土壤鎘污染治理及外源調(diào)控研究進展

劉紅梅，楊 凱，肖正午

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙410128；2常德市鼎城區(qū)十美堂鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)營管理服務(wù)站，湖南常德415118）

鎘（Cd），一種生物蓄積性強、毒性持久、“致畸、致癌、致突變”的非典型過渡性重金屬，生物遷移性較強，極易被作物吸收累積，危害作物的生長發(fā)育，嚴(yán)重影響作物品質(zhì)和產(chǎn)量，并經(jīng)食物鏈進入生物體，導(dǎo)致肺、肝、腎、骨骼和生殖器官等的損傷，或?qū)е旅庖呦到y(tǒng)、心血管系統(tǒng)的毒性效應(yīng)，引發(fā)多種疾?。?，2］。當(dāng)前，土壤鎘污染已成為全球嚴(yán)重的環(huán)境問題［3］。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前約2000萬公頃的耕地面積受鎘污染，約占總耕地面積的1/5，每年因此造成的經(jīng)濟損失僅在糧食作物上就達200億元［2，4］。治理土壤重金屬污染、保障作物安全生產(chǎn)是極其重要的科學(xué)任務(wù)。

前人關(guān)于土壤鎘污染治理及外源調(diào)控已有大量的研究報道，本文對此進行綜述，并提出述評和展望，以期為作物安全生產(chǎn)提供參考。

1 土壤鎘污染現(xiàn)狀及其危害

1.1 土壤鎘污染現(xiàn)狀

據(jù)估計，過去50年中全球排放到環(huán)境中的鎘達到2.2×105t，其中 82% ～94%的鎘進入了土壤［5］。目前，我國的土壤鎘污染情況比較嚴(yán)重。據(jù)2014年4月17日環(huán)境保護部和國土資源部聯(lián)合公布的全國土壤污染調(diào)查公報［6］，全國土壤總的超標(biāo)率為16.1%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%，污染以無機型為主，無機污染物超標(biāo)點位數(shù)占全部超標(biāo)點位的82.8%，鎘的無機污染物點位超標(biāo)率最高，達到7%。污染分布表現(xiàn)為，南方土壤污染重于北方；長江三角洲、珠江三角洲、東北老工業(yè)基地等部分區(qū)域土壤污染問題較為突出，西南、中南地區(qū)土壤重金屬超標(biāo)范圍較大；鎘、汞、砷、鉛4種無機污染物含量分布呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢。在不同土地利用類型的土壤中，土壤點位超標(biāo)率最高，達到了19.4%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環(huán)芳烴。

1.2 土壤鎘污染的緣由

王凱榮認(rèn)為，我國鎘污染之所以出現(xiàn)在農(nóng)田里是農(nóng)田采用工業(yè)污水作為肥料和水源造成的［7］。崔力拓等的研究進一步表明了我國農(nóng)田鎘污染發(fā)生的緣由，不僅來源于工業(yè)廢水，大量煤、石油和天然氣的燃燒以及煉鋼煉金過程排出的廢氣中，均含有大量的重金屬鎘，重金屬鎘的沉降進而污染了河流和土壤［8］。張興梅等提出，施肥不當(dāng)，使用含鎘的肥料，或者長期施肥等都會使土壤鎘污染的面積擴大，并加重污染的程度［9］。龐榮麗等則認(rèn)為施用污泥肥料也是鎘污染的來源之一，因為城市污水中的沉淀物中或者分解后的城市垃圾中含有大量營養(yǎng)物質(zhì)和生長元素，但在施肥過程中，同時也會導(dǎo)致重金屬元素進入土壤［10］。

樊霆等的報道指出，固體廢棄物也是鎘污染的來源之一，因工廠和城市垃圾中，鎘容易擴散［11］，并且會以堆放處為中心向四周的土壤和水體轉(zhuǎn)移。同時，有研究表明在農(nóng)作物生產(chǎn)過程中長期使用磷肥等化學(xué)肥料也會導(dǎo)致土壤中的鎘含量增加［12］。

