珠江三角洲地区土壤重金属污染控制与修复研究的若干思考

朱永官,陈保冬,林爱军,等.珠江三角洲地区土壤重金属污染控制与修复研究的若干思考[J].环境科学学报,2005,25(12):1575-1579ZHU Yongguan,CHEN Baodong,LIN Aij un,et al .Heavy metal contamination in Pearl River Del ta Status and researc h pri orities [J ].Acta Scienti ae Circ umstantiae,2005,25(12):1575-1579
[免审稿件]责任编辑提示:本刊欢迎广大读者针对免审稿件提出各种意见
珠江三角洲地区土壤重金属污染控制与修复研究的若干思考
朱永官
1,*
,陈保冬1,林爱军
1,2
,叶志鸿3,黄铭洪
4
1 中国科学院生态环境研究中心,北京 100085
2 北京化工大学环境工程系,北京 100029
3 中山大学生命科学院,广州 510275
4 香港浸会大学生物系,香港九龙
收稿日期:2005 08 29 修回日期:2005 10 19 录用日期:2005 10 25
摘要:土壤重金属污染是珠江三角洲地区主要的生态环境问题之一,直接影响到区域生态系统稳定和食品安全,关系到经济尤其是农业的可持续发展和人体健康,因而引起广泛的社会关注.对珠江三角洲地区土壤重金属污染现状和主要特征进行了分析,结合国内外土壤重金属污染研究动态,同时考虑国家需求和地区经济发展需要,提出今后热带亚热带地区土壤重金属污染研究的重点,以及对土壤污染综合治理的一些见解.
关键词:珠江三角洲;土壤污染;重金属;可持续发展
文章编号:0253 2468(2005)12 1575 05 中图分类号:X53 文献标识码:A
Heavy metal contamination in Pearl River Delta S tatus and research priorities
ZHU Yongguan 1,*,C HE N Baodong 1,LIN Aijun 1,2,YE Zhihong 3,WONG Minghung 4
1.Research Center for Eco Environ men tal Sciences,Chin ese Academy of Sciences,Beijin g 100085
2.Dep artment of En vi ron men tal En gin ee rin g,Beij ing Un ive rsi ty of Che mical Techn ol ogy,Beijin g 100029
3.College of Li fe Sciences,S UN YAT S EN University,Guan gzhou 510275
4.Dep artment of Biology,Hon g Kong Baptis t University,Hong Kon g
Receiv ed 29Augus t 2005; received i n revi sed form 19October 2005; a ccepted 25October 2005
Abstract :S oil heavy metal p ol lution is one of the main en vi ron men tal problems in Pearl River Del ta (PRD)re gion,which di rectly th reatens the stabili ty of regional ecosystem an d food safety,and h as profound i nfluen ces on economic sus tai nabili ty,especially for su stainab le agricu lture.Con seq uen tly,s oil p ollution and remed iation in thi s region h as been recei vin g e xtensi ve atten ti on from all arou nd Chin a.This p aper ai ms to p rovide an overview on cu rren t s tatu s and the ch aracteris tic s of heavy metal pollu ti on in this region,and to initiate main topic s of soil pollu ti on research in P RD regi on i n vie w of in tegrati ve manage men t of p olluted s oil s.Based on review of domestic an d overseas research progress in soil pollu ti on :mechani sms and con trol tech niqu es,this paper also e mp hasize some of the key research areas that need to be und ertaken sh ou ld the pollu tion trend need to b e reversed .K ey words :Pearl River Delta;soil p oll ution;heavy metals;sus tain able development
基金项目:国家杰出青年科学基金(No.40225002);国家重点基础研究发展规划(973)项目(No.2002CB410808);中科院 百人计划 项目资助作者简介:朱永官(1967 ),男,教授(博士),E mail:ygzhu@;*通讯作者(责任作者)
Foundation item :National Foundation for Dis ti nguis hed Youth of China (No.40225002);National Basic Research Program of China (No.2002CB410808);Hundred Talents Program
B iography :Z HU Yongguan(1967 ),male,Professor(Ph.D.),E mail:ygzhu@;*Corresponding au thor
20世纪80年代初,我国率先在珠江三角洲创办经济特区,对广东、福建两省部分地区实行特殊对外开放政策,珠江三角洲经济区利用独特的地缘、人
缘优势和优惠的政策条件,迅速实现了由农业社会向工业社会的转变,成为我国目前经济最发达、人口
最稠密的地区之一.然而,由于在社会经济发展过程
第25卷第12期2005年12月
环 境 科 学 学 报Acta Scientiae Circumstantiae
Vol.25,No.12Dec.,2005
中对合理利用自然资源以及保护生态环境重视不足,这个地区同时也成为生态环境变化最快、资源耗竭最为严重的地区,因而也是我国环境污染比较严重的地区之一.
