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      鲁迅、顾琅编著的《中国矿产志》 

      中国的地质调查之所以在辛亥革命后起程,有几个具体的背景不能忽视。换句话说,中国的地质调查是应“运”而生的,有其逻辑自恰的合理性:一方面,鸦片战争之后,看到西方列强在自己的国土上疯狂地掠夺矿产资源,一部分先知先觉的爱国之士,通过深邃地思考后,认为必须通过开发矿业、强国富民,才能拯救民族于水火,维护矿权、实业救国的呼声日益高涨;另一方面,大量西方人涌进中国进行地质调查、近代地质学传入、地质教育的兴起以及科学与民主思潮的出现等,使得建立中国自己的地质机构、开展地质调查成为必然。

      下面,我们就从这几个方面进行阐述——

      (一)大量外国人在中国进行地质调查 

      鸦片战争后,西方列强用炮舰打开了中国沉封已久的国门,强迫清政府签订一系列不平等条约,从此,中国沦入半殖民地半封建社会的深渊。

      从那时起,在中国尚没有自己的地质调查队伍的情况下,大量外国传教士、商人、旅行家及地质学家蜂拥而来,强行到中国境内进行地质调查。他们搜集资料、测绘图件、采集标本,带回其国内研究,写成著作并正式发表。

      据中国地质调查局发展研究中心副主任施俊法等专家研究,并综合其他学者的有关研究成果,这个时期来中国开展过考察与地质研究的外国地质学家及其出版的著作主要有——

      19世纪中叶,英国人斯特拉克里曾到西藏喜马拉雅山地区进行地质考察,1848年,发表《论西藏地质》一文,1851年又发表《论喜马拉雅山山脉和西藏地质》一文。

      1861年,英国人金斯米尔来华,在我国东部、南部从事地质考察,做过大运河北段的测量工作,调查研究过我国黄土。著有《中国东南省份的边区煤田》、《中国地质重点在扬子江下游各省》等文章。回国后还在伦敦地质学会作过《中国之地质》的专题演讲。

      1863年,美国地质学家拉斐尔·庞培里应邀来华工作了两年多,走遍了华东、华中、华北很多地区。回国后, 1867年出版了《1862-1865年期间在中国、蒙古和日本的地质研究》,全书共10章,其中9章内容都是关于中国的。他是以近代地质科学方法对中国广大地域进行系统全面研究的第一位学者。他详列了“中国有用矿产产地目录”,共列出矿产地276处,其中铁矿112处,有色金属116处,非金属杂类矿48处,可以认为,他也是编撰《中国矿产志》的先驱。

      1865年,法国工程师罗歇到我国云南省考察,于1879~1880年出版了《中国云南省》(两卷)。其中第二卷论及该省各类矿产分布,并记述了铁、铜、锡、银矿等之冶炼方法。

      1868年,德国地质学家李希霍芬获得美国加州银行和上海西商会提供的资助,藉此机会他在4年间对中国作了7次旅行考察,考察时间累计约20个月,行程数万公里,走遍了大半个中国。1872年未回国后,出版了最少300万字以上的五卷大部头的巨著—《中国:亲身旅行及据此所作研究的成果》,另有地理和地质图册两集,堪称“中国近代地质科学启蒙时期之经典”。传入我国后,成为我国地质学家工作的重要参考书。

      1892~1894年,俄罗斯地质学家奥勃鲁乔夫参加波塔宁领导的蒙古和中国考察队,穿越了整个中国“三北”(东北、华北和西北),1894年发表了《祁连山山脉概要》一书。在1905~1906年及1909年,奥勃鲁乔夫又两次进入中国西北地区,提出了黄土成因的“风成学说”。他还论证准噶尔地区有石油、沥青、煤及金矿富集,并提出通过准噶尔修建从莫斯科到北京的铁路线。

      1895年,法国矿业工程师杜克洛参加里昂商会组织的“中国经济考查团”,由越南进入我国云南省昆明,对沿途矿产资源,尤其是东川铜矿做了考察。

      1897年,英国地质学家毕克姆、法国地质学家勒库黎到我国广西进行地质矿产调查,并测有地质图,他们的工作开创了广西矿产地质调查的先例。

      1905年,清政府聘任日本地质学家阿部正治郎到陕西延长县考察,经试凿发现石油,1907年设延长石油厂,聘日本人佐藤弥市郎为技师,同年凿成我国大陆第一口油井——延长一号井,开创了我国大陆石油生产史。

