土壤修复课件综述

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1、 一、 土壤环境与污染 二、 污染土壤与修复 孙铁珩院士(沈阳应用生态所研究员) 第一部分 土壤环境与污染 土壤污染与修复研究是当今环境科学新的生长点之一， 倍受国内外环境科技工作者的重视。 与大气、水体相比，土壤是一个复杂的物理、化学与 生物的复合环境介质，是一个重要的生态剖面，许多环境 化学、环境生物、环境毒理的规律与机制，可以通过土壤 生态剖面加以观察、研究。 污染土壤 污染底泥 土壤污染的控制与治理成为重要的科学问题。 1、背景与需求 成为主要污染源 成为二次污染库 科学问题 我国农药、化肥和重金属污染农产品的问题我国农药、化肥和重金属污染农产品的问题 是限制我国农产品出口的主要瓶颈。

2、是限制我国农产品出口的主要瓶颈。 减少与消除高毒农药的危害，减少与消除高毒农药的危害， 已成为我国农业环境亟待解决的重要问题。已成为我国农业环境亟待解决的重要问题。 污灌、污泥等造成的土壤污染，污灌、污泥等造成的土壤污染， 还将长时期影响农作物的生长和农产品的品质。还将长时期影响农作物的生长和农产品的品质。 国 家 需 求 土壤污染与修复研究 是中国进入WTO、保证农产品安全、推动农村生态环境 保护和全面建设小康社会的国家战略需求。 生态系统的基本单元，具有 S W P 系统的整体性 人类活动的主要资源，具有质量、数量的双重性 2、对土壤环境的基本认识 土壤具有三个基本特征 肥 力 质 量 环

3、 境 质 量 健 康 质 量 内 涵 安全生产 土 壤 质 量 保证最大生产力 最佳生物学质量 不引发二次环境污染 自然体、环境介质，具有多功能性 q 承接污染物的载体 q 净化污染物的活体 0 负 荷 0 容 量 0 功 能 0 强 度 1、系统之间 2、研究过程 3、污染效应 4、干扰因素 与大气环境、水环境不同 理论体系、化学形态、迁移 转化、恢复治理机制不同 同一作物, 对不同污染物的生物 效应、吸收累积、释放机制不同 土壤肥力、养分含量、土壤质地、机 械组成, 对污染物毒性影响程度不同 2-1 土壤污染基本特征 发生的隐蔽性 形成的复杂性 恢复的长期性 毒性的缓效性 诊断的特殊性 土

4、壤污染的特点 环境土壤学研究的目的 认识 利用 调控 土壤肥力的培育 土壤污染的防治 土壤净化功能的利用 污染土壤的清洁 农林土壤学 环境土壤学 以提高农业生物生产力为 目的的土壤肥力和资源研究 以提高土壤三质量为目的 (肥力、健康、环境) 土壤生态过程研究 污染发生机制研究 土壤功能、容量研究 2-2 环境土壤学的发展历程 50年代: 土地资源开发利用 提高生产研究 60年代: 水土保持，盐碱地改良 土地环境资源保护研究 污水灌田，施用农药 土地环境污染研究 70年代: 区域性 土壤环境评价及污染 综合防治研究 80年代:土壤环境背景容量及基准 土壤-植物系统 净化功能及其应用研究 90年代

5、:土地植物系统污染生物地球化学 长期定位研究 无公害农业及绿色食品生产技术 应用技术研究 流域及湖泊水污染治理关键技术 3、土壤环境与土壤污染研究回顾 2000：土壤污染生态过程与生态安全 资 源 调 查 质 量 评 价 污 染 防 治 规 律 研 究 机 制 研 究 实用技术研究 3-1 土壤环境与土壤污染 - 学科发展历程 58年污水灌溉在主要城市郊区兴起 推动灌溉事业，促进北方水稻农作发展 N肥过剩，贪青倒伏，作物受害，土壤毒化 土壤毒化 诊断指标 确立N肥定额 防止徒长倒伏 增施矿质肥料 调整作物Si / N营养比 3-2 土壤环境与土壤污染研究事例 污灌 污染物在土壤-植物系统 迁移