1 珠江三角洲土壤污染的现状和特点(Status of soil
contamination in Pearl River Delta)
广东省建设厅对珠江三角洲城市群协调发展状况的调研结果显示,该地区在经济快速发展过程中,自然资源和生态环境保护面临着巨大压力,环境质量呈局部改善、整体恶化的趋势,表现为环境污染随产业转移而转移,行政区域交界地带环境保护力度较低,上、下游城市之间发生污染转嫁等(高丽等, 2003).前不久完成的国土资源大调查项目 珠江三角洲经济区1 25万生态环境地质调查明确表明,珠三角的地质环境令人担忧.水土污染是珠三角经济区目前影响较大的环境地质问题,主要分布于经济较发达、人口密集、乡镇企业多的平原区,污染源以生活污水及乡镇企业的工业废水为主.1985年全区排入江河废水达16 22亿t,到1993年已超过20亿t.东莞 增城南部 广州 佛山 三水一带是这一地区水土污染最严重的区域,河涌乌黑发臭,城市河段水质超标,生活和工业用水、农业用水十分紧张,不仅引起土壤污染、地下水污染,而且已导致鱼类、稻谷、蔬菜、瓜果等渔业和农业产品出现污染,严重危害着人类的健康.项目组根据地表水污染现状圈定的水土污染高风险区,面积达4720km2.据调查分析,局部地区片面追求经济高增长,不注重环境保护,先污染后治理、重经济轻环保的短期行为及以罚代管的落后管理方式仍然存在(李晓明等,2005).
广州市曾对近郊的污灌区进行普查,结果表明,在所有调查点的土壤中,镉、铅、汞、锌等重金属含量均超过广东省土壤背景值,镉含量平均达2 1 mg kg-1,最严重的达640mg kg-1.土壤污染还引起农作物污染:污染区的稻谷镉含量平均达0 45 mg kg-1,为清灌区的18 8倍,最高达4 7mg kg-1;铅平均含量达5 81mg kg-1,为清灌区的24 2倍,最高达11 8mg kg-1;汞平均含量为0 055mg kg-1,为清灌区的6 9倍;蔬菜镉含量平均为清灌区的50倍,铬含量平均为清灌区的135倍(曾思坚,1995).珠江口沉积物重金属含量和铅同位素研究表明,近30多年来该区域环境中重金属含量升高主要来自于人为活动,包括工业生产过程和汽车尾气排放(Ip et al ,2004;Wong et al ,2002).在众多污染因子中,金属矿的开发利用对土壤污染的贡献最为直接. Yang等对乐昌铅锌矿周围农田重金属污染农田调查表明,水稻田铅的平均含量达到近1500mg kg-1,糙米中铅的平均含量达4 5mg kg-1左右(Yang et al ,2004).
土壤污染问题己对珠江三角洲社会经济发展产生不良影响,如果不及时解决,问题将日趋严重,且制约地区社会、经济的持续发展和现代化的进程.然而,这个地区的土壤污染的特殊性使得污染治理也具有特殊的困难.珠江三角洲是土壤重金属污染敏感区域.该地区具有丰富的水热资源,植物生长旺盛,而这必然导致重金属土壤 植物传输量大,因而土壤重金属通过食物链传递而对人健康影响的风险较大.同时,基于亚热带气候和成土母质,该地区土壤风化程度高,导致该区土壤以带可变电荷的低pH 土壤为主,总体上土壤缓冲性能很差,对重金属固定的能力极其有限,因而导致土壤中重金属的活性高,易于被植物吸收,继而沿食物链传递,对当地居民健康具有严重的潜在危害.
