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陈宝梁:向自然学习土壤污染防治【科学900秒系列】

发布时间:2017-03-22来源:浙大科学+++作者:浏览次数:15

陈宝梁,求是特聘教授、博导、环境与资源学院副院长,国家杰出青年基金获得者(2014年)、农业部科研杰出人才及“土壤污染缓解与控制”创新团队负责人(2015年)、国家自然科学基金委创新研究群体负责人(2016年)、教育部长江学者特聘教授(2016年)。作为主要完成人获国家自然科学二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、教育部/浙江省科学技术一等奖4项。培养1位博士生入选教育部“学术新人奖”、2位研究生获浙江省优秀研究生学位论文奖、2位研究生获浙江大学研究生十大学术进展提名奖。  

科学900-实录

土壤等于什么?

首先提出第一个问题,土壤应该等于什么?我想大家有各种各样的答案。我们来看看习总书记对土壤是怎么定义的,他说我们对待耕地要像对待大熊猫一样进行保护,可见土壤的宝贵程度可以等同于大熊猫。我们国家提出对环境污染进行宣战,包括水、大气、土壤,但我认为土壤不仅仅等同于大熊猫,土壤有很多更神奇的过程。第一,众所周知土壤可以给我们生产很多东西,我们的衣食住行都来自土壤。我们经常说土壤给我们生成三个F,即食品(Food)、纤维素(Fiber)以及我们的燃料(Fuel);同时土壤还有自净功能,保证生产产品的安全健康,没有大地我们将无法生存。但与此同时,土壤又受到大量的污染,工农业废弃物大量进入土壤中。目前,我国耕地土壤受污染面积达3.5亿亩,污染修复难度非常大,土壤污染防治是国际重大环境问题。因此,如何保护我们的土壤,成为决定我们生存品质及下一代人健康的问题。为了应对我国土壤污染问题,我们国家在2016年全面启动了土壤污染防治行动计划,简称“土十条”,提出在未来的五年,投资两万亿用于土壤污染治理。在此过程中,如何进行科学治理则是摆在我们面前重要课题。

土壤污染防控包括污染来源控制、污染土壤修复以及土壤界面调控,其关键科学问题涉及污染特征、界面行为、生物有效性、毒理效应。首先,我们要知道污染物在土壤中的整个迁移转化过程,以及在土壤中如何实现界面和生物有效性调控。土壤是一个复杂的体系,土壤污染防治涉及面非常广,特别需要多学科交叉进行研究。我们研究团队瞄准土壤污染防治的国家需求和学科前沿,通过将近30年努力,逐步发展成为“环境界面行为与调控技术原理”国家自然基金委创新研究群体,并在去年有幸获得了资助。在这个过程中,我们的核心成员中有6位获得国家杰青基金资助,并且都是研究环境化学方向。我们共同承担项目、联合培养学生、合作发表论著,合作开展一系列的研究工作,许多工作都是与研究生一起共同完成的。有机会与全校不同专业背景的研究生一起交流,非常高兴;因为我又看到我们未来的同行,我们能培养我们的同行是非常喜乐的一件事情。

根据我们初步调研,全国环保类的国家自然基金委创新研究群体共有12个,其中化学部有4个创新研究群体、工材学部也有4个、地学部也有4个。按研究领域份:大气2项、水质4项、土壤1项、区域2项、毒理2项、生态1项,我们是全国唯一一家以土壤污染防治为主要攻克对象的创新研究群体。  

接下来重点介绍我的研究工作。土壤一旦被污染,就可通过系列界面源源不断地威胁农作物安全。如何阻控土壤污染过程,我提出的思路:在污染土壤中添加一个超强吸附材料,形成优先的吸附位点,打破原有的土壤/水的固液平衡,使污染物得以转移。调控材料本省的低廉/安全/简单尤为重要。界面调控过程可以从宏观层面上进行描述、也可以微观地、纳米尺度上理解。其关键的是我们能否模拟土壤界面的有效的位点,来发展高效界面调控材料。

在这个过程中,我们应当把土壤当成什么?土壤可当成一个非常重要多功能材料,你看到是土,其实它是一个非常聪明的体系,智商超过人类,它能够帮助我们改善前面我提到的过程。从组成来看,土壤里有微生物、天然有机质、矿物生物炭,还有大量的分子,这些在30~40厘米厚度的耕作层中起着非凡作用。

