農(nóng)田土壤中鎘的來源與治理方法

馬濤 焉莉 李彥姣 高強(qiáng)

【摘要】 土壤是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ),是不可缺少的自然資源。隨著工業(yè)的發(fā)展及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化,人們忽視了土壤的承載能力,盲目地施用化肥和農(nóng)藥,造成土壤重金屬污染尤其是鎘污染日益嚴(yán)重。本文針對(duì)土壤中鎘的危害、來源、鎘活化機(jī)理、施肥對(duì)鎘的影響以及鎘的治理這幾個(gè)方面進(jìn)行了綜述,為治理鎘污染提出了相關(guān)建議。

【關(guān)鍵詞】 土壤 鎘污染 來源 治理方法

1.鎘的危害

土壤鎘含量的增加會(huì)使土壤中細(xì)菌、固氮菌的數(shù)量明顯減少,會(huì)破壞植物體中的葉綠素,減少根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收,抑制根系對(duì)氮的固定和硝酸還原酶活性。鎘通過食物鏈進(jìn)入人體后,與人體內(nèi)的特定蛋白質(zhì)及各種酶發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)并使它們失去活性,在人體某些器官中積蓄造成慢性中毒,同時(shí)還干擾銅、鈷、鋅在體內(nèi)的正常代謝,誘發(fā)各種疾病,甚至死亡。

2.鎘的來源

2.1 工業(yè)污染 一些良田周圍有單個(gè)或者多個(gè)工廠,有一條或者數(shù)條公路,工廠廢氣、汽車尾氣中的鎘進(jìn)入土壤中的最主要方式是通過大氣沉降。如瑞典中部Falun市區(qū)的鎘污染,工廠廢氣中的鎘由于風(fēng)的輸送,從工廠中擴(kuò)散到周邊地區(qū)。

2.2 工業(yè)污泥利用 污泥是由水和污水處理過程中所產(chǎn)生的固體沉淀物,它具有含水量高,有機(jī)質(zhì)含量高的特點(diǎn),并且含有大量植物所必需的營養(yǎng)成分,如氮、磷、鉀等和各種微量元素,同時(shí)具有不板結(jié)土壤,肥效高于一般農(nóng)家肥和可以降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的優(yōu)點(diǎn),因此施用污泥既可肥田,又有利于土壤改良。但同時(shí)污泥中也不同程度地含有 As,Cd等重金屬元素,農(nóng)田被迫接受來自市政的污泥,其中使農(nóng)田重金屬含量升高的主要原因是土壤接受了來自城市污水處理廠所產(chǎn)生的污泥和被工業(yè)廢水污染過江的河湖泊底泥。且土壤一旦遭受重金屬污染,難以徹底消除。

2.3 土壤肥料污染 肥料分為化肥和有機(jī)肥兩種,重金屬進(jìn)入兩種肥的途徑也是截然不同的?；手兄亟饘俸勘扔袡C(jī)肥要少得多?；手械逆k元素主要是來自如磷酸二銨等磷肥。在生產(chǎn)重鈣和過磷酸鈣過程中,由于有磷礦直接進(jìn)入最終產(chǎn)品,所以含鎘量高于用磷酸加工的磷酸一銨和磷酸二銨等產(chǎn)品,雖然熱法磷酸工藝使其后加工產(chǎn)品中的鎘含量降低,但是此法由于經(jīng)濟(jì)原因不用作肥料的加工。因此所選擇的磷礦直接關(guān)系到最終產(chǎn)品中鎘含量。在濕法磷肥加工過程中,磷礦石中大約70%~80%的鎘最終會(huì)被轉(zhuǎn)移至磷肥中。有機(jī)肥料大多數(shù)是動(dòng)物糞便和秸稈的混合物。近來年我國迅速發(fā)展的禽畜養(yǎng)殖業(yè),其禽畜糞便成為有機(jī)肥主要來源,但我國禽畜飼料在生產(chǎn)中存在超量加入重金屬元素現(xiàn)象。當(dāng)飼料在使用礦物質(zhì)飼料原料時(shí)就可能造成鎘的污染,特別是在使用加工不完全的鋅礦物質(zhì)原料時(shí)就會(huì)人為造成飼料中鎘的污染,因此礦物質(zhì)飼料原料使用不當(dāng)是造成飼料中鎘污染的主要原因。尤其是一些小作坊,為了降低成本,采用廉價(jià)原料或者惡意用皮革粉參入魚粉并采用低劣的加工方法生產(chǎn)飼料,使其重金屬含量升高,由此動(dòng)物糞便和相應(yīng)有機(jī)肥重金屬含量也會(huì)升高。所以重金屬的污染主要來自有機(jī)肥料。而且重金屬在有機(jī)肥中會(huì)有所積累,因?yàn)橛袡C(jī)肥中有機(jī)物主要由纖維素、半纖維素、胡敏酸、胡敏素、富里酸及簡單有機(jī)物組成。其中活性較高的組分為胡敏酸、富里酸和低分子有機(jī)物,對(duì)重金屬有強(qiáng)烈的吸持作用,在生產(chǎn)或制作過程中存在外源重金屬污染物就會(huì)導(dǎo)致重金屬在有機(jī)肥中的積累。

