Cd污染土壤暴露风险评估及污染治理现状

张佳森

(河北地质大学，河北 石家庄 050031)

引言

土壤是生态系统中必不可少的一部分，无论是人类的生存还是发展，都需要以土壤为基础。许多重金属元素自然存在于土壤中，但农业生产、运输和工业制造等人类活动可能会加剧重金属污染。Cd是一种人类非必要元素之一，是我国重金属污染中最普通最常见的污染物，通常分布在岩石圈和土壤之中[1]。干湿沉降是土壤受到Cd污染的主要途径，其它途径还包括污泥使用、污水灌溉和农化产品使用。目前国内外土壤Cd污染状况十分严峻，如美国一铅锌冶炼厂附近土壤中Cd浓度达到29mg·kg-1[3]；在德国西部和比利时东部的弗莱贝格地区，其表层土中Cd浓度高达71mg·kg-1[4,5]；中国有8大土壤无机污染物，位于第1位的是Cd，点位超标率更是达到了7%[6]。

为了防止土壤Cd污染对生态环境和人类健康产生影响[7,8]，众多学者采用物理法、化学法、生物法、农业治理法等途径对Cd污染土壤进行治理。

1 Cd污染土壤暴露风险评估

因某些危险或伤害的暴露而对人们身体健康产生一些潜伏性的负面影响的某种描述，这种特征性的描述被称为健康风险评估。目前土壤Cd污染的情况越来越严重，在农田土壤污染方面体现十分显著，并且与人们的饮食息息相关。对于Cd污染所带来的健康问题，更多的人们开始重视起来，各位学者以及研究工作者开始对其进行暴露风险评估。我国农业用田土壤Cd健康风险评估体系尚不健全，所以了解Cd的暴露途径尤为重要，同样重要的还有认识相应的评估方法，这有利于我国农田土壤Cd健康风险评估体系的建设。若想了解人体对环境中风险因子暴露情况，如Cd，最理想的方法是直接运算出人体从出生到死亡过程中对Cd吸收的准确数值[9]。

1.1 环境水平

Cd在岩石圈中最低含量为0.1mg·kg-1，最高含量可达0.2mg·kg-1，而在一般的岩石中丰度最低为0.001mg·kg-1，最高可达到11mg·kg-1，在火成岩中丰度最低为0.001 mg·kg-1，最高为1.8mg·kg-1，而在沉积岩中低于0.3～11mg·kg-1，在变质岩中最小含量为0.04 mg·kg-1，而最高含量为1.0mg·kg-1[10]。

Cd含量不仅在岩石圈变化显著，在天然土壤中变化也非常明显。本文分析了中国20多个省市的4000多个土样，通过数据的整理分析以及总结可知，Cd在土壤中含量最小为0.001 mg·kg-1，最高为91.46mg·kg-1，所有数据基本稳定在最小值与最大值之间。其中，近70%的土壤Cd含量稳定在0.03～0.17mg·kg-1；有90%的土壤Cd含量稳定在0.02～0.30mg·kg-1，约有57%的土壤Cd含量稳定在0.05～0.17mg·kg-1[11]。

在没有受到污染的地方，村庄中Cd在大气中浓度最小为0.001μg·m-3，而最高可达到0.005μg·m-3，城市中Cd在大气中浓度最小为0.005μg·m-3，最大为0.05μg·m-3，海洋中低于0.1μg·L-1。世界水体Cd本底为0.05μg·L-1，没有经受污染的淡水体系中Cd浓度为1μg·L-1左右。植物中Cd的浓度最小0.2 mg·kg-1，最大0.8mg·kg-1，蕨类其叶部Cd浓度最高可达1200mg·kg-1，远超于其它植物，是所有植物中在土壤中吸收Cd能力最强的[12]。