土壤污染通常认为是土壤中的污染物浓度增多所造成的。在我的理解来讲是,当土壤中因为缺少某一种物质而使污染物释放出来,成为污染源。为此我们利用生物炭来调控土壤界面行为及作用机理。

“硅糖”缓解土壤铝毒

生物炭(Biochar)是生物质(秸秆、畜禽粪质)在缺氧或无氧条件下低温裂解制备的富碳固体,是一种多功能的环境友好材料,在退化土壤改良、土壤固碳增汇、污染土壤修复具有广阔的应用前景。生物炭在农业中应用已有两、三千年的历史,但其相关应用基础研究则刚刚开始,从这个意义上讲农民比我们聪明得多;生物炭的作用机理一直没有突破,存在许多值得我们深入研究的课题。

下面,我讲三个具体例子。第一个是关于生物炭中碳与硅结构关系及环境意义。我们将水稻秸秆转化成我们所需要的生物炭,通过微观结构的表征发现,在升高炭化温度的过程中生物炭的结构发生了转变,从富硅结构逐渐演变为富碳结构。我的一个博士生帮我画了一个动画,我们可以追踪到整个温度升高的演变过程,生物碳中C-Si组分相互保护的演变规律。从宏观上看,植物从土壤摄取营养物质,通过炭化形成生物炭,施加生物炭最终又回到土壤的循环过程。我们研究发现,在这个过程中,生物炭的稳定性至关重要。通常认为炭化温度越高、生物炭的芳构化越强、稳定性越强,但是我们的研究结果不一致,水稻秸秆生物炭最为稳定的碳质为500 摄氏度制得的生物炭而不是700 摄氏度制得的生物炭。其中碳与硅耦合的过程非常重要,会使其从量变引起质变,这是由很多微观的机理控制的。

第二个例子,土壤会酸化产生铝毒,在全世界关于铝毒的研究中引起了很大关注。早期的石灰造成非常严重的土壤退化问题,我们利用生物炭可以使小麦的根生长中毒性完全被抑制,较少的生物碳即可缓解铝毒,使小麦长势良好。另外,我们看看它的长期过程如何。我们要先研究除了碳质表面结构和二氧化硅颗粒之外;溶解态的硅参与缓解植物铝毒的整个环节。这张图我们花了很长时间来画,告诉大家的是土壤产生铝毒的过程,大家可以看到产生铝毒的原因是土壤中缺少硅,那我们可以加入碳硅耦合,重新帮助铝和硅结合在一起。这个形态转变过程是由于添加了新材料得以实现。生物炭可看作“硅糖”,在缓解土壤铝毒具有巨大的应用潜力。

改造沙子

第三,我想提一个问题,土壤中除了有机组分外,还有很多矿物质和沙子。能否提高沙石吸附污染物的能力呢。我们想到的是现在非常热的石墨烯纳米片层,我们利用石墨烯与硅结合在一起,通过调控可以得到一个性能非常好的沙石。石墨烯在沙的表面形成单一片层负载,大大提高其吸附性能,提高污染物的吸附能力。可以看到附着一层石墨烯纳米片层后,对污染物的吸附提高了6~7个数量级,这点告诉大家,我们可以仅仅用一个很少量的东西来取得非常大的变化,即从量变到质变的过程。所以科学研究虽然是一项具体的工作,但也蕴含了许多哲学问题。包括世界观、方法论,都是我们科学研究中非常重要的方法。所以科学研究可以改变我们的世界观,通过研究你可以获得很多乐趣,你可能也得到非常多的力量。

接下来一张图我想告诉大家,这个过程中我们经常忽略另一个物质——水。水分子非常奇妙,有纳米级的水,也有微米级的水,它们非常奇特。我们可以从环境过程或者水过程得到很多启示。

土壤非常复杂,我们所做的工作仅是一个非常小的部分,我们没有办法完全解决土壤问题。或许需要很长的历史,需要几代人的努力,才可以帮助我们正确地认识和对待土壤,对待我们居住的环境。这当然需要多学科的交叉,需要文科也需要理科,需要有健康独立的个人,也需要我们这个群体开展工作。最后一张PPT留给大家,土壤等于什么,大家一起回去思考,从不同角度来解决这个问题。

谢谢大家。  

科学900-互动  

提问:您刚才说土壤的污染,你的思路不是土壤里的东西多了,而是土壤中的物质少了,你往里面加了生物碳,那我们加进去的东西要回收吗,或者我们怎么处理后续的问题?