      1909年,英国地质学家戴维斯考察山西太原西山煤系,于1922年发表了有关该区石炭二叠纪煤系划分对比的文章。

      这个时期来中国且后来与中国的地质调查发生关联的,还有一位取了一个地道中文名字的瑞典年轻地质学家“新常富”。他刚从大学毕业就来到中国山西太原定居,参加了山西大学的筹建,后长期担任该校地质系教授,还帮助该校建立了博物馆。他还向北洋政府建议聘请瑞典地质学家来华工作。北洋政府农商部矿政司采纳了他的建议,在1914年以高薪聘请了两位著名的瑞典地质学家安特生和丁格兰任顾问。他们来中国后和新常富一起着重调查了北京附近及华北的矿产资源,并对宣化龙烟地区发现的铁矿进行了深入研究。安特生还参加了北京农商部地质研究所的教学工作,多次带领该所学员去北京西山和华北地区进行野外实习及考察,搜集了华北地区的资料。

      ……

      应该说,这些外国“客卿”早期在中国从事地质研究显然是“越俎代庖”,但他们毕竟是在中国土地上进行地质学研究,获得的成果载入了世界科学的典籍,对世界地质科学事业的发展做出了贡献,也为以后中国人自己从事地质调查和研究工作积累了资料,创造了必要的条件,因此应当实事求是的评价。

      事实上,中国地质学的先驱们对他们给予了“极端公正、恰如其分的评价”。比如,1933年即德国人李希霍芬诞辰百周年时翁文灏曾在《中国地质学会志》(英文刊)上发文,肯定了这位德国地质学家为中国地质学所做的贡献:“中国地质学的巩固基础,实在是由德国人李希霍芬最早奠定的……李氏之前,关于中国地质学所知极少……”

      但也要看到,因为他们掌握了情况,使中国的地质特别是矿产分布情况也暴露在世界的目光之下。比如,李希霍芬《中国》一书中所称“中国矿产资源异常丰富,尤其是煤的蕴藏量为世界之冠,山西一省之煤可供金球使用千年有余”等,一时在海外引起震动,引起了西方列强对我国矿产宝藏的垂涎觊觎。

      (二)日本等西方列强疯狂掠夺我国的矿产资源 

      鸦片战争后,西方列强开始对中国的矿产资源进行勘探与开发,并肆无忌惮地掠夺中国的矿产资源。

      日本觊觎中国的矿产资源由来已久。

      1895年,清朝北洋海军在中日甲午海战中失败,清政府被迫签订《马关条约》,条约明文规定允许日本在我国通商口岸任意从事工业制造,实际上更扩大到矿产开发,这被其他西方列强援用。

      1904年,日本和俄国在我国东北地区开战,俄国战败后,两国在美国朴茨茅斯签订了和约:东北大部分地域由原来俄国的势力范围变成了日本的势力范围。日本获取特权最多的是辽宁省,因其处于整个满洲之南,所以称为“南满”。

      1907年,由日本建立的“南满洲铁道株式会社”(简称“满铁”)开始营业。这实际上是日本帝国主义经营我国东北的“国策会社”。营业之初,就在矿业部下设地质课(科)和煤田地质调查事务所,1909年地质课改为地质研究所,下设庶务科、地质科、矿产地质科、物理探矿科和研究科,共5个科,专门在东北进行地质矿产调查与研究。

      根据资料统计,从甲午战争后到“九一八事变”36年中,为了掠夺中国东北的矿产,日本人在东北开展了大规模的地质工作,并撰写了大量的地质工作报告。如果按省份分类,辽宁省的达215份,吉林省的46份,黑龙江省的5份,分别占在中国开展地质工作的15个省份中的第一、二、九位。另外还有涉及东北两个省以上的达8份。

      日本人在华开展地质工作较多的另一个地区是台湾省。1895年,清政府被迫与日本签订《马关条约》,将台湾割让予日本。

      根据资料,从甲午战争后到“九一八事变”36年中,日本人撰写的有关台湾省的地质工作报告达10份之多,居15个省份中的第5位(仅次于辽宁、吉林、山东、河北,而台湾的面积仅是以上4省的1/6到1/4)。

