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骆永明:中国土壤污染与修复科技研究进展和展望

分类:固废观察 > 土壤修复    发布时间:2020年9月2日 8:27    作者:固废观察公众号    文章来源:固废观察公众号



















土壤污染与修复是土壤学的一个重要分支学科,对推进中国土壤污染管控与修复工作、保障国家土壤环境安全和生 态文明建设发挥着重要的科技支撑作用。简要分析了中国土壤污染状况,介绍了国内外土壤污染与修复技术研究现状与发展 趋势,指出了我国土壤污染防治科技研发中存在的若干问题,提出了今后我国土壤污染与修复科技研究与发展的总体思路与 主要方向等对策建议。




我国土壤污染防治形势严峻。当前,农用地 污染面广、量大,工矿企业场地土壤与地下水污 染问题突出,流域性或区域性土壤污染态势凸显, 土壤污染风险增大,威胁我国农产品质量安全、人居环境安全和生态环境安全[1-2]。习近平总书记 曾多次强调“强化土壤污染管控和修复,有效防范 风险,让老百姓吃得放心、住得安心”。开展土壤 污染过程与风险基础研究,推进土壤污染管控与修复共性关键技术研发,强化土壤环境监管,保 障土壤环境安全,既是加大《土壤污染防治行动 计划》科技支撑力度的现实需要,也是支撑美丽 中国、生态文明建设的长期需要。本文简要分析 了我国土壤污染状况,介绍了国内外土壤污染与 修复技术研究现状与发展趋势,指出了我国土壤 污染防治科技研发中存在的若干问题,提出了我 国土壤污染与修复科技研究与发展今后的总体策 略与主要方向等对策建议。


1、我国耕地和工矿场地土壤环境污染状况



我国土壤污染在区域上涉及西南、华中、华南、 华东、华北、西北、东北七大区的各省市区,空间 上遍布城市、城郊、农村及自然环境(例如地质高 背景区),在利用方式上涵盖农用地、建设用地、矿 区、油田和军事用地[2-3]。在污染物类型上,耕地土 壤以重金属为主,包括镉、砷、汞、铬、铅、铊、 锑等;工矿场地,除重金属外,常出现有机污染物, 包括苯系物、卤代烃、石油烃、持久性有机污染物 等。有的土壤还存在病原菌、病毒等生物性污染, 有的则存在爆炸物、化学武器残留物、放射性核素、 抗生素及抗性基因、塑料及微塑料等[4-5]。这些污 染物在土壤中以不同的赋存形态、含量、污染方式 及污染程度存在,具有不同的释放性、迁移性、有 效性和风险性[5-6]。对土壤环境中这些污染物的源径-汇和过程-含量-效应-风险,人们研究和了解得 相当有限。


2014 年发布的《全国土壤污染状况调查公报》[7] 显示,总的调查点位超标率为 16.1%,中度和重度 污染点位分别为 1.5%和 1.1%。耕地土壤的超标率 高达 19.4%,面广、量大,危及农产品质量安全和 生物生态安全。工矿业场地土壤污染问题突出,点 位超标率达 36.3%,有色金属矿采选、有色金属冶 炼、石油开采、石油加工、化工、焦化、电镀、制 革、造纸、废物处置、电子废旧产品拆解等重点行 业用地及周边土壤污染风险高,危及人居环境安全 和生态系统健康。


2、国内外土壤污染与修复技术研究现状与发展趋势 



近 20 年来,我国农用地和工矿用地土壤污染过 程与修复科技快速发展。根据全球文献计量分析, 我国近 20 年发表英文(SCI)论文数量逐年增加,在 2010 年就超过美国,位居第一;我国土壤修复技术 专利在全球的占比呈直线增加,比例达 60%以上, 远高于世界其他国家或地区,美国位于第二位。


2.1 土壤污染成因和过程研究与发展现状 


近 40 多年来,欧美发达国家在土壤污染来源、 过程、机制、效应、风险、预测等基础理论与方法 上开展了系列研究[8]。在土壤-植物和土壤-地下水系 统污染物迁移转化机制,特别是微观分子机制、多 介质传输机制、多界面分配机制、多尺度预测模型 等方面,取得了长足的研究进展[9]。解析了多尺度 污染物源-径-汇和形态/剂量-受体关系,建立了污染 源数据库、生物毒性数据库和环境基准体系;在对 土壤环境背景及基准研究的基础上,建立了污染物 的迁移风险、生态风险和健康风险评估方法;形成 了土壤污染防治的基础理论、方法及技术原理,发 展了基于界面行为调控的土壤-植物和土壤-地下水 污染物有效性调控方法;为污染土壤环境质量标准 制定及修复新技术设计奠定了理论与方法基础。 


