农业生态与环境保护（第二版）9第九章农田土壤污染与修复电子课件.pptx

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1、农业生态与环境保护（第二版）9第九章农田土壤污染与修复电子课件农业生态与环境保护第九章 农田土壤污染与修复一、我国农田土壤污染现状一、我国农田土壤污染现状一、我国农田土壤污染现状一、我国农田土壤污染现状 随着经济的快速增长和城市化程度的不断提高，土壤重金属污染日趋严重。我国土壤污染面积亦不断增加，已有超过1000万公顷的土壤遭到不同程度的污染，直接影响到土地耕地质量、食品安全和居民健康。2014年，我国发布了全国土壤污染状况调查公报。全国土壤总的超标率为全国土壤总的超标率为16.1%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%，2.3%，1.5%，1.1%。污染类型以无机重金属污染

2、为主污染类型以无机重金属污染为主，有机污染次之，复合型污染比重较小。重金属污染物超标点位数占全部超标点位82.8%。重金属容易在农作物中富集，较高浓度的重金属含量可能对植物造成胁迫效应，导致农作物产量和品质受到影响。据调查，目前我国受镉、汞、铬、铅、铜、锌等重金属污染的耕地面积2000万公顷，约占耕地总面积的五分之一，我国因金属污染而引起的粮食减产每年达 1000多万吨，被重金属污染的粮食每年多达 1200万吨，两者合计每年经济损失至少200亿元。土壤中的重金属可通过植物累积而进入食物链，从而危害人体健康，引发癌症或其他疾病。镉因移动性大、毒性高、污染面积广等特点，在当前的土壤重金属中被称为“

3、五毒之首”。过去几十年里排放到全球环境中的镉多达 22000吨，导致部分农田的土壤污染问题，如江西省大余县污灌引起的镉污染面积12%；沈阳市某灌区因 污灌而造成农田受严重污染面积达13，已经成为严重污染区。二、农田土壤污染来源二、农田土壤污染来源二、农田土壤污染来源二、农田土壤污染来源 1、工业废物 改革开放以来，我国工业化和城市化迅速发展。然而工业发展的同时伴随着大量未经妥善处理的工业废水肆意排放、大气污染沉降和工业固体废弃物随意堆放等问题的发生，导致了周边农田土壤受到重金属污染的风险。相关研究表明，由于工业化和城市化的进程我国城郊周边农田土壤重金属含量已经普遍高于农村土壤，人为富集特征突显

4、，部分地区已经产生镉、铅和砷等重金属不断累积甚至严重污染的现象。污染源主要包括以下工业企业：金属矿产采选冶炼和加工业电器机械和器材加工制造业石油化工焦化行业交通和仓储业化学药品及农药制造业皮革纤维及纺织印染业2、农业肥料 长期以来，肥料就是农作物生长的必需品。为生长和完成生命周期，植物不仅需要大量营养元素（氮、磷、钾、硫、钙、镁等），也需要必要的微量营养元素，如钼、钴、锰、铁、锌、镍、铜等。当自然条件不足以供给作物生长的元素时，就可以人为添加这些元素，以满足作物生长所需、提高农业产出，如作物光合作用减弱若是因为根茎缺少重金属锰，则增施锰肥；若作物缺铜则增施硫酸铜。然而肥料中的微量营养元素仅少部

5、而肥料中的微量营养元素仅少部分能够被植物吸收利用，大部分重金属物质遗留在农田中，因分能够被植物吸收利用，大部分重金属物质遗留在农田中，因此长期的肥料滥用就会导致重金属不断累积，造成土壤污染。此长期的肥料滥用就会导致重金属不断累积，造成土壤污染。有些肥料中本身就含有对植物生长有害的重金属，如磷肥中镉含量较高，长期施用会造成土壤和植物镉累积，影响土壤性质及农产品产量和品质。据国外学者报道，若在农田中施用大量的磷肥，肥料中80%的镉会留在土壤中。（1）无机肥 无机肥主要包括：氮肥：主要包括碳酸氢钠、硫酸铵、尿素、硝酸铵。磷肥：主要包括过磷酸钙、磷酸二氢钾、磷矿粉等。钾肥：主要包 括硫酸钾、硝酸钾等。

