稻田系统中镉来源研究进展

赵国强

(1.陕西地建土地综合开发有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075)

1 引言

镉是自然界存在的5大重金属元素之一，其在环境中很容易迁移转化，且对人体有很强的危害性，因此被列为《国家重金属污染综合防治“十二五”规划》重点关注元素之一。近年随着工业废水、废气、废渣等点源污染源以及禽畜粪便、污水、肥料、农药、污泥等农业面源污染源对土壤的持续污染，使得人们对土壤中镉污染的重视程度越来越高。已有研究表明：Cd、Cr和Pb等重金属已对我国近2000万hm2的耕地产生污染，其中受Cd污染的耕地面积达到1.33万hm2[1]，且呈现出区域化快速发展的趋势。我国每年Cd超标的农产品达14.6 亿kg[2,3]，其中稻米镉对人类社会带来的健康风险已引起高度关注。

水稻是我国重要的粮食作物之一，不仅种植范围广泛，且相比其他粮食作物产量更加丰富。有研究统计，水稻种植面积约占我国粮食作物种植面积的27.2%，且以水稻作为主要粮食作物的人口约占我国总人口的65%[4,5]。稻田中的镉含量超标会严重破坏稻田生态系统的生态平衡，而且会影响水稻的产量和品质，甚至可以通过食物链传送到人体危害人类的生命健康。与其他农作物相比，水稻更容易吸收到稻田中的镉并转运至籽粒中，从而使籽粒中镉含量超标危害人体健康。镉污染已成为限制我国水稻生产和水稻品质的主要限制因素之一[3,6]。尽管土壤中镉污染对水稻生态系统的风险已备受关注，但随着农田生态系统中镉污染的加剧以及水稻生态系统中污染情况的复杂性，稻田中镉污染的超标率呈现出不断上升的趋势[7]。稻田生态系统是由土壤-水稻-生物体构造的一个人工生态系统，由于其频繁的淹水、排水等农业活动，使得稻田中的镉具有很强的迁移转化特性和对人体高度危害特性。

2 稻田生态系统中Cd的来源

农田生态系统中Cd的污染来源包含自然来源和人工来源。自然来源中的Cd主要来源于风化后的成土母质，其含量和生物有效性都相对较低；人为来源主要有采矿业、制造业、炼油、城市和工业污水农业源重金属污染等[8]。

2.1 自然来源

不同的成土母质发育而成的土壤中其Cd的含量也不尽相同，由海洋中的黑色页岩发育而成的土壤，其土壤中Cd的背景值含量相对较高，而由火成岩、砂岩和石灰岩发育而成的土壤其Cd的背景值含量相对较低。我国地带性土壤中有近4%的土壤中Cd的含量超过了《土壤环境质量标准》的二级标准0.3 mg/kg(pH<7.5)[9]，而有96.02%的地带性土壤中的Cd含量低于国家二级标准，这将成为今后在土壤环境质量标准修订过程中需要考虑的问题之一。研究表明:我国以母岩划分的土壤A层Cd含量范围为0.001～8.220 mg/kg，其算术平均值变化为0.048～0.218 mg/kg，其中以沙岩最低(0.048 mg/kg)，以石灰岩最高(0.218 mg/kg)[9]。因此，母质不同导致土壤中Cd的含量差异有很大不同，平均Cd含量最低的是风沙土，含量0.044 mg/kg，而最高的是石灰(岩)土，含量达1.115 mg/kg[4]。因此，由于母质中Cd含量的不同所导致的土壤背景值Cd的不同这一因素不容忽视。

2.2 人工来源

农田中工业废水通过灌溉渠道造成污染、废渣堆积造成土壤中镉污染、大气颗粒中的重金属，通过干湿沉降进入农田造成污染。农业污染源(有机肥、复合肥、污水灌溉、农药及污泥农用等)造成农田生态系统中镉积累。Athur等[10]研究表明，英国农田中的镉的含量有50%的含量来源于大气沉降。类似的发现如，广东韶关某地区由于矿山的开采，而开采过程中产生的废水外排使当地农田中镉含量严重超标，致使该地区成为癌症村；湖南省某个矿区附近土壤中的镉含量超过国家二级土壤换将标注的9～171倍，达到了2.8～51.3 mg/kg[11]；韩国工矿区附近，有超过21%的农田土壤受到重金属镉的严重污染[12]。每年有超过数百万吨的酸性尾矿未经适当处理就进行丢弃，经过冲刷排放的酸性水会使富含重金属矿产中的硫化物氧化，导致矿渣内的镉等重金属离子被淋洗进入河流以及农田生态系统，成为粮食经济作物中重金属的主要来源[13,14]。Loganathan P[15]等的研究表明，污水灌溉的农田土壤中，我国有近140万hm2的农田土壤正在遭受重金属污染的威胁，而污水灌溉土壤中的镉含量与农田生态系统中的镉含量呈显著的正相关关系(相关系数为0.996)[16]。农田灌溉污水中镉的含量的多少受地区的不同含量差异很大，主要包括采矿废水、城市生活废水、电镀、衣料、涂料和家电制造业污水等(表1)[12]。

表1 不同磷肥和有机肥中磷与Cd的含量及其安全施用年限

2.3 其他来源

除了自然来源和工业来源以外，农田土壤中长期磷肥的施用也是导致农田生态系统中Cd含量超标的主要原因之一，常用磷肥包括普通过磷酸钙、重过磷酸钙、磷矿粉、复合磷肥等[16,17]。加工成磷肥的磷矿石中都含有成分不等的镉含量，而磷矿石中有60%～80%的镉都会留存在磷肥中，最终通过施肥途径进入农田生态系统。另外，污泥农用以及集约化的养殖场中禽畜粪便等有机肥的施用也是农田生态系统中镉污染的主要污染源之一[18,19]。刘荣乐等通过研究我国有机废弃物中的重金属含量发现，相对于德国堆肥中重金属含量标准为依据，猪粪中的Cu、Zn、Ni、Cd、Cr超标率达10.3%～69%，且在鸡粪、牛粪中的重金属含量也同样超标，且以Cd超标为主[7]。粪便中的重金属含量超标可能由于饲料本身或者在饲料中使用了含有重金属等添加剂有关。尽管有许多国家已经制定了污泥中重金属含量的最高限值，但有机肥和腐殖质堆肥中重金属的限制标准却没有[12,19]。基于水稻土中Cd的限量值(3.0 mg/kg)计算不同来源磷肥和有机肥最长施用年限，从表中可见，与磷肥中的Cd对比而言，农家肥中的Cd应该引起足够的重视。

3 展望

随着镉毒米、癌症村的不断出现，重金属污染问题越来越引起地区及行业内的重视。通过研究镉元素的来源、转化及演变过程，为将来制定镉污染健康标准提供理论依据，也为将来治理镉污染土壤、水质、大气提供参考依据。