污染農(nóng)田修復(fù)的生命周期評價與政策啟示

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:本研究提出了一個綜合污染農(nóng)田修復(fù)三次環(huán)境影響的生命周期評價方法，對重金屬污染農(nóng)田管理的四種情形：無干預(yù)、植物修復(fù)、化學(xué)穩(wěn)定化和替代種植開展分析。研究發(fā)現(xiàn)：1）植物修復(fù)和化學(xué)穩(wěn)定化能顯著降低無干預(yù)的總環(huán)境影響；2）植物修復(fù)的生物富集系數(shù)（BCF）和干物質(zhì)運輸距離、穩(wěn)定化藥劑的上游生產(chǎn)及長效性是決定兩者比較優(yōu)勢的關(guān)鍵；3）如果將修復(fù)后土地使用的間接影響考慮在內(nèi)，替代種植方式產(chǎn)生的總環(huán)境影響在某些情形下有可能遠(yuǎn)高于前兩者。研究結(jié)果為相關(guān)技術(shù)研發(fā)和政策制定提供了依據(jù)。

健康的土壤是實現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（UN SDGs）的基礎(chǔ)。然而，全球范圍內(nèi)的農(nóng)藥、肥料、灌溉廢水、塑料和農(nóng)村廢物的持續(xù)使用造成了嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)土壤污染。特別在亞太地區(qū)，快速經(jīng)濟增長驅(qū)動的工業(yè)、采礦和能源生產(chǎn)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)實踐與消費行為產(chǎn)生劇烈沖突，引起的土壤污染直接導(dǎo)致人類健康的惡化。我國大量耕地土壤點位超標(biāo)，其中鎘超標(biāo)尤為嚴(yán)重，引發(fā)了農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標(biāo)的“鎘大米”等事件。采取有效措施控制污染蔓延并實現(xiàn)退化土地的可持續(xù)利用，成為我國迫切面臨的重要議題。

對污染土壤采取修復(fù)或風(fēng)險管控，是恢復(fù)土地功能、保證人體健康和農(nóng)產(chǎn)品安全的主要手段。國外針對污染土壤的修復(fù)，分別經(jīng)歷了早期的“一刀切”修復(fù)和之后基于風(fēng)險的修復(fù)方法，進(jìn)入21世紀(jì)以來，逐漸形成了綠色可持續(xù)修復(fù)的總體趨勢。而在我國，早期主要關(guān)注的是農(nóng)田土壤肥力質(zhì)量的提升，在中低產(chǎn)田、鹽堿地、以及荒漠化土地的綜合治理層面開展了大量工作。九十年代中期以來，隨著工業(yè)活動和礦山開采引發(fā)的農(nóng)田重金屬污染逐步為公眾知曉，特別是一系列的農(nóng)產(chǎn)品安全事件爆發(fā)，驅(qū)動了我國針對農(nóng)田重金屬污染的綜合治理。2016年以來，在《土壤污染防治法》和“土壤污染防治行動計劃”的指導(dǎo)下，我國逐步構(gòu)建起農(nóng)用地污染風(fēng)險管控分級分類的管理框架。同期，科技部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部分別啟動了“農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染農(nóng)田綜合防治與修復(fù)技術(shù)研發(fā)”和“全國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染防治”等系列專項。相繼形成了工程措施、植物修復(fù)、化學(xué)穩(wěn)定化、農(nóng)藝調(diào)控和替代種植等修復(fù)與安全利用技術(shù)。但面對我國龐大且多樣復(fù)雜的農(nóng)田重金屬污染修復(fù)需求時，這些技術(shù)對于不同類型土壤污染時可能存在效果不穩(wěn)定、適用范圍窄、成本不可控等弊端。因此，建立適用于我國國情的農(nóng)田土壤污染綠色可持續(xù)修復(fù)技術(shù)與方法體系，實現(xiàn)“因地制宜”地修復(fù)與風(fēng)險管控顯得尤為重要。