3.鎘活化機(jī)理及施肥對(duì)其的影響

鎘進(jìn)入土壤后,被植物吸收的過程是十分復(fù)雜的。它必須經(jīng)過活化作用變成離子形式進(jìn)入土壤溶液中才能被植物吸收。根據(jù)重金屬元素在土壤中的活性大小可分為:可交換態(tài)、鐵錳水合氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)。殘留態(tài)的重金屬含量可以代表重金屬元素在土壤中的背景值,除此之外,其他形態(tài)都可以直接或者間接的被植物吸收。而吸收的部位則是植物的根際,所以根際環(huán)境直接影響著重金屬固定,活化和吸收,例如根際的pH 值、Eh 值、根分泌物和根際微生物。大量試驗(yàn)表明根系分泌物可以酸化,螯合還原重金屬,從而使重金屬成為植物可吸收的狀態(tài)。植物體選擇性的吸收土壤中的營養(yǎng)物質(zhì),也被迫的吸收過量的重金屬。通常pH值的降低,將促使碳酸鹽態(tài)鎘溶解,釋放轉(zhuǎn)化為可交換態(tài)鎘,無疑要加重污染。所以植物被重金屬毒害一般發(fā)生在酸性條件。

施用的肥料對(duì)重金屬也有很大影響。大量實(shí)驗(yàn)證明:氮肥能改變土壤中重金屬鎘的活性,加強(qiáng)對(duì)鎘的吸收。而對(duì)于磷肥而言,有促進(jìn)重金屬鎘吸收的,也有抑制其吸收的。如磷酸鹽能促進(jìn)土壤鎘的吸收,鈣鎂磷肥卻能抑制植物吸收鎘。

4.重金屬污染治理

4.1 客土法 此法就是向受到污染的土壤中加入大量的未污染土壤,覆蓋其表面或者均勻地混合,盡量避免重金屬元素與根系的接觸或者使污染物含量下降到臨界危害含量以下,從而達(dá)到減輕危害的目的。此法適用于污染面積不大的被污染土壤。但對(duì)于某些污染面積很大的土壤并不適用,因?yàn)槌杀咎?操作復(fù)雜。

4.2 翻耕法 這種方法的原理是稀釋耕層中污染物濃度,把污染物質(zhì)濃度高的上層翻至下層,濃度低的就由下層翻至上層。當(dāng)然這種方法也有一定的局限性,如耕層下面的污染物濃度也非常高或者是土層淺薄,則這個(gè)方法無效。