6、复合肥：即以上三种肥料中两种或两种以上的复合产品。表中显示所有化肥中几乎都含有铜、锌、铬、镉、铅、砷、汞种重金属，表明肥料中重金属普遍存在，但重金属含量是有差别的，如锌、铬、铅和砷四种重金属含量普遍较高。值得注意的是，相比于其他肥料，磷肥中的镉含量普遍较高。（2）有机肥 有机肥是指经植物残体和（或）动物粪尿及其他生物物质发酵而成，施于土壤中以供给植物营养的碳基肥料。若植物或动物体内重金属含量较高，发酵而成的有机肥可能携带较高浓度的重金属。这些肥料的长期施用，可能引发土壤重金属污染风险。部分学者认为，有机肥是所有肥料中对土壤重金属贡献最大的因子，如在英国，家庭养殖产生的动物排泄物带入农田中的铜、

7、锌量约占重金属总输入量的40%。一些长期定位研究报道，有机肥使土壤铜、锌、镉、铬、汞和砷含量都呈增加趋势，而施用氮肥对土壤重金属影响不大，施用磷肥使土壤镉含量增加。有机肥中以鸡粪、猪粪、垃圾粪肥和污泥粪肥发酵而成的肥料中铜、锌风险最高。尽管有机肥可能提高土壤重金属含量，但施用有机肥能够有效降低农产品中重金属累积，因而常常被用于农田土壤安全利用，如研究报道施用有机肥使番茄中的汞和铬含量降低，施用牛粪有机肥能够显著降低辣椒、生菜等蔬菜可食部分镉和铜的浓度，其原因在于有机肥钝化了土壤重金属或抑制了作物的重金属富集。（3）污水 污水灌溉作为一种污水利用的方式已有400年的历史，在我国乃至世界上许多国家

8、都有广泛的应用。据统计，世界范围内每年使用污水进行灌溉的农用耕地达200万公顷。欧洲的学者报道，亚洲和非洲的一些城市50%的蔬菜供应来自污水灌溉农田。虽然污水中重金属含量通常比较低，但长期灌溉仍可能导致土壤重金属累积。国内学者调查了一些长期使用污水灌溉的污灌区土壤重金属污染情况，如石家庄污灌区土壤铬、砷含量高于非污灌区，太原市污灌区土壤汞、镉、铅、砷等重金属高于太原市土壤重金属背景值。（4）有机废弃物 有机废弃物是指人们在生产活动中产生的丧失原有利用价值或虽未丧失利用价值但被抛弃或放弃的固态或液态的有机类物品和物质，如畜禽粪尿、污泥等。这些有机废弃物进入农田土壤中，可能导致土壤镉、铬、铜、铅、

9、汞、镍、硒、锌等重金属的污染。尽管畜禽粪便常常作为有价值的肥料被直接还田，但若未加无害化处理，可能引起重金属在土壤中的累积。其原因在于饲料中生长促进剂含有较高浓度的铜和锌，导致食用这些饲料的动物产生的粪便中铜、锌浓度较高。（5）农药 在农业和园艺中广泛使用的几种常见农药中含有较高浓度的重金属。在英国，约10%的杀虫剂和杀菌剂是含铜、汞、锰、铅或锌的化合物，例如，用于杀死真菌的硫酸铜和氯氧铜杀菌喷雾剂，用于控制果园寄生性害虫的砷酸铅杀虫剂。在新西兰和澳大利亚，含砷化合物还被广泛用于防治牛蜱虫和香蕉害虫。而调查发现，这些地区的土壤中铜、铬和砷浓度远远超过当地土壤背景值。对当地农药企业遗址也开展调查

10、，发现其周边表层土壤砷、铅、镉和汞含量发生明显累积，尤其是砷的最高浓度达到欧盟土壤标准的2.59倍。三、农田土壤污染特点及危害三、农田土壤污染特点及危害三、农田土壤污染特点及危害三、农田土壤污染特点及危害 1、农田土壤重金属污染特点 （1）形态多样且毒性不同 一般来说，离子状态的重金属比络合状态的毒性要大得多，如铜、锌、镉和铅的离子态毒性均远大于其络合态。重金属的有机结合态的毒性通常大于无机相态，比如汞以甲基汞形态存在的危害远大于无机汞形态。（2）隐蔽性和滞后性 相对而言，大气、水体和废弃的污染比较直观，往往凭借感官就能发觉，而 农田土壤重金属污染靠感官难以察觉，多是通过化学手段检测或是造成生

