土壤重金属污染对粮食安全的影响及应对措施

□ 吴树铮

（福建船政交通职业学院，福建 福州 350000）

土壤是动物与植物活动还有微生物菌种开展物质传递的环境，是生态体系主要的构成要素。由于现代工业化进程和城市化进程的扎实推进，人类活动对土壤的质量改变形成了巨大影响。尤其是近数十年来，各种类型化工用品的制造和应用，人们生活废弃物、固体废物的任意堆积，农牧业化学物质的使用，还有人们开采活动形成的固体废物露天堆积淋溶等，形成了大量的污染性物质，对土壤环境、水质及大气质量形成比较严重的损害。重金属污染物质有着隐秘性高、易累积、不易迁移及损害效果明显等特性，对土壤生态资源的影响程度更强。土壤本身有着一定程度的自净功能及抗侵蚀功能，但进入到土壤环境的污染物质超出土壤环境承受度时，便会带来比较严重的重金属污染后果。因此，我们要重视土壤重金属污染，弄清楚土壤重金属污染对粮食安全影响的途径，并积极寻求方法解决土壤重金属污染，维护绿色健康的种植环境［1］。

一、土壤重金属污染的现状及危害

（一）土壤重金属污染的现状

重金属是一种有机污染物，一旦进入土壤，不仅无法被微生物降解，还会与某些有机物发生反应，从而形成有毒的化学物质，这类物质在土壤中逐渐积累，并被植物吸收，再通过食物链向人体输送。一般认为，铅、汞、镉、铬、铜、锌、镍、砷等是引起土壤重金属污染的主要污染物。重金属元素基于本身结构成分的作用，有很大部分无法被作物吸取利用，还有一些重金属元素存在毒性，而与此同时又有部分元素可被作物吸取利用，且对人体会形成相应良性作用，是有利于生态资源的物质。所以，应对重金属污染的防治作业，并不是要将全部重金属元素都确认为污染源，当然，如果有利于作物吸取利用的重金属元素过多，则依然会造成相应的不良作用。不一样品类的重金属污染存在不一样的迁徙转化特性和污染特征，且存在于土壤环境中的方式也会有很大差别，所以，在评价重金属污染物也许造成的损害时，不但要定性地从重金属污染源的品类实施分析，还要定量地考虑污染源的总数量和当中各种污染源分别的占比。结合我国生态环境部2019年、2020年发布的《中国生态环境状况公报》中针对土壤污染状况的调查结果可知，我国目前农用地的土壤环境状况整体呈稳定状态，对农业用地土壤环境产生污染的主要为重金属，其中以镉为最大污染物。在《土壤污染防治行动计划》完成状况中，针对受污染耕地的安全利用率达到了90%左右，污染地块的安全利用率高于目标90%。至2019年年底，我国农业用耕地质量的平均等级为4.76等（根据我国《耕地质量等级》显示，我国耕地质量共分为十个等级，一等级的耕地质量为最佳，十等级的为最差。其中一等至三等被划分为高等级地；四等至六等被划分为中等级地；四等至六等被划分为低等级地）。目前我国耕地中高等级地的占比为31.24%，中等级为46.81%，低等级为21.95%。相对于2014年时期的高等级地占比为26.5%，中等级为52.9%，低等级为17.7%，高等级地的占比明显上升，而同时，中等级地占比出现下降，低等级地占比呈上升状态。这说明我国的土壤污染问题虽然得到了一定的控制，但仍然存在较大的问题，新的污染依然存在。

（二）土壤重金属污染的危害

重金属在自然环境中很难被降解，比如铅、汞等，会对人体产生很大的伤害，而土壤中的重金属含量极高，会对地下水产生一定的污染，如果水中含有大量的重金属，则会对饮用这种水的人产生很大的危害。