2 土壤污染管理与控制 国家需求(Management
and control of soil contamination national need)
珠三角地区土地总面积4 17万hm2,2000年人口4077万,人均土地面积仅0 10hm2.1980~2000年耕地从96 8万hm2减少至63 7万hm2,人均耕地面积下降至0 015hm2,仅相当于全省人均耕地数量的1 2和全国人均耕地数量的1 4.从这一点考虑,对于珠三角土地资源的保护,以及污染土壤的治理显得更加重要和迫切.从区域经济可持续发展角度考虑,要保障农产品安全和人体健康,提高农产品及轻工业产品国际市场竞争力,进行土壤污染控制是一种必然选择.在国家提出以人为本构建和谐社会的框架下,保护生态环境,保持人与自然的和谐是重要内容之一.土壤是自然和农业生态系统中重要的物质基础,治理污染土壤,维持土壤环境质量,则是维护生态系统健康,保护生物多样性的基础.
对于土壤污染的控制策略,需要尽快转变地区经济增长方式;加强宣传教育,提高全社会的可持续发展意识;打破行政区域束缚,加强区域整体协调;合理利用和节约资源,建立资源节约型经济体系;加强立法和管理,切实保护环境(谢守红,2003).除了政策上的保障外,更重要的一点是污染土壤的管理
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和污染控制有赖于相关环境技术的研发,因而加强相关基础科学研究,发展具有可操作性土壤污染控制与修复技术已成为珠江三角洲实现可持续发展的必经之路.
3 国内外土壤重金属污染研究动态(Current
research trends of soil contamination by heavy metals)
目前国内土壤重金属污染研究在总体上与国外存在一定的差距.在 六五 以来国内相应开展了一系列有关土壤环境背景值、土壤环境容量和农业地质环境调查等系统的工作.但是过去大部分研究主要关注污染物的总量,而对污染物在环境机体 介质中赋存形态和生物有效性关注较少.在土壤 作物系统的研究中,过去强调对该系统中化学与生物学过程的分别研究,研究队伍相对独立.这种独立性与过去我们有土壤化学与植物营养两个学科的界线有一定关系.从目前国际上研究的趋势来看,需要强调土壤 植物系统中化学与生物学过程的耦合,特别是在作物根际.过去已经开展了不少农产品安全性调查,但样品采集的系统性、科学性和样品的代表性往往值得商榷.
土壤污染研究的一个重要趋势是近年来国内外已开始由定性描述转为定量关系模型研究,由热力学研究转为动力学过程与控制研究,由面上调查分析,转为微观机理研究(由此发展出新的学科生长点,如分子环境科学);在土壤毒理学研究方面由急性毒性研究转为慢性毒性研究,并且更加关注土壤污染对人体健康的潜在影响.相应地,在国际上已经发展到基于风险管理的控制与修复(实际应用)研究,系统的健康效应研究和区域风险评价.
根据国家需求及区域生态环境特点,关于土壤重金属污染有以下研究需求.
3 1 金属污染土壤风险评价:生物测试与化学分析
土壤污染风险评价的核心是剂量 效应关系,但根本问题是剂量的 内涵 .对于重金属和有机污染物而言,剂量涉及总量、形态和结构等,而放射性污染物则涉及内剂量或是外剂量.对于重金属而言,通过化学分析方法测定的元素总量不完全能反映风险,因此需要建立各种界定生物有效态的方法 生物有效性测定的原则是需要反映土壤介质中金属的容量与强度关系.如果我们能有效预测土壤中重金属的自由离子活度,我们就能预测生物体中污染物的积累的潜力.目前国际上有两种热力学与动力学相结合研究重金属有效性的新方法:英国Lancaster 大学发展的DGT(Diffusive Gradients in Thin films,扩散梯度薄膜)技术(Ernstberger et al ,2005)和荷兰Wagningen大学发展的DMT(Donnan membrane technique,杜南膜平衡)技术(Weng et al ,2005; Nolan et al ,2003).DMT技术最初用于研究沉积物中元素,不适用普通土壤,但可能适合水稻土.我们实验室研究表明,不同土壤中镉自由离子活度的
D MT测定值与WinHumicV模型预测值吻合很好(1
1),铅锌也是如此,但铜偏离大一些(Zhao et al , 2005).