      日本侵略者除了进行地质矿产调查外,还以武力直接占领现成的矿区,掠夺开采矿产资源,最典型的便是抢劫辽宁的抚顺煤矿和鞍山铁矿。

      1904年,日本帝国主义以战胜国的身份取得原沙俄在东北的特权。他们凭借武力,在一个月内将抚顺煤矿全部侵占,把华兴利公司开采存储的4000多吨炭运回日本国内。

      1905年5月1日,日本侵略者在抚顺成立隶属于日军大本营的“采炭社”,对该煤矿进行掠夺式开采。1907年,该社交“满铁”经营,他们用武力强占土地,扩大开采区域,掠夺煤炭资源。当年抚顺煤炭产量为23.3万吨。后来年年直线上升,1910年产量达到131.1万吨,3年之内几乎增大了6倍。

      1909年8月,“满铁”在鞍山地区调查温泉时,发现了铁矿。后来又发现了鞍山西南的营口大石桥(今营口县)菱镁矿,还有粘土矿等资源,经过以后10年的建设,成立了鞍山制铁所,于1919年正式投入生产。

      谈到列强掠夺中国矿产的卑劣行径,鲁迅和顾琅编著的《中国矿产志》在“导言”中专门用了一章的篇幅进行揭露,并且大声疾呼:“我国民当留意焉。”他提醒:“列强将来工业之盛衰,几一系于占领支那之得失。遂攘臂而起,惧为人先。”于是便“划分势力范围”“瓜分中国”,“于是今日山西某炭田夺于英,明日山东各炭田夺于德,而诸国犹群相要曰:采掘权!采掘权!”于是“行将见斧凿丁丁然,震惊吾民族,窟洞渊渊然,蜂房吾土地。”“及尔时,中国有矿业,中国无矿产矣!”

       

      华蘅芳与玛高温翻译的《地学浅释》内文 

      (三)开办现代矿业必须掌握地质学和采矿知识 

      面对西方列强对中国矿产的肆意掠夺,一些爱国之士及清政府内部的洋务派官僚深感问题严重,提出了“师夷之长技以制夷”的主张,疾呼“开矿致富”。比如,康有为当时提出:“美人以开金银之矿,为图强要务之一;英人以煤铁之矿,雄视五洲;其余各国,开矿均富10倍。而藏富于地,中国为最……我若不开,他人入室。”洋务派也认为“东西洋无不开矿之国”,“且以此致富强”。于是,开办新式矿业成为洋务派强国求富的主要活动之一。

      要开矿,首先要找矿,这就需要相应的地质学与采矿知识。但众所周知,由于长期的封建统治特别是清王朝后期的昏庸无能,闭关自守,中国在近代科学技术方面被西方国家远远甩在了后面。在西方国家,至19世纪中叶,便建立并完善了近代地质学的理论和方法体系,完成了学科体制化建设,比中国至少早一个世纪。这样,为了解决开办新式矿业对地质学采矿学的急需,洋务派及一些有识的爱国人士开始举办翻译机构,翻译、引进与著述相关的地质学理论。同时,开始向西方国家选派留洋学生。

      1843年,英国人麦都思创办了“墨海书馆”,随后,江南制造总局译书馆、广言文馆、京师同文馆等陆续兴办;随之,涌现了一批著名的翻译学者与译著,地质科学逐渐引入国内。如英国传教士兼地质学家慕维廉在上海写成地质地理科学普及读物《地理全志》,其中有几卷就是地质学的内容。这是最早一部用中文写作的近代地质学文献。据李鄂荣先生等考证,我国近代科学意义上的“地质”一词,最早就出现在慕维廉的《地理全志》里。

      19世纪80年代初,华蘅芳与玛高温合译了《金石识别》(现译为《系统矿物学》)与《地学浅释》(现译为《地质学纲要》)两本书,开创了中国翻译出版近代矿物学和地质学书籍的先河。后来,他们又合译了《金石表》(就是后来的《矿物学名辞典》),这套书对中国地质学、矿物学的发展影响极大。随后,潘松与英国人傅兰雅合译了《求矿指南》,王汝聃翻译了《相地探金石法》,舒高第与沈陶章合译了《矿学考质》。这几本译著,基本上属于今天的“矿床学”。