二、土壤重金属对粮食安全造成影响的途径

（一）土壤重金属污染对种植作物的直接污染

农作物生长发育过程中，营养物质的来源以土壤为主。重金属超标会影响农作物的正常生长、发育和繁殖。重金属污染会对植物的生态平衡产生一定的影响，从而导致作物的产量和品质下降。对作物而言，土壤中的重金属污染物很容易在根部积累，这与根的分泌物质以及特性相关。一般情况下，土壤污染程度愈高，则植物根部所吸收的重金属元素在土壤中所占的比重就愈大，而同一类型的作物，其对重金属的吸收与传递能力也不尽相同。

重金属对作物的伤害具体有两个特征：首先，伤害作物的营养成分吸收和运用，导致营养成分匮乏；其次，伴随着重金属污染元素在作物内的累积，作物的体内代谢均衡遭到破坏，导致作物出现生长受阻等状况。

重金属对作物的毒害作用因作物的类型、环境状况等不一样而有区别，但具有相应的基本规律。室内成长箱培养实验发现，蔬菜株高与重金属浓度值呈较好的负相关，根长抑制率与重金属浓度值关联性其次，重金属对根伸展抑制效果最突出，蔬菜对铜的毒性反应比别的重金属敏锐，但蔬菜在重金属重度污染的土壤中总体展现出相对较好的成长情况，说明重金属通过蔬菜吸附可对人体构成潜在性的伤害。

（二）土壤重金属污染对种植作物的间接污染

土壤重金属污染对种植作物的间接污染主要体现在水资源的污染上。土壤中的某些重金属化合物溶解性较好，土壤无法对所有的重金属化合物都有很强的吸附作用，这部分无法被土壤吸收的重金属就会通过渗滤或淋溶的方式溶解在地表或地下水中，对水源造成污染。这些水往往会被用在各类食物的制作当中，对粮食造成污染，继而对人们的健康产生较大的影响。

（三）食草动物食物链循环对粮食安全的影响

在我们生存的环境中，不光有人类，还有很多动物，比如牛、羊等，这些动物以食草为主。当土壤受到重金属污染，后生长出来的植物中也会含有相当含量的重金属，被食草动物食用以后，其产生的粪便等会对土壤形成二次污染，从而产生食草动物链之间的循环，从而对粮食安全产生影响。

三、土壤重金属污染对粮食安全造成的影响

不同的植物对土壤重金属的富集能力不同，并且同一园区种植作物或果树的年限不同，土壤中重金属污染的状况也不一样，所以弄清楚土壤重金属污染对不同粮食作物造成的影响，将有助于制定准确的应对措施。

（一）对水稻生长的影响

水稻是我国主要的粮食作物，我国有一大半的地区都是水稻种植区。研究人员对金华市稻田和稻米重金属含量进行测定，在18个乡镇采集了275份的土壤和稻米样品，对其存在的潜在风险进行评估。结果发现，金华市重金属铅的污染比铬和镉更为严重，而铅是汽车尾气中的主要成分，提示可以从提倡绿色出行入手，改善土壤重金属状态。稻米中的重金属含量由高到低排列为镉、铬、铅，这说明虽然铅为土壤重金属污染的主要污染物，但稻米对不同重金属的富集也有选择性，镉是稻米中主要的重金属污染物，在稻田控制中要着力降低镉的含量。朱超等人对桂林灵川县有机水稻田进行重金属含量检测，分别检测了土壤和水稻根、茎、叶和糙米中的砷、镉、铬、汞、镍、铅、锌8种重金属，结果表明，虽然稻米无食用安全风险，但是调查的水稻田环境均未达到绿色产地的质量要求。稻米的不同组织部位对重金属的富集能力不同，富集能力由强到弱依次是根、茎、叶和糙米，砷是最容易从土壤富集到水稻根部的，而铅的活动性比较弱，不易进入水稻体内，铜和锌则是在水稻体内转移效率比较高的重金属，镉是水稻污染的主效因子。结合当地的生产活动，建议当地部门对石灰的使用必须加以控制，降低水稻中镉超标的风险。

