作者：徐建明，何丽芝，唐先进，刘杏梅
单位：浙江大学环境与资源学院;浙江农林大学环境与资源学院，碳中和学院
卷期：《土壤学报》2023年第60卷第5期
重金属污染影响土壤的正常功能，并通过食物链富集对生态环境和人类健康产生威胁。因此，重金属污染耕地土壤的安全利用是保证粮食安全生产和人类健康膳食的重要基础。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学技术或生物手段使土壤中重金属含量或有效性大幅度降低，阻止土壤重金属进入植物体内，切断重金属向农产品及人体转移的主要途径。
本文重点分析了重金属低积累农作物品种筛选、重金属原位钝化和农艺调控等当前我国重金属污染耕地土壤安全利用中最为常见的几类技术及其在应用过程中暴露的问题，并针对性地提出了改进建议，以期为污染耕地土壤的安全利用提供有益参考。
01
污染耕地土壤的
安全利用手段
基础环节种植重金属低积累作物
重金属低积累作物站在超积累植物的对立面，通常将重金属拦阻在体外或积累在非可食部分，从而降低可食部分的重金属含量。种植重金属低积累作物是抑制重金属在食物链中流通和保障人体健康的一种有效措施，具有成本低、易推广的优势。
目前作物对重金属积累的种间差异已有较多研究，并得出了影响作物种内差异的因素为重金属积累基因，如水稻的OsHMA2基因、小麦的TaHMA2和TaLCT1基因、白菜的重金属ATP酶、马铃薯的StABC4和StWRKY29基因等。因此，针对性地选择重金属低积累作物，是重金属污染耕地安全利用的基础环节。
关键环节重金属原位钝化技术
在重金属污染土壤中施加一些钝化材料，如沸石、赤泥、海泡石、石灰、含磷材料等无机钝化剂，或畜禽粪便、堆肥、污泥、农业废弃物等有机钝化剂，可通过吸附、沉淀、络合和氧化还原等机理，促使可交换态重金属转化为有机结合态和残渣态，从而降低其在土壤中的有效浓度、迁移性和生物有效性。
由于钝化过程并未降低土壤中重金属总量，仅是通过各种作用暂时性地降低了重金属的有效态浓度。因此，应关注钝化剂对土壤重金属钝化作用的长期效果以及可能造成的环境风险，易降解有机钝化剂的环境风险、可行性、稳定性等更需进行长期的监测和评估。
配套环节农艺调控措施
施肥和水分管理是农艺调控中影响土壤重金属生物有效性的最常用措施，可通过改变土壤理化性质(pH、氧化还原电位Eh、阳离子交换量CEC、有机质含量等)直接与重金属发生沉淀、络合或氧化还原作用，调节植物根际微生物群落结构等方面，降低土壤中重金属的生物有效性及重金属的转运效率，有效减少农作物对重金属的积累
适当的轮作和间作是提高土壤肥力和农产品产量并增加植物对重金属耐受性的有效措施。此外，超积累植物与低积累作物间作，可通过降低农作物重金属的转运能力、提高光能利用效率、缓解重金属胁迫及改善土壤养分和微生物群落等方面调控两者的生长发育，增强超积累植物对重金属的吸收和富集，提高农作物的产量和品质，获得较高的经济效益。
重度污染耕地的种植结构调整
开展重度污染耕地土壤治理是促进耕地质量提升、守牢耕地质量红线、落实“藏粮于地、藏粮于技”战略和保障国家粮食安全的重要举措。种植非食用农作物(如能源植物)是重度污染耕地土壤安全经济利用的途径之一。在种植非食用农作物的同时，辅以适宜的耕地安全利用手段(如间作、轮作、施加调理剂等)，对促进非食用农作物移除重金属可起到协同作用。此外，通过化学淋洗与非食用农作物联合的手段也可达到重度污染耕地的修复。总之，从时间和空间上对耕地进行有效配置，可使污染耕地得到安全、有效、完整的修复利用并产生一定的经济效益。
02中国重金属污染耕地土壤
安全利用过程存在的问题
2.1
耕地污染源的防控力度不足