1.3 土壤鎘污染的危害

1.3.1 對植物的危害

土壤中鎘超標(biāo)時，鎘就會對植物造成危害。一般情況下，鎘在土壤中會以兩種方式存在：一種是水溶性，另一種是非水溶性。前者能夠被植物所吸收，當(dāng)鎘被植物吸收后就會對植物造成危害。植物會表現(xiàn)出葉色衰退、植株矮小、發(fā)育不良等癥狀，有時鎘對植株的根部傷害進而會影響植物喪失某些功能，從而導(dǎo)致植株發(fā)生異常情況［13］。

1.3.2 對人類的危害

鎘是一種有毒的重金屬元素，對人體健康有毒害作用，且不容易治療［14］。但通常情況下，土壤中的鎘對人體不會造成直接危害［15］。歐陽燕玲等指出，金屬鎘及其化合物主要通過消化道與呼吸道進入人體，過量的鎘會損害腎臟，引發(fā)骨質(zhì)疏松，甚至病理性骨折，也易患肺氣腫、高血壓等病癥，而慢性鎘中毒會出現(xiàn)免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)與生殖系統(tǒng)方面的病變，還具有一定的致癌性和致畸性［16］。

2 鎘污染治理

目前，土壤重金屬污染治理策略主要是采用工程措施、農(nóng)藝措施、生物修復(fù)及化學(xué)調(diào)控等手段，利用物理、生物或化學(xué)的方法，轉(zhuǎn)移、吸收、降解或轉(zhuǎn)化土壤重金屬污染物，使其濃度降低到可接受的水平，或轉(zhuǎn)化為無毒無害的物質(zhì)。

2.1 防治措施

在治理鎘的問題上，崔力拓更多的是強調(diào)制度安排，如強化田間檢查和管理工作，同時有針對性地適時調(diào)整產(chǎn)業(yè)層次和種植結(jié)構(gòu)，重點是做好治理鎘污染的相關(guān)技術(shù)開發(fā)工作［8］。

歐陽燕玲等［16］指出，鎘污染食品的源頭不同，鎘污染的安全監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)和實用的鎘排查體系就很難發(fā)揮作用。同時，鎘在人體中的半衰期長達15～30年，鎘中毒后，以現(xiàn)有的醫(yī)療技術(shù)水平，無法有效地解毒或排毒，因此必須十分重視。預(yù)防是目前解決這個問題的關(guān)鍵因素和有效手段，因此食品安全部門做好相關(guān)工作就顯得非常重要。

2.2 工程措施與農(nóng)藝措施

王凱榮針對農(nóng)田鎘污染，提出了治理的相關(guān)措施，包括排土、客土和深耕翻土等物理方法［7］。王斌科等提到污泥重金屬可以通過微波降解，可以更省時省力地收集、分解或限制重金屬的積累，從而控制污染或消除重金屬的污染［17］。董萌等提出了土壤淋洗修復(fù)法、穩(wěn)定固化修復(fù)法、電動修復(fù)法等借助外援的物理化學(xué)添加劑作用的修復(fù)方法［18］。

目前，主要的工程措施有土壤移除、更換、置換或淋洗等，農(nóng)藝措施有合理灌溉、合理施肥、降低土壤pH值［19］以及篩選低鎘積累品種等。物理措施不會引進新污染源，但勞動量大，耗時多，成本高。

2.3 生物修復(fù)

生物修復(fù)包括利用重金屬超積累植物從土壤中富集重金屬轉(zhuǎn)移到地上部的能力進行植物修復(fù)［20，21］和利用微生物在土壤中改變重金屬價態(tài)、細(xì)胞外化學(xué)沉淀、細(xì)胞壁固定或揮發(fā)等方式降低重金屬毒性的能力進行修復(fù)［22］。

