李芳柏研究团队：稻田土壤重金属污染治理理论与实践

土壤是地球的“皮肤”，是人类赖以生存与发展的物质基础，是践行生态文明的载体，关乎国计民生。万物土中生，土为食之本。一方面，我国耕地资源十分紧缺，人均耕地面积不足世界平均水平的1/2。另一方面，我国还面临着较为严重的耕地土壤重金属污染问题，而且部分污染区与粮食主产区、生态脆弱区重合，粮食产量与质量安全问题突出。可以说，耕地土壤重金属污染防控是支撑健康中国、乡村振兴、生态文明建设的重要基础。自《土壤污染防治行动计划》实施以来，耕地土壤重金属污染加重的趋势得到了有效的遏制，但是防治任务依然艰巨，任重而道远。

▲ 水稻中矿质元素吸收转运的关键过程

在稻田、麦田、玉米地等主要的耕地类型中，稻田土壤重金属污染问题最为突出，稻谷是我国重金属超标率最高的粮食。据联合国粮食及农业组织数据显示，2020 年我国稻田面积约3007.6 万hm²，稻谷产量2.12 亿t，分别占世界稻田面积的35.6%与稻谷总量的37.3%。稻米是我国第一主粮。我国85%的稻田分布在红壤区，由于强烈的自然风化与淋溶作用，土壤酸化及有机质含量低，导致重金属活性较高。该区域还分布着两条重要的金属硫化物矿带，长期的矿冶活动加剧了土壤重金属污染。因此，我国《土壤污染防治行动计划》中，确定湖南、广东、广西、湖北、江西、四川、云南、贵州等8 个省区优先重点组织开展治理与修复，6 个土壤污染综合防治先行区（广东韶关、湖南常德、广西河池、贵州铜仁、湖北黄石、浙江台州）中的5 个分布在这一地区。同时，水稻的重金属吸收与积累能力较强，其镉的富集系数远远高于小麦、玉米等粮食作物，导致稻米中镉的超标率较高，对人民的健康构成严重威胁。稻田土壤重金属污染治理已成为我国土壤污染治理的重点与难点。

▲ 土壤-水稻体系中镉的迁移转化过程

自20 世纪70 年代以来，美国、日本和欧洲等发达国家和地区逐步建立了较完善的土壤污染风险管控标准、评价方法体系、管理框架和法律法规体系，实施了多个土壤污染修复计划。例如，日本富山县针对神通川流域镉污染稻田进行了大规模的客土工程修复。总体上，与场地污染土壤修复相比，国际上对耕地土壤重金属污染防控的关注度相对较低。我国对耕地土壤重金属污染风险管控与修复技术的研究起步较晚，但发展迅速。“十三五”期间，国家设置了相关科研专项，国家自然科学基金委对环境土壤学进行了长期的支持与培育，相关基础学科与技术研发取得了长足的进步，相关论文与专利数量已经远高于其他国家。同时，我国还设置了耕地土壤重金属污染治理专项，进行了大面积的稻田土壤镉污染治理探索，总结提炼出一些经济可行的技术模式，部分技术已实现产业化与规模化应用。尽管我国耕地土壤重金属污染治理理论与关键技术取得了快速发展，但是部分技术的靶向性、精准度、成熟度都有待提高，技术转化瓶颈问题仍然较多，产业支持力度较弱，技术标准研究刚刚起步。

▲ 稻田土壤重金属污染治理的铁循环理论框架

稻田土壤重金属污染治理是一个十分复杂且涉及多个学科理论和方法的问题，主要体现在三个方面：①土壤-水稻体系中重金属的迁移转化包含土壤物理、化学、生物等过程耦合，其中，转化受铁、碳、氮、硫等多个元素循环的驱动，而迁移则受水-土、根-土、植物细胞膜的多个界面控制，也受到成土母质、水分、温度、光照等多个要素的影响。②该领域研究必须同时面向国家重大需求和国际科技前沿，而且研究周期较长，但是我国起步晚、基础理论较为薄弱。土壤-水稻体系中重金属迁移转化涉及矿物-有机质-微生物之间相互作用的生物地球化学研究，以及土壤-植物-微生物相互作用的盆栽、田间试验，关键核心技术需要历经实验室的模拟—温室控制性试验—田间控制试验—大面积效果验证等多个层次，系统性研究周期长达5～10 年。③人多地少的国情决定了我国必须边应用边治理，面对数千万亩重金属污染稻田边生产边治理实践，国际上没有成熟的经验可借鉴，必须基于我国实际情况，自主地探索治理理论和技术。

▲ 稻田重金属迁移转化机制、阻控技术与应用

针对我国农用地土壤重金属污染治理的国家重大需求，广东省科学院生态环境与土壤研究所李芳柏研究员带领团队，以稻田土壤为主要对象，系统阐述了氧化铁-腐殖质-微生物间的相互作用及电子转移机制，揭示了铁与碳氮耦合调控降低土壤重金属活性的生物地球化学原理，创建了多介质界面重金属污染控制方法及“三重阻控”技术，并实现产业化应用，编制了农用地重金属污染风险管控与修复的相关技术标准，为保障我国土壤资源可持续利用与稻米安全提供了科技支撑。