11、物损害之后才被发现。因此农田土壤重金属污染具有滞后性和隐蔽性的特点。（3）不可逆性 土壤重金属污染是一个不可逆的过程，参与自然界自净作用转化中的重金属仅可能发生形态上的转变，或是从一处迁移至另一处，通常情况下农田土壤重金属污染一旦发生，就很难被降解消除。（4）表聚性 土壤中存在无机胶体、有机胶体和有机无机复合胶体，对重金属有较强的吸 附作用和螯合能力。所以当重金属进入土壤中，首先受到这些胶体的吸附螯合作 用，限制了其在土层中的迁移，使得重金属污染物难以向土壤下层移动，大多残 留在土壤耕层。2、农田土壤重金属污染危害 （1）对土壤环境的危害 土壤重金属污染会引起土壤组成、结构和功能变化，影响土壤

12、微生物活性和土壤动物的生存繁衍，破坏土壤生态系统功能。重金属对土壤生物的影响与其污染程度密切相关，土壤动物群落的类群数 目和个体数目随污染程度的加重而减少。在土壤重金属严重污染区，动物数量和种群密度锐减。（2）对农作物和食品安全的危害 土壤中的重金属超过限量浓度会造成重金属胁迫，重金属胁迫可能抑制细胞酶活性，诱导出对植株生长有危害的物质，影响植株的正常生长。近年来，许多污染地区的粮食、蔬菜、水果等食物中镉、铬、砷、铅等重金属含量超标或接近食品安全临界值，不少地区已经发展到产生“镉米”“铅米”及“铜米”的程度。（3）对人群健康的危害 据世界卫生组织报道，在孟加拉湾和西孟加拉湾的地下水砷污染地区，

13、当地居民因饮用砷污染水，引发3600万人砷中毒，被称为是“人类历史上危害最严重的、规模最大的中毒事件”。20世纪50年代，日本的水俣病公害事件轰动世界。同样发生在日本的“痛痛病”事件是由于人们摄入了受镉污染的鱼类、稻米导致的。在我国也有相关报道，广西某矿区因污水灌溉而使稻米镉浓度严重超标，当地居民长期 食用这种“镉大米”后，开始出现腰酸背疼和骨节痛等“痛痛病”的症状，经过骨骼透视后确定，已经达到“痛痛病”的第三阶段。四、农田土壤污染修复技术四、农田土壤污染修复技术四、农田土壤污染修复技术四、农田土壤污染修复技术 1、农艺调控技术 我国土壤污染防治行动计划确定了农用地分类管理的思路，对于中轻度污

14、染农田重在安全利用。因此，可以采用农艺调控技术边生产边修复，以保障重金属污染农田的安全生产。（1）深耕翻土 深耕翻土措施是将土壤上下土层翻动，使表层的重金属转移到深层土壤中，以减少其对植物系统的毒害作用。深耕翻土旨在通过稀释表层土中重金属的含量，以降低农田中重金属的植物毒性。尽管深耕措施具有对土壤扰动相对较小、效果明显、成本低廉、农民认可度高等优点，但其未从根本上改变土壤重金属含量或其形态。而且当外来污染物进 一步在土壤中累积，则可能导致上下土层的重金属累积，加速了污染物的向下迁移。（2）水分管理 通过调节土壤水分，控制土壤的氧化还原电位（Eh），以降低重金属的植物可利用性，进而抑制作物中重金

15、属累积的一种修复技术。淹水还原条件可有效降低水稻镉的累积量，而好氧条件下水稻镉累积量增加。水稻抽穗期到成熟期，是水稻吸收镉的关键时期。在这一时期，延长水稻的滞水时间，保持淹水，可显著减少水稻籽粒镉含量。水分管理一般适宜于形态变化受土壤Eh 影响较大的重金属污染土壤，如镉、汞和砷等。（3）肥料管理 肥料管理措施是指向土壤或作物施加功能性肥料，以阻止农作物对重金属的吸收，从而降低作物中重金属累积的一种修复措施。一般分为叶面肥和地面肥，前者是直接向植株叶表面喷施肥料，后者则是向土壤中增施肥料。近年来，常用的肥料管理修复措施以叶面微肥喷施为主，涉及硅肥、硒肥和锌肥等多种肥料类型。（4）低积累作物品种筛