      同时,中国人自己也开始著书立说。中国人编著的地质文献最早见于1903年鲁迅写的《中国地质略论》,发表在日本东京出版的中文刊物质《浙江潮》第8期上;1906年,鲁迅和顾琅又合纂了《中国矿产志》,由上海普及书店印行。

      1910年,在直隶省矿政调查局担任知矿师的邝荣光在中国地学会主办的《地学杂志》上,发表了我国首幅彩色区域地质图和矿产图——1∶250万《直隶地质图》和《直隶矿产图》,还有我国的第一张古生物图版——《直隶石层古迹》。

      “庚子”之役以后,“洋务运动”代表人物之一曾国藩推出一项有意义的举措,就是在1870年设立“幼童赴美留学预备班”。1872年正式派遣30名10岁左右的儿童去美国留学。以后又连续3年每年都派去30名留美学生。这里面学地质矿业的有邝荣光、吴仰曾、邝炳光等。1877年,清政府又派林庆升、池贞铨、张金生、罗臻禄、林日章5人赴法巴黎矿务学堂学习矿务。1886年,李鸿章又派留美归国的吴仰曾至英国伦敦皇家矿冶学校留学,于1890年完成学业。

      据有关资料,从1872年至1876年,清政府共派出留学生120人,大部分学理工;1889年又派出64人;1900至1906年派出留学生人数达到高峰,有万余人。他们不仅学到了地质学知识,而且了解了当时地质科学的最新成就,摸清了关于当代地质科学前沿的知识。他们后来都成了中国地质事业的创始人和奠基人,成为中国地质学的先驱和中坚。留学生除了上述诸位外,学习地质、矿业的还包括——

      王宠佑(1879—1958),广东东莞人, 1901年赴美国留学,1904年获哥伦比亚大学地质矿物学硕士学位。后又留学英、法、德国,1908年回国。

      章鸿钊(1877—1951),浙江湖州人,1899年22岁时考中秀才,1905年留学日本,1911年毕业于东京帝国大学理学部地质学系,获学士学位。

      丁文江(1887—1936),江苏泰兴人,1902年留学日本,1904年又留学英国,1911年毕业于苏格兰格拉斯哥大学,获地质学动物学双学士学位后回国。

      1911年,章、丁二人参加了清政府留学生文官考试,获“格致科进士”,以后他们都成为中国地质科学事业最早的创始人和奠基人。

      翁文灏(1889—1971),浙江鄞县人,1908年留学比利时鲁凡大学地质系,1912年毕业,其毕业论文《勒辛的石英玢岩》水平极高,荣获“特优”成绩而被破格授予博士学位。这样,他就成为中国地质学界第一位博士,也是最年轻的博士(23岁)。他1913年回国,参加了北洋政府的留学生文官考试,名列第一,任农商部佥事。后来,他就与章鸿钊、丁文江共同开创了中国的地质科学事业。

      李四光(1889—1971),湖北黄冈人,1904年到日本留学。1910年毕业于大阪高等工业学校舶用机械科,同年回国。1911年9月去北京参加留学生文官考试,成绩为最优等,获“工科进士”。1913年再度出国留学,去英国伯明翰大学,初学矿业,后改学地质,1918年获硕士学位。1920年回国,任北京大学地质系教授。

      ……

      尽管洋务派的一系列改良运动皆不果而终,但由维护矿权、开发矿业运动引发的翻译与留学热潮,却为地质学的本土化和中国近代地质学的产生做出了贡献。

      (四)地质学的引进为近代科学思潮在中国的兴起扫清了道路 

      杜智涛先生在他的《西学东渐与中国近代地质学的产生与发展》一文中写到,地质学所体现的辩证唯物主义精神,冲击了中国传统封建思想,它一传入中国,就与科学、民主、爱国的品质相互融合,彼此依存,为近代科学思潮的兴起扫清了道路,反过来,又推动了地质调查工作在中国的产生,为中国地质科学的发展奠定了基础。

      敬天法祖是中国封建伦理纲常思想的重要组成部分。“富贵在天”、“天不变,道亦不变”……这种观念成为中国近代变革和民族进步的巨大阻力。而地质学作为一种科学,它客观地揭示天、地、生的变化,向人们阐明了自然界的运动规律,“月日蚀地震,雷鸣星变,皆天地自然之功用,其中有一定之法,初无所谓妖异也。”这种自然科学中的唯物主义,使人们开始怀疑过去一成不变的旧礼教,尝试用一种新的唯物的自然观去审视世界,使人们久被压抑和禁锢的思想得到了启蒙。