農(nóng)田污染土壤的修復(fù)與場地相比存在很大差異。首先，農(nóng)田土壤污染物主要集中在表層0~30 cm范圍，但分布面積廣，采用傳統(tǒng)的場地修復(fù)方法容易產(chǎn)生過高的經(jīng)濟成本。例如日本采用客土法修復(fù)1公頃土地的費用大約需要2000萬-5000萬日元，折合人民幣幾百萬元；其次，污染農(nóng)田修復(fù)的目標(biāo)是要恢復(fù)土地正常的生產(chǎn)功能。目前來看，植物修復(fù)、化學(xué)穩(wěn)定化代表了我國污染農(nóng)田治理的兩個重要的研究和應(yīng)用方向。相對于場地污染修復(fù)，污染農(nóng)田治理需要綜合更多因子，例如土壤條件、種植作物、社會偏好等。因此難以直觀判斷不同修復(fù)技術(shù)使用的優(yōu)劣；最后，污染農(nóng)田治理后，土地的再利用會對更廣闊的范圍產(chǎn)生影響。比如替代種植措施，不僅影響到農(nóng)戶的生計問題，在大規(guī)模推廣的情景下對當(dāng)?shù)丶Z食市場產(chǎn)生的沖擊，及其引發(fā)的后續(xù)影響也需要予以考慮。

生命周期評估（LCA）能夠量化各種環(huán)境影響，是評估修復(fù)可持續(xù)性的有效工具。以往研究在場地修復(fù)領(lǐng)域開展了大量工作，量化了不同修復(fù)技術(shù)和應(yīng)用場景的二次影響。但就農(nóng)田土壤污染修復(fù)而言，僅考慮修復(fù)過程的二次影響是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因為無論采用什么技術(shù)，污染物在農(nóng)田土壤和農(nóng)產(chǎn)品中都會有殘留，進(jìn)而產(chǎn)生圍繞污染物本身的一次環(huán)境影響。尤為重要的是，上述提到的修復(fù)后土地使用產(chǎn)生的間接影響（三次影響）也會干預(yù)最終的修復(fù)決策。

基于以上問題，清華大學(xué)侯德義課題組開展了污染農(nóng)田可持續(xù)修復(fù)的生命周期系統(tǒng)建模（圖1）。該模型提出了定量刻畫污染農(nóng)田修復(fù)一次、二次和三次環(huán)境影響的科學(xué)方法，并在構(gòu)建的污染農(nóng)田概念模型基礎(chǔ)上對四種常用管理情景（無干預(yù)、植物修復(fù)、化學(xué)穩(wěn)定化、替代種植）進(jìn)行生命周期分析。

圖1 50年來四種不同管理情景下農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中鎘（Cd）輸入和輸出的概念模型。

(NoA: 無干預(yù); Phyto: 植物修復(fù); Chem: 化學(xué)穩(wěn)定化; Alter: 替代種植)

研究結(jié)果顯示：植物修復(fù)和化學(xué)穩(wěn)定化具有最佳的生命周期環(huán)境可持續(xù)性。無干預(yù)情景（NoA）具有最大的一次環(huán)境影響，主要來源于鎘污染物通過食物鏈進(jìn)入人體產(chǎn)生的毒性。實施植物修復(fù)和化學(xué)穩(wěn)定化后，研究案例中的總環(huán)境影響降低了約29%（圖2）。而針對替代種植，由于考慮時間與空間尺度的限制，其通過干擾糧食平衡而產(chǎn)生的間接環(huán)境影響有較大的不確定性。

圖2 四種管理方式的三次生命周期環(huán)境影響

化學(xué)穩(wěn)定化（鈍化）通過施加藥劑來降低污染物的活性，從而阻止其向植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移，是國內(nèi)主流的農(nóng)田風(fēng)險管控方式。目前，生石灰、黏土礦物、生物炭等材料均表現(xiàn)出較好的管控效果。我們的研究結(jié)果顯示，研究案例中穩(wěn)定化試劑生產(chǎn)的環(huán)境足跡占總二次影響的86%。研發(fā)更高性能和可持續(xù)的穩(wěn)定化材料，降低修復(fù)材料消耗和避免過度修復(fù)，成為實現(xiàn)大規(guī)模推廣的關(guān)鍵。此外，對穩(wěn)定化材料進(jìn)入土壤后的長期環(huán)境行為還認(rèn)識不足。藥劑進(jìn)入土壤之后，其對污染物的固定作用可能受紫外線、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和微生物等土壤生態(tài)過程的干擾而呈現(xiàn)不同特征。我們的研究表明，材料的長效性不僅影響了穩(wěn)定化的總體效果，也是其二次環(huán)境影響大小的決定因子。比如本研究中如果藥劑使用壽命超過4年，化學(xué)穩(wěn)定化將優(yōu)于植物修復(fù)（圖3）。因此，需要進(jìn)一步提高穩(wěn)定化材料的長期有效性預(yù)測水平，加強其老化機制方面的基礎(chǔ)研究以支撐相關(guān)政策法規(guī)的制定。

