镉污染农田的不同修复技术现状及展望

2017-04-09杨云帆夏卫生王小芳

中国农业信息 2017年23期

杨云帆，夏卫生，王小芳

（1．湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南长沙 410012；2．湖南广阔天地科技有限公司，湖南长沙 410137）

镉是植物生长和发育过程中的非必需元素，同时也是环境中最有害的重金属元素之一，在土壤中与汞、铅、铬、砷并称为“五毒元素”，在近期公布的《全国土壤污染状况调查公告》中，土壤中镉污染已成为所有无机污染物超标率之最[1]。考虑到土壤镉污染的严重性以及土壤系统的复杂性，世界各国依据本国的实际情况制定了相应的土壤重金属镉的标准限值和最大允许浓度。根据我国《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）中规定的适用于一般农田、果园、茶园、蔬菜地等土壤中镉的质量标准应在0.3～0.6 mg/kg范围内，全国部分地区已存在镉含量超标现象[2]。而水稻又是一种镉积累能力较强的植物，又是重要的粮食作物，故规定稻谷中镉含量应低于0.2 mg/kg，全国大部分地区米镉超过该含量，这将严重威胁到动植物的生长和人类健康。

1 我国镉污染现状

20世纪70年代，我国才开始农田土壤镉污染的调查工作，1980年中国农业环境报告显示，我国有9 333 hm2土壤存在镉污染现象，据有关报道2003年我国镉污染耕地面积已增加到1.33×104hm2，近几年资料得到更新，显示我国农田土壤镉污染面积已超过2×105hm2，占总耕地面积的1/6[3][4]。目前由于缺乏全国性的土壤和农作物调查研究，很难准确估计我国农田实际污染面积和镉超标稻谷总量。

土壤中的镉有两种来源：天然来源和人为来源。前者与成土母质风化有关；后者主要是选矿、采矿、有色金属冶炼、合金制造等行业的生产造成的，以及污水、污泥、大气沉降、农药化肥固体废弃物等的排放，我国镉污染绝大多数是由于引用工业污水造成的[5]。受地质区划和人为活动的影响，不同地区存在不同程度的镉污染问题，近年来研究报道称我国镉污染已呈现南方地区大于北方地区的趋势，湖南、广西、贵州部分地区已成为镉污染重灾区[6]。王凯荣将全国部分地区污染农田土壤和农作物镉含量作了汇总（表1）[7]。

表1 我国部分地区污染农田土壤和农作物镉含量

2 重金属镉污染修复技术探讨

稻米中的镉含量受品种、土壤等因素影响，根据镉在稻米中的富集规律，目前已研究出多种镉污染稻米的治理方法。应对稻米镉污染的方法主要有3个。第一是从源头出发，修复治理镉污染土壤；第二是从水稻品种入手，筛选种植镉积累能力低的水稻品种；第三是从产品加工角度出发，通过加工技术降低稻米及制品的镉含量[6]。目前研究工作和实际推行的修复措施都侧重于通过土壤修复和低镉品种来达到镉污染修复效果。如农业部、财政部在湖南水稻镉污染地区实施推广“VIP+n”稻米镉污染控制技术模式。该技术包括种植镉低积累型水稻品种、合理灌溉、调控土壤酸碱度3项关键技术，同时根据污染情况辅以其他针对性措施（“n”，或施用重金属钝化剂，或喷施Si、Se、Zn，或施用生物菌剂等）[8]。

2.1 土壤修复

土壤修复是指通过农业、物理、化学和生物的方法转移、吸收、降解和转化土壤中的污染物，使其浓度降低到可接受水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质，一般包括农业修复、工程修复、生物修复和化学修复4类方法。

2.1.1 农业修复

农业修复的主要途径包括合理灌溉、增施化肥或有机肥，有机肥包括堆肥、厩肥、秸秆等，施用有机肥可提高土壤有机质、改善土壤理化性质，增加土壤胶体对镉的吸附，许多研究发现施化肥和有机肥容易造成土壤二次污染。