      甲午战争以后,社会的全面变革提到了议事日程,而地质学说成为人们倡言变法的有力根据。维新运动的领袖康有为在广州长兴里创办万木草堂,向学生讲授地球及其远古动植物的演化,指出自然界的变化和人类社会的发展有一定的规律。他在给学生所列的西学必读书目中,《地学浅释》成为重要的篇目之一。同时,他在一系列给皇帝的上书中,也多次引用地质学知识,以论证变法维新的合理性和必要性。梁启超用地质学知识来说明中国进行改革的重要性和紧迫性。1896年8月9日,他发表《变法通议》,其中开宗明义的第一章就引用了地质学的知识:“大地肇起,流质炎炎,热熔冰迁,累变而成地球……藉日不变,则天地人类并时而息矣。”谭嗣同、唐才常等维新派名士的思想也深受近代地质学的影响。

      20世纪初赴日、法留洋的学生中,不少地质学子如章鸿钊、丁文江、翁文灏、李四光等不仅接受了孙中山的民主主义思想,也接受了辩证唯物主义思想,他们将地质学的精神与社会革命相结合,高举科学与民主大旗,成为以地质学精神为支撑的科学与民主运动的主力军。随着新文化运动的开展,科学与民主成为革命主题,地质学中蕴涵的科学精神成为这场思想革命的有力武器。

      (五)新式学堂的兴起,开启了中国地质教育的先河 

      19世纪后半期兴起的洋务运动,推进了当时新式学堂的兴起。中国的地质教育最早可以追溯到洋务运动中开办的路矿学堂矿冶系,其后的1903年,北洋大学也设立了矿冶系。1909年在京师大学堂设地质门,维持了两年多,学生有4人。

      我们不妨详细了解一下:

      19世纪后半叶,中国出现了首批官办新式学校,主要在传统的文、史、哲等经典课程之外,增加了外语和西方的现代科学技术,其中也包括地质矿业在内。

      1862年,中国最早的官办新式学堂——京师同文馆诞生,学制为8年。从第5学年起,加设科学馆。从第6学年起增设了地质矿务、航海测算、机器制造、经国策、万国公法等科目。高年级才修金石学(矿物学)课,由德国教师斯图曼博士讲授,在矿物学教学内容中也渗透了化石知识。

      1863年,在上海设立了广方言馆。1867年以后,该馆毕业生择优赴京师同文馆科学馆再求深造。

      1867年,闽浙总督左宗棠奏准在福州马尾设立福建船政学堂,这是中国第一所海军学堂。该校也讲授地质学课程。

      1889年,两广总督张之洞奏准在广东水师学堂内增设矿务学堂,聘请英国人为教习,最初招收了30名学生。

      1892年,湖北铁路矿务局设立了附属矿务学堂,这是中国最早的初等矿业专门学校。

      1895年,盛宣怀在天津开办了中西学堂,其中的头等学堂为大学本科,里面设有矿物科,培养地质、采矿人才。

      当年10月2日,清光绪皇帝御批将中西学堂改为北洋大学堂,其中的矿务学门开始招收采矿冶金科新生。

      1896年,两江总督张之洞奏准在南京江南陆师学堂附设矿务铁路学堂(矿路学堂),浙江绍兴青年鲁迅曾到该校求学。

      1898年,康有为、梁启超辅佐清光绪皇帝领导“戊戍维新运动”,其中一项措施就是在原京师同文馆的基础上创办“京师大学堂”。该校分为天学、地学、道学、政务、文学、武学、农学、工学、商学和医学10个科,地学科中附设有矿学。

      1909年,京师大学堂的“格致科”内设立“地质学门”,有王烈、裘杰、邬友能、陈祥翰、路晋继5名学生(都是由预科德文班毕业升入的)。这一年被称为“中国高等地质教育事业的开局之年”,无疑具有里程碑式的意义。

      地质教育的兴起,促进了一批地学教科书的编纂出版。如美国公理会女教士、北京贝满女子学校校长柳拉·迈诺尔编著出版的《普通地质学》(1903年),这应是中国最早的地质学教科书。此后,杜亚泉翻译出版了中学教科书《植物学矿物学》和《最新矿物学》(1904年),钟观浩翻译出版了《新式矿物学》(1906年),杜亚泉编译出版了《最新中学教科书·矿物学》(1906年)。1909年,张相文根据日本横山又次郎的《地质学》,并参考其他书籍编译出版了《最新地质学教科书》(共4册),此书是中国人自己编写的第一部地质学教科书。

