我國農(nóng)田土壤重金屬污染防治與糧食安全保障

徐建明 孟 俊 劉杏梅 施加春 唐先進

浙江大學環(huán)境與資源學院 杭州 310058

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的基石，是保障糧食安全生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。2014 年 4月17日的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，我國耕地土壤重金屬等污染物點位超標率達 19.4%，污染形勢不容樂觀。土壤重金屬超標帶來的水稻、小麥等糧食作物重金屬超標問題也令人擔憂[1]。因此，土壤重金屬污染防治與修復工作亟待加強。近年來，黨中央和國務(wù)院高度重視土壤重金屬污染防治與糧食安全生產(chǎn)，明確將“保護耕地資源，防治耕地重金屬污染”作為《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2015—2030 年）》的重點任務(wù)；國務(wù)院 2016 年5月28日印發(fā)《土壤污染防治行動計劃》（簡稱“土十條”），對今后一個時期我國土壤污染防治工作做出了全面戰(zhàn)略部署；黨的十九大報告中提出要“強化土壤污染管控與修復，加強農(nóng)業(yè)面源污染防治”“確保國家糧食安全”等。然而，如何修復農(nóng)田土壤重金屬污染，保障糧食作物安全生產(chǎn)，是當前土壤及環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點和難點。本文通過檢索國內(nèi)外相關(guān)文獻資料，并基于我們近年來的研究和認識，全面分析了我國農(nóng)田土壤與糧食作物重金屬污染狀況及二者之間的關(guān)系，探討了中輕度重金屬污染農(nóng)田土壤修復技術(shù)與方法，針對性地提出了我國農(nóng)田土壤安全利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與策略，以期為重金屬超標農(nóng)田的糧食安全生產(chǎn)提供參考。

1 我國農(nóng)田土壤與糧食作物的重金屬超標現(xiàn)狀

1.1 農(nóng)田土壤重金屬超標狀況

在國家及地方系列項目的支持下，針對我國不同區(qū)域重金屬超標狀況調(diào)查的零星研究較多，大多數(shù)集中于工礦區(qū)和冶煉企業(yè)周邊地區(qū)、城郊農(nóng)田等，而對我國糧食主產(chǎn)區(qū)耕地土壤重金屬狀況的調(diào)查和分析相對較少，造成我國部分地區(qū)土壤重金屬污染程度評估過高或過低，偏離實際情況，因此亟須盡快摸清土壤污染“家底”。盡管目前國家有關(guān)部門對我國農(nóng)田土壤重金屬超標狀況調(diào)查結(jié)果不盡一致，但整體數(shù)據(jù)仍然可以說明當前我國土壤污染的總體形勢不容樂觀，其中以西南、中南、長江三角洲及珠江三角洲等地區(qū)污染最為突出[2]。

環(huán)境保護部對我國 30 萬公頃基本農(nóng)田保護區(qū)土壤中有害重金屬的抽查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤重金屬點位超標率達 12.1%[3]；2014 年環(huán)境保護部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，我國耕地土壤點位超標率達 19.4%，主要污染物為鎘（Cd）、鎳（Ni）、銅（Cu）、砷（As）、汞（Hg）、鉛（Pb）、滴滴涕和多環(huán)芳烴。而農(nóng)業(yè)部對我國 140 萬公頃污水灌溉區(qū)域調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤重金屬超標面積占 64.8%[4]。

此外，不同研究尺度下我國農(nóng)田土壤重金屬超標元素存在明顯差異，且農(nóng)田土壤 Cd 元素發(fā)生污染的概率最高[4]。如環(huán)境保護部調(diào)查發(fā)現(xiàn)，長江三角洲地區(qū)土壤重金屬主要超標元素為 Cd、Cu、Pb 和 Zn，其超標率分別為 5.64%、2.73%、0.75% 和1.13%；江蘇省耕作層土壤重金屬主要超標元素也是 Cd、Cu、Pb 和 Zn，超標面積分別占 15.91%、12.55%、7.63% 和 9.63%[5]；浙江省某地土壤重金屬 Cd、Cu 和 Zn 的超標率分別為 40%、64% 和 12%；我國東北平原、長江流域和東南沿海地區(qū)水稻土 Cd 平均濃度分別為 0.19、0.26 和 0.21 mg/kg；全國 22 個水稻種植省份土壤 Cd 的平均含量為 0.45 mg/kg，其中湖南水稻土 Cd 平均含量最高為 1.12 mg/kg[6]。