朱利中

中国工程院院士

浙江大学

2023 年7 月

针对上述科学挑战，我们于2002 年开始建立攻关团队，以污染最严重的稻田为主要对象，主攻稻田土壤重金属污染治理的基础理论和技术。根据我国南方红壤的地球化学特点，包括铁高丰度、高活性，以及Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)氧化还原电位与碳氮循环、重金属形态转化的匹配性高等，逐步将红壤铁循环及其环境效应作为核心科学问题，试图从铁与碳氮耦合循环驱动重金属迁移转化的视角，探索土壤重金属污染治理的新思路、新理论和新技术。完成了“863 计划”课题“珠江西北江流域重点防控区稻田土壤重金属污染控制技术与示范”、国家自然科学基金国际合作重点项目“红壤区稻田铁循环耦合镉行为的生物地球化学机制”、“十三五”国家重点研发计划项目“农田重金属污染阻隔和钝化技术与材料研发”，以及广东省重大科技专项“农田重金属污染控制技术成果转化与产业化”。

▲ 稻田重金属污染的三重阻控技术与原理

通过多年的努力，于2019 年经国家发改委批准建立了华南土壤污染控制与修复国家地方联合工程研究中心。“稻田镉砷污染阻控关键技术及应用”获2019 年度国家科学技术进步奖二等奖，“典型重金属污染耕地精准治理技术及标准化应用”获2021 年度广东省科技进步奖一等奖，“三重阻控技术有效治理稻田重金属污染”入选2019 年度中国生态环境十大科技进展，“重金属污染耕地土壤的安全可持续利用技术”入选2020 年度“科创中国”先导技术榜单。编制农用地重金属污染风险管控与修复的系列技术标准共15 项，已颁布实施12项，其中3 项国家技术标准即将颁布实施。

▲ 稻田重金属污染溯源、治理技术应用及标准化

（李芳柏等著. 北京：科学出版社，2023.9）总结并凝练了研究团队20 多年来的研究成果，从土壤-水稻体系重金属的迁移转化原理、过程、治理技术及其应用层面，系统而深入地阐述稻田土壤重金属污染治理理论、技术和应用效果。

• 理论部分，首先介绍了研究方法与水稻吸收转运矿质元素的基本过程，然后介绍了镉、砷、汞、铅、铬、锑等重（类）金属在土壤-水稻体系中的迁移转化。

• 技术部分，介绍了土壤-水稻体系多介质界面的镉砷同步钝化与生理阻隔技术。

• 应用部分，介绍了区域稻田土壤重金属污染源解析方法及应用、工程治理实践、技术标准体系。

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全书共有14 章，第1～8 章为基础理论，其中，第1 章阐述土壤-水稻体系中重金属迁移转化研究方法，第2 章介绍水稻的基本特点及其吸收转运矿质元素的基本过程，第3～8 章依次介绍镉、砷、汞、铬、锑、铅等6 种重（类）金属在土壤中的转化过程，以及在土壤-水稻体系中的多界面迁移过程。第9～11 章为技术原理，其中，第9章论述土壤镉砷同步钝化技术，第10 章介绍稻田根-土界面镉砷阻控技术，第11 章介绍水稻重金属生理阻隔技术的原理及应用。第12～14 章为技术应用效果，其中，第12 章阐述区域稻田土壤重金属污染源解析方法及应用，第13 章论述稻田土壤重金属污染治理工程化实践，第14 章介绍农用地土壤重金属污染治理技术标准体系。

《稻田土壤重金属污染治理理论与实践》不仅是李芳柏团队20 多年心血和结晶，而且也是该团队研究成果的阶段性总结。这些成果对相关领域的理论研究、技术研发、产品开发及其成果的推广应用等，具有重要的引导作用和借鉴参考意义。期冀该团队继续奋发努力，百尺竿头更进一步。

朱永官

中国科学院院士

中国科学院生态环境研究中心

2023 年7 月

本文摘编自《稻田土壤重金属污染治理理论与实践》（李芳柏等著. 北京：科学出版社，2023.9）一书“前言”“序一”“序二”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-075993-1

责任编辑：郭勇斌 彭婧煜

本书面向我国稻田土壤重金属污染治理的国家重大需求及相关科学与技术挑战，从地球表层系统科学的视角，全面介绍了稻田土壤重金属污染控制理论、技术及应用。理论部分，首先介绍了研究方法与水稻吸收转运矿质元素的基本过程，然后介绍了镉、砷、汞、铅、铬、锑等重（类）金属在土壤-水稻体系中的迁移转化。技术部分，介绍了土壤-水稻体系多介质界面的镉砷同步钝化与生理阻隔技术。应用部分，介绍了区域稻田土壤重金属污染源解析方法及应用、工程治理实践、技术标准体系。

本书可作为环境科学与工程、环境土壤学、环境地球化学、农业工程及相关交叉学科的参考书，也可作为生态环境、农业农村、自然资源等行业的参考书。

（本文编辑：刘四旦）

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