环境修复

侯德义课题组EST论文:污染农田修复的生命周期评价与政策启示

2021-08-24 09:01:17 污染土壤地下水修复GSR实验室 作者:金远亮 侯德义

简介:本研究提出了一个综合污染农田修复三次环境影响的生命周期评价方法,对重金属污染农田管理的四种情形:无干预、植物修复、化学稳定化和替代种植开展分析。研究发现:1)植物修复和化学稳定化能显著降低无干预的总环境影响;2)植物修复的生物富集系数(BCF)和干物质运输距离、稳定化药剂的上游生产及长效性是决定两者比较优势的关键;3)如果将修复后土地使用的间接影响考虑在内,替代种植方式产生的总环境影响在某些情形下有可能远高于前两者。研究结果为相关技术研发和政策制定提供了依据。

健康的土壤是实现联合国可持续发展目标(UN SDGs)的基础。然而,全球范围内的农药、肥料、灌溉废水、塑料和农村废物的持续使用造成了严重的农业土壤污染。特别在亚太地区,快速经济增长驱动的工业、采矿和能源生产与传统农业实践与消费行为产生剧烈冲突,引起的土壤污染直接导致人类健康的恶化。我国大量耕地土壤点位超标,其中镉超标尤为严重,引发了农产品重金属超标的“镉大米”等事件。采取有效措施控制污染蔓延并实现退化土地的可持续利用,成为我国迫切面临的重要议题。

对污染土壤采取修复或风险管控,是恢复土地功能、保证人体健康和农产品安全的主要手段。国外针对污染土壤的修复,分别经历了早期的“一刀切”修复和之后基于风险的修复方法,进入21世纪以来,逐渐形成了绿色可持续修复的总体趋势。而在我国,早期主要关注的是农田土壤肥力质量的提升,在中低产田、盐碱地、以及荒漠化土地的综合治理层面开展了大量工作。九十年代中期以来,随着工业活动和矿山开采引发的农田重金属污染逐步为公众知晓,特别是一系列的农产品安全事件爆发,驱动了我国针对农田重金属污染的综合治理。2016年以来,在《土壤污染防治法》和“土壤污染防治行动计划”的指导下,我国逐步构建起农用地污染风险管控分级分类的管理框架。同期,科技部和农业农村部分别启动了“农业面源和重金属污染农田综合防治与修复技术研发”和“全国农产品产地土壤重金属污染防治”等系列专项。相继形成了工程措施、植物修复、化学稳定化、农艺调控和替代种植等修复与安全利用技术。但面对我国庞大且多样复杂的农田重金属污染修复需求时,这些技术对于不同类型土壤污染时可能存在效果不稳定、适用范围窄、成本不可控等弊端。因此,建立适用于我国国情的农田土壤污染绿色可持续修复技术与方法体系,实现“因地制宜”地修复与风险管控显得尤为重要。

农田污染土壤的修复与场地相比存在很大差异。首先,农田土壤污染物主要集中在表层0~30 cm范围,但分布面积广,采用传统的场地修复方法容易产生过高的经济成本。例如日本采用客土法修复1公顷土地的费用大约需要2000万-5000万日元,折合人民币几百万元;其次,污染农田修复的目标是要恢复土地正常的生产功能。目前来看,植物修复、化学稳定化代表了我国污染农田治理的两个重要的研究和应用方向。相对于场地污染修复,污染农田治理需要综合更多因子,例如土壤条件、种植作物、社会偏好等。因此难以直观判断不同修复技术使用的优劣;最后,污染农田治理后,土地的再利用会对更广阔的范围产生影响。比如替代种植措施,不仅影响到农户的生计问题,在大规模推广的情景下对当地粮食市场产生的冲击,及其引发的后续影响也需要予以考虑。

生命周期评估(LCA)能够量化各种环境影响,是评估修复可持续性的有效工具。以往研究在场地修复领域开展了大量工作,量化了不同修复技术和应用场景的二次影响。但就农田土壤污染修复而言,仅考虑修复过程的二次影响是远远不够的。因为无论采用什么技术,污染物在农田土壤和农产品中都会有残留,进而产生围绕污染物本身的一次环境影响。尤为重要的是,上述提到的修复后土地使用产生的间接影响(三次影响)也会干预最终的修复决策。

基于以上问题,清华大学侯德义课题组开展了污染农田可持续修复的生命周期系统建模(图1)。该模型提出了定量刻画污染农田修复一次、二次和三次环境影响的科学方法,并在构建的污染农田概念模型基础上对四种常用管理情景(无干预、植物修复、化学稳定化、替代种植)进行生命周期分析。

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图1 50年来四种不同管理情景下农业系统中镉(Cd)输入和输出的概念模型。