糧食產(chǎn)區(qū)土壤重金屬累積超標多數(shù)是由于污水灌溉、大氣沉降以及使用重金屬含量較高的磷肥、畜禽糞便、污泥等造成的[7-9]。根據(jù)我們對長江中下游某地污染較嚴重的 4.4 萬畝農(nóng)田土壤重金屬的調(diào)查結(jié)果，并參照《全國土壤污染狀況評價技術(shù)規(guī)定》，顯示主要超標元素為 Cd 和 Cu。通過空間分析和區(qū)域統(tǒng)計識別，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)土壤重金屬 Cd 的輕微、中輕度和重度污染面積分別占到 45.62%、12.3% 和 1.74%。

總體來說，我國農(nóng)田土壤重金屬超標狀況堪憂，在土壤重金屬污染程度和面積尚未清楚的情況下，開展土壤污染詳查尤為重要，目前該項工作正在進行之中。

1.2 糧食作物重金屬超標問題

近年來，我國重金屬污染事件頻發(fā)，“鎘米”“鎘麥”等事件的曝光，引起了全社會對水稻、小麥等主要糧食作物重金屬超標問題的廣泛關(guān)注。據(jù)報道，全國每年僅因重金屬污染而減產(chǎn)的糧食達 1 000 多萬噸，被重金屬污染的糧食也多達 1 200 萬噸，合計損失至少 200 億元人民幣①中國科學院學部. 我國土壤重金屬污染問題與治理對策. 2013.。

水稻是我國種植面積最大、單產(chǎn)最高的糧食作物，也是對重金屬吸收最強的大宗谷類作物。鎘作為對人體危害性最強的重金屬元素之一，加上多數(shù)稻米對鎘具有超富集能力，使其成為影響稻米質(zhì)量安全的重要限制性因素。農(nóng)業(yè)部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心對我國部分地區(qū)稻米質(zhì)量安全普查結(jié)果表明，約有 10% 的稻米中 Cd 含量超過《食品中鎘限量衛(wèi)生標準》（GB15201294）限定標準值 0.2 mg/kg；我們通過對長江中下游某縣級市農(nóng)田土壤-水稻系統(tǒng)中重金屬近 10 年來的定位監(jiān)測，發(fā)現(xiàn) 2006、2011 和 2016 年采集的稻米中 Cd 的點位超標率分別為 9.3%、22.2% 和 20.7%，10 年間稻米 Cd 超標率顯著增加。除鎘污染外，稻米中重金屬 Pb、Hg 和 As 元素含量超標現(xiàn)象也時有發(fā)生[8,10]。

近年來，有關(guān)我國小麥重金屬超標的報道也逐漸增多，陸美斌等[11]在中國黃淮海平原和長江中下游平原兩大優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)的 8 個省（市）采集的 393 份小麥籽粒中 Cd 的超標率分別為 0.7% 和 9.0%；陳京都等[12]發(fā)現(xiàn)江蘇省某典型區(qū)農(nóng)田小麥籽粒中 Pb、鉻（Cr）、Hg、Ni 和 As 樣品超標率分別為 100%、58.97%、33.33%、10.26% 和 2.56%，而Cu、Zn 和 Cd 未超標；強承魁等[13]發(fā)現(xiàn)高速公路兩側(cè)、污灌區(qū)以及污泥施用區(qū)等農(nóng)田土壤種植小麥中部分重金屬元素超標較嚴重。

目前，有關(guān)粗糧類、豆類、木薯、番薯和馬鈴薯等糧食作物中重金屬污染多見于實驗室和小區(qū)研究。區(qū)域尺度下針對這些糧食作物重金屬超標狀況報道較少，有待開展進一步的研究。

1.3 土壤與糧食作物重金屬之間的關(guān)系

農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤重金屬的積累與糧食作物吸收之間的關(guān)系復雜多樣。具體而言，糧食作物中重金屬含量受產(chǎn)地環(huán)境重金屬污染水平、土壤性質(zhì)、氣候、作物品種和種植管理水平等諸多因素影響。目前，大多數(shù)相關(guān)研究局限在盆栽試驗或田間小區(qū)尺度，控制條件與大田實際產(chǎn)地環(huán)境和生產(chǎn)操作存在較大的差異。由于缺乏大數(shù)據(jù)量以及多變量的監(jiān)測與分析，難以對全國土壤污染狀況調(diào)查結(jié)果與糧食作物重金屬超標之間進行統(tǒng)計學上的相關(guān)性分析，尤其是二者的空間對應定量關(guān)系尚不清楚。土壤污染評價結(jié)果與糧食作物污染評價結(jié)果可能一致，也可能存在土壤重金屬超標而對應作物中重金屬不超標，或者土壤重金屬不超標而生長的作物中重金屬超標的現(xiàn)象[5,14]。而當前，學界對土壤污染問題關(guān)注較多，但對土壤-糧食作物系統(tǒng)重金屬污染及二者之間的定量化關(guān)系研究相對較少。