16、选 所谓低累积作物品种是指吸收或运输重金属到可食用部位能力低的农作物品种。在中轻度污染土壤上，种植低累积作物品种，是我国污染土壤利用的一个切实可行的措施。不同作物种类对不同重金属的累积量有所差异，例如镉污染土壤 中豆类作物镉累积量较低，根菜类蔬菜镉累积量居中，而叶类蔬菜镉累积量相对较高。2、固化 钝化阻控技术 固化 钝化阻控技术是指向土壤中加入一种或多种活性物质，通过发生离子交 换吸附、有机络合、共沉淀、氧化还原等反应，改变土壤重金属的化学形态，降低土壤中重金属的迁移性、植物有效性和生物毒性，最终达到使农产品符合相关食品安全标准的目的。重金属污染土壤的钝化修复材料主要为磷化合物、碱性物质、黏土

17、矿物、有机物料、金属氧化物、炭材料、新材料，各类化学修复材料的结构成分、修复效果以及作用机制各不相同如下表。3、植物修复技术 广义的植物修复技术是指利用植物提取、吸收、分解、转化和固定土壤、沉 积物、污泥、地表水及地下水中有毒有害污染物技术的总称。植物修复技术不仅包括对污染物的吸收和去除，还包括对污染物的原位固定和转化，即植物提取技术、植物固定技术、根系过滤技术、植物挥发技术和根际降解技术。与重金属污染土壤有关的植物修复技术主要包括植物提取、植物固定和植物挥发。植物修复过程是土壤、植物、根际微生物综合作用的效应，修复过程受植物种类、土壤理化性质、根际微生物等多种因素控制。（1）植物提取 植物提

18、取是指利用超积累植物吸收污染土壤中的重金属并在地上部分积累，通过收割该植物地上部分从而达到去除污染物的目的。植物提取分为两类，一类是持续型植物萃取，直接选用超富集植物吸收土壤中积累的重金属；另一类是诱导性植物提取，在种植超积累植物的同时添加某些可以活化土壤重金属的物质，提高植物萃取重金属的效率。（2）植物固定 植物固定是指利用植物根系固定土壤重金属的过程。重金属被根系吸收积累 或者吸附在根系表面，也可通过根系分泌物在根际中被固定。此外，植物根际微生物（细菌和放线菌）通过改变根际土壤性质（如 和 ）而影响重金属在根 际的化学形态，也有利于降低重金属对植物根系的毒性。植物固定可降低土壤中 重金属的

19、移动性和生物有效性，阻止重金属向地下水和空气的迁移及其在食物链 中的传递。植物固定技术并非真正意义上从土壤中去除重金属，只是将重金属固 定在植物根部或根际土壤中，因此开展修复土壤的长期监测是必须的。（3）植物挥发 植物挥发是指利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的硒、汞和砷等转化为挥发形态以去除其污染的一种方法。植物挥发技术适用于修复那些硒、汞和砷污染的土壤。在硒污染土壤中种植芥菜可以通过挥发形式去除土壤硒。洋麻可使土壤中三价硒转化为挥发性的甲基硒从而达到去除的目的。种植烟草可 以使土壤中的汞转化为气态的汞而把土壤中的汞去除。气态硒、汞和砷等挥发到大气中易引发二次污染，因此要妥善处置

20、植物挥发的有害气体。4、微生物修复 土壤中微生物数量众多，某些微生物如细菌、真菌和藻类对重金属具有吸附、沉淀、氧化还原等作用，从而降低污染土壤中重金属的毒性。细胞壁是细菌和重金属直接接触的部位，富含羧基阴离子和磷酸阴离子，易结合环境中活性金属阳离子到其表面。细菌及其代谢产物对溶解态的金属离子具有较强的活化能力，也可以吸附固定土壤中的重金属。研究发现从香蒲根际中分离出的一些菌株能钝化固定土壤中的铜和镉，降低它们在土壤中的可交换态含量。有研究报道，在土壤中接种某菌株，利用其在底物诱导下产生的酶化作用，分解产生碳酸根，从而矿化固结在土壤中的有效态重金属，使其沉积为稳定 态的碳酸盐。根际中菌根真菌对于提高植物对重金属的抗性和提高修复效率具有重要作用。菌根真菌可通过分泌根系分泌物改变重金属在根际中的存在形态，进而降低重金属的植物毒性和生物有效性。接种菌根真菌可提高蜈蚣草对土壤中As的提取效率。菌根修复（微生物修复）是植物微生物联合修复的一种，菌根修复 的关键仍是植物修复，筛选出优良的菌种并在植物修复中应用是今后微生物修复 发展的方向。