我國農(nóng)業(yè)園區(qū)土壤重金屬鎘的研究進(jìn)展

郭 振，徐 艷，李 娟

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；3.國土資源部退化及未利用土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

1 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各地涌現(xiàn)了一批以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為支柱、以科學(xué)管理方式為理念的休閑農(nóng)業(yè)園、大型養(yǎng)殖園和設(shè)施農(nóng)業(yè)園等各類園區(qū)，它是對(duì)土地等自然資源進(jìn)行優(yōu)化配置后的新型表現(xiàn)形式。因?yàn)楣I(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速勃起以及大量化肥農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)上的使用和污水灌溉等，大量污染物得以進(jìn)入土體，從而造成重金屬污染。重金屬的污染會(huì)影響土壤物理結(jié)構(gòu)和生物功能，通過“土體、植物體和人體”或“土體、水體和人體”的生物鏈途徑間接被人吸收，危害人類健康[1]。

重金屬元素鎘(Cd)屬于第二副族，在地殼中約含十萬分之一[2]，屬于稀缺元素。Cd元素較其他元素更容易進(jìn)入植物體，因?yàn)镃d容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，活度大且活性較強(qiáng)，在植物體內(nèi)大量積累后會(huì)對(duì)其造成一定危害。有研究表明[3]，當(dāng)植物體內(nèi)Cd濃度達(dá)到1 mg/kg時(shí)，其生命體就會(huì)出現(xiàn)一系列的不適應(yīng)癥狀，從而導(dǎo)致其生物量下降直至死亡。Cd具有隱蔽性，在植物的正常發(fā)育過程中會(huì)潛在積累，而植物體加工后Cd含量不能消除，長期被人體食用后就會(huì)積聚成害，從而威脅人體健康[4]。雖然含Cd化合物不能夠被腸道吸收，但可經(jīng)由呼吸作用進(jìn)入人體，表現(xiàn)為在肝臟和腎臟中積累較多，繼而導(dǎo)致人體發(fā)生一系列病害[5]。由于Cd在人體中的累積，破壞了或影響了人體的免疫調(diào)節(jié)力和部分遷移轉(zhuǎn)化功能，從而影響機(jī)體對(duì)鈣和磷的吸收，繼而導(dǎo)致維生素D的代謝發(fā)生變異，使人體腎臟和骨骼產(chǎn)生病變。有研究指出人體在攝入過量的Cd及其化合物后會(huì)導(dǎo)致“三致效應(yīng)(致突變、致畸和致癌)”[6]。Cd在人體中主要是通過腎臟過濾經(jīng)由尿液排出，且排出速度極慢，還有一部分以糞便的形式排出，其在人體內(nèi)的滯留時(shí)間長達(dá)35年左右，治療非常困難[6]。因此面對(duì)Cd污染帶來的農(nóng)業(yè)園區(qū)的環(huán)境問題，對(duì)其進(jìn)行有效治理刻不容緩。

2 鎘的污染來源

2.1 大氣沉降與廢棄物堆積

工業(yè)廢氣的排放、汽車尾氣的排放和輪胎磨損均會(huì)產(chǎn)生大量的Cd有害氣體，這三種途徑被看做是大氣中Cd污染的最主要來源，其經(jīng)自然降雨發(fā)生沉降而進(jìn)入土壤[7]。道路兩側(cè)土壤中的Cd污染情況成條帶狀分布，以道路為中心軸向兩側(cè)的污染強(qiáng)度逐漸減弱。對(duì)于重金屬廢棄物，不同種類其污染方式和程度不一樣，一般以廢棄堆為中心向四周擴(kuò)散。

2.2 農(nóng)藥、化肥和塑料薄膜的使用

農(nóng)藥和化肥中均含有一定量的Cd元素，農(nóng)藥使用的不合理和化肥的單獨(dú)施用均可導(dǎo)致土壤Cd污染。一般情況下，肥料中Cd的含量情況表現(xiàn)為過磷酸鹽 > 磷肥 > 氮肥 > 鉀肥[8]。生產(chǎn)農(nóng)用塑料薄膜過程中用到的熱穩(wěn)定劑含有Cd，而塑料大棚和地膜的大量使用都可造成土壤Cd污染。

