土壤镉污染治理及外源调控研究进展

刘红梅，杨 凯，肖正午

（1湖南农业大学农学院，长沙410128；2常德市鼎城区十美堂镇农业和农村经营管理服务站，湖南常德415118）

镉（Cd），一种生物蓄积性强、毒性持久、“致畸、致癌、致突变”的非典型过渡性重金属，生物迁移性较强，极易被作物吸收累积，危害作物的生长发育，严重影响作物品质和产量，并经食物链进入生物体，导致肺、肝、肾、骨骼和生殖器官等的损伤，或导致免疫系统、心血管系统的毒性效应，引发多种疾病［1，2］。当前，土壤镉污染已成为全球严重的环境问题［3］。据不完全统计，我国目前约2000万公顷的耕地面积受镉污染，约占总耕地面积的1/5，每年因此造成的经济损失仅在粮食作物上就达200亿元［2，4］。治理土壤重金属污染、保障作物安全生产是极其重要的科学任务。

前人关于土壤镉污染治理及外源调控已有大量的研究报道，本文对此进行综述，并提出述评和展望，以期为作物安全生产提供参考。

1 土壤镉污染现状及其危害

1.1 土壤镉污染现状

据估计，过去50年中全球排放到环境中的镉达到2.2×105t，其中 82% ～94%的镉进入了土壤［5］。目前，我国的土壤镉污染情况比较严重。据2014年4月17日环境保护部和国土资源部联合公布的全国土壤污染调查公报［6］，全国土壤总的超标率为16.1%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%，污染以无机型为主，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%，镉的无机污染物点位超标率最高，达到7%。污染分布表现为，南方土壤污染重于北方；长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出，西南、中南地区土壤重金属超标范围较大；镉、汞、砷、铅4种无机污染物含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势。在不同土地利用类型的土壤中，土壤点位超标率最高，达到了19.4%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃。

1.2 土壤镉污染的缘由

王凯荣认为，我国镉污染之所以出现在农田里是农田采用工业污水作为肥料和水源造成的［7］。崔力拓等的研究进一步表明了我国农田镉污染发生的缘由，不仅来源于工业废水，大量煤、石油和天然气的燃烧以及炼钢炼金过程排出的废气中，均含有大量的重金属镉，重金属镉的沉降进而污染了河流和土壤［8］。张兴梅等提出，施肥不当，使用含镉的肥料，或者长期施肥等都会使土壤镉污染的面积扩大，并加重污染的程度［9］。庞荣丽等则认为施用污泥肥料也是镉污染的来源之一，因为城市污水中的沉淀物中或者分解后的城市垃圾中含有大量营养物质和生长元素，但在施肥过程中，同时也会导致重金属元素进入土壤［10］。

樊霆等的报道指出，固体废弃物也是镉污染的来源之一，因工厂和城市垃圾中，镉容易扩散［11］，并且会以堆放处为中心向四周的土壤和水体转移。同时，有研究表明在农作物生产过程中长期使用磷肥等化学肥料也会导致土壤中的镉含量增加［12］。

1.3 土壤镉污染的危害

1.3.1 对植物的危害

土壤中镉超标时，镉就会对植物造成危害。一般情况下，镉在土壤中会以两种方式存在：一种是水溶性，另一种是非水溶性。前者能够被植物所吸收，当镉被植物吸收后就会对植物造成危害。植物会表现出叶色衰退、植株矮小、发育不良等症状，有时镉对植株的根部伤害进而会影响植物丧失某些功能，从而导致植株发生异常情况［13］。

1.3.2 对人类的危害

镉是一种有毒的重金属元素，对人体健康有毒害作用，且不容易治疗［14］。但通常情况下，土壤中的镉对人体不会造成直接危害［15］。欧阳燕玲等指出，金属镉及其化合物主要通过消化道与呼吸道进入人体，过量的镉会损害肾脏，引发骨质疏松，甚至病理性骨折，也易患肺气肿、高血压等病症，而慢性镉中毒会出现免疫系统、神经系统与生殖系统方面的病变，还具有一定的致癌性和致畸性［16］。