目前我国对重金属污染防控高度重视，防控重点主要集中于行业防治(如采矿、冶金、电镀等行业)中废水、废渣和废气的排放，但对于农业源头的防治尚未引起足够重视。秸秆还田是提升地力的有效措施，但当秸秆来自于重金属污染区时，在还田过程中，秸秆含有的重金属又返回土壤，造成污染。此外，当污染秸秆用于畜牧饲料时，秸秆中的重金属会进入动物体内并富集，最终进入食物链危害人体健康。同时，动物排泄物中的重金属又会被作为有机肥施入耕地土壤，造成新一轮的重金属循环。而无机肥和农药作为提高作物产量的有效手段，其含有的重金属也不可忽视。
因此，控制污染耕地的秸秆还田或还田时期，集中处理污染秸秆，减少肥料和农药施用量等，亦是减少重金属积累的有效途径。此外，一些地区的大气污染造成的干湿沉降对土壤重金属含量的影响也不容忽视。
2.2
土壤污染与作物安全性关系不明
作物安全性主要受土壤中重金属的总量及赋存形态、土壤理化性质及作物类型影响。由于自然成土过程中的重金属在土壤中多以相对稳定的形态存在，导致有些土壤中的重金属总量超标，但生物有效性总体上较弱，稳定性较强，其生物富集因子明显低于人类活动带来的重金属，不易被植物吸收利用。此外，作物对污染物的吸收具有差异性，如叶类菜、茎类菜、茄果类和鲜豆类对重金属As的富集能力依次降低。对于重金属污染土壤的划定与管理，也需要辩证看待。不能“一刀切”，要根据实际情况适当调整污染土壤的管理手段，这对保障我国粮食安全生产有着重要的指导意义。
2.3
多目标元素下
作物的低积累特性及其稳定性较差
由于当前土壤的重金属污染具有复杂多样性，仅针对特定目标元素筛选出的低积累品种难以保证对其他重金属元素的低积累性，筛选可满足多目标元素的低积累品种更具实用意义。
目前低积累作物的研究主要集中在重金属低积累农作物品种的筛选和培育，而作物对重金属的积累除作物类型及品种基因差异外，还受区域气候、土壤类型、土壤重金属污染特征、灌排水等地域环境因素及农艺管理措施的制约，这可能会导致作物的重金属低积累特性不可重复，出现甚至矛盾，遗传稳定性差，难以大面积推广。如“秀水63”的粳稻籽粒中Cd含量在浙江不同地区存在显著性差异。
2.4
原位钝化剂具有一定的施用风险
原位钝化过程并未改变污染土壤中重金属的总量，仅是改变了其在土壤中的赋存形态，当土壤环境条件如pH、Eh、可溶性有机质含量等变化时，或者发生冻融、干湿交替等环境胁迫，以及微生物对钝化剂的降解等均可能会导致重金属从土壤中缓慢释放并重新分配，再次导致土壤重金属污染。此外，某些钝化剂仅可降低特定重金属的生物有效性，当被施入复合污染土壤时，可能会造成其他重金属元素的活化。
而某些无机钝化剂如石灰、磷矿石、粉煤灰、沸石等，可能会降低作物对养分的吸收，抑制作物生长，还可能会造成地表水的富营养化。因此，对进入市场的钝化剂进行监管，建立完善及科学的钝化剂施用方法，并对其安全性和安全利用效果进行长效性评估，有利于保证粮食安全生产和人体健康。
2.5
其他问题
我国幅员辽阔，不同地区污染状况及土壤性质的差异，导致污染情况复杂多变，现有的土壤治理措施无法满足所有地区的治理需求，缺乏可直接套用的专业指导体系。此外，我国现有的土壤重金属污染治理技术多为单项技术，跨部门、行业(包括企业)的联动差，技术推广被局限在小范围内，难以大规模推广。此外，耕地污染通常面临着责任主体不清，农户配合积极性差的窘境，这与当前的治理过程中经费补贴标准过低、项目单一有关。重度污染耕地的调查也依旧存在采样点位不足、区域划分边界有待厘清、类别划分及动态调整不健全等问题。
03
中国重金属污染耕地土壤
安全利用过程中的改进建议
完善污染土壤划定标准与管理手段
健全污染土壤防控体系
优化污染土壤安全利用技术
04
结论