我們前期對長江中下游某縣級市稻米及其對應土壤中的重金屬分析發(fā)現(xiàn)，稻米 Cd 與土壤總 Cd 含量呈顯著正相關(guān)。而對另一地點土壤及早稻（中早39）中重金屬調(diào)查結(jié)果則顯示，土壤As不超標，但對應的稻米中As超標率達18.9%，統(tǒng)計結(jié)果分析表明稻米 As 含量與土壤中 As 的總量和有效態(tài)含量相關(guān)性均不顯著。

因此，需要明晰土壤重金屬形態(tài)與糧食作物吸收的耦合機理，厘清影響不同糧食作物對重金屬吸收的土壤關(guān)鍵因子以及驅(qū)動機制，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)農(nóng)田土壤重金屬污染防控技術(shù)，為我國重金屬污染農(nóng)田土壤的安全利用提供決策支撐。

2 重金屬超標農(nóng)田安全生產(chǎn)保障技術(shù)

2.1 糧食作物禁產(chǎn)、限產(chǎn)和宜產(chǎn)農(nóng)田的劃分

科學合理的規(guī)劃是農(nóng)田土壤安全利用和糧食安全生產(chǎn)保障的重要手段。對于重度污染農(nóng)田土壤，禁止從事糧食作物生產(chǎn)，并制定相應的污染土壤修復計劃與實施方案；對于中輕度污染農(nóng)田土壤，合理布局糧食作物，避免糧食可食部分重金屬超標，實現(xiàn)污染農(nóng)田的安全利用；對于清潔農(nóng)田土壤，加強監(jiān)控，維持其正常糧食生產(chǎn)功能。

因此，從農(nóng)產(chǎn)品安全角度，將農(nóng)田土壤劃分為禁產(chǎn)、限產(chǎn)和宜產(chǎn)區(qū)域，可為重金屬超標農(nóng)田土壤的安全生產(chǎn)提供保障。

2.2 重金屬低積累糧食作物品種的篩選

不同作物和同一作物不同品種或基因型，在對重金屬的吸收和積累上存在很大差異。目前，國內(nèi)外對重金屬低積累糧食作物品種的篩選已有較多的報道，但這些作物對重金屬低積累的機制還不明確。當前實施的“十三五”國家重點研發(fā)計劃“七大農(nóng)作物育種”重點專項和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目，都有涉及該方面的研究內(nèi)容。

蔣彬等[15]研究發(fā)現(xiàn)，239 份常規(guī)稻水稻品種對 Cd、Pb 和 As 的累積量存在極顯著的基因型差異，并篩選出了一系列重金屬低積累的水稻品種。秀水 519 和甬優(yōu) 538 是 2 種低 Cd 和低 As 積累的水稻品種。水稻對重金屬的低積累特性與其重金屬耐性基因相關(guān)，如有研究發(fā)現(xiàn)水稻 Cd 抗性基因 OsPCR1和調(diào)控基因表達的小分子miR166 與籽粒 Cd 積累密切相關(guān)[16,17]。而有關(guān)小麥和玉米重金屬低積累品種的篩選工作，當前還鮮有報道。因此，需要深入挖掘糧食等作物的遺傳基因，篩選并培育對重金屬具有低積累的作物品種，發(fā)揮作物自身對重金屬遷移的“過濾”和“屏障”作用，保障中輕度重金屬污染農(nóng)田土壤糧食的安全生產(chǎn)。

2.3 重金屬鈍化阻隔技術(shù)的研發(fā)

鈍化阻隔技術(shù)是指向重金屬污染土壤中添加一種或多種鈍化材料，包括無機、有機、微生物、復合等鈍化劑，通過改變土壤中重金屬的形態(tài)和降低重金屬活性，從而減少糧食作物對重金屬的吸收，以達到污染土壤安全利用的目的。