陈宝梁:添加物质很重要的一方面是要保证这个物质是安全可靠的,所以我们是采用模拟土壤的过程又回到土壤,而土壤当中还有一个很重要的物质,就是微生物。微生物可以将土壤中的生命和非生命的物质很好地进行传递。另外土壤中还有很多腐殖质,很多物质会结合在上面从而发生改变,腐殖质可以提取很多的东西,这个过程中非常有意思。我们生物炭比较安全,改变了以前需要回收的过程。同时刚才讲到超级沙的问题,这个过程也是非常有意思,我们只加了单层石墨烯,却完全改变了表面的过程,所以这也是一个非常有意思的思路,这里面99%没有用,我们只要1%就够了。  

提问:我们国家的土壤中南北有没有什么差异?是不是土壤当中水分比例的高低也会对这个土壤污染有很大的影响?

陈宝梁:第一个,关于我们国家土壤分布,刚才有一张图没有仔细讲,我们国家在南方地区土壤是酸性,北方是碱性,在酸性的土壤当中重金属很快释放出来,所以有些地方癌症是呈区带性的分布。第二个问题你讲到水分子,最近刚刚有一个在荷兰拿了博士学位的学生来我这里做博后,她想做土壤里的水分子的问题。我们认为土壤里的水分子,从宏观的水到纳米级的水,是完全不一样的,水分子会变化,会影响土壤当中物质结构形态的变化,这又是一个变化过程。在座很多博士生、研究生从不同角度来研究,你从医学来研究也是非常有意思的。  

提问:我是物理系的,我想问的问题是关于向沙子中石墨烯类物质,这些的东西都比较高科技,比较昂贵,有哪些适合老百姓来改善土壤的东西?

陈宝梁:生物炭是很满意的材料,关于生物炭,我们生活在农村的同学们肯定知道,早期的农业耕作当中要复土,得到草木灰,我对草木灰也做过很多的实验,我回老家看我爷爷的时候在农村也采集了一些草木灰回来。对草木灰的利用对我们国家来讲这是一个非常好的机会,但是日本人做得比我们早,他们已经做了两千多年了,现在土地整个改善过程比我们好得多。我十多年前去美国的时候,美国所有的都是木屑回土,十年之后改变了,采用炭化后回土。所以这当中你刚才提的非常好,一定要很简单的一种方法来实现自然净化。

提问:陈老师你好,我自己家里面有几块土地,每年秋收以后玉米就把秸秆烧掉,可以当做你所说的生物碳,我想问的是每年都烧的话,会不会积累到一定量的时候会带来什么影响、后果?或者您认为往土壤当中添加生物碳最佳的频率是多少?

陈宝梁:这是我们所要研究的。我曾经接待一个院士,他一下车就告诉我,他也对生物炭感兴趣,他问国际国内生物炭总是看到好的一面,但生物炭一定有它的负效应。是的,所有的技术都一样,都有两面性,当我们用一种技术来治理污染的时候,一定会产生新的效应,这是逻辑的一分为二的观点。你刚才讲的是重要的问题,我们要加多少量不会引起新的问题,加了多少量不会引起二次污染的问题是需要探索的。二次污染很复杂,来源于生物碳本身自由基的问题,污染物的持久性问题。而且在整个土壤中另一个组分改变的问题是复杂的,意味着调节一定要在平衡的范围内。自然界是一个平衡的过程。你家里的秸秆,因为我们国家秸秆的回收中变成生物碳,这是一个非常重要的产业,但是没有解决秸秆回收的问题,当中的成本较高。成本很高需要通过生命周期来进行评价,我们都要核算碳的平衡,这是非常重要的过程。实际上CAD固碳交易减排也是联合国减排一个非常重要的机制。

  

录音整理:沈意和、陈香洁

摄影:周立超

编辑:涵冰、柯松

支持:“启真杯”组委会