进行土壤重金属污染健康风险评价,有两个关键环节:其一,结合自由离子活度模型与植物吸收系数预测重金属的食物链转移;其二,研究不同土壤 植物组合下土壤重金属在作物可食部分的富集系数(转移系数),从而预测重金属在食物链的传递.如果能够建立包括上述参数的数据库,就可以建立区域土壤污染健康风险模型,确立与人体健康相关的一系列参数.但目前这方面的数据还相当缺乏,因此,目前还有大量的基础工作需要做.
对于生态系统健康的评价,需要在群落、个体、细胞和分子水平上进行土壤污染毒理学研究.目前有应用的生物受体包括土壤动物、微生物和植物.有效评价的关键是早期预警技术,基因毒性检测相关技术(如彗星试验,单细胞凝胶电泳技术)可能具有广阔应用前景(林爱军等,2005;陈颖等,2005).
3 2 重金属污染土壤与污染场地的生物 生态修
复:稳定生态系统的构建
重金属污染土壤修复技术的研究是目前环境土壤学研究的重点领域之一,涉及土壤学、植物科学、农学和分子生物学等.过去10多年来国内外比较关注植物修复的理论舆技术研究,但是植物修复通常需要比较长的时间周期,同时有可能通过植物吸收而将本来在土壤中的重金属向食物链传递而引起污染物的扩散.目前有关植物修复的研究重点是深刻解析自然界超富集植物富集重金属的机理,从而为挖掘这些遗传资源提供理论依据.例如,通过对蜈蚣草超积累砷机理的研究,我们发现和证实蜈蚣草根系高度表达的砷酸还原酶对其富集砷具有关键作用(Duan et al ,2005),这为发掘修复砷污染土壤的植物资源提供了重要参考.事实上,自然界这些超富集是为了适应污染环境而进化了特殊的机制,这种进
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12期朱永官等:珠江三角洲地区土壤重金属污染控制与修复研究的若干思考
化的本质是生存需要.因此人类要利用这些植物资源进行环境治理必然需要经过驯化和适应的过程.
生态恢复主要针对严重污染土壤,以植被重建为核心技术,涉及特殊遗传资源(耐(抗)重金属基因)的挖掘、重金属生物吸收和耐受机理研究,以及特殊生物资源的开发利用.有利于植被重建的辅助技术(如共生微生物、基质改良措施)的研发也有很多工作尚待开展.已有研究表明,重污染场地,如矿区,植被重建/生态恢复的主要限制因子有重金属污染,养分贫瘠和不良的土壤物理性质等(Ye et al , 2002).
在生态恢复工程方面需要加强 生态设计 的研究,也就是运用生态学原理,通过研究扰动 污染环境中植被的演替规律,植被与地下生态过程的相互作用,探索重污染场地的生态重建理论与方法.这方面的研究包含基础理论研究、野外试验,并且需要相关学科之间的交叉.在开展 生态设计 研究的过程中需要思考的问题是,如何更好地向自然界学习,了解矿区植被的特征,关键物种抵抗重金属污染的机理,挖掘这些植物的遗传潜力.因此我们有必要在一些古老的矿区,进行自然的生态演替过程的研究,从而推导出自然界矿区形成稳定生态系统的机制和可能的调控原理.如果能够以典型的地点为研究对象,进行系统深入的研究,就可能获取新的理论,指导矿区治理实践.