      谈到中国地质调查工作的发端,我们不能忘记,1840年鸦片战争以后,中国是怎样一步步沦为半殖民地半封建社会的辛酸过程;我们更不能忘记,中国地质工作的先驱们、开创者们,是如何在国破山河碎的极端困难的情况下,筚路褴褛、卧薪尝胆,从无到有,建立起中国人自己的地质调查机构,并且学会独立地开展地质调查工作的。

      (笔者在撰写此文过程中,参阅了众多专家学者撰写的文献、资料,由于出处甚多,恕难一一注明,在此一并表示谢忱。)

    中国地质调查在辛亥革命后起程的几个背景

    近日,国际地学期刊《Geomorphology》发表了中国地质调查局青岛海洋地质研究所在海洋沉积学方面的研究成果,基于定量物源分析,估算了淮河—老黄河水系物质对东海北部陆架沉积的贡献,揭示了江苏海岸带外顺岸搬运向离岸搬运转变的现象。

    利用碎屑矿物指标,研究人员对东海西北部表层沉积物的物源进行了分析。结果显示,研究区南部为长江物源区,而北部则为混合物源区,可归为长江、老黄河与淮河物质的三端元混合。以长江三角洲和黄河三角洲重矿物组成作为端元,定量分析了研究区北部不同沉积分区的物源混合比例。长江物质是主要物源,其相对贡献在59%至71%之间,老黄河物质的相对贡献介于21%至39%之间。淮河物质的贡献少,通常在7.2%至9.4%之间,而在济州岛西南泥质区,其贡献仅为2.4%。在南部的长江物源区,可观察到两期冰后期海侵沙脊的发育,两者的分界线与80 m等深线吻合良好,对应于~14,600年前末次冰消期的冰融水事件(MWP-1A)后海平面上升过程中的停顿期。研究还揭示了全新世早期长江流路可能的后退轨迹。

    研究人员认为,江苏岸外的辐射潮流分散系统和长江三角洲北翼与长江冲淡水所引起的岬角效应,是引起顺岸搬运向离岸搬运转变的主要原因。这种转变机制降低了淮河—老黄河物质与长江物质的顺岸混合作用,而增强了沉积物的离岸搬运。苏北辐射潮流系统是江苏海岸带沉积物的捕获器和转运中心,老黄河及淮河物质在顺岸漂流裹挟之下,搬运至该分散系统的中心海域,然后在辐射潮流作用下向周边海域分散。细颗粒的老黄河物质主要富集在济州岛西南泥质区(~39%)和长江口外陆架峡谷区(~31%)。前者可以认为是该系统的一个终端叶瓣;而后者则归因于长江三角洲北翼和长江冲淡水所引起的岬角效应,该效应使得顺岸搬运向离岸方向偏移,老黄河物质因而在长江口外的陆架峡谷深水区沉积。

    该研究提出的潮流分散模式,预测了南黄海广泛存在着长江与老黄河/现代黄河物质的混合。作为一个独立的水动力系统,苏北辐射潮流系统是联结长江分散系统和现代/苏北黄河分散系统的关键枢纽。可以认为,中国东部陆架海域沉积物的搬运、分布和混合过程,主要由这三大分散系统及其相互作用来控制。

     

     

    苏北辐射潮流驱动下长江物质与淮河—老黄河物质的混合与再分布

    中国东部海域沉积物搬运方式从顺陆架向跨陆架转变的...

