我國土壤鎘污染現(xiàn)狀、危害及其治理方法綜述

李婧　周艷文　陳森　高小杰

摘 要：隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，土壤鎘污染越來越受到人們的重視。該文對(duì)我國土壤鎘污染現(xiàn)狀、鎘污染的來源以及鎘污染對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人群健康產(chǎn)生的危害，以及治理方法進(jìn)行了綜述，并且對(duì)我國鎘污染治理的發(fā)展方向作出了展望。

關(guān)鍵詞：土壤；鎘污染；來源；危害；治理

中圖分類號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2015）24-104-04

Abstract：As the development of industry，soil cadmium pollution have caused more and more concern.In this thesis，the pollution actualities，source，damage and management of soil cadmium pollution were briefly introducted，and the development direction of soil cadmium pollution management was discussed.

Key words：Soil；Cadmium pollution；Source；Damage；Managment

據(jù)2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，部分地區(qū)土壤污染較重，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂。其中，鎘污染物點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到7.0%，呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢(shì)，是耕地、林地、草地和未利用地的主要污染物之一[1]。鎘是眾所周知的重金屬“五毒”元素之一，具有分解周期長（半衰期超過20a）、移動(dòng)性大、毒性高、難降解等特點(diǎn)，在生產(chǎn)活動(dòng)中容易被作物吸收富集，不僅嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，而且可以通過食物鏈在人體的積累危害人體健康[2]，例如，20世紀(jì)60年代在日本富山縣神通川流域出現(xiàn)的“骨痛病”事件。針對(duì)我國鎘污染現(xiàn)狀，本文將從鎘污染的來源、危害、修復(fù)治理等方面進(jìn)行了論述，詳細(xì)介紹鎘污染這一環(huán)境污染問題，以期為我國農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展和鎘污染土壤的治理提供科學(xué)依據(jù)，為后續(xù)研究提供參考。

1 我國土壤鎘污染現(xiàn)狀

我國于20世紀(jì)70年代中后期才開展有關(guān)農(nóng)田土壤鎘污染調(diào)查的工作，1980年中國農(nóng)業(yè)環(huán)境報(bào)告顯示，我國農(nóng)田土壤中鎘污染面積為9 333hm2，到2003年我國鎘污染耕地面積為1.33×104 hm2，并有11處污灌區(qū)土壤鎘含量達(dá)到了生產(chǎn)“鎘米”的程度[3-4]。近年來，隨著我國工業(yè)的發(fā)展，由于化肥、農(nóng)藥的大量施用，工業(yè)廢水和污泥的農(nóng)業(yè)利用，以及重金屬大氣沉降的日益增加，土壤中鎘的含量明顯增加，土壤鎘污染狀況越發(fā)嚴(yán)重，目前，我國鎘污染土壤的面積已達(dá)2×105km2，占總耕地面積的1/6[5]。

從近年的有關(guān)研究來看，我國各地均存在著不同程度的鎘污染問題。目前，我國土壤鎘污染涉及11個(gè)省市的25個(gè)地區(qū)。比如，上海螞蟻浜地區(qū)污染土壤鎘的平均含量達(dá)21.48mg/kg，廣州郊區(qū)老污灌區(qū)土壤鎘的含量高達(dá)228.0mg/kg[6-7]。我國農(nóng)田土壤的鎘污染多數(shù)是由于進(jìn)行工業(yè)廢水污灌造成的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國工業(yè)每年大約排放300億～400億t未經(jīng)處理的污水，引用工業(yè)廢水污灌農(nóng)田的面積占污灌總面積的45%[8]，至20世紀(jì)90年代初，我國污灌農(nóng)田中有1.3×104hm2的農(nóng)田遭受不同程度的鎘污染，污染土壤的鎘含量為2.5～23.0mg/kg，重污染區(qū)表層土壤的鎘含量高出底層土壤幾十甚至1 000多倍[9]。在大田作物中，鎘是我國農(nóng)產(chǎn)品主要的重金屬污染物[10]。據(jù)報(bào)道，我國污灌區(qū)生產(chǎn)的大米鎘含量嚴(yán)重超標(biāo)，例如，成都東郊污灌區(qū)生產(chǎn)的大米中鎘含量高達(dá)1.65mg/kg，超過WHO/FAO標(biāo)準(zhǔn)約7倍[11]。2000年農(nóng)業(yè)部環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)了我國14個(gè)省會(huì)城市共2 110個(gè)樣品，檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，蔬菜中鎘等重金屬含量超標(biāo)率高達(dá)23.5%；南京郊區(qū)18個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的青菜葉檢測(cè)表明，鎘含量全部超過食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，最多超過17倍[6]。潘根興研究團(tuán)隊(duì)于對(duì)2007年對(duì)全國6個(gè)地區(qū)（華東、東北、華中、西南、華南和華北）縣級(jí)以上市場(chǎng)隨機(jī)采購的91個(gè)大米樣品檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)約有10%左右的市售大米存在重金屬鎘含量超標(biāo)問題[12]。據(jù)報(bào)道，廣西某礦區(qū)生產(chǎn)的稻米中鎘濃度嚴(yán)重超標(biāo)，當(dāng)?shù)鼐用褚蜷L期食用“鎘米”已經(jīng)出現(xiàn)了“骨痛病”的癥狀，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康[3]。以上研究結(jié)果表明，我國土壤受鎘污染的程度已相當(dāng)嚴(yán)重，土壤鎘污染造成水稻、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量下降、產(chǎn)量降低，并且嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)鼐用竦纳硇慕】担绊懳覈r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 土壤鎘污染的來源