生物措施不破壞土壤的物理結(jié)構(gòu)，不造成新的污染源，治理成本低，具有創(chuàng)新性，但是，耐鎘脅迫的植物品種篩選以及植物體內(nèi)鎘轉(zhuǎn)運與積累的生理機理研究剛剛起步，亟待發(fā)展，而且，生物技術(shù)有利于降鎘的相互作用，但是不是所有的技術(shù)都有效？對鎘進行修復(fù)的植物以及微生物是否會危害土壤中原有的微生物？是否對生物多樣性也帶來威脅？都需要進一步研究。

2.3.1 植物修復(fù)技術(shù)

張興梅等提出可以采用超富集鎘的植物來吸收重金屬鎘，這些植物對一定程度的鎘脅迫有很強的耐性，具有很強的吸收和蓄積土壤鎘的能力，植物的生長和發(fā)育卻不會受到鎘的抑制［9］。

樊霆等將植物修復(fù)技術(shù)比較全面地概括總結(jié)為植物揮發(fā)技術(shù)、植物穩(wěn)定技術(shù)和植物提取技術(shù)，并介紹了歐洲、日本等發(fā)達國家的相關(guān)研究成果［11］，在發(fā)現(xiàn)草本植物和木本植物都有較好的修復(fù)能力的基礎(chǔ)上，提出了采用不同種系的植物來共同修復(fù)土壤的方法，因此認(rèn)為可以利用二者相結(jié)合的方法，有利于重金屬的分離，利用二者的交叉效應(yīng)來提高土壤修復(fù)的效率和效果。研究結(jié)果表明，這種草本木本植物相結(jié)合的方法效果更加明顯，值得進一步探索。

2.3.2 動物修復(fù)技術(shù)

李婧等提出了動物修復(fù)的方法，即借助蚯蚓等動物的新陳代謝等生命活動來限制鎘等重金屬的移動，減少其在土壤中的含量［23］。

2.3.3 微生物修復(fù)技術(shù)

錢春香等的報道認(rèn)為，利用微生物修復(fù)降解技術(shù)（細(xì)菌和真菌）來治理鎘污染，可以通過微生物的代謝活動來改變土壤中的重金屬離子的化學(xué)價態(tài)，同時也可以弱化土壤中重金屬的移動能力和減弱其毒性［24］?，F(xiàn)有的微生物修復(fù)技術(shù)包括微生物吸附、微生物礦化固定重金屬和氧化還原重金屬等。樊霆等還提出了聯(lián)合修復(fù)的方法［11］，具體包括通過植物根部和土壤微生物的相互作用、化學(xué)修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合作用［25～29］等等。

2.4 化學(xué)修復(fù)

利用某些化學(xué)試劑與重金屬能螯合或存在競爭關(guān)系，直接加入土壤或葉面噴施，調(diào)控土壤重金屬有效性或在作物體內(nèi)的遷移，減少作物對重金屬的吸收與積累，是保障作物生產(chǎn)安全行之有效的途徑，即外源調(diào)控。

隨著對土地重金屬污染的進一步研究，曹心德等首次提出重金屬復(fù)合污染［30］這個詞，引起了廣泛關(guān)注。復(fù)合污染是一種更加復(fù)雜的交叉污染產(chǎn)物，這些復(fù)合產(chǎn)物會進一步對土壤和環(huán)境等帶來更加復(fù)雜的影響。這對鎘污染修復(fù)技術(shù)又提出了更大的挑戰(zhàn)。同時，他也提出了一種化學(xué)修復(fù)方法——鈍化修復(fù)法，即通過化學(xué)沉淀、化學(xué)吸附以及化學(xué)反應(yīng)來降低鎘的移動性，從而限制鎘的移動和進一步的復(fù)合污染。這種處理方法應(yīng)用前景相對良好，因其成本低且效果較好，也沒有技術(shù)壁壘。并且列舉了一系列的穩(wěn)定劑，包括石灰石、石灰、粉煤灰等無機穩(wěn)定劑，有機肥等有機穩(wěn)定劑，固體廢棄物等無機的和有機的混合材料，甚至提出了納米穩(wěn)定劑和復(fù)合穩(wěn)定劑。