在国内,近 40 年来,通过 20 世纪 80 年代第二 次土壤普查和 21 世纪初第一次全国土壤污染调查, 积累了大量基础性数据,建立了全国土壤背景值图 集[10],分析了我国土壤污染特征,评价了土壤环境 质量状况,提出了土壤污染防治对策[11]。近 20 年来, 在国家“973”计划项目支持下,围绕农业生产、环境 保护和生态文明建设,在京津冀、长江三角洲(长 三角)、珠江三角洲(珠三角)、东北老工业基地、 西南矿区和地质高背景地区等区域,开展了多尺度 土壤污染特征、污染物迁移转化机制、界面过程和 环境风险等方面的系列研究,了解了土壤中污染物 迁移转化规律、生物有效性和污染风险,初步阐明 了重金属与持久性有机污染物复合污染及生态效 应,建立了部分土壤环境基准与标准,发展了土壤 污染风险管控与修复技术原理,为土壤污染防治提供了理论与方法指导[12]。“十三五”期间,在国家重 点研发计划项目支持下,土壤污染成因、过程及风 险研究进入了新阶段,未来 5 年内将在土壤污染源 汇关系与源解析、污染物积累与转化机制、污染物 扩散与驱动机制和污染风险评估方法与指标体系等 方面取得系统性、创新性研究进展。


2.2 、土壤污染管控与修复技术研究与发展现状 


近 20 年来,在国家“863”计划项目等支持下, 我国土壤污染修复技术研究,于“十五”起步,“十一 五”进步,“十二五”发展,“十三五”跨越;20 年的进 展,带动了土壤修复技术应用和绿色修复产业化发 展,在修复技术、装备及规模化应用上与先进国家 的距离在加快缩短。技术支撑上,初步建立了场地 土壤修复技术体系,快速、原位的土壤修复技术得 到研究与应用;技术装备上,研制了能支持快速土 壤修复的多种装备;技术产业上,研发的技术支撑 了规模化应用及产业化运作。总体上,在农用地土 壤污染管控与修复技术上,我国与发达国家并驾齐 驱,有的已处领先地位;在建设用地方面,我国的 土壤污染管控与修复技术水平与欧美国家相比尚有 距离[13-14]。


(1)在农用地方面,根据国际技术的研发历程、 产业化程度和应用推广的分析,侧重发展农用地土 壤重金属污染管控与修复技术,可归纳为三类:I 类 技术(植物提取与资源化技术)相对成熟,已经实 现产业化,仍是研究热点;II 类技术(重金属钝化 与替代种植技术)正逐渐成熟,开始进入产业化阶 段,缓慢发展;III 类技术(植物阻隔与稳定化技术) 已有研究基础,正在加快产业化进程,快速发展。相对于发达国家,我国农用地土壤污染治理技术研 究起步较晚,但进步迅速。在我国,植物阻隔/稳定 化技术研发早于国际,植物提取与资源化技术已处 国际领先地位。我国的相关论文、专利数量增幅明 显,但篇均引用频次大幅落后美国等发达国家① ,指 明需要继续加强提升研究质量和学术影响力。正在 努力的方向是丰富修复植物种质资源[15]、提升修复 功能材料产品效益[16]、发展资源-材料-技术-效评体 系[17],继续加大投入,形成高效、廉价、安全、普 适的农用地土壤污染管控与修复技术模式。