土壤中鎘的主要有2種來源，分別為自然界的成土母質(zhì)和人為活動(dòng)，前者為自然界中巖石和土壤鎘含量的本底值，一般來講世界范圍內(nèi)土壤鎘平均值為0.35mg/kg，我國土壤鎘背景值為0.097mg/kg，遠(yuǎn)低于世界均值[13-14]。而后者主要指通過工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)直接或間接地將鎘排放到環(huán)境的人為活動(dòng)，并且是造成土壤鎘污染的主要途徑，歸納起來污染途徑主要有如下4個(gè)方面：

2.1 大氣鎘沉降 電鍍、油漆著色劑、塑料穩(wěn)定劑、電池生產(chǎn)以及光敏元件的制備等工業(yè)廢氣中存在一定量的鎘，它們會(huì)和粉塵一起隨風(fēng)擴(kuò)散到工廠周圍，一般在工業(yè)區(qū)周圍的大氣中鎘的濃度較高[15]，較高濃度的鎘可以通過降雨或沉降進(jìn)入土壤。進(jìn)入土壤中的鎘，一部分被植物吸收，剩余的部分則在土壤大量積累，而當(dāng)土壤中鎘累積超過一定范圍時(shí)，就造成了土壤的鎘污染[16]。

2.2 施肥不當(dāng) 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中為了獲得高產(chǎn)，一般都加大農(nóng)藥化肥的投入，長期施用含有鎘的農(nóng)藥化肥必然導(dǎo)致土壤的鎘污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，磷肥中含有較多的鎘，氮肥和鉀肥含量較少，因此含鎘磷肥的施用影響最為嚴(yán)重。我國磷肥生產(chǎn)所需磷礦石的鎘含量雖然較低，在世界上屬于較低水平，但我國磷礦石含磷量同樣不高，因此需要從國外進(jìn)口大量的磷肥[4]。據(jù)西方國家估算，全球磷肥平均含鎘量7.0mg/kg，可給全球土壤帶來約6.6×104kg鎘[17]。韓曉日等[18]研究也發(fā)現(xiàn)，長期施用磷肥和高量有機(jī)肥能夠增加土壤鎘含量。由此可見，長期施用含鎘的化肥會(huì)增加土壤的鎘含量，給土壤帶來嚴(yán)重的重金屬污染問題。

2.3 污水灌溉 鍍鋅廠以及與塑料穩(wěn)定劑、染料及油漆等生產(chǎn)有關(guān)工廠產(chǎn)生的工業(yè)污水中含有多種重金屬，其中就有大量的鎘，這些廢水如不經(jīng)處理或者處理不達(dá)標(biāo)，廢水中的鎘就會(huì)隨著污灌進(jìn)入土壤，因此，在工礦和城郊區(qū)的污灌農(nóng)田均存在著土壤鎘污染問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國工業(yè)、企業(yè)每年要排放約300億～400億t未經(jīng)處理的污水，利用這些工業(yè)污水進(jìn)行灌溉造成了嚴(yán)重的重金屬污染，污水灌溉已經(jīng)是我國農(nóng)田土壤鎘污染的主要原因[8]。何電源等[19]在1987-1990年間對(duì)湖南省的農(nóng)田污染狀況調(diào)查也表明，農(nóng)田土壤鎘污染的主要來源是工礦企業(yè)排放的廢氣和廢水。此外，大量堆積的工業(yè)固體廢棄物和農(nóng)田施用的污泥，也會(huì)造成土壤的鎘污染[16]。

2.4 金屬礦山酸性廢水污染 金屬礦山的開采、冶煉以及重金屬尾礦、冶煉廢渣和礦渣堆等，存在著大量的酸性廢水，這些酸性廢水溶出的多種重金屬離子能夠隨著礦山排水和降雨進(jìn)入水環(huán)境或土壤，可以間接或直接地造成土壤重金屬污染。據(jù)報(bào)道，1989年我國有色冶金工業(yè)向環(huán)境中排放重金屬鎘多達(dá)88t[20]。