(NoA: 无干预; Phyto: 植物修复; Chem: 化学稳定化; Alter: 替代种植)

研究结果显示:植物修复和化学稳定化具有最佳的生命周期环境可持续性。无干预情景(NoA)具有最大的一次环境影响,主要来源于镉污染物通过食物链进入人体产生的毒性。实施植物修复和化学稳定化后,研究案例中的总环境影响降低了约29%(图2)。而针对替代种植,由于考虑时间与空间尺度的限制,其通过干扰粮食平衡而产生的间接环境影响有较大的不确定性。

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图2 四种管理方式的三次生命周期环境影响

化学稳定化(钝化)通过施加药剂来降低污染物的活性,从而阻止其向植物体内转移,是国内主流的农田风险管控方式。目前,生石灰、黏土矿物、生物炭等材料均表现出较好的管控效果。我们的研究结果显示,研究案例中稳定化试剂生产的环境足迹占总二次影响的86%。研发更高性能和可持续的稳定化材料,降低修复材料消耗和避免过度修复,成为实现大规模推广的关键。此外,对稳定化材料进入土壤后的长期环境行为还认识不足。药剂进入土壤之后,其对污染物的固定作用可能受紫外线、干湿循环、冻融循环和微生物等土壤生态过程的干扰而呈现不同特征。我们的研究表明,材料的长效性不仅影响了稳定化的总体效果,也是其二次环境影响大小的决定因子。比如本研究中如果药剂使用寿命超过4年,化学稳定化将优于植物修复(图3)。因此,需要进一步提高稳定化材料的长期有效性预测水平,加强其老化机制方面的基础研究以支撑相关政策法规的制定。

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图3 影响植物提取生命周期影响的关键因素

植物修复,尤其是以超积累植物为主体的植物提取技术,能够在不破坏土壤结构的基础上将污染物从土壤中彻底移除,具有广泛的应用潜力。例如本研究采用的镉超富集植物伴矿景天,实施3-5年左右修复即可将轻中度镉污染农田土壤达到国家风险管控标准。值得注意的是,修复植物的生物富集系数(BCF)影响着植物修复的周期,进而影响修复的总体环境影响(图3)。提高修复植物的BCF是提升修复技术比较优势、减少二次影响的关键。另外,目前针对修复植物常用的焚烧和填埋处置方式引起广泛关注,因为容易产生污染物的转移而导致二次影响。我们的研究发现,研究案例中由运输过程产生的影响高达32%,这是因为低生物量密度的干物质运输造成了额外的交通消耗。因此,提高运输效率和缩短修复植物后期处置的运输距离同样非常重要。

对于重金属污染超标严重的耕地,可以将农作物替代为不可食用的经济、能源作物实现其风险可控的安全利用。如果仅考虑一次和二次影响,替代种植无疑是最佳选择。根据市场均衡理论,替代种植可能驱动更多的水田开垦来弥补粮食损失。如果这一弥补发生在国内,新开垦的水田可以假设发生在中国东北的旱地上。近年来(2009-2016)中国南方水稻田的减少总是通过东北水田垦造来平衡。这样一来,将中国东北水田垦造的环境影响纳入系统时,替代种植方式的总环境影响仅低于无干预情景,额外产生了71%的间接影响(图4)。如果这一弥补发生在国外,比如在巴西亚马逊地区砍伐热带雨林来进行水稻生产,替代种植的总环境影响将超过无干预情景。研究估算出这一情境下的总环境影响是中国东北替代种植的1.9倍,并产生687吨CO2当量的温室气体排放(图4)。因此,在中国污染农田上大规模推广替代种植方式,不仅需要协调个体农户的社会和经济诉求,同时也需要将替代种植发生后产生的更广泛影响考虑在内。相关政策的制定与选择需要慎重考虑。

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图4 中国东北地区与巴西亚马逊雨林的替代种植

总而言之,我们的研究结果表明针对受污染农田开展植物修复和化学稳定化能够显著降低无干预措施的总环境影响,并反映出替代种植考虑土地使用后的间接环境影响而有较大不确定性。采用生命周期评价方法能够对我国受污染农田的治理提供新思路,帮助决策者更好地指导新政策工具的设计和实施。

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以上论文来自清华大学环境学院侯德义课题组,近期以 “Integrated Life Cycle Assessment for Sustainable Remediation of Contaminated Agricultural Soil in China”为题发表在环境领域权威期刊Environmental Science & Technology (IF=9.028)(2021年8月)。清华大学环境学院博士生金远亮为论文第一作者,侯德义副教授为论文通讯作者。中科院南京土壤所吴龙华研究员、胡鹏杰副研究员,广东省科学院生态环境与土壤研究所李芳柏研究员、方利平研究员,以及华中农业大学陈畅博士等为论文共同作者。

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