    湘潭水稻种植试验

    应用根系微地球化学障技术进行水稻育苗

    环境矿物材料土壤改良试验田

    EK—SS中试实验装置

    土壤承载着世界万物,提供养料,蓄积水分,塑造了丰富的自然环境。在人类活动的作用下,土壤不断受到侵蚀和污染。正如蓝天不能雾霾如盖,大地亦不能厚土载污,土壤污染防治迫在眉睫。

    相对水体和大气污染而言,土壤污染更具隐蔽性、滞后性和难可逆性,其治理修复难度大。相对于污染场地与矿山,耕地土壤的修复因为要尽可能地恢复其种植功能,难度更高。在第29个全国土地日到来之际,我们聚焦地质科技工作者研发的土壤污染修复新技术,看看他们如何让被污染的耕地重新焕发生机。

    生物质电厂灰渣:

    有效降低农作物对重金属的吸收

    范建勇

    土壤重金属污染钝化修复技术主要是通过添加外源物质,将重金属转化为不易溶解、迁移能力或毒性更小的形式,以降低其对农田生态系统的危害风险。

    针对以上问题,中国地质调查局水文地质环境地质研究所韩占涛研究员课题组经过6年研发,成功将生物质电厂灰渣制成重金属污染土壤的钝化剂,取得了对镉、镍、铅等重金属较好的钝化效果,不仅成本低廉、效果稳定,而且可改良土壤,增加作物产量。

    2016年,课题组在湖南湘潭一块土壤镉含量在2.05~2.60毫克/千克的土壤中,进行了稻麦两季种植试验,每块试验地块面积为7.5平方米,添加了课题组制备的两种型号的钝化剂,添加量为土壤干重的1%、2%、5%(约合2吨/亩、4吨/亩和10吨/亩)。种植试验选用“新华两优9号”水稻,种植期间的浇水、施肥等均由当地农民按传统水稻种植方法管理。

    第一季晚稻收获后测量结果表明,稻米亩产从背景土壤中的373~423公斤/亩增加到528~666公斤/亩,增产幅度达24%~79%。稻米中的镉降幅达69%~88%,镍的降幅为60%~72%,锌的降幅33%~45%,铜的降幅17%~32%。

    2017年第二季晚稻的试验结果更为喜人。添加1%的钝化剂后,稻米中镉的降幅达93%,由背景样品中镉含量接近2毫克/千克降到了标准值0.2毫克/千克以下;镍含量未检出,铜降低14.3%,锌降低19.2%,而稻米产量相对于对照区仍然保持了14.8%的增幅。至此,该农田可以认为完成了修复。

    在两季水稻之间种植了冬小麦。小麦收获后的测量数据表明,小麦籽粒中镉含量降低了65%~76%,镍含量降低了84%~93%,对作物生长有益的铜和锌的含量降低则较少。同时,小麦增产24%~36%,实现了与水稻相似的钝化和增产效果。

    针对北方镉污染小麦问题,课题组在河南省济源市一处镉铅污染农田开展了钝化修复试验,向试验田中添加了土壤干重2%的本钝化剂,收获后的测量结果表明,小麦籽粒镉含量降低33%,产量增加72.5%。

    除此之外,课题组还将该钝化剂在云南会泽县者海铅锌镉污染土壤修复、河南新乡镉污染小麦田修复中进行了试用,均取得了很好的修复效果。

    生物质电厂灰渣是生物质在电厂锅炉中燃烧产生的灰渣,由于使用的燃料为秸秆,因此排出的灰渣属于草木灰系列,含有大量的硅酸盐,以及钙、钾、铁、镁等有益元素。因此,用生物质电厂灰渣制作的土壤修复钝化剂,绿色安全,可改良土壤。同时,具有明显降低作物对镉、镍等重金属的吸收,但不会大幅度降低作物对锌、铜等有益元素的吸收,以及增产效果显著的优点。这为我国大面积重金属污染农田修复提供了一种低成本、高效益的快捷方法,具有巨大的推广价值。

    “根系微地球化学障”修复技术:

    从农作物根部减少对重金属吸收量

    朱晓华

    在江西省赣州市,中国地质调查局地质实验测试中心开展了在产农田重金属污染修复工作,针对不同水稻类型和不同耕作方式,结合当地耕作工艺,利用地球化学工程技术对农田进行修复,取得良好修复效果。在此基础上,研究团队首创性提出了“根系微地球化学障”修复模式和修复技术,改善修复工艺,显著降低修复成本。

    研究团队在水稻栽种的不同环节利用传统工艺进行材料添加。实验结果表明,在水田种植条件下,改性材料修复效果明显强于原矿材料;改性后的无定形材料修复效果要好于球形材料;不同耕作环节添加材料,对修复效果影响巨大。