（二）对玉米生长的影响

玉米是国内重点的粮食作物中的一种，其根茎、秸杆有着吸附土壤环境重金属元素的特点，但是，浓度较高的重金属元素会对玉米的生长造成危害影响。不一样的类型和浓度值的重金属元素对玉米的发育生长有不一样的影响。玉米幼株受镉危害后，伴随着Cd浓度值扩大和时间的提高，幼株受遏制的状态扩大，玉米根茎吸附镉后，不仅对根茎可以直接造成危害影响，而且会进入到玉米内部，造成玉米内部营养成分的不平衡，造成基础代谢失衡，遏制植物的生长。李国良研究表明，当Cd浓度值超过50mg/L时，明显遏制种子发芽和幼株的生长；在120mg/L时，玉米种几乎不出芽。周振明研究表明，伴随着土壤环境铅严重污染浓度值的上升，平均单棵穗长、穗粗、穗重、总粒数、百粒重降低，秃尖的长度提高，玉米产量呈下降趋势。巢丽仪等研究表明，伴随着Cr3+浓度值的提高和侵犯时间的提高，其对玉米幼株的危害影响越明显，主要表现为Cr3+对玉米幼株的生长，包含株高、根长、鲜重和干重有明显的压制作用。浓度低的Hg+对玉米种子发芽早期呼吸有短时间推动作用，同时主要表现出一种中后期危害反应，能抑制玉米种的呼吸作用，使组织细胞产能代谢变弱。

（三）对麦子的影响

麦子是中国北方的重点粮食和粮食作物，在很多区域已遭受环境中重金属元素的严重污染。蔡保松等研究表明，镉处置显著降低或抑制了麦子植株的高度、根茎、地下端和上部的干重和鲜重。华珞等研究表明，当土壤环境中外源Cd的浓度值提高时，土壤环境有效态Cd成分持续上升，麦子子粒生产量明显降低。浓度较高的的Pb会减缓和遏制麦子种子发芽和幼株的生长，同时浓度值越高压制作用越明显。徐澜研究表明，有害重金属元素Cr、Pb在麦子的根茎、茎叶和子粒中累积，造成麦子的生长遇阻。

（四）对果蔬造成的影响

果蔬的范围非常广泛，分布也比较广，针对每一种果蔬，可能都有着不同的污染主效因子。任晓雨等调查了黑龙江省绿豆主产区（泰来县、杜蒙县、龙江县和大庆市）的土壤重金属污染情况，并对其作为生态种植的风险展开了评估。结果显示，其中砷含量超过了国家制定的风险筛选值，处于轻度污染水平，还可以通过积极的应对措施进行管理和扭转。镉的生物毒性是重金属元素中最强的，并且它的迁移性强、毒性持续的时间长，容易聚集在叶菜类蔬菜的可食部位，通过人类的进食影响人类健康。有关专家对不同地区的叶菜类蔬菜产地进行了土壤镉生态安全阈值的研究，研究结果表明，生物聚集系数高的地区是华南与西南热区冬春蔬菜优势区域，位居第二位的是环淮海与环渤海设施蔬菜优势区域，排在第三位的是长江流域冬春蔬菜优势区域，最后为云贵高原夏秋蔬菜优势区域，充分证明了人类活动对土壤镉含量的影响，进而影响蔬菜中的镉含量，云贵高原人烟稀少，其镉的生物富集系数最低。

（五）对人体健康造成的影响

人类生活所需要的食物以及饮用水等均离不开土壤，当人们食用被重金属污染的粮食时，会间接大量摄入重金属，从而对身体健康造成严重的危害。

四、土壤重金属污染对粮食安全影响的应对措施

通过对不同类型粮食受污染情况的统计分析，明确了相应的应对措施。要保证粮食安全，首先就要确保土壤的质量，降低土壤中重金属的含量，这是最有效、最可靠、最直接的应对措施。对土壤重金属污染的应对工作，要以预防为主，治理为辅，提高人民群众的环保意识，确保土壤的无污染，就是确保自己的身体健康。

