问题描述

耕地重金属污染是当前我国面临的最突出农业环境问题。近年来，党中央和国务院高度重视耕地重金属污染防治工作。加强土壤污染治理和修复、保障土壤环境安全是国家重大现实需求。长期以来，耕地重金属污染管控与修复以低积累品种种植、固化稳定化和植物吸取技术为主。然而，现有的低积累品种种植、固化稳定化技术并不能削减土壤中重金属含量，植物提取技术应用虽能减少重金属含量但耗时较长且易受生物地理气候限制。研发高效稳定、成本低廉、绿色环保的耕地重金属减量修复材料与物理化学净化技术是解决现有技术瓶颈、实现土壤质量改善和保障农产品安全的关键。例如，复合黏土材料结合磁分离技术是目前可实现土壤中重金属总量削减的方向性新方法，具有环境相容性、强吸附性，原料易得并可通过简单的外部磁场快速富集分离，从而高效去除耕地重金属，具有创新潜力与应用前景。目前耕地重金属减量净化修复材料与技术研究虽然取得了进展，但是其对不同土壤类型下耕地重金属去除效率差异较大，对土壤中重金属的作用机制尚不清楚，修复材料在土壤中使用后的再生性和稳定性仍不明确，耕地重金属消减联用技术尚有待开发，这些限制了减量净化功能修复材料及技术在耕地重金属污染治理中的应用，亟需开展相关创新研发。减量净化修复材料与技术的突破可为耕地重金属有效态含量的快速安全减少，实现耕地质量改善和安全利用提供新思路、新材料和新技术。

问题背景

耕地重金属污染关系农产品质量安全和生态环境安全，受到各国政府和科学家的广泛关注，同时也是当前我国面临的重要农业环境问题（骆永明和滕应，2020）。据估算，我国耕地重金属污染面积达亿亩（陈卫平等，2018）。开展重金属污染土壤修复研究、保障产地环境安全是国家重大现实需求。如何修复耕地重金属污染，保障粮食作物安全生产，是当前土壤环境领域的研究热点和难点（徐建明等，2018），也是实现乡村振兴，建设美丽中国的重要内容。重金属污染土壤的修复主要有两种策略：一是固定土壤中重金属，降低其环境风险；二是分离去除土壤中重金属，改善土壤环境质量（骆永明，2020）。目前，针对耕地重金属污染的原位治理技术主要以固化稳定化和植物提取为主。固化稳定化具有投入低、效率高、简便快速等优点，但不能削减土壤重金属含量且存在二次活化风险；植物提取是一项成熟的绿色净化技术，但存在修复周期长和受植物生长条件限制而难以大范围推广等问题。因此，亟待研发高效稳定、成本低廉、适用面广的污染耕地重金属减量净化修复材料与技术。

参考文献

陈卫平，杨阳，谢天，等. 中国农田土壤重金属污染防治挑战与对策. 土壤学报, 2018, 55(02): 261-272

徐建明，孟俊，刘杏梅，等. 我国农田土壤重金属污染防治与粮食安全保障. 中国科学院院刊, 2018, 33(02): 153-159.）

骆永明. 重金属污染土壤的修复机制与技术发展. 北京: 科学出版社, 2020.

骆永明，滕应. 中国土壤污染与修复科技研究进展和展望. 土壤学报, 2020, 57(05): 1137-1142.）

最新进展（截止问题发布年度）

近年来，黏土矿物及改性黏土矿物作为低成本和环境友好型材料应用于土壤重金属污染控制，已取得较好的效果（刘杏梅等，2020）。但黏土矿物类材料主要用于土壤重金属钝化，并不能削减重金属含量而改善土壤环境质量（Palansooriya等，2020）。磁性复合材料作为吸附剂已被广泛用于去除水溶液中的重金属，经过磁性修饰可以通过磁场实现与废水快速高效分离，对重金属具有较好的捕集效果，其在含重金属废水处理中展现出独特优势（Wang等，2020）。因此，复合黏土材料结合磁分离技术也可能是实现土壤中重金属含量削减的代表性新方法，并具有制备简便、便于分离，经济快速、绿色安全等优点。