1.2 暴露途径

通常来说，Cd的暴露途径大致有3种，分别为通过呼吸从气管进入、通过食物和饮水从胃部摄入，以及外部经皮肤表面渗入。工作场所中粉尘和熏烟中的Cd经呼吸从器官进入从而吸入肺部，其中通过肺部吸收的Cd近25%～50%，吸入的量主要取决于其工作环境中化学组成，同时环境中粉尘颗粒大小也与吸入量关系紧密。由于Cd的低挥发性，土壤中存在的Cd很难造成环境中的空气污染，所以对于住在污染区的人来说，土壤中的Cd不容易进入到人体，除非是附近的工厂大量排放Cd造成了空气污染。对于非职业性暴露的人群而言，可以忽略这条途径[13]。相比于经呼吸吸入Cd的高占比，经食物摄入Cd的摄入占比仅5%，但这却是非职业性暴露的普通人群摄入Cd的主要途径，根据1992年WHO出版的环境基准表明，生活在非污染区的人群每天通过食物摄入10～40μg的Cd，而通过饮水摄入的量则相当少，但是对于生活在污染地区的人群而言，如果其食用所在地生产的食物，会导致其每天最高可摄入Cd量数百微克。若是每天通过食物摄入140～260μg的Cd并且连续达到50d以上可能会造成肾小管功能失调。在饮水摄入方面，由于地层中渗透水的作用，可能会造成Cd污染地区Cd含量提高，但是汇集的地下水水量的增加可以使水中的Cd浓度变低，再加上地下水本身的流动性能会使Cd含量降低，可能会使喝水摄入Cd的含量远低于通过食品进入人体的Cd含量，因此生活在受到污染区域的人们主要是通过食品来摄入Cd。通常饮用水含Cd在1mg·L-1以下，假设污染区地下水含Cd量为8μg·L-1，一个成年人每日饮水量为3L，则其每日从饮水中吸收进入人体的Cd量：

污染区地下水含Cd量(8μg·L-1)×一个成年人每日饮水量(3L)×5%=1.2μg[11]

对于经皮肤吸收Cd而言，Cd并不能很好地穿过皮肤，占比仅为0.2%～1%，在一般情况下几乎可以忽略通过皮肤吸收Cd的途径，除非是皮肤大面积并且长时间与Cd接触，才可能会通过皮肤吸收Cd。

2 土壤Cd污染治理的研究现状

目前可以有效解决土壤Cd污染的途径主要有2种。将Cd在土壤中的赋存状态由活化态转变为稳定态，间接减少Cd对动植物等的危害；将土壤中的Cd直接去除，使其达到本底含量。目前，对土壤Cd污染治理采用的方法主要有物理法、化学法、生物法和农业治理法。

2.1 物理法

使用物理手段去除土壤中Cd的方法有客土法、去表土法、电修复技术法和热处理技术法。其中，客土法是指将未污染的新土盖在已经污染了的土壤上；电修复技术法是指对污染土壤外加直流电场，使得重金属元素向电极处聚集，再经后序处理以去除Cd；热处理技术法是指对污染土壤高温加热，将污染组分从土壤中脱离。Li等[14]提出了一种电动土壤修复技术，即在电极和被处理的土壤之间设置导电溶液槽，使重金属从土壤中迁移出并沉淀在导电溶液中。结果表明，土壤中重金属铅、Cd、铬的去除效率可达到90%以上，但是使用该方法会存在一定缺点，即容易导致土壤表面电位产生紊乱。

2.2 化学法

化学法是指通过添加淋洗剂来改变土壤中Cd的化学形态，从而减少其对生态环境的危害。常用的化学方法有原位钝化法[15]和淋洗法[16]。原位钝化法是通过将石灰性物质、碳材料、黏土矿物等钝化剂添加到污染土壤中，经过一系列化学反应来降低Cd的物化性能，从而达到减少土壤Cd污染对生态环境危害的目的；淋洗法是通过淋洗剂反复淋洗土壤，改变Cd在土壤中存在的位置，从而去除耕作土壤中的Cd。有些研究通过使用石灰钝化法原位修复酸性(pH=5.47±0.64)Cd污染菜地，结果表明，施加4500kg·hm-2CaCO3使得土壤pH值升高了1.48，土壤中有效态Cd含量降低了87.8%[17]；还有学者评估了多种淋洗试剂对Cd和铅污染土壤的修复效果，结果表明，柠檬酸(CA)、盐酸(HCI)和EDTA作为淋洗剂时，CA与植物修复技术相结合对土壤肥力和植物生长干扰最小，土壤中Cd和锌的淋洗率达到了70%～80%[18]。