（一）物理化学修复技术

物理修复技术的指导思想就是，在不加入任何物质的情况下，降低土壤中重金属的含量，可用客土法和换土法。客土法就是在已经污染的土壤表面再覆盖一层污染的土壤，从而降低已污染土壤中的重金属浓度。换土法的思想相似，就是挖去一定深度的污染土壤，换上无污染的土壤。这两种方法效果非常明显，但是由于工作量大，只适合小范围内使用。化学修复技术主要是向土壤中加入化学物质，使之与土壤中的重金属结合或产生反应，减弱重金属在土壤中的迁移能力，使重金属实现钝化。这种方法比较适合于出现轻度或轻微污染的土壤治理中，常用的化学物质有石灰、磷酸盐、碳酸钙等。研究人员利用石灰、硫酸铵等对土壤进行修复，确定了对土壤中重金属钝化效果最好的是石灰，其浓度为2%。在用EDTA、柠檬酸、FeCl3对土壤中的重金属进行淋洗时，显示他们对铅、镉、铜、锌的淋洗效果都比较好，其中以EDTA效果最佳。

（二）生物修复技术

生物修复技术被认为是最有前景的修复技术，它安全、无毒，不会造成土壤的二次污染，并且生物修复技术效果长久，被寄予了厚望。生物修复技术可分为植物修复技术、动物修复技术和微生物修复技术。在植物修复中，最早是英国人成功地利用具有超富集能力的遏蓝菜属植物清除了由于长期使用淤泥地而造成的土壤污染，证实了这一方法的有效性。另有研究人员综合应用芦竹和木本植物对土壤重金属进行修复，结果表明，芦竹和木本植物的间种对土壤中的重金属有超强的吸附能力，从而降低土壤的重金属含量。在动物修复中，主要是利用老鼠、蚯蚓等低等动物在土壤中进行吞噬、吸收和排泄的生理代谢活动转化和吸收重金属，提高土壤质量，改善土壤结构，增加土壤肥力。Zeb等对蚯蚓修复技术进行了展望，表明土壤污染的治理办法之一就是用蚯蚓治理，并列举出了大量的数据，证明蚯蚓去除重金属、多氯联苯、多溴联苯醚、多环芳烃等有毒物质的活性。但实际上，如果土壤是重度污染，那么蚯蚓本身的生长都有可能受到限制，所以动物修复法更多地适合于中低度的土壤污染。微生物修复技术就是利用土壤中的微生物降低土壤中重金属含量，实现对重金属的转化。功能微生物可以是土壤中本身存在的，也可以是外来的或人工改造的。微生物修复技术被认为是安全无毒的，经济廉价的修复技术，Wang等从受重金属镉和镍污染的土壤中分离提取出了两种菌株，分别命名为L5和L6，它们具有良好的抗金属性能，并且对土壤中重金属有较强的固定能力，使其不易往农作物中转移。研究结果表明，随着L5和L6菌株接种时间的延长，土壤中的镉和镍浓度大大地降低，并且土壤对镉和镍的固定作用增强，与土壤净化能力有关的一些酶，如磷酸酶、脲酶等多种酶的酶活力均有所提升，表明微生物修复法的确可以作为土壤重金属治理的一种尝试方法，并且微生物生长和代谢速度快，能在短时间内解决土壤的重金属污染问题，被视为期望度最高的治理方法。

（三）联合修复技术

联合修复技术就是将几种修复技术或修复试剂搭配使用，以达到更好的修复效果，比如化学修复法和生物修复法的联用、化学修复法和培育抗性品种的联用、EDTA和石灰联用等。研究人员使用淋洗和钝化的联合修复技术大大降低了土壤中铅和镉的含量，而用EDTA和纳米羟基磷灰石联合使用，效果也比较显著。

土壤是人类生存的基础，土壤的重金属问题已经成为全球性的问题，并且污染的重金属的种类越来越多，重度土壤污染的比例在逐年增加。土壤重金属污染对粮食安全的影响比较大，研究人员为此作出了不少的努力，提出了物理化学修复技术、生物修复技术、培育抗性强的农作物品种和联合修复技术，以期能改善严峻的土壤重金属污染现状，确保粮食安全。