詹杰等研究了鎘污染農(nóng)田土質(zhì)改良劑，包括有機型、無機型和混合型三大類，研究結(jié)果表明，有機物料改良了土壤的環(huán)境，而無機物料卻降低了鎘的有效性［31］。

目前研究發(fā)現(xiàn)的緩解重金屬毒害的外源調(diào)控劑主要有：①GSH，存在于生物體中的小分子游離硫醇三肽，對維持蛋白硫醇水平、硫醇和二硫鍵交換、清除氫過氧化物和自由基以及氨基酸跨膜運輸?shù)戎T多生命過程有重要作用［32］，特有的氧化還原及親核特性使其能參與抵御重金屬的毒性反應(yīng)［33］，在緩解重金屬引起的氧化脅迫中作用重大［34］；②硅，能促進植物的生長發(fā)育［35］，能顯著提高植物對鎘［36］等重金屬的耐性并降低其吸收；③硒，低濃度硒對植物生長有益［37］，培養(yǎng)液中添加硒能夠顯著緩解鎘對植物的毒害［38］；④鋅，植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素，由于與鎘化學(xué)性質(zhì)類似，在植物的吸收和轉(zhuǎn)運過程中可能表現(xiàn)出拮抗作用，能緩解小麥［39］、水稻［40，41］等的鎘毒害。

總的來說，化學(xué)措施難度系數(shù)小，易于操作。但已有的研究仍存在一些不足，如：①雖已表明外源調(diào)控劑硅、GSH、硒和鋅等在實驗室條件下均能顯著緩解鎘毒害，但在復(fù)雜的大田條件下，單獨或復(fù)合使用外源調(diào)控試劑對Cd毒害的緩解作用有待驗證；②鎘脅迫下不同外源調(diào)控劑處理，對作物的生理活性物質(zhì)、抗氧化酶及緩解脅迫的調(diào)控機理和自身防衛(wèi)機制有待研究；③大田條件下不同外源調(diào)控劑處理對水稻植株生長、稻米衛(wèi)生安全品質(zhì)和食味品質(zhì)的影響有待分析；④是否產(chǎn)生新的污染物，造成“二次破壞”？

3 降鎘外源調(diào)控的展望

外源降鎘，一方面是為了改善土質(zhì)，降低土壤中鎘的含量，另一方面是為了加強植物對鎘的抗性?？偟膩碚f，還是為了保障糧食安全生產(chǎn)。

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，人類對稻米的需求持續(xù)增加，而且隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和生活水平的不斷提高，人們對稻米品質(zhì)的要求也越來越高。解決鎘污染環(huán)境下稻米品質(zhì)和質(zhì)量安全的問題，對保障人們健康和提升中國稻米在國際市場上的競爭力，具有重要的現(xiàn)實意義。

因此，探索以提高水稻鎘耐性和降低水稻糙米鎘積累為目的的低鎘栽培外源調(diào)控措施，研究外源調(diào)控處理對鎘污染大田條件下水稻植株在各生育期其鎘吸收和轉(zhuǎn)運的特點，水稻植株對鎘的解毒機理和自身防衛(wèi)機制，對糙米鎘積累和稻米衛(wèi)生品質(zhì)和食味品質(zhì)等的影響，以及外源調(diào)控對稻米衛(wèi)生安全品質(zhì)和食味品質(zhì)的影響程度，是實現(xiàn)在鎘中/輕度污染農(nóng)田水稻安全生產(chǎn)的有效途徑，對改善稻米品質(zhì)，改良農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和保證糧食安全有重大意義。