2.3 生物法

生物法是指通过植物、动物和微生物的习性来修复Cd污染土壤。植物修复是指利用某些植株超积累重金属的能力，将土壤中Cd富集于植物的某一部分并定期收割、统一处理，如苏丹草、狼尾草对Cd离子有很好的耐受能力，可用于Cd污染土壤修复[19]；He等[20]采用盆栽试验研究了黑麦草植物修复Cd污染土壤的效果，结果表明，黑麦草植物的种植在适宜条件下可以作为修复Cd污染土壤的方法。动物修复是指利用动物天然的生活习惯去吸收泥土中重金属Cd，如无脊椎动物蚯蚓可以利用消化道的泡囊固定重金属，并且通过将重金属与自身体内有机大分子结构相结合，降低重金属的毒性[21]。微生物修复是指利用微生物的生活习性吸收土壤中的Cd使其含量降低，或利用微生物改善土壤环境，促进超积累植物对土壤中Cd的吸收[22]。

2.4 农业治理法

农业治理法是指通过改变农业制度，以减少土壤中Cd的输入，从而减轻土壤中Cd的危害。农艺修复和生态修复是农业治理法中最常见的2种方法。农艺修复是一种强化的植物修复技术，是指通过改变农业行为来降低进入到土壤中的Cd含量。如，可以在耕作时选择使用低土壤Cd污染的有机肥或者施加符合标准铬含量的化肥等[23]；生态修复是指通过调节土壤所处环境如控制土壤含水率、调节土壤电位等，从而改变土壤中Cd的活性[24]。

2.5 联合调控方法

联合调控方法不再是单一的某一种手段，而是多种方法相配合。如，将钝化剂与低累积作物相联合，从而实现中低浓度Cd污染土壤的安全使用。使用钝化剂处理和种植低Cd水稻都可以达到减少稻米Cd含量的目的，其中使用钝化剂对低Cd含量水稻处理后，Cd含量降低的幅度高于对高Cd含量水稻的处理，同时使用钝化剂处理以及种植低Cd含量水稻，稻米Cd含量可降低69%～80%，从而达到减少Cd污染对人类危害的目的[25]。此外，低累积植物与超累积作物套种的方法也可以实现调控的目的。

3 结论与展望

我国人口众多，食品安全问题对于我国来说是重中之重，尤其是Cd污染农作物的安全问题，虽然我国土地面积广大，但是农业耕地资源比较稀缺，安全合理地利用中等浓度和低浓度的Cd污染农田是一个迫切需要解决的问题，为此很多科研人员和学者投入研究。虽然对于Cd污染农田土壤有很多治理方法，并取得一系列研究成果，部分还在生产上得以运用，但由于土地本身不受控制的因素很多以及不同的农作物对生长所需的条件不同等一系列问题，导致很多研究成果无法在现实生活中或者大规模的在实践中体现。

结合实际情况，笔者认为今后的研究工作应该主要集中在以下方面。单方面的技术现在已经基本成熟，应该将研究重点放到联合调控方法。目前联合调控大多只是处理低浓度Cd污染土壤，这些方法是否适用于高浓度Cd污染土壤还需进一步研究。固化稳定化技术也很成熟，现在能查到各种各样的钝化剂，但是Cd仍然存在于土壤，生物有效性多久会恢复，什么条件下会恢复，以及各种钝化剂的老化以及老化后的效果如何还需进一步研究。应从农业生态工程的角度出发，结合污染的特征、作物的种类、耕作模式，以及施加钝化剂类型和水肥管理切实指导农业生产。