6、-分布 土壤-地下水 污染 污水灌溉研究 作物污染及残留 与毒性研究 灌区人体 健康调查 污 水 灌 溉 研 究 成 果 污水灌溉地区水质、粮食和地下水评价 矿物油、苯并（a）芘、重金属在土壤 植物 系统迁移分布 主要污染物生物学质量评价 重金属、矿物油等土壤环境容量 污灌区综合治理与防治规则 土壤环境 质量评价 评价方法及 其指标体系 区域性 土壤环境 重 点 污 灌 区 石 油 化 工 区 工 矿 开 发 区 污 染 起 始 值 污 染 标 准 单 项 指 标 综 合 指 标 3-3 区域土壤环境研究 意义 土壤环境质量与污染评价 制定土壤环境容量与土壤环境质量标准 土壤污染清洁技术土地利

7、用与土地管理 成果 1973 -1977 年 北京、南京、广东等重点地区 土壤、水体及生物背景值试点研究实验 1979 年 13 个省市主要农业土壤和主要作物 9 种元素背景值调查 1986 年 29 省市土壤背景值调查 3-4 土 壤 环 境 背 景 意义 制定土壤环境标准 污染物排放、污泥和污水的农业利用 区域污染物管理与控制 成果 敏感作物盆栽生物试验 土壤微生物生态及土壤酶活性 同位素示踪技术 田间物质平衡 土壤净化功能 3-5 土 壤 环 境 容 量 污染地点 ：沈阳市张士灌区 污染原因 ：含镉工业污水灌田 污染面积 ：2 8 0 0 ha 污染状态 ：土壤含镉 5 - 10 mg

8、/ kg 土 稻米耔实镉 0.4 - 1.0 mg / kg 米 3-6 镉 土 污 染 及 防 治 镉土污染治理 客土法 深耕 换土 农作法 排 水晒田 淹 水厌氧 化学法改良 施用石灰磷肥 及其它改良剂 生物法改良 作物吸收富集 木本净化 3-7 镉土污染治理研究成果 利用土壤 - 植物系统生物、化学、物理的净化功能 通过科学设计和有效地进行管理 对污水中 N、P 资源加以利用 对可降解污染物加以净化 实现无害化、资源化的生态工程技术 适合国情 投资少，运行费用低 可回收再生水资源 3-8 污水生态工程土地处理 土壤环境污染现状的描述 污染危害的调查和污染点的评价及风险分析 土壤污染生态过

9、程及其微观机理研究 土壤生态毒理学诊断 污染土壤生态过程 4、污染物的生态过程研究 复合污染条件下，常用农药与石油及其化工产品等有机 污染物在土壤中的迁移动态研究，探讨污染物的最适 降解条件 污染物在土壤中的降解过程及其影响因素，确立其微 生物降解的最佳条件 污染物在土壤中的固定 - 再释放机制及预测 耐污植物对污染物的吸收能力 污染胁迫条件下，土著微生物群落的变化规律 农作物连作条件下，土壤生物污染的发生过程 重点有机、无机污染物的土壤生态过程区域比较研究 研究内容 平衡研究 迁移降解吸附与解析植物吸收积累挥发过程 供试化学品 多 环 芳烃类 有机氯类 与 农 药 杂 环 化合物 离子型有

10、机化合物 菲 荧蒽 苯并芘 1,2,4-三氯苯 邻苯二甲酸二丁酯 邻苯二甲酸二异辛酯 多效唑 西玛津 直链烷基 苯磺酸钠 效应研究 对宏观系统的影响对微观系统的影响 生物量 生 物多 样性 生物学 质 量 对植物形态 学上的影响 对土壤微生物 土壤酶的影响 转化研究 有机污染物本体（A）在陆地生态系统中向 其代谢及合成物（B, C, D . . . ）的转化过程 物理、化学、生物过程及其动力学过程。 转化过程中的发生条件及其影响因素。 典型污染土壤的成因 分析与生态风险预测 土壤生态毒理学 标准实验方法 土壤生态毒理学 指标体系测 生物毒性 指标体系 土壤生物污染的诊断 与评价指标体系 污染土

