一蓬大胡子一样的根须。

那些已经富集在植株内的重金属,也随着这株伴矿景天一起,永远地离开了这片土地。

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标签:土壤 战争

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