土壤修復中的蜈蚣草單種模式。北京瑞美德環境修復有限公司供圖
■本報記者 張晴丹
土壤汙染具有隱蔽性，看不見也摸不著。此外，由於土壤環境複雜，重金屬一旦進入很難出來，治理難度大、成本高。「國外的淋洗、焚燒等土壤汙染治理技術，不但成本高，且在去除汙染物的同時土壤中的有機質和營養物質隨之流失，土壤喪失生產農產品的功能。」中科院地理科學與資源研究所研究員、環境修復研究中心主任陳同斌在接受《中國科學報》記者採訪時說。
近日，「土十條」的發布使土壤汙染修復成為社會各界關注的熱點。對於汙染耕地到底有沒有行之有效的修復辦法？
經過多年的研究，陳同斌帶領團隊，摸索出了一條適合我國國情的農田土壤汙染修復技術途徑，並在田間地頭髮揮了實際作用，為我國土壤重金屬汙染治理提供了科學支撐。
6月1日，在國家「十二五」科技創新成就展上，陳同斌研究團隊的重金屬汙染土壤成套技術集應用作為環保領域代表性成果參展。「這是對前一階段的總結，更是對後續研究提出更高的希望。」陳同斌說。
發現一種神奇的「吸毒」植物
利用某些特異植物來大量富集和移除土壤中的重金屬等汙染物，是當今頗受關注的植物修復技術領域。這些具有特異功能的超富集植物能夠將有毒的重金屬富集到地上部分，通過收穫植物的地上部，便可大量去除土壤中的汙染物。
到底有沒有這種能夠大量富集重金屬的植物？怎麼能夠尋找到它？
陳同斌將研究目標鎖定在砷，「砷是砒霜的主要成分，是所有重金屬中毒性最強的物質。」
我國有色金屬礦產資源豐富，砷的儲量佔世界範圍的70%，礦山開採和冶煉都會造成砷汙染。當時，國際上報導重金屬超富集植物有300種，但並沒有發現砷的超富集植物。
結合地球化學、氣象學、生態學等多學科交叉知識，陳同斌認為，在中國南方地區極有可能存在能夠大量富集砷的超富集植物。
通過兩年多的大量植物採集、室內分析和盆栽試驗，對2000多個礦區植物樣本的砷吸收、富集和轉運能力等進行篩選。1999年，「我們終於在石門雄黃礦附近等地發現了一種名為蜈蚣草的植物。」陳同斌說，蜈蚣草中最高砷含量多達10000毫克/公斤，比普通植物高出20萬倍，其羽葉中的砷濃度高於根部，甚至比土壤中的砷濃度還高。
實驗發現，隨著蜈蚣草逐漸長大長高，羽葉中的砷濃度也越來越高，繁殖的第二代和刈割後的第二茬蜈蚣草依然保持著很強的砷富集特性，證實其砷富集功能具有明顯的遺傳特性。
在2000年10月「土壤修復國際會議」上，陳同斌團隊介紹了這一發現。2002年2月，《砷超富集植物蜈蚣草及其對砷的富集特徵》一文在國內著名期刊《科學通報》以封面論文形式發表。
只是一個開始
蜈蚣草的發現是植物修復技術在中國開始蓬勃發展的開端，極大地推動了土壤修復產業的產生和發展。但這對於當時的陳同斌來說，「還只是一個開始。」
「找到了這樣一種植物並不意味著就能修復砷汙染土壤。如何將這種植物應用到植物修復技術還有很長的路要走。」中科院地理科學與資源研究所研究員雷梅向《中國科學報》記者表示，把重金屬從土壤裡「取」出來並不是一件容易的事。
遇到的第一個難題，就是如何大規模繁育蜈蚣草種苗。
蜈蚣草在中國有廣泛的自然分布。一開始，包括陳同斌在內的研究者都沒有意識到它的大量繁殖會是一個難點。始終上不去的存活率引起了科研人員對這個問題的重視。
由於蜈蚣草是一種古老的蕨類植物，需要依靠孢子進行繁殖。相比於種子，微米級的孢子能夠儲存的營養極少，因此，在很幼小的階段，蜈蚣草就需要進行光合作用來獲取營養。不同於受精過程形成的種子，孢子是無性產生的單倍體，要通過播種、萌發後形成原葉體，原葉體受精才能產生真正的兩倍體蜈蚣草植株，受精過程對於水分有較為苛刻的要求。
