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2019-04-01從農田重金屬污染整治到土壤煉金術－農業採礦的發想
448 期
Author 作者
許正一／國立臺灣大學農業化學系教授。 楊家語／國立臺灣大學農業化學系碩士班研究生。
自1982年桃園市觀音區發生的第一起鎘米事件開始，臺灣農田土壤受工業廢水與固體廢棄物等重金屬污染的問題逐漸受到社會重視。截至目前為止，重金屬仍是臺灣與多數國家最主要的農田土壤污染問題，因為受污染的土壤經由食物鏈的傳輸，可能使食用作物與飲用地下水的民眾受健康威脅。為因應臺灣的土壤污染問題，政府已於2000年訂定「土壤及地下水污染整治法」，來進行污染土壤的預防、監測與整治。
土壤污染與整治
土壤污染的整治原理包括透過物理、化學或生物的手段，以達到移除（破壞）污染物或減少（防止）污染物釋出等目的。不過，由於重金屬無法被分解破壞，因此尚須化學萃取、氧化還原、現地電熔∕玻璃化及固化∕穩定化等方法來協助處理這個問題。
然而這些方法的實際效益似乎還有待商榷，如化學萃取利用強酸等藥劑溶解而移出重金屬，極易破壞土壤性質與流失養分；氧化還原僅暫時將重金屬轉變為毒性較低的價態；排土客土法將使土壤資源耗竭或無法掌握重金屬的溶解度；現地電熔∕玻璃化、固化則是迫使土壤成為穩定的固化物，而穩定化雖可降低重金屬的生物有效性〔註一〕，但是需要長期投入穩定劑與污染監測。
目前，臺灣常用的農田土壤整治方法主要為「翻轉稀釋法」及「排土客土法」——翻轉稀釋法是將受污染的表土與乾淨的下層土壤混合，使土壤重金屬總濃度下降，但僅適用在污染濃度不高的土壤，重金屬總質量並未減少，而土壤中重金屬的移動性及生物有效性經一段時間後是否會改變，仍是一個未知數；排客土法則是將污染的表土層移除並回填無污染土壤，然而由於臺灣地狹人稠且乾淨的土壤有限，因此這不是一個好的整治方法。相較之下，透過植物的種植，達到移除重金屬或穩定重金屬等目的植生復育（phytoremediation）法，成本低廉、對環境友善且民眾接受度高，更適合用於農田土壤整治。
植生復育的技術原理
植生復育是一項可以永續利用土壤資源的綠色低碳的方法，不僅可移除重金屬、不會破壞土壤性質，更能讓土壤繼續發揮它在生態上的正常功能。該方法是透過植物來整治受污染土壤或水體的原理，在此要強調的是，整治只是一個消極降低健康風險的手段，並不在意是否破壞土壤性質；復育，則是較為積極的態度，不僅降低污染物的健康風險，也追求土壤能恢復原有生態功能的目標。基於植生復育原理的技術包含植生萃取（phytoextraction）、植生穩定（phytostabilization）、根圈過濾（rhizofiltration）與植物揮發（phytovolatilization）等，而適用在受重金屬污染農田土壤的，主要是植生萃取與植生穩定，是一種透過植物所營造的特殊根圈環境，以農業操作模式進行生物技術的土壤復育工作。植生復育對環境干擾低，具低成本、美觀、不會衍生二次性廢棄物，且可同時整治多種重金屬，整治後能恢復農業耕作等優點。
首先，植生萃取是利用植物根部吸收重金屬，並傳輸到莖、葉等地上部累積，然後採收地上部而達到土壤重金屬減量之目的。為了減少根部移除時污染土壤的擴散與便於採收機具的操作，植生萃取所重視的是，地上部能累積的重金屬含量愈高愈好，不能只是累積在根部。一般植生萃取的植物需要具有高重金屬耐受性、生長快速、高生物質量及根系龐大等特性，文獻中常被提起的就是重金屬的「超累積植物（hyperaccumulator）」。