2 镉污染治理

目前，土壤重金属污染治理策略主要是采用工程措施、农艺措施、生物修复及化学调控等手段，利用物理、生物或化学的方法，转移、吸收、降解或转化土壤重金属污染物，使其浓度降低到可接受的水平，或转化为无毒无害的物质。

2.1 防治措施

在治理镉的问题上，崔力拓更多的是强调制度安排，如强化田间检查和管理工作，同时有针对性地适时调整产业层次和种植结构，重点是做好治理镉污染的相关技术开发工作［8］。

欧阳燕玲等［16］指出，镉污染食品的源头不同，镉污染的安全监测标准和实用的镉排查体系就很难发挥作用。同时，镉在人体中的半衰期长达15～30年，镉中毒后，以现有的医疗技术水平，无法有效地解毒或排毒，因此必须十分重视。预防是目前解决这个问题的关键因素和有效手段，因此食品安全部门做好相关工作就显得非常重要。

2.2 工程措施与农艺措施

王凯荣针对农田镉污染，提出了治理的相关措施，包括排土、客土和深耕翻土等物理方法［7］。王斌科等提到污泥重金属可以通过微波降解，可以更省时省力地收集、分解或限制重金属的积累，从而控制污染或消除重金属的污染［17］。董萌等提出了土壤淋洗修复法、稳定固化修复法、电动修复法等借助外援的物理化学添加剂作用的修复方法［18］。

目前，主要的工程措施有土壤移除、更换、置换或淋洗等，农艺措施有合理灌溉、合理施肥、降低土壤pH值［19］以及筛选低镉积累品种等。物理措施不会引进新污染源，但劳动量大，耗时多，成本高。

2.3 生物修复

生物修复包括利用重金属超积累植物从土壤中富集重金属转移到地上部的能力进行植物修复［20，21］和利用微生物在土壤中改变重金属价态、细胞外化学沉淀、细胞壁固定或挥发等方式降低重金属毒性的能力进行修复［22］。

生物措施不破坏土壤的物理结构，不造成新的污染源，治理成本低，具有创新性，但是，耐镉胁迫的植物品种筛选以及植物体内镉转运与积累的生理机理研究刚刚起步，亟待发展，而且，生物技术有利于降镉的相互作用，但是不是所有的技术都有效？对镉进行修复的植物以及微生物是否会危害土壤中原有的微生物？是否对生物多样性也带来威胁？都需要进一步研究。

2.3.1 植物修复技术

张兴梅等提出可以采用超富集镉的植物来吸收重金属镉，这些植物对一定程度的镉胁迫有很强的耐性，具有很强的吸收和蓄积土壤镉的能力，植物的生长和发育却不会受到镉的抑制［9］。

樊霆等将植物修复技术比较全面地概括总结为植物挥发技术、植物稳定技术和植物提取技术，并介绍了欧洲、日本等发达国家的相关研究成果［11］，在发现草本植物和木本植物都有较好的修复能力的基础上，提出了采用不同种系的植物来共同修复土壤的方法，因此认为可以利用二者相结合的方法，有利于重金属的分离，利用二者的交叉效应来提高土壤修复的效率和效果。研究结果表明，这种草本木本植物相结合的方法效果更加明显，值得进一步探索。

2.3.2 动物修复技术

李婧等提出了动物修复的方法，即借助蚯蚓等动物的新陈代谢等生命活动来限制镉等重金属的移动，减少其在土壤中的含量［23］。

2.3.3 微生物修复技术

钱春香等的报道认为，利用微生物修复降解技术（细菌和真菌）来治理镉污染，可以通过微生物的代谢活动来改变土壤中的重金属离子的化学价态，同时也可以弱化土壤中重金属的移动能力和减弱其毒性［24］。现有的微生物修复技术包括微生物吸附、微生物矿化固定重金属和氧化还原重金属等。樊霆等还提出了联合修复的方法［11］，具体包括通过植物根部和土壤微生物的相互作用、化学修复技术的联合作用［25～29］等等。