4.3 化學(xué)治理措施 化學(xué)治理主要的方法就是向土壤中投入抑制劑、改良劑,增加土壤有機(jī)質(zhì)和粘粒的含量,陽離子代換量改變土壤中的Eh、pH值和電導(dǎo)等物理化性質(zhì),使土壤中的鎘發(fā)生氧化還原等作用,從而降低鎘的生物有效性。土壤中的pH值對(duì)鎘活性影響很大,隨著pH值升高,可增加土壤表面負(fù)電荷對(duì)Cd2+的吸附。再者是投入石灰性物質(zhì),如碳酸鈣,熟石灰等,使其生成沉淀活性逐漸降低。這也是在被鎘污染的土壤上施用石灰從而降低植物吸收鎘的有效方法之一。在土壤中增施易溶性正磷酸化合物,一方面可以提高土壤中磷含量,另一方面可促使重金屬形成不溶性化合物,尤其是土壤污染比較嚴(yán)重時(shí)更加有效,因?yàn)橐怪亟饘傩纬呻y溶性沉淀,就需要有一定的濃度的該種重金屬鹽形成飽和溶液以保證使之產(chǎn)生沉淀。易溶性正磷酸化合物對(duì)鎘的抑制作用同樣有效。

4.4 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)措施 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)措施是依據(jù)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想,因地制宜的改變一些耕作習(xí)慣,從而減輕鎘的危害,在被污染土壤中種植不吸附鎘的植物或種植吸附鎘植物將其移除以提高土壤質(zhì)量。選擇抗污染的植物和不在鎘污染的土壤種植進(jìn)入食物鏈的植物。例如在含鎘100 mg/kg的土壤上改種苧麻,5年后,土壤的鎘含量平均降低27.6%;因地制宜地種植玉米、水稻、大豆、小麥等作物。

4.5 生物修復(fù) 生物修復(fù)就是利用有某些特定的動(dòng)植物去吸附或者吸收污染物質(zhì),從而降低污染物在土壤中的濃度。包括微生物修復(fù),低等動(dòng)物修復(fù)和植物修復(fù)。如微生物、蚯蚓、藕等。對(duì)鎘有強(qiáng)吸附能力的植物有蕨類和十字花科植物。植物修復(fù)技術(shù)是指將某種特定植物種植在重金屬污染的土壤上,該種植物對(duì)土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力,將植物收獲并進(jìn)行妥善處理(如灰化回收)后即可將該種重金屬移出土體,達(dá)到污染治理與生態(tài)修復(fù)的目。植物修復(fù)包括植物吸收,植物固定,植物揮發(fā)等,現(xiàn)在運(yùn)用最廣的是植物吸收。但是植物修復(fù)目前尚處于試驗(yàn)階段,無法大規(guī)模大面積的進(jìn)行實(shí)地修復(fù),面對(duì)日益嚴(yán)重的重金屬污染,當(dāng)務(wù)之急還是要完善該技術(shù),提高植物修復(fù)效率。

5. 建議

污染較大的工廠應(yīng)該建于居民區(qū)和農(nóng)田的下風(fēng)向,防止重金屬由風(fēng)輸送進(jìn)入土壤中;盡量少工業(yè)污泥灌溉良田,或者先對(duì)工業(yè)污泥做相應(yīng)的處理,減少工業(yè)污泥中重金屬和有害物質(zhì);對(duì)減少工業(yè)化有機(jī)肥中重金屬來說,主要從兩方面來減少重金屬污染。首先從飼料方面,要嚴(yán)格遵守國家關(guān)于微量元素添加量的有關(guān)規(guī)定,從根源上減少動(dòng)物飼料里重金屬含量。對(duì)動(dòng)物糞便中加碳酸鈣發(fā)酵堆制等方法,可鈍化重金屬離子,降低重金屬離子對(duì)土壤污染;在被污染區(qū)先行種植吸附重金屬性強(qiáng)的植物,把土壤中重金屬含量降到最低,達(dá)到相關(guān)要求后,再種植可使用作物?；蛘咧苯舆x育抗性強(qiáng),吸收量少的農(nóng)作物品系在污染區(qū)推廣種植。

6.總結(jié)

鎘污染及重金屬污染的防治不是單個(gè)技術(shù)問題和某個(gè)單位的責(zé)任,而是全面的技術(shù)問題和整個(gè)社會(huì)責(zé)任,需要有關(guān)部門和全社會(huì)有機(jī)結(jié)合起來,加強(qiáng)環(huán)境管理,有效解決環(huán)境問題,為子孫后代創(chuàng)造一個(gè)更美好的明天。