而植生穩定，即是以穩定型植物（phytostabilizer）根部分泌的物質來固定土壤中的重金屬，進而降低重金屬的移動性及有效性，較適用於建築物密集、不適合開挖進行整治的場址。植生穩定能減少污染物擴散，並達到綠美化環境的邊際效益。另外，添加石灰物質、氧化物、沸石等物質於土壤中能降低重金屬有效性，增加植生穩定的效果。不過，植生穩定的目的，僅止於減少污染物釋出，植物特性卻是能忍受重金屬但卻不會傳輸到植物地上部，而植物本身又能正常地生長，例如芒草，故在目的上並不像植生萃取是在積極追求污染物的移除，同時對於提高復育效率的方法不同、植物特性與種類也不同。
植生萃取的發展
隨著植生復育技術的興起，近30年來世界各地都在尋找符合植生萃取植物特性的物種，以增加植生萃取的可行性。超累積植物通常是指地上部重金屬含量約是一般植物的100倍以上者，視重金屬毒性大小，每一種超累積植物的重金屬累積濃度定義不同，例如鎘的超累積植物是指地上部能累積的鎘濃度達100 mg∕kg以上，而銅、鎳則是累積達1000 mg∕kg者。目前在全世界已發現約450種左右的超累積植物，但僅佔整個植物界物種不到0.2％，這表示仍有很多超累積植物尚待發掘。最常見的是鎳超累積植物，例如屬十字花科的印度芥菜（Brassica juncea）就是全世界最知名的多種重金屬超累積植物。
目前大部分已知的超累積植物，通常是生長緩慢或植株矮小的草本植物，所以能夠從土壤移除的重金屬質量有限，因此科學家逐漸探索速生型的木本植物，例如白楊木（poplar）、柳樹（willow）等樹型大的常見植物。另外，也有科學家致力於處理土壤來增加重金屬生物有效性以提高植物的吸收量，例如添加螯合劑（chelating agent）、改善肥力等，或是以基因改造工程來提高植物對重金屬的耐受性。另外，具有高生物質量及較高吸收重金屬潛力的作物，是近10年來被提出可以應用在植生萃取的植物；這些作物都是商業化的品種，因此栽培與病蟲害管理技術成熟、種苗取得容易且產量高，能以大規模的農業操作模式在一般田間執行，即使種植在重金屬污染土壤上，仍有可接受的收穫量。雖說這些作物不是超累積植物，極高的收穫量使重金屬被移除的總質量，還是會高於生物質量太低又不易栽培的超累積植物。這些具有潛力的作物包括向日葵、玉米、豆科作物或蔬菜等，近年來在植生萃取研究的文獻中不斷的被提出，並與生質能的開發做結合。本文第一作者即曾以空心菜為試驗作物，它的優點是生長快速、適合臺灣的氣候、易栽培、播種後可連續採收地上部，也能種在底泥中，而在施以不同改良劑處理後，莖葉吸收鎘的最高濃度可以達80 mg∕kg以上，但一般作物的鎘濃度則會遠低於0.5 mg∕kg左右。
翻轉植生萃取的缺點變成優點
整治土壤是一項迫切的環保工作，而植生萃取法的缺點是，重金屬移除量不夠高，整治耗時，可能要數十或上百年才能將重金屬濃度降低到一般的背景範圍，同時基於植物對重金屬的耐受性有限，僅應用在低污染量的土壤。植生萃取法雖然成本低，但收穫的植體可能被視為潛在有害性的廢棄物而需要管制集中處理，進行焚化或衛生掩埋，因此收穫後的處理程序花費，可能導致不符整治效益。為了使土壤污染整治達到經濟最大化的目標，新興的植生萃取概念，在循環經濟的浪潮下，近5年已逐漸轉化為「植生採礦（phytomining）」。
與傳統植生復育思維不同，植生採礦的目標是使植物地上部累積足夠的金屬元素後，使它產生更多的經濟效益。因此，植生採礦在發展上除了要考量場址的金屬含量、植物對金屬的吸收量及回收的方式，更需要了解此金屬元素在全球市場的價格。植生採礦的原理早在經濟地質學（economic geology）中被提出過，即把植物種植在以傳統方式開採且價值較低的礦區中，並於採收植株後，將植體灰化、酸溶，回收植體內的金屬元素，特別是高價金屬，例如金、銀或稀土元素。適合植生採礦的環境除了礦區外，還有堆置礦渣的場址或是高背景值〔註二〕重金屬的土壤，例蛇紋岩土壤中含高背景值的鉻、鎳、鈷。全球約有90％的鎳超累積植物，都是在蛇紋岩土壤所發現的。在礦產資源逐漸減少的當下，污染土壤的重金屬源頭其實是來自這些礦產，而資源回收本是環境保護的主流價值，故在循環經濟概念推波助瀾下，植生採礦不僅能提供額外的第二礦源，在污染土壤上進行，還能同時達到復育土壤目的。在文獻上，目前被認為可以達到植生採礦經濟效益的金屬元素有金、鉈、鈷與鎳，這4種金屬不僅已有確知的超累積植物品種，同時金屬市場價格也高。另外，植生採礦還能利用焚燒植體時產生的熱能轉換成電力。至於進一步的精算，最好能透過農業採礦（agromining）的落實而驗證，而所謂農業採礦，就是以農業經營方式在污染土壤進行田間大規模的植生萃取，將植體中的金屬回收，達到植生採礦之目的。