3 3 化学控制技术
化学控制技术是通过向土壤添加修复材料,改变土壤pH,增加吸附点位和促进重金属离子与土壤其它组分(包括修复材料)的共沉淀等过程而降低重金属生物有效性的技术 由于目前还缺乏经济高效的手段将污染物从土壤中移走,如何通过改变土壤物理化学性质来降低污染物向食物链迁移是降低土壤污染风险的重要途径(Lombi et al ,2002).如上所述,在珠江三角洲地区以可变电荷土壤为主,而且土壤pH通常比较低,土壤缓冲性差.因此,同样程度的重金属污染在珠江三角洲地区土壤中的环境风险相对较高.另一方面,正是由于这些土壤具有弱的缓冲性,因此利用土壤修复剂(改良剂)改变土壤中重金属的生物有效性的余地比较大,从而可以达到大大降低污染物在植物体内的积累,降低当地居民通过食物链摄入重金属的量.我们的研究表明,向污染土壤中添加含磷物质,如骨碳、磷肥和羟基磷灰石等可以显著增加土壤中残渣态铅,降低蔬菜体内铅的积累(Chen et al ,2005).在欧美国家土壤污染研究对象以恒表面电荷土壤为主,因此现有的研究成果不能简单的套用到珠江三角洲地区,因此必须开展自主知识产权和有针对性研究.今后需要加强新型可持续土壤添加材料的研发及其作用机理研究,特别是利用一些废弃物生产价廉物美的修复材料,将循环经济与土壤污染控制 修复相结合.同时,由于化学修复不能将污染物从土壤中移走,因此今后需要着力研究土壤中重金属固定机制,被固定重金属在土壤中的稳定性以及环境因子对重金属在土壤中稳定性的影响.
3 4 生物控制技术
土壤 植物系统中重金属的迁移与积累需要经过若干个微界面过程,特别是根际过程、根系吸收、长距离运输和亚细胞区隔化等过程.这些微界面过程大多深受植物生物学过程的影响.许多研究表明作物对重金属吸收积累具有明显的基因型差异,并存在一定的遗传规律.如英国科学家发现水稻耐砷基因在第6条染色体上(Dasgupta et al ,2004).最近日本科学家研究表明水稻低积累镉的数量形状位点(QTLs)分别位于第3、6和8条染色体上(Ishika wa et al ,2005).如果无法有效地在短时间内将重金属从土壤中移走的话,通过挖掘作物遗传潜力,培育对污染物具有低积累和低转移的作物新品种,对于在中低污染土壤上维持农业生产发展具有实际意义.根据目前国内外的研究进展,可望在以下几个方面来挖掘作物遗传潜力:1)重金属在根际钝化机制(包括植物 微生物的联合机制)与强化途径;2)植物细胞壁的过滤机制,包括细胞壁组成对重金属吸收积累的影响及其可能的调控原理;3)植物细胞内重金属区隔化(液泡储存)的机制及其遗传改良途径.这些基础研究对于筛选和培育特殊作物材料和安全高产农作物品种至为重要.由于这些研究涉及土壤学,植物生理学、遗传育种学和分子生物学,因此必须强调多学科协同作战.
4 面向未来 珠三角地区土壤污染研究的重点
(Prospective of soil contamination research in Pearl River Delta)
针对热带亚热带土壤生态环境的特点(可变电荷和污染敏感性)和珠江三角洲地区持续增长的土壤环境压力,目前需要开展更为深入和系统的研究,主要包括以下几个方面.
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1)开展区域污染现状的研究,包括历史数据的整合,从而摸清污染现状,探明污染物来源、时空分布规律,并构建基于地理信息系统的区域土壤污染数据库.
2)在数据库的基础上结合健康风险模型开展区域土壤污染风险评价,建立污染预警体系.
3)系统研究热带亚热带生态条件下的污染物迁移转化的动力学机制和特征参数,揭示污染生态学机理.
4)开展结合循环经济的废弃物综合利用与新型土壤修复材料的研发,结合区域环境化学的研究成果,提出重金属污染的化学控制技术和措施,发展具有区域可适性的从源到汇的土壤污染控制 修复技术,包括二次污染的控制,如污染场地的修复,多介质污染环境(土壤)的修复等.
5)利用目前迅速发展的生物技术,高通量分析技术和功能基因组学,开展重金属在土壤 植物系统中积累与代谢的基础理论研究,通过离子组学等的研究,发展降低重金属在农作物可食部分积累的生物学控制技术.
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