圖3 影響植物提取生命周期影響的關(guān)鍵因素

植物修復(fù)，尤其是以超積累植物為主體的植物提取技術(shù)，能夠在不破壞土壤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將污染物從土壤中徹底移除，具有廣泛的應(yīng)用潛力。例如本研究采用的鎘超富集植物伴礦景天，實施3-5年左右修復(fù)即可將輕中度鎘污染農(nóng)田土壤達(dá)到國家風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，修復(fù)植物的生物富集系數(shù)（BCF）影響著植物修復(fù)的周期，進(jìn)而影響修復(fù)的總體環(huán)境影響（圖3）。提高修復(fù)植物的BCF是提升修復(fù)技術(shù)比較優(yōu)勢、減少二次影響的關(guān)鍵。另外，目前針對修復(fù)植物常用的焚燒和填埋處置方式引起廣泛關(guān)注，因為容易產(chǎn)生污染物的轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致二次影響。我們的研究發(fā)現(xiàn)，研究案例中由運輸過程產(chǎn)生的影響高達(dá)32%，這是因為低生物量密度的干物質(zhì)運輸造成了額外的交通消耗。因此，提高運輸效率和縮短修復(fù)植物后期處置的運輸距離同樣非常重要。

對于重金屬污染超標(biāo)嚴(yán)重的耕地，可以將農(nóng)作物替代為不可食用的經(jīng)濟、能源作物實現(xiàn)其風(fēng)險可控的安全利用。如果僅考慮一次和二次影響，替代種植無疑是最佳選擇。根據(jù)市場均衡理論，替代種植可能驅(qū)動更多的水田開墾來彌補糧食損失。如果這一彌補發(fā)生在國內(nèi)，新開墾的水田可以假設(shè)發(fā)生在中國東北的旱地上。近年來（2009-2016）中國南方水稻田的減少總是通過東北水田墾造來平衡。這樣一來，將中國東北水田墾造的環(huán)境影響納入系統(tǒng)時，替代種植方式的總環(huán)境影響僅低于無干預(yù)情景，額外產(chǎn)生了71%的間接影響（圖4）。如果這一彌補發(fā)生在國外，比如在巴西亞馬遜地區(qū)砍伐熱帶雨林來進(jìn)行水稻生產(chǎn)，替代種植的總環(huán)境影響將超過無干預(yù)情景。研究估算出這一情境下的總環(huán)境影響是中國東北替代種植的1.9倍，并產(chǎn)生687噸CO2當(dāng)量的溫室氣體排放（圖4）。因此，在中國污染農(nóng)田上大規(guī)模推廣替代種植方式，不僅需要協(xié)調(diào)個體農(nóng)戶的社會和經(jīng)濟訴求，同時也需要將替代種植發(fā)生后產(chǎn)生的更廣泛影響考慮在內(nèi)。相關(guān)政策的制定與選擇需要慎重考慮。

圖4 中國東北地區(qū)與巴西亞馬遜雨林的替代種植

總而言之，我們的研究結(jié)果表明針對受污染農(nóng)田開展植物修復(fù)和化學(xué)穩(wěn)定化能夠顯著降低無干預(yù)措施的總環(huán)境影響，并反映出替代種植考慮土地使用后的間接環(huán)境影響而有較大不確定性。采用生命周期評價方法能夠?qū)ξ覈芪廴巨r(nóng)田的治理提供新思路，幫助決策者更好地指導(dǎo)新政策工具的設(shè)計和實施。

以上論文來自清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院侯德義課題組，近期以 “Integrated Life Cycle Assessment for Sustainable Remediation of Contaminated Agricultural Soil in China”為題發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域權(quán)威期刊Environmental Science & Technology (IF=9.028)（2021年8月）。清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院博士生金遠(yuǎn)亮為論文第一作者，侯德義副教授為論文通訊作者。中科院南京土壤所吳龍華研究員、胡鵬杰副研究員，廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所李芳柏研究員、方利平研究員，以及華中農(nóng)業(yè)大學(xué)陳暢博士等為論文共同作者。