從植生採礦到農業採礦：循環經濟的落實
植生採礦同時具備整治土壤與增加礦產收益的優點，而其冶金成本也遠低於傳統冶金工業，就循環經濟與環保產業來說，是具有可行性的新興採礦技術。跳脫只是整治土壤的觀點，植生採礦可以演變成一種特殊的農作物種植與加工，也就是農業採礦，透過土壤管理、施肥、病蟲害防治技術等，種植前述具有吸收重金屬潛力的特用作物（或可以說是超累積植物），收穫作物後進行回收，不僅可逐漸降低土壤重金屬的濃度，同時創造回收金屬的商品價值，甚至在農業操作後恢復低生產力的土壤肥力。
作物栽培技術中常見的間作法，也可運用於農業採礦中，實施上需考量當地經濟作物及超累積植物，選擇適宜的間作作物。例如在希臘或阿爾巴尼亞的蛇紋岩土壤中，即同時種植橄欖樹以及十字花科庭薺屬（Alyssum）的半灌木植物，或是在馬來西亞的蛇紋岩土壤同時種植油棕樹和超累積植物葉下珠科葉下珠屬（Phyllanthus）的灌木植物。根據當地的氣候及地形條件，農業採礦可調整其種植策略，選擇適合的場址，像是重金屬污染土壤或高背景值的蛇紋岩土壤，配合植物生長周期、栽培技術或擬定的復育標準，達到經濟與環境共榮的目標。目前，在阿爾巴尼亞、土耳其及新喀里多尼亞等遍布蛇紋岩土壤的科學家，已陸續進行相關試驗並找尋適當的農業採礦作物，結果發現在地品種較能抵禦病蟲害且表現較穩定。除此之外，土壤重金屬有效性也會直接影響農業採礦的收益，在風化程度較高的蛇紋岩土壤，其重金屬具高度生物有效性，而傳統礦區裸露的土壤也特別適合農業採礦。農業採礦可以加速礦區的復育並帶來永續的發展，同時也為當地提供不同的農業發展可能性。
歐盟已有研究團隊，結合土壤、植物、生態、化學工程、經濟等不同領域的學者，進行農業採礦的大型計畫，甚至希望未來能培育直接種在污泥、底渣、飛灰上的重金屬超累積植物，這一類的研究，值得參考。就臺灣來說，植生萃取目前僅有數個田間試驗案例，而西部許多農田土壤的整治，仍以不夠永續性的翻轉稀釋與排客土法等耕犛作業來進行，在東部則有分布廣泛的蛇紋岩土壤，加以全島缺乏金屬礦產資源，而臺灣的農業技術成熟，這些條件都是臺灣可以評估農業採礦的立基。另外，臺灣的土壤類型極多，如果經過調查後，能發現某些土壤含有較多的特殊元素，例如高科技產業元件所需要的鎵、銦、錫等，未來可以農業採礦的方式來生產這些高科技原料，成了所謂土壤煉金術。不過，未來仍需要更多的基礎研究與大規模且系統性的田間試驗，以作為農業採礦提供創造循環經濟的誘因。
〔註一〕存在土壤中的物質，包括重金屬，可以被植物或微生物吸收利用的部分。
〔註二〕高背景值重金屬的土壤，重金屬源自風化作用前的岩石或礦物，導致風化作用後的土壤含有異常高濃度的重金屬。
延伸閱讀
1. Antony van der Ent et al., Agromining: farming for metals in the future, Environmental Science & Technology, Vol: 49 (8), 4773-4780, 2015.
2.Philip Nti Nkrumah et al., Current status and challenges in developing nickel phytomining: an agronomic pespective, Plant and Soil, Vol: 406 (1-2), 55-69, 2016.