(2)在工矿用地方面,欧美国家已经形成场地 土壤污染调查、风险评估、标准制定、管理控制、 修复技术和法规体系[18-19];正在着力研发高效、安 全、低能耗、低成本、低碳排的生物修复技术及多 技术耦合智能系统。近 20 年来,我国场地-地下水 污染风险管控与修复技术发展上,发表的英文(SCI) 论文数量快速增加,已经超越美国;虽然在多种新 技术发明的时间上落后于美国平均约十年,但我国 发明专利占国际的比例接近三分之二① 。然而,我国 的相关技术转化率较低,总体上仍处于跟踪阶段。在重金属污染修复方面,国内外的共同热点在植物 修复、固化/稳定化药剂及设备、淋洗设备,电动修 复的电极材料研发和微生物修复的菌剂研发等。有机 污染修复方面,发表的论文数量明显少于重金属;我 国的不少工作集中于有机污染物的热脱附设备以及 微生物修复药剂的研发。热脱附及相关技术在国际上 已步入产业化阶段,在国内异位和原位热脱附技术广 泛应用于难降解性或持久性有机物污染场地土壤的 修复。近年来,国内外生物修复技术研究与发展迅速。近 10 年我国的相关技术研发明显增强[20]。微生物转 化技术、生物质炭复合纳米技术、强化氧化/还原技 术、多相抽提技术、深度垂向阻隔技术、可渗透反 应屏障技术等在国内得到发展,并应用于场地土壤 与地下水管控与修复。现正努力创新研发绿色高效 环境功能材料,研制智能化、模块化装备,提升绿 色和可持续的土壤污染管控与修复技术、产品与装 备水平,致力于土壤污染综合防治与安全利用技术 体系及模式的形成,提升土壤环境管理与风险监管 能力及土壤污染协同治理水平。


2.3、土壤污染与修复科技研究与发展趋势 


纵览国内外土壤污染与修复科技研究与发展, 其总体趋势表现为:


(1)在过程与效应上,从传统 污染物、单一污染过程与生态效应关注到新兴污染 物及其复合污染过程与健康效应,从单一的物理、 化学或生物学过程及机制发展到多介质、多界面、 多过程耦合机制。


(2)在分析与监测上,从单一的 污染物含量分析到多种监测并存分析,从微观的点 源分析到宏观的多源、多尺度的土壤立体智慧监测。


(3)在风险与管理上,从健康风险到生态风险,从污染源阻隔到过程管控,融合遥感、物联网、大数 据的智能风险管理。


(4)在修复技术与利用上,单 一修复技术到多技术耦合系统,从源头控制、过程 阻断、净化修复、安全利用到生态开发的集成治理 再发展模式。


(5)在修复材料与装备上,从单功能 单目标到多功能多目标的靶向修复材料方向发展, 从服务于离场异位修复的固定式装备向支持现场原 位修复的移动式、模块化装备方向发展。


(6)在工 程应用方面,从单项修复走向场地土壤污染协同智 慧修复方向发展。就近五年来的污染修复技术热点 及趋势分析而言,国际上更多地关注生物修复、植 物修复、固化/稳定化等原位技术研究。例如,关注 于生物群落结构对污染物去除的作用[21]、植物生长 状态对重金属的富集[22]、长效性的固化/稳定化材料 (如生物质炭)等[23]。总体而言,我国的研究热点与 国际的相一致。


3、我国土壤污染与治理科技研发中存在的若干问题



近年来,国家高度重视土壤污染防治科技的投 入,科学技术部、国家自然科学基金委、生态环境 部、农业农村部、中国科学院等部委相继启动了一 批土壤污染过程、管控与修复重大项目,大大促进 了土壤污染防治科技的发展。但是,在我国土壤污 染与治理修复科技研发中尚存在如下重要问题:


(1)土壤环境基准是土壤环境质量标准制定的 基础,可科学地反映土壤污染物的环境行为对相关 受体的效应及其风险。我国土壤环境背景值和环境 基准严重不足,难以满足科学制定土壤环境质量标 准的需要;现有土壤环境质量标准基本上与全国土 壤类型和土壤利用方式脱钩,难以支持国家及区域 土壤环境标准化和差异化管理。


(2)风险评估与风险管理存在明显局限性。在 场地土壤和地下水健康风险评估模型计算上缺乏我 国土壤中污染物的毒性和毒理参数,更是严重缺乏 本土化参数,从而造成过于保守或过于宽松的风险 控制值或修复目标值,难以有力、有效地支持科学 的风险管控。迄今,我国尚缺乏大量研究支持下的、 能有效保护土壤生物安全和生态系统健康的生态风 险评估方法,亦缺乏能有效保护地下水安全的环境迁移风险评估方法。