本文介绍了重金属污染耕地安全利用的常见手段，并对安全利用过程中存在的问题及建议进行了梳理，其中秸秆还田作为土壤中重金属农业源输入的影响不容忽视，在评估和界定土壤的污染程度时需结合作物和土壤中的重金属浓度综合评价，大力发展重金属复合污染土壤的安全利用手段，筛选低施用风险的钝化剂。最后需在政策及资金支持的前提下，结合农户意愿，对污染土壤进行全链条式设计，如考虑钝化剂施用量与施用频率、效果稳定性、成本、生态风险、对土壤肥力的影响等，研发形成较低廉、高效率、强稳定、全适应、易操作、可持续的污染耕地土壤安全利用技术体系及模式，确保重金属污染耕地土壤的安全利用。
作者简介
徐建明
博士，教授，博士生导师。
浙江大学求是特聘教授、博士生导师。1990年毕业于原浙江农业大学土壤农化系，获土壤学博士学位。现任农田土壤污染防控与修复技术国家工程实验室副主任，国务院学位委员会第八届学科评议组成员，全国农业专业学位研究生教育指导委员会资源利用与植物保护领域分委员会委员，2018-2022年教育部自然保护与环境生态类专业教学指导委员会委员，浙江大学农业资源与环境国家一级重点学科负责人，Research、Biogeosciences、Pedosphere副主编，CriticalReviewsinEnvironmentalScienceandTechnology、JournalofSoilsandSediments、Biochar、《土壤学报》、《植物营养与肥料学报》、《生态环境学报》、《土壤通报》、《土壤》、《环境污染与防治》等刊物编委。曾任原浙江农业大学土壤农化系系副主任、系主任，浙江大学环境与资源学院副院长、土水资源与环境研究所所长、浙江省农业资源与环境重点实验室主任，中国土壤学会副理事长等职。曾出访美国、澳大利亚、英国、加拿大、日本、德国、法国、爱尔兰、菲律宾、埃及等国进行合作研究或讲学。
长期从事土壤化学与生物化学、土壤污染控制与修复、环境质量与食物安全、生物地球化学过程与生态效应等领域的教学和研究工作，主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金创新研究群体以及重点和国际合作重点项目、国家973项目课题、科技部国际合作重点项目、国家重大科技专项等各类纵向科研项目40余项，在PNAS、TheISMEJournal、Microbiome、GlobalChangeBiology、SoilBiology&Biochemistry、EnvironmentalMicrobiology、EnvironmentalScience&Technology等国际学术刊物发表论文370余篇，主编中、英文著作8部，获省部级科学技术奖7项，获授权国家发明专利20件，获国家计算机软件著作权登记10个。主编出版的《土壤学》(第三版)教材是“十一五”、“十二五”国家级规划教材，2011年获中华农业科教基金会全国高等农业院校优秀教材奖，2019年12月主编出版的《土壤学》(第四版)于2021年获首届全国优秀教材二等奖。
1998年享受国务院政府特殊津贴;2000年获全国高校首届青年教师奖;2004年获国家杰出青年科学基金，入选国家级首批“新世纪百千万人才工程”;2007年被聘为教育部长江学者特聘教授;2008年获“中国土壤学会奖”，指导的1名博士获全国百篇优秀博士学位论文;2012年入选全国农业科研杰出人才及“产地环境质量与农产品安全”创新团队;2016年被授予国家环境保护专业技术领军人才;2017年负责的“土壤污染过程与修复原理”入选国家自然科学基金创新研究群体，被聘为国家水稻产业体系东南区土壤重金属污染防治岗位科学家;2018年当选美国农学会Fellow;2020年当选美国土壤学会Fellow，获浙江大学五好导学团队(主导师)。