据报道，土壤水分调控主要是通过调控土壤活性进而调控水稻对镉的吸收。较多研究表明，不同水分管理方式对镉污染土壤上水稻生长及镉吸收积累有显著影响，全生育期淹水和乳熟期晒田的水稻糙米镉含量相对较低，分蘖期晒田的影响程度高于乳熟期[9-11]。不过由于淹水灌溉需水量大，而我国局部地区水资源匮乏，且容易造成水体污染，实施有待商榷。

2.1.2 物理修复

物理修复主要包括客土、排土和深翻耕等，通过在污染土壤区增添净土，移出旧土，深埋污土等途径来降低土壤镉污染。吴燕玉等人通过对张士灌区的研究发现几乎90%的土壤镉聚集在30 cm以上的土层中，尤其分布在0～5 cm，去除15～30 cm的表土层能让米镉含量降低一半[12]。但此方法工程量较大，投资成本高，容易造成二次污染，同时也将降低土壤肥力，故难以推广。

2.1.3 化学修复

化学修复主要是利用土壤改良剂增加土壤有机质，改变土壤pH、EH值、阳离子代换量等理化性质，使土壤镉产生氧化、还原、沉淀、吸附、抑制、拮抗等作用。常用的改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐等[13]，国内外众多学者对施用各种化学改良剂降低镉进入食物链的效果进行了大量的研究，一般认为在酸性污染土壤上施加石灰效果最佳[14][15]。众多研究也表明，施用石灰能显著提高土壤的pH，降低土壤金属的有效性，从而降低水稻茎叶和糙米中镉的浓度[16][17]。化学修复具有操作简单和费用较低的特点，在污染较轻的地区修复效果较好，但在污染较严重的则不明显，而且容易使重金属镉活化，从而造成二次污染，甚至作物减产[18]。

2.1.4 生物修复

生物修复是利用动植物和微生物的某些习性来适应、抑制和改良土壤镉污染。动物主要是采用蚯蚓和鼠类，微生物涵盖了真菌、细菌和小型藻类[19][20]，目前利用动物和微生物治理镉污染的措施仅限于室内实验，具有修复速度慢，修复效果不明显的特点。生物修复较多侧重于通过植物吸收、分解、转化或固定土壤镉，目前利用超累积植物治理镉污染是研究的热点，土壤修复效果较好的超累积植物主要是龙葵、鱼腥草、东南景天、商陆、宝山堇菜等[6]。但由于植物修复周期长，吸收重金属的容量有限，修复效果仅限于表层土壤，且不能代替粮食作物的经济价值，目前处于田间实验和示范阶段。

2.2 水稻品种

除土壤环境外，农作物也是影响镉积累的重要因素。不同类型农作物吸收重金属的生理生化机制各异，因而有不同的吸收和富集特征，即使是同一类型的农作物，不同品种间富集重金属的能力也有显著差异。李坤权、吴启堂研究表明，不同基因型水稻対镉的吸收量有很大的差异[21][22]；其他学者也认为，不同品种稻米对镉的富集呈现出显著的差异性，并略呈现出杂交稻富集程度高于常规稻，籼稻高于粳稻的趋势[23]。筛选低镉水稻品种是解决镉污染的有效措施之一，但由于低镉水稻的生长具有地域性和产量不稳定的特点，大范围推广较难。

由于土壤污染的复杂性，有时靠单一方法难以修复土壤污染，需要采用多种技术。由于现实生产过程中条件限制，单一的农艺调控措施往往很难达到安全生产的要求，往往需要多种修复措施配套施用[24][25]。戴桂金在凤凰县利用田间实验研究了单项及综合调控技术对稻米镉含量的效果，试验结果表明，各处理比对照镉含量均明显降低，低镉品种加施生石灰的降镉效果较好[26]。沈欣利用盆栽试验研究了单项及组合农艺调控措施的效果，也表明3种措施组合VIP（低镉品种、灌溉、撒石灰）降低水稻吸收与累积镉的效果最佳，IP、VP次之[17]。