(3)基于风险管控的稳定化技术推广应用难以 降低土壤污染物超标率,难以体现土壤环境质量的 改善。特别是对农用地土壤,在缺乏长效稳定调理 管控材料下,需要反复施用土壤稳定剂,将严重影 响良田的土壤肥力质量和健康质量。 


上述问题关系到国家《土壤污染防治行动计 划》[24]中提出的目标的实现。例如,到 2030 年, 全国土壤环境质量稳中向好,农用地和建设用地土 壤环境安全得到有效保障,土壤环境风险得到全面 管控;主要指标是到 2030 年,受污染耕地安全利用 率达到 95%以上,污染地块安全利用率达到 95%以 上。


4、 我国土壤污染与治理修复科技研发展望



土壤环境安全是支撑美丽中国和健康中国建设 的重要基础。防治土壤污染,保障农产品质量安全、 人居环境安全和生态环境安全,是我国乡村振兴和 生态文明建设的重大战略需求。我国土壤污染防治 策略应针对我国社会经济发展中面临的重点区域、 重点行业、重点污染物的土壤污染问题,以“保护优 先、综合防控、改善质量、安全利用”为土壤污染防 治出发点,构建基于“基准化监管”和“净土化修复” 的土壤污染防治理论和技术创新、工程应用与管理 支撑以及产业化发展的全链条式科技创新体系,建 立多学科融合、多部门协同、产学研结合和国际合 作的自主创新机制,培育具有市场开拓力和国际竞 争力的土壤修复企业,全面提升土壤污染防治科技 水平,支撑和引领土壤污染攻坚战,抢占土壤污染 防治领域的国际战略制高点,形成我国土壤污染治 理体系,以安全健康的土壤支撑美丽中国和生态文 明建设。《中华人民共和国土壤污染防治法》[25]明确 指出,国家支持对土壤环境背景值和环境基准研究, 而且修复活动应当优先采取不影响农业生产、不降 低土壤生产功能的生物修复措施。建议未来重点研 究方向如下:


(1)土壤污染过程、效应与生态健康风险。包 括土壤环境污染物的多尺度效应及其转化的新方法 和新技术;土壤圈污染物多介质、多界面、多过程耦合动力学机制与气候变化影响预测;区域土壤复 合污染物的生物地球化学过程与环境质量演变;重 大工程活动和自然及人为灾害的土壤环境影响;土 壤中污染物与生物相互作用、致毒机理与调控机制;土壤污染的食物安全、生物安全与健康风险;原位 强化生物修复技术原理等科学问题。


(2)土壤污染监测技术、风险评估方法和环境 基准。包括土壤新型污染物与环境暴露分析方法;基于人工智能和物联网的区域土壤污染快速识别与 环境信息传输处理方法;土壤污染高精度调查和智 慧监测系统;土壤污染生态风险、健康风险和迁移 风险评估方法及其在土壤环境基准中的应用;区域 土壤环境背景值、风险评估本土化参数与土壤环境 安全利用指标;基于土壤类型及利用方式下农用地 土壤-作物系统污染过程-效应-风险-安全评估方法;区域土壤污染物生物有效性与环境基准/标准制定 等科学问题。


(3)土壤污染修复功能材料、绿色技术和智能 装备。包括土壤污染的长效稳定/转化/去除和生物降 解功能材料;土壤复合污染阻控和修复靶向技术;土壤污染植物、微生物组[26]及其原位协同自净修复 技术;土壤和地下水污染现场原位修复的规模化智 能装备;修复后土壤安全利用、评估与空间生态开 发技术;农用地、建设用地、矿区油田和军事场地 等污染土壤的靶向仿生、协同精准和智慧修复等绿 色可持续净土科技问题。


(4)土壤环境信息管理系统与智能服务平台。 在长江经济带、黄河流域、京津冀、长三角、粤港 澳大湾区等重点区域,建立区域土壤污染与环境质 量演变长期定位研究基地和多区域多要素观测网络 系统;建立基于多源数据融合的国家土壤环境信息 管理系统与智能服务平台等区域土壤环境精准管理 与安全保障等科技问题。


来源 | 土行者
作者 | 骆永明,滕 应
编辑 | 万梓薇

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