11、壤清洁标准土壤环境标准 土壤生态毒理学诊断与安全预 警系统的建立及其验证 土壤生态毒理学诊断 污染生态化学过程 土壤污染发生机制 土壤污染早期诊断 土壤污染过程调控 土壤污染系统监测 污染生态毒理过程 生态过程研究 5、需要加强的重要研究方向 6、土壤污染生态学研究展望 土壤环境标准与生物质量综合指标体系 土壤 - 植物系统 生态剖面分析 土壤 - 植物系统生态风险评价 方法论及技术支撑系统 土壤 - 植物系统净化功能研究 土壤圈及其边界污染物迁移转化规律 土壤环境质量监测网络 污染卫生学 生态毒理学 生物生产力 综合分析 作用机理 确立环境参数 实验手段 测试技术 环境容量 土壤 - 水 反

12、应动力学 土壤 - 环境 长期定位观测 土壤 - 大气 建立网络系统 第二部分：污染土壤与修复 1990 s 德国，英国，荷兰等开展土壤污染修复研究 水生生态系统问题-1960- 1970 陆地生态系统问题-1980s 始 1990s-加拿大，美国等开展土壤污染修复研究与工程 1995 中国开展土壤污染生物修复项目 1、污染土壤修复研究的历史回顾 80年代， 荷兰投资15亿美元进行土壤修复试验研究 1976-1990年，联邦德国科技部资助的项目 306个 1990-1996年，联邦德国废物管理与土壤修复项目投资 75亿美元 美国政府近期投资100亿美元进行土壤修复技术开发 1995 ，国家基金

13、委，科学院等资助土壤污染生物修复项目 项目资助 2000-2003年国内土壤修复研究（根据发表论文统计） 原位修复（接菌法,生物培养法,生物通风法,土耕法） 异位修复（生物泥浆，堆腐，制备床，厌氧处理） 化学修复 物理修复 化学清洗, 超临界萃取，光化学降解，化学 氧化，化学栅（沉淀栅，吸附栅，联合栅） 清洗法，蒸发法，电修复法，热修复法 挖掘添埋法，通风去污法，焚烧法 植物提取，植物富集，植物稳定 生物修复 植物修复 联 合 修 复 2、土壤修复技术 污染土壤生物降解处理技术 污染物生物降解最适条件的建立，包括土壤中大量和 微量元素的适当比例，游离酶的选择与浓度确立及土 壤温度、湿度、pH和

14、有机质等常规条件 土著微生物的驯化与接种菌的筛选和培养 特异性降解微生物的构建 提高污染物生物可利用性技术等 有机污染土壤堆腐清洁技术 污染区人工生态系统的营造、管理及其持续高效无害化 农业利用技术 土壤生物改良剂发研制与开发 2-1 生物清洁技术 污染物的固定/稳定化处理 技术 污染土壤固定 - 覆盖技术 电渗析技术 树脂/活性炭浮选技术 污染土壤蒸汽萃取技术 污染土壤泥浆反应器处理技术 污染土壤冲洗技术 针对特定的顽固性污染物的溶 剂萃取技术 重金属或其 它类型无机 污染土壤 石油或其 它有机污 染土壤 2-2 物理化学清洁技术 针对石油、多环芳烃为目标的污染物生物修复 优势菌种的筛选与功

15、能实验 生物修复技术：泥浆反应器、土壤堆腐、超 富集植物筛选 2-3 土壤清洁技术研究进展 1，外源微生物引入-（关键）条件和原则 2，微生物的适应性-（重点）机制与影响因素 3，生物修复过程中污染物的降解-限制因素-浓度） 4，有机污染物次生代谢过程-问题-毒性代谢产物生成 5，生物修复的现场放大技术-技术的应用 6，污染物的淋溶过程 可溶性组分的地下迁移-二次污染 7，污染土壤修复的生态安全性评价 3、土壤修复研究的现存问题 3-1 外源微生物引入 条件及原则： (1)当现存的土著微生物不能降解土壤中的污染物, 如有机 污染物降解过程中的中间产物不能为土著微生物降解，考虑 引入外来微生物 (2)土壤中污染物浓度过高, 对土著微生物有毒害作用而不 能有效降解污染物，考虑引入外来微生物 (3)土壤被污染后需要立即处理，考虑引入外来微生物 (1) 是否能够降解大部分目标污染物; (2) 遗传稳定性如何; (3) 在环境中是否能快速生长并具有较高酶活性; (4) 是否具有较强的与土著微生物生存生长竞争能力； (5) 是否无致病性且不产生有毒代谢产物等。 3-2 外源微生物引入