3 土壤鎘污染的危害

鎘是一種具有毒性的重金屬微量元素，是人體、動(dòng)物和植物的非必需元素，但它在冶金、塑料、電子等行業(yè)非常重要，通常通過“工業(yè)三廢”等途徑進(jìn)入土壤。土壤中鎘的形態(tài)有水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)和硅酸態(tài)等，水溶性和交換態(tài)鎘可以被植物吸收，并通過食物鏈進(jìn)入人體富集，達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)引發(fā)各種疾病，嚴(yán)重危害植物和人體的健康，且具有長期性、隱蔽性和不可逆性等特點(diǎn)。

3.1 鎘對(duì)植物健康的危害 鎘是植物生長的非必需元素，當(dāng)鎘在植物組織中含量達(dá)到1.0mg/kg時(shí)，會(huì)通過阻礙植物根系生長、抑制水分和養(yǎng)分的吸收等引起一系列生理代謝紊亂，如蛋白質(zhì)、糖和葉綠素的合成受阻，光合強(qiáng)度下降和酶活性改變等，使植物表現(xiàn)出葉色減褪、植物矮化、物候期延遲等癥狀，最終導(dǎo)致作物品質(zhì)下降和減產(chǎn)，甚至死亡[6，21-22]。張義賢等[23]研究表明，大麥種子在鎘脅迫下，種子的萌芽率、根生長率均呈下降趨勢(shì)，當(dāng)鎘濃度達(dá)到0.01mol/L時(shí)，種子萌芽率小于45%，且根不再生長。劉國勝等[24]研究表明，當(dāng)土壤含有0.43mg/kg可溶態(tài)鎘時(shí)，水稻減產(chǎn)10%，當(dāng)含量為8.1mg/kg時(shí)，水稻減產(chǎn)達(dá)25%，并且，稻米的氨基酸、支鏈淀粉和直鏈淀粉比例發(fā)生改變，使水稻品質(zhì)變差[4]。

3.2 鎘對(duì)人體健康的危害 鎘是人體非必需的微量元素，具有較強(qiáng)的致癌、致畸及致突變作用，對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生較大的危害，鎘一般通過呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)進(jìn)入人體，在人體內(nèi)半衰期長達(dá)20～30a。鎘對(duì)人體的毒害分為急性毒害和慢性毒害2種，鎘的急性毒害主要表現(xiàn)為肺損害、胃腸刺激反應(yīng)、全身疲乏、肌肉酸痛和虛脫等；慢性毒害主要表現(xiàn)為對(duì)骨骼、肝臟、腎臟、免疫系統(tǒng)、遺傳等的系列損傷，并誘發(fā)多種癌癥[25-27]。例如，20世紀(jì)60年代發(fā)生在日本神通川流域的“骨痛病”，原因就是當(dāng)?shù)鼐用袷秤面k米造成的。因此，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）將其列為具有全球性意義的危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)[28]。

4 土壤鎘污染的治理方法

為了有效利用現(xiàn)有的土地資源，減少鎘等重金屬人體造成的危害，需要采取有效措施治理和恢復(fù)受污染的土壤。目前，有關(guān)鎘污染土壤的治理方法有很多，主要有物理方法、化學(xué)方法和生物方法等。

4.1 物理方法 鎘污染土壤的物理修復(fù)方法主要有排土、客土、深耕翻土等傳統(tǒng)物理方法以及電修復(fù)技術(shù)、洗土法等?？屯练ň褪菍⑽廴就寥犁P除，換入未污染的土壤，去表土法就是將污染的表土移去等。傳統(tǒng)的物理修復(fù)方法治理鎘污染效果非常明顯，如吳燕玉等[29]在張士灌區(qū)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)去除表層土可使稻米中鎘含量降低50%。然而，這種方法需要耗費(fèi)大量資金、人力物力，且移除的污染土壤又容易引起二次污染，因此難以在大面積治理上推廣。電修復(fù)技術(shù)，是指在土壤外加一個(gè)直流電場(chǎng)，土壤重金屬在電解、擴(kuò)散、電滲、電泳等作用下流向土壤中的某個(gè)電極處，并通過工程收集系統(tǒng)收集起來進(jìn)行處理的治理方法。胡宏韜等[30]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試驗(yàn)電壓為0.5W/cm時(shí)，陽極附近土壤中鎘的去除效率達(dá)到75.1%；淋濾法和洗土法是運(yùn)用特定試劑與土壤重金屬離子作用，然后從提取液中回收重金屬，并循環(huán)利用提取液。據(jù)報(bào)道，美國曾應(yīng)用淋濾法和洗土法成功地治理了包括鎘在內(nèi)的8種重金屬，治理了2.0×104t污染的土壤，且重金屬得到了回收和利用，而且整個(gè)治理過程中沒有產(chǎn)生二次污染[20]。

