李芳柏团队：稻田重金属污染修复的可持续性评价和碳收支

导读

农业土壤是不可再生的宝贵自然资源，由于人类活动导致农业表层土壤重金属含量超标，严重威胁到农业安全生产和人体健康。生物炭和石灰是两种具有代表性土壤修复剂，能有效降低稻田土壤中镉的生物有效性以确保水稻的安全利用；然而，其在实际大面积推广使用中如何选择一直存在争论。因此，本研究针对石灰和生物炭这两种代表性的土壤修复剂，构建了包括作物产量、土壤质量和碳收支等指标的综合可持续性评价框架，基于两年的大田实验，阐明了石灰和生物炭用于稻田重金属污染修复的可持续性。

图文摘要

一、稻田重金属污染修复可持续性评价框架

本研究为稻田重金属污染修复的可持续性评价构建了一个全面的框架。如图1所示，稻田修复的可持续性评价分为环境可持续性、社会可持续性、经济可持续性和农业可持续性4个方面。环境可持续性评价包括人类健康、生态系统和资源消耗三大类；社会包括健康安全和公众接受度两大类；经济包括成本和收益两大类；农业包括土壤质量和作物生产两大类。

图1. 稻田重金属污染修复可持续性评价框架

二、环境可持续性评价

使用生命周期评价（LCA）的方法用于环境可持续性评价。基于ReCiPe端点分析的生命周期影响评价得分显示，石灰处理表现出更高的环境影响得分（457.9 Pt），是生物炭处理的4.8倍（图2a）。这一结果表明施用石灰修复受镉污染的稻田对环境的负面影响远大于生物炭。因此，相较于石灰，生物炭更有利于促进环境可持续性。

图2. 生物炭和石灰修复情景生命周期评价结果基于LCIA端点指标（a）；以及在人类健康、生态系统和资源消耗得分（b）

三、综合可持续性评价

图3a为环境、社会、经济和农业可持续评价的归一化得分结果，结果显示生物炭处理的环境可持续性得分为99，是石灰处理的6.7倍。同时，生物炭处理的社会和农业可持续性得分也明显高于石灰。综合可持续性评价得分结果表明生物炭处理（80.7）明显高于石灰处理（47.0）（图3b）。综上所述，相较于石灰，施加生物炭可以提高稻田镉污染修复的整体可持续性水平，主要原因是其在环境、社会和农业方面表现出更积极的影响。

图3. 环境、社会、经济和农业归一化可持续性评价得分（a）；综合可持续性评价得分（b）

四、不同修复剂碳收支

生物炭处理的碳输入量（38.8 t CO₂-eq ha^-1）为不采取修复行动（CK）的6.1倍，是石灰处理的5.6倍（图4a）。同时，生物炭处理的碳输出量为21.0 t CO₂-eq ha^-1，也明显低于石灰处理（37.4 t CO₂-eq ha^-1）。综合碳的输入和输出结果表明，生物炭处理的碳收支为7.8 t CO₂-eq ha^-1，是对照的20.6倍（图4b）。石灰处理的碳收支为-30.5 t CO₂-eq ha^-1。这一结果表明，施用生物炭实现了碳汇，而施用石灰导致了负碳收支，促进了碳排放。此外，碳物质流结果发现生物炭处理实现了将59.6%的碳封存在土壤中。

图4. 不同修复情景中碳输入和输出（a）；不同修复情景中碳收支（b）；生物炭（c）和石灰（d）情景中碳的物质流

总结

基于全生命周期构建了稻田重金属污染修复的可持续性评价框架。结果表明施用生物炭修复稻田镉污染的总体可持续性评价得分明显高于石灰，同时实现了土壤质量提升—作物产量提升—碳正收支的多目标协同修复效果。因此，生物炭具有促进农业土壤可持续性修复和碳正收支的巨大潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.152022