3 展望

3.1 全面深入开展土壤镉污染调查

目前由于缺乏详细和全面的调查，无法精准确定土壤镉污染的实际面积和镉污染稻谷的数量。同时，我国现行土壤环境质量标准中是以全量镉为标准值，镉污染调查强调土壤全量，忽视土壤有效态，而全量仅代表镉的总贮量，有效态才能说明镉的供给水平，有效态的变化主要与pH、EH值、有机质有关，因此可以避免土壤类型和土壤环境的不同而引起的实际危害差异，故在监测和效果评价中应强调有效态镉含量的变化。

3.2 加强理论研究，创新修复技术

我国对于重金属镉污染的研究和实际治理都有所突破，取得了一定成效，但由于土壤镉污染的复杂性和综合性，理论研究的不足和技术的有限性，所以目前并没有找到高效、稳定、普遍适用的单项修复技术。因此，在未来的修复治理过程中，不同的污染土壤应对应不同的修复技术，同时要结合综合技术，考虑区域自然地理环境，污染程度、污染类型及经济效益等，并动态监测镉污染状况的变化以便及时调整修复措施。

3.3 重视微量元素的变化

目前研究者注重对重金属污染机理以及治理措施方面的研究，而忽视了重金属治理过程中以及治理后农作物对土壤中微量元素的吸收效果。农作物对微量元素的需求量是相当小的，从缺乏到毒害的数量范围非常窄，而微量元素缺乏或者过量主要与土壤环境有关[27]，重金属镉修复治理过程中将使土壤pH、EH值、有机质等理化性质发生改变，甚至镉与微量元素之间发生协同和拮抗作用，从而影响农作物对微量元素的吸收，进而对其生长发育产生影响，甚至危及人类和动植物的健康[28-30]。因此，在后续的重金属治理措施中，应重视对微量元素的研究。

[1] 宁校平，陈文清．土壤镉污染修复技术发展现状．四川化工，2015，18（06）：18～21

[2] 王维薇，林清．国内外土壤镉污染及其修复技术的现状与展望．绿色科技，2017，（04）：90～93

[3] 柳絮，范仲学，张斌，等．我国土壤镉污染及其修复研究．山东农业科学，2007，（06）：94～97

[4] 李婧，周艳文，陈森，等．我国土壤镉污染现状、危害及其治理方法综述．安徽农学通报，2015，21（24）：104～107

[5] 苏彬彬．改良剂对重金属污染土壤的稳定化修复效果及健康风险评估．安徽理工大学，2016

[6] 魏益民，魏帅，郭波莉，等．含镉稻米的分布及治理技术概述．食品科学技术学报，2013，31（02）：1～6

[7] 王凯荣．我国农田镉污染现状及其治理利用对策．农业环境保护，1997，（06）：35～39

[8] 黄道友．“稻米镉污染控制技术研究与示范应用”项目通过成果鉴定．农业现代化研究，2013，34（05）：568

[9] 纪雄辉，梁永超，鲁艳红，等．污染稻田水分管理对水稻吸收积累镉的影响及其作用机理．生态学报，2007，（09）：3930～3939

[10] 张丽娜，宗良纲，付世景，等．水分管理方式对水稻在 Cd污染土壤上生长及其吸收 Cd 的影响．安全与环境学报，2006，（05）：49～52

[11] 刘昭兵，纪雄辉，彭华，等．水分管理模式对水稻吸收累积镉的影响及其作用机理．应用生态学报，2010，21（04）：908～914

[12] 吴燕玉，陈涛，孔庆新，等．张士灌区镉污染及其改良途径．环境科学学报，1984，（03）：275～283