磁性复合黏土材料可以由改性黏土材料、磁性四氧化三铁通过与天然高分子材料复合制备而成的磁性颗粒材料。试验性研究表明，这种复合材料加入到土壤后，由于其强吸附性并可通过简单的外部磁场快速富集分离，将土壤中部分易被植物利用的重金属从土壤中“取出”，则可以大幅度减少土壤中重金属，进而“净化”土壤。例如，采用硅烷偶联剂修饰的四氧化三铁螯合捕获耕地中水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态和铁-锰氧化物结合态的镉，并可以通过磁选分离将镉移除（范力仁等，2017）；又如，使用商业磁性微粒材料对稻田、旱地和稻旱轮作耕地中的镉和锌处理后，水稻籽粒镉降低了37.3%-63.9% （Nie等，2020）；再如，采用海藻酸盐与三价铁离子混合，通过凝胶和热解方法制备了一种磁性大孔生物炭球，可将农田土壤中有效态镉和总镉分别降低80%和50%，有效态砷和总砷分别降低55%和33%，并且磁性生物炭球具有较好的浮选和磁性性能，使用后可以回收多次利用（Liu等，2020）。

然而，由于土壤中重金属形态多种化，土壤组成和性质异质化，复合材料基质多样化，材料属性差异化，基于天然高分子材料、黏土矿物与磁性物质开发的磁性复合材料对土壤中重金属的作用机制尚不清楚，在土壤中使用后的再生性和稳定性仍不明确，并且靶向性的专门减量净化修复材料与技术更加缺乏，这些都很大程度上限制了磁性复合材料或靶向净化功能修复材料及技术在耕地重金属污染防治中的应用。此外，磁性复合材料或靶向修复材料与其他土壤重金属消减方法联用技术也有待开发。

参考文献

范力仁，宋吉青，周洋，等. 磁性固体螯合剂(MSC-IDA)对土壤Cd污染的移除净化. 环境化学, 2017, 36(06): 1204-1212.

刘杏梅，赵健，徐建明. 污染农田土壤的重金属钝化技术研究——基于Web of Science数据库的计量分析. 土壤学报, 2020, doi: 10.11766/trxb202005060098.

Liu, Y., Huang, J., Xu, H., et al. A magnetic macro-porous biochar sphere as vehicle for the activation and removal of heavy metals from contaminated agricultural soil. Chemical Engineering Journal, 2020, 390: 124638.

Nie, X., Zhang, Z., Xia, X., et al. Magnetic removal/immobilization of cadmium and zinc in contaminated soils using a magnetic microparticle solid chelator and its effect on rice cultivation. Journal of Soils and Sediments, 2020, 20(4): 2043-2052.

Palansooriya, K.N., Shaheen, S.M., Chen, S.S., et al. Soil amendments for immobilization of potentially toxic elements in contaminated soils: A critical review. Environment International, 2020, 134: 105046.

Wang, S., Bu, H., Chen, H., et al. Floatable magnetic aerogel based on alkaline residue used for the convenient removal of heavy metals from wastewater. Chemical Engineering Journal, 2020, 399: 125760.）

重要意义

污染耕地重金属减量净化修复材料与技术的创新及应用是实现土壤重金属含量削减的关键，可以解决长期以来以钝化剂、调理剂为主的传统固化/稳定化方法难以根除耕地重金属污染的难题。同时，新型靶向减量净化修复材料如磁性复合材料创制，不受气候因素影响、不破坏土壤理化性质，可实现回收再利用，是攻克现有技术瓶颈的关键。该核心材料与关键技术问题的突破，不仅可为完成《全国农业可持续发展规划（2015—2030年）》中“保护耕地资源，防治耕地重金属污染”和党的十九大报告中提出的“强化土壤污染管控和修复”、“确保国家粮食安全”等重点任务提供新思路、新材料和新技术，而且可有力促进耕地土壤修复产业化发展。