    根据以往工作成果和文献调研结果,研究团队创新性提出“根系微地球化学障”全新修复概念,将地球化学障技术应用于水稻根系上,形成微型障,阻滞水稻往根系中迁移,减少根系对镉的吸收量,从而降低稻米中的镉含量。该技术是针对当前应用面最广的抛秧种植水稻技术研发,在育秧过程中,将修复材料按照一定比例添加到育苗土中,并使其固定在秧苗的底部,在抛秧时进入农田,在稻米根系处发挥作用。该方法将材料用于关键部位,避免了大田播撒时部分材料分散在非根系吸收范围内,而不能真正发挥作用。该操作完全基于农耕工艺,基本不增加农民的工作量,可以大大降低修复材料的使用量和人力成本。

    在研究区域,通过一季稻修复示范,效果明显,稻米中镉去除率超过80%,修复成本大幅下降,成本比市场价降低超过80%,基本解决了该类污染农田的修复成本瓶颈问题,具有应用推广价值。

    环境矿物材料:

    降低土壤中重金属的活性成分含量

    殷汉琴

    近年来,针对浙江省内部分耕地受重金属污染的情况,浙江省地质调查院开展了利用环境矿物材料进行污染土壤修复和改良的试点研究,取得明显成效,为浙江省污染耕地的安全利用和土壤污染修复提供了技术支持。

    重金属在土壤中有多种赋存形态,包括离子交换态、水溶态、碳酸盐态、腐殖酸态、铁锰氧化态、强有机态、残渣态等。其中,前三种形态可直接被作物吸收,将其转化成其他不易被作物吸收的形态或者络合固定是研究的目的。浙江的试验研究表明,对土壤中活性成分较高的重金属污染的土壤,矿物材料钝化修复效果较好。湖州试验田的土壤为中性偏碱性,添加单一的膨润土就能够有效地降低土壤中重金属的有效态含量,减少农作物对镉的吸收,且具有环境友好的特征。试验结果显示,稻米镉的含量降低50%,达到安全水平。

    龙游黄铁矿区的试验田土壤酸性较强,单一的吸附材料如膨润土和沸石对降低稻米中重金属的含量作用甚微,而偏碱性的磷灰石则作用显著。实验还发现,添加膨润土、沸石与磷灰石组成的混合材料,对重金属含量的降低程度大于单一材料的理论叠加。龙游60亩试验田中,两种不同的组合环境矿物修复试验结果表明,稻米中镉的含量分别降低83.0%和63.9%,含量均达到安全水平。

    经成本核算,用环境矿物材料修复重金属污染土壤,酸性土壤的修复成本在680~2720元/亩,碱性土壤的修复成本在400~1600元/亩。综合考虑修复效果和成本,针对浙江省酸性土壤重金属污染,膨润土加磷灰石是最优选的矿物钝化修复材料;而碱性土壤重金属污染的修复,膨润土或沸石都是优选材料。

    电动—稳定化修复技术:

    将重金属与土壤直接分离

    黄园英

    中国地质调查局地质实验测试中心在湖南湘潭针对多重金属复合污染土壤,提出了电动—稳定化(EK-SS)修复技术,以锌、铅、镉、铜和汞为主要目标污染物,研发了EK-SS技术工艺流程及中试实验装置。

    结果表明,自主研发的活化剂性能优越,最佳添加量为0.3%;活性炭作为重金属稳定剂(捕获材料),SS技术(重金属捕获器)能够将污染重金属固定在负极材料中,与土壤直接分离。该项研究重点解决了如何使土壤中的多种重金属同时做快速定向运动和如何将EK-SS的具体修复方案和修复装置实用化两个技术难点。

    在全面总结前人电动修复技术的基础上,课题组提出了有别于美国孟山都公司LasagnaTM模式的EK-SS模式,试制了16台小试实验装置(土壤量为2 千克)和6台中试实验装置(土壤量为200 千克)。

    典型示范结果表明,该技术对多种污染土壤各种形态的重金属都有去除作用,包括铜、铅、锌、镉、汞和砷,尤其对土壤中残渣态重金属能够大幅度去除,经过48小时处理,土壤中大多数重金属浓度可降低70%左右。经研究试验,电极板作用距离从20厘米扩大至200厘米,修复周期从3月~3年缩短至2~4天,大幅度提高了修复速度和效率,使修复成本由每立方米高于2500元降低至565元左右,初步形成了重金属复合污染场地修复的EK-SS新技术和配套修复装置等创新成果。

     

    还大地一片净土