2.4 化学修复

利用某些化学试剂与重金属能螯合或存在竞争关系，直接加入土壤或叶面喷施，调控土壤重金属有效性或在作物体内的迁移，减少作物对重金属的吸收与积累，是保障作物生产安全行之有效的途径，即外源调控。

随着对土地重金属污染的进一步研究，曹心德等首次提出重金属复合污染［30］这个词，引起了广泛关注。复合污染是一种更加复杂的交叉污染产物，这些复合产物会进一步对土壤和环境等带来更加复杂的影响。这对镉污染修复技术又提出了更大的挑战。同时，他也提出了一种化学修复方法——钝化修复法，即通过化学沉淀、化学吸附以及化学反应来降低镉的移动性，从而限制镉的移动和进一步的复合污染。这种处理方法应用前景相对良好，因其成本低且效果较好，也没有技术壁垒。并且列举了一系列的稳定剂，包括石灰石、石灰、粉煤灰等无机稳定剂，有机肥等有机稳定剂，固体废弃物等无机的和有机的混合材料，甚至提出了纳米稳定剂和复合稳定剂。

詹杰等研究了镉污染农田土质改良剂，包括有机型、无机型和混合型三大类，研究结果表明，有机物料改良了土壤的环境，而无机物料却降低了镉的有效性［31］。

目前研究发现的缓解重金属毒害的外源调控剂主要有：①GSH，存在于生物体中的小分子游离硫醇三肽，对维持蛋白硫醇水平、硫醇和二硫键交换、清除氢过氧化物和自由基以及氨基酸跨膜运输等诸多生命过程有重要作用［32］，特有的氧化还原及亲核特性使其能参与抵御重金属的毒性反应［33］，在缓解重金属引起的氧化胁迫中作用重大［34］；②硅，能促进植物的生长发育［35］，能显著提高植物对镉［36］等重金属的耐性并降低其吸收；③硒，低浓度硒对植物生长有益［37］，培养液中添加硒能够显著缓解镉对植物的毒害［38］；④锌，植物生长发育的必需营养元素，由于与镉化学性质类似，在植物的吸收和转运过程中可能表现出拮抗作用，能缓解小麦［39］、水稻［40，41］等的镉毒害。

总的来说，化学措施难度系数小，易于操作。但已有的研究仍存在一些不足，如：①虽已表明外源调控剂硅、GSH、硒和锌等在实验室条件下均能显著缓解镉毒害，但在复杂的大田条件下，单独或复合使用外源调控试剂对Cd毒害的缓解作用有待验证；②镉胁迫下不同外源调控剂处理，对作物的生理活性物质、抗氧化酶及缓解胁迫的调控机理和自身防卫机制有待研究；③大田条件下不同外源调控剂处理对水稻植株生长、稻米卫生安全品质和食味品质的影响有待分析；④是否产生新的污染物，造成“二次破坏”？

3 降镉外源调控的展望

外源降镉，一方面是为了改善土质，降低土壤中镉的含量，另一方面是为了加强植物对镉的抗性。总的来说，还是为了保障粮食安全生产。

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，人类对稻米的需求持续增加，而且随着经济的快速发展和生活水平的不断提高，人们对稻米品质的要求也越来越高。解决镉污染环境下稻米品质和质量安全的问题，对保障人们健康和提升中国稻米在国际市场上的竞争力，具有重要的现实意义。

因此，探索以提高水稻镉耐性和降低水稻糙米镉积累为目的的低镉栽培外源调控措施，研究外源调控处理对镉污染大田条件下水稻植株在各生育期其镉吸收和转运的特点，水稻植株对镉的解毒机理和自身防卫机制，对糙米镉积累和稻米卫生品质和食味品质等的影响，以及外源调控对稻米卫生安全品质和食味品质的影响程度，是实现在镉中/轻度污染农田水稻安全生产的有效途径，对改善稻米品质，改良农业生态环境和保证粮食安全有重大意义。