常用的無機鈍化劑主要包括含磷材料、鈣硅材料、黏土礦物及金屬氧化物等，這類鈍化劑在重金屬污染土壤中的應用最為廣泛，主要通過吸附、固定等反應降低重金屬的有效性。有機鈍化劑主要有秸稈、畜禽糞便、堆肥和城市污泥等，有機物料通過對重金屬的絡(luò)合作用降低其有效性。微生物鈍化劑是一些能改變土壤重金屬價態(tài)和吸附固定重金屬的微生物，目前報道的有硫酸鹽還原菌和革蘭氏陰性細菌等，但這方面的工作大多集中于機理研究，涉及應用的研究還較少[18]。

由于不同鈍化劑對不同類型重金屬的鈍化效果存在一定的差異，并且土壤重金屬污染常常是復合污染，單靠一種鈍化修復產(chǎn)品難達到預期效果，因此復合鈍化劑的研發(fā)和應用是農(nóng)田污染土壤安全利用的重要發(fā)展方向。

此外，新型鈍化劑如生物質(zhì)炭和納米材料的研發(fā)備受關(guān)注，如生物質(zhì)炭可通過離子交換、表面絡(luò)合和吸附沉淀等作用來降低重金屬生物有效性[19,20]；納米羥基磷灰石可通過吸附固定作用顯著降低土壤中重金屬的有效性，且鈍化效果好[21,22]。但是，這些鈍化材料生產(chǎn)成本較高，可能也存在一定的環(huán)境風險，因此亟須研發(fā)低廉、高效、環(huán)境友好的土壤重金屬污染新型鈍化產(chǎn)品。

2.4 重金屬農(nóng)藝調(diào)控措施的發(fā)揮

農(nóng)藝措施能夠有效調(diào)控作物對重金屬的吸收，主要包括種植重金屬低積累作物、調(diào)節(jié)土壤理化性狀、科學管理水分和施用功能性肥料等。對于輕度重金屬污染農(nóng)田土壤，淹水處理是一種較好的降低稻米 Cd 含量的農(nóng)藝措施。與常規(guī)水分處理相比，淹水條件下稻米 Cd 含量下降 3.6%—26.3%。

對于中輕度污染稻田，結(jié)合水分管理與增施鈣鎂磷肥等措施可顯著降低土壤有效態(tài) Cd 含量和稻米對 Cd 的積累。

在重度污染區(qū)，則選擇種植油菜、花生和甘蔗等低Cd 積累作物替代水稻，如此可達到安全利用的目的。也可改種棉花、紅麻、苧麻和蠶桑等纖維植物，阻斷土壤 Cd 進入食物鏈[23]。

3 重金屬超標農(nóng)田安全利用關(guān)鍵環(huán)節(jié)與策略

3.1 農(nóng)田重金屬動態(tài)監(jiān)測

國外針對大尺度污染狀況調(diào)查、成因分析方面的工作較多，并建立了諸多長期動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。我國也開展了多次大面積污染調(diào)查工作，并正在開展土壤污染詳查工作，但尚缺乏基于歷史大數(shù)據(jù)和源解析技術(shù)的權(quán)威性農(nóng)田土壤和糧食作物的污染源清單，土壤和糧食作物重金屬含量的綜合分析以及模型模擬方面的工作也有待加強。

2006 年，環(huán)境保護部與國土資源部組織各地環(huán)境監(jiān)測站采用 GPS 定位、網(wǎng)格化采樣方式對全國土壤污染進行調(diào)查，共采集土壤、農(nóng)產(chǎn)品等樣品 213 754 個，獲得有效調(diào)查數(shù)據(jù) 495 萬個，初步建立了全國土壤污染狀況調(diào)查數(shù)據(jù)庫和樣品庫。2017 年，我國新一輪土壤污染狀況詳查全面啟動，已確定 2 萬個左右國控點位布設(shè)，覆蓋我國 99% 的縣、98% 的土壤類型和 88% 的糧食主產(chǎn)區(qū)，初步建成了國家土壤環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)。通過糧食主產(chǎn)區(qū)土壤及農(nóng)產(chǎn)品的協(xié)同監(jiān)測，建立農(nóng)田土壤和糧食作物重金屬監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺，可以為污染土壤的分區(qū)分類管控、安全利用及修復提供科學依據(jù)。

3.2 重金屬低積累作物品種資源庫

不同作物類型和品種基因型，在吸收、積累重金屬方面的能力存在較大差異。目前，有關(guān)低吸收水稻等作物品種的篩選研究工作較多，研究表明通過篩選低積累品種來減少作物對重金屬的吸收富集是完全可行的。