4.2 化學(xué)方法 化學(xué)法是指通過在土壤中施用化學(xué)制劑、改良劑，增加土壤粘粒和有機(jī)質(zhì)，改變土壤氧化還原電位和pH值等理化性質(zhì)，使土壤鎘發(fā)生氧化還原等作用，降低鎘的生物有效性，以減輕對(duì)其它生物的危害[31-32]。目前，磷酸鹽、石灰、硅酸鹽等是化學(xué)法處理鎘污染土壤中常用物質(zhì)。Gworek[33]等在研究中發(fā)現(xiàn)利用沸石等硅鋁酸鹽鈍化土壤重金屬能顯著降低污染土壤中鎘的濃度?？傮w而言，化學(xué)方法具有操作簡單、治理效果、費(fèi)用適中等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是容易再度活化重金屬。因此，該方法適用于重金屬污染不太嚴(yán)重的地區(qū)，對(duì)污染太嚴(yán)重的土壤不適用[4，20]。

4.3 生物方法 生物方法是指通過某些特定微生物、動(dòng)物或植物的代謝活動(dòng)，吸附降解土壤污染物質(zhì)、降低土壤重金屬生物活性的治理方法，具有土壤擾動(dòng)小、原位性、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，一般分為微生物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)、植物修復(fù)3種。

4.3.1 微生物修復(fù) 微生物修復(fù)是指利用土壤微生物固定、遷移或轉(zhuǎn)化土壤中的重金屬，從而降低重金屬毒性，主要包括生物富集和生物轉(zhuǎn)化2種作用方式。生物富集作用指微生物的積累和吸附作用；生物轉(zhuǎn)化作用指微生物對(duì)重金屬的氧化和還原作用、重金屬的溶解和有機(jī)絡(luò)合配位等[34]。例如，吳海江[35]利用分離獲得的菌株對(duì)鎘的去除率高達(dá)60%，吸附量達(dá)54mg/kg；張欣等[36]在模擬鎘輕度污染試驗(yàn)中通過施入微生物菌劑使菠菜植株鎘含量平均下降14.5%。

4.3.2 動(dòng)物修復(fù) 動(dòng)物修復(fù)是指利用土壤中某些低等動(dòng)物的代謝活動(dòng)來降低污染土壤中重金屬比例的方法。例如，Ramseier等[37]研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓具有強(qiáng)烈的鎘富集能力，當(dāng)土壤鎘濃度為3mg/kg時(shí)，蚯蚓的鎘富集量可以達(dá)到120mg/kg。但由于低等動(dòng)物生長受環(huán)境等因素的嚴(yán)重制約，該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中受到了一定限制[20，28]。

4.3.3 植物修復(fù) 植物修復(fù)是指利用超富集植物吸附清除土壤鎘污染的原位治理方法，具有實(shí)施較簡便、投資較少、破壞小、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)境友好型修復(fù)技術(shù)[20，34]。目前，全世界已發(fā)現(xiàn)500多種富集重金屬的植物，其中部分植物對(duì)土壤鎘具有強(qiáng)烈的富集作用，表現(xiàn)出對(duì)鎘的選擇性吸收，如蕪菁、菠菜、煙草、向日葵等[12]。近幾年來，我國在利用植物修復(fù)鎘污染土壤方面取得了不少成果，例如，蔣先軍等[38]研究發(fā)現(xiàn)印度芥菜、劉威等[39]發(fā)現(xiàn)寶山堇菜等屬于鎘超積累植物，這些發(fā)現(xiàn)都可以應(yīng)用于鎘污染土壤的治理與恢復(fù)工作。

5 展望

2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國土壤鎘污染物點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到7.0%，鎘是我國耕地、林地、草地和未利用地的主要污染物之一，土壤鎘污染日趨嚴(yán)重。因此，要積極開展切實(shí)有效的管理控制、污染防治綜合治理等，首先，從源頭上控制鎘對(duì)土壤的污染，采取清潔生產(chǎn)與資源循環(huán)利用措施，減少甚至避免各類鎘污染物進(jìn)入土壤環(huán)境；其次，加強(qiáng)鎘污染土壤修復(fù)技術(shù)的研究，特別是植物修復(fù)技術(shù)和微生物技術(shù)；再次，發(fā)展聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，將生物修復(fù)與物理化學(xué)法、工程措施和農(nóng)藝措施有效結(jié)合起來，開展多學(xué)科聯(lián)合的生態(tài)修復(fù)。只有這樣，才有可能修復(fù)已經(jīng)被鎘等重金屬污染的土地，保護(hù)未被污染的土地資源，實(shí)現(xiàn)自然與社會(huì)的健康、可持續(xù)發(fā)展。

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（責(zé)編：張宏民）