根據這些特徵，「我們在蜈蚣草育苗參數上進行了大量的研究，保證了育苗的存活率，並進一步開展大量工作來縮短育苗時間，建立了蜈蚣草的快速育苗技術。」陳同斌表示。
此外，含有高濃度砷的蜈蚣草地上部分的處理處置是另外一個難題。「針對這個問題，我們建立了超富集植物收穫物安全焚燒技術。」雷梅說。
為此，團隊建立了一套超富集植物安全焚燒設備，焚燒之後超富集植物收穫物能夠減容96%。由於砷在高溫條件下很容易揮發，團隊研發了在焚燒過程中添加固定劑的技術，尾氣中重金屬等各項指標完全達標，焚燒後的灰燼還可以提取有價金屬或作為危險廢物進行安全填埋。
據了解，在利用蜈蚣草進行生物質轉化領域，英國Cranfield大學已經與陳同斌團隊建立了合作關係，為超富集植物收穫物的資源化利用提供了另外一種途徑。
技術多樣 效果顯著
通過長期的室內研究和野外實踐，陳同斌和他的團隊形成了集快速育苗技術—田間管理技術—收穫物安全焚燒和資源化利用技術於一體的砷汙染土壤植物修復成套技術。
2001年，在國家高技術發展計劃（「863」計劃）、「973」前期專項和國家自然科學基金重點項目的支持下，陳同斌帶領課題組在湖南郴州建立了世界上首個砷汙染土壤植物修復工程示範基地。
在種植蜈蚣草1年之後，土壤的砷含量下降了10%，而收割的蜈蚣草葉片砷含量高達0.8%；3年後，土壤砷含量進一步下降了30%左右；修復5年後，土壤砷平均含量達到《土壤環境質量標準》（GB 15618—1995）的要求，修復後農田可以安全地種植普通農作物。
湖南郴州的試點成功為進一步展開應用研究奠定了基礎。「砷汙染土壤植物修復技術進一步推廣到雲南、廣西、河南、河北和四川等全國十個地方的砷、鎘汙染耕地修復，總修復面積達2000多畝。」北京瑞美德環境修復有限公司總工程師劉珍貴在接受《中國科學報》記者採訪時說，修復效果讓人滿意，得到了政府和農民的認可。
劉珍貴表示，農田修復要求技術的嚴格性、精確性、科學性都是非常高的。
經過近20年土壤修復領域的研發，陳同斌團隊根據汙染程度建立了一系列修復技術，包括植物萃取技術、活化劑強化植物萃取技術、植物阻隔技術、鈍化技術以及超富集植物—經濟作物間作技術。
在國家高技術研究發展計劃（「863」計劃）重點項目、環保部重金屬專項、中科院STS計劃等支持下，廣西環江縣人民政府和中科院地理資源所聯合桂林理工大學等單位在廣西環江開展成套技術示範，修復重金屬汙染農田1280畝，培育蜈蚣草苗40萬株。每年利用蜈蚣草和東南景天修復土壤中砷、鎘的效率均達到10%以上，修復4年後即可達到農田環境質量標準。利用間作修復、鈍化修復和植物阻隔等修復技術使得農產品重金屬含量的合格率達到95%以上，同時，間作修復使作物增產8.8%~12.9%。
據陳同斌介紹，該工程是世界上最大的植物修復工程。通過在環江縣進行大量的科技研發和工程轉化試點，建立了「政府引導、科技支撐、企業參與、農民實施」的土壤修復新模式，獲得了環保部和多地政府的推薦。
「將來這些技術的應用前景是非常廣的。」劉珍貴表示。
如何利用科技來解決農業、環境中的現實問題是老百姓、各級政府以及中科院向很多科學家提出的現實要求。
「目前的技術還不足以解決中國所有的土壤汙染問題。」雷梅表示，這是一條艱難的路，「我們會繼續往前推進這項技術。」
「作為科學家，看到科技成果能夠以實體的形式出現在眼前是一種極其讓人興奮的體驗。希望在不遠的未來，能夠真正地告訴大家我們完全攻克了土壤重金屬汙染的難題。」陳同斌說。
《中國科學報》 (2016-06-22 第6版 科研)