由于糧食作物品種的區(qū)域特色十分明顯，當前亟須建立針對不同種植區(qū)域、不同重金屬元素、不同作物類型的重金屬低積累品種資源庫，并分類制訂其栽培調(diào)控措施和田間應用規(guī)范，力保在服務(wù)農(nóng)田安全利用的同時又達到高產(chǎn)的雙贏目標。

3.3 鈍化劑的市場準入

目前，市場上鈍化劑類型繁多，而人們對鈍化劑本身存在的無機及有機污染物或有害病原微生物等的關(guān)注卻比較少。鈍化劑成分復雜，如來自污泥、畜禽糞便、工業(yè)廢棄物等原材料制備的生物質(zhì)炭，其本身重金屬含量就較高，在用于農(nóng)田土壤重金屬鈍化修復過程中可能會造成二次污染和土壤質(zhì)量退化等問題。

因此，需要明確鈍化劑的使用量、使用時期和適宜區(qū)域，制定土壤重金屬鈍化材料的產(chǎn)品標準，建立農(nóng)田土壤重金屬鈍化劑的市場準入制度，杜絕可能造成二次污染風險的鈍化劑進入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，這是正確應用鈍化劑修復重金屬污染土壤的前提和保障。

3.4 重金屬超標農(nóng)田的輪作休耕

由于對耕地資源的長期過度利用，我國部分耕地地力嚴重透支以及土壤污染加劇，這嚴重影響著我國耕地的可持續(xù)利用。2016 年，農(nóng)業(yè)部等 10 部門聯(lián)合發(fā)布《探索實行耕地輪作休耕制度試點方案》，將休耕制度提到了國家戰(zhàn)略高度。休耕制度在我國是一項全新的制度安排，在確保國家糧食安全的基本原則下，科學推進耕地輪作休耕制度，是探索“藏糧于地、藏糧于技”的具體實施途徑[24]。在重金屬超標區(qū)進行的輪作休耕模式，主要有改種作物和品種、改良土壤、科學灌溉、控制吸收和“VIP + n”創(chuàng)新污染治理模式②黃國勤, 趙其國. 中國典型地區(qū)輪作休耕模式與發(fā)展策略. 土壤學報, 2017, DOI: 10.11766/trxb201708250387.。

然而，我國耕地資源緊張，糧食供給和糧食安全問題壓力巨大，不宜對污染農(nóng)田進行大面積的休耕。同時，治理性休耕制度需要完善相應的法律法規(guī)政策，需在技術(shù)支撐、資金保障、管理措施、效果評價等方面予以明確，這樣才能確保休耕制度有效運轉(zhuǎn)和規(guī)范實施[25]。

3.5 高重金屬含量秸稈的處置

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，作物秸稈還田是秸稈綜合利用和增加土壤有機質(zhì)的重要途徑和措施。我國當前農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)生量達 6—7 億噸，直接還田的比例占 35% 以上[26]。然而，在重金屬污染農(nóng)田上，作物秸稈中累積大量的重金屬，秸稈還田在向土壤輸入有機碳的同時，也把吸收的大部分重金屬重新歸還到土壤中。

因此，為了加強污染土壤的安全和可持續(xù)利用，需要結(jié)合當?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展，加強高重金屬含量的作物秸稈處置和利用技術(shù)的研發(fā)，這對保障糧食安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

3.6 糧食安全生產(chǎn)保障體系與政策

保障糧食安全是一個復雜的系統(tǒng)工程。針對我國中輕度重金屬污染農(nóng)田特點，需要堅持預防為主、保護優(yōu)先，管控為主、修復為輔，示范引導、因地制宜等原則，以發(fā)展實地檢測監(jiān)控技術(shù)為手段，以加強阻控修復技術(shù)支持為依托，形成由法律法規(guī)、標準體系、管理體制、公眾參與、科學研究和宣傳教育組成的農(nóng)田土壤污染防治管理體系[27]③陳衛(wèi)平, 謝天, 楊陽, 等. 中國農(nóng)田土壤重金屬污染防治挑戰(zhàn)與對策. 土壤學報, 2017, DOI: 10.11766/trxb201710250485.。

此外，還需盡快從制度約束、行政推動及政策扶持等方面考慮，構(gòu)建土壤污染調(diào)查、風險評估、安全利用與修復等可操作的標準、規(guī)范和技術(shù)體系，保障我國農(nóng)產(chǎn)品“從農(nóng)田到餐桌”的全程質(zhì)量安全。

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