2.3 污水灌溉和污泥施肥

污水灌溉作為農(nóng)業(yè)灌溉用水的重要組成部分，其灌溉面積近年來逐漸擴(kuò)大，北方旱區(qū)大于南方，西北和青藏最少[9]。城市污水主要包括3方面，即工業(yè)廢水、商業(yè)污水和生活污水。在分布上通常是接近污染源頭和城市工業(yè)區(qū)的土壤污染嚴(yán)重，反之較輕或不污染[10]。雖然污泥中含有大量的有機(jī)養(yǎng)分，但同時(shí)也由于污水灌溉的沉淀使污泥中含有更多的重金屬，伴隨著市政污泥入田的舉措，使農(nóng)田中重金屬的含量在不斷增高[11]。

2.4 金屬礦山酸性廢水

金屬礦山的開發(fā)和冶煉過程中釋放的酸性廢水，隨著排水和降雨途徑使之進(jìn)入土壤或河流，可間接或直接地造成重金屬污染。其污染范圍一般在礦山的四周或河道的下游，順著河道由于金屬元素的遷移能力減弱和水體自凈能力的適度恢復(fù)，所以下游污染強(qiáng)度降低[8]。

3 農(nóng)業(yè)園區(qū)土壤中鎘的污染危害

3.1 土壤中鎘污染的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前，經(jīng)常使用的評(píng)估土壤污染的標(biāo)準(zhǔn)一般有自然背景值和環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)兩種(表1)，是土壤污染程度判定的重要影響因素。

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值

注：數(shù)據(jù)來源于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》

3.2 土壤中鎘的形態(tài)分布

重金屬在土壤中只能發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化不能被降解。Cd進(jìn)入土壤后，與土壤中的某些物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，如氧化還原、吸附與解吸、絡(luò)合、溶解與沉淀，導(dǎo)致重金屬元素形態(tài)發(fā)生變化[12]。Tessier等[13]根據(jù)五步連續(xù)提取法將重金屬分為5種不同形態(tài)，即碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、可交換態(tài)、殘?jiān)Ц駪B(tài)和有機(jī)物結(jié)合態(tài)。其中，可交換態(tài)Cd對(duì)環(huán)境變化比較敏感，易被植物吸收利用從而對(duì)植物產(chǎn)生污染。殘?jiān)Ц駪B(tài)比較穩(wěn)定，稱為生物不可利用態(tài)。

而碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)物態(tài)被稱為潛在可利用態(tài)，當(dāng)氧化還原電位下降或處在酸性介質(zhì)中時(shí)可以釋放出來。

3.3 鎘的植物毒性和微生物毒性

有關(guān)研究結(jié)果表明，作物對(duì)Cd的吸收隨pH值的增高而降低，氧化還原電位也影響作物對(duì)Cd吸收的一個(gè)因素[14]。土壤Cd產(chǎn)生的植物毒害主要為抑制根的伸長和根數(shù)的增多，影響植物的光合作用并使植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到破壞[13]。田艷芬等[15]研究表明，Cd離子通過影響蛋白酶和肽酶的活性使種子萌發(fā)和根系生長受到限制，且抑制作用隨離子濃度的增大而增大。Cd對(duì)土壤微生物的毒性作用主要表現(xiàn)在影響微生物群落結(jié)構(gòu)、降低生物量、降低微生物生物活性、抑制微生物代謝等方面[13]。楊志新等[16]研究表明，只有當(dāng) Cd2+的濃度達(dá)到50 mg/kg 時(shí)才表現(xiàn)出對(duì)過氧化氫酶和土壤生物量的抑制作用，可能是Cd對(duì)微生物的毒害作用相對(duì)較小。

3.4 鎘污染對(duì)人體健康的危害

進(jìn)入人體后的Cd容易形成鎘硫蛋白，通過血液并有選擇性地蓄積于腎、肝中，其次在脾、胰、甲狀腺、睪丸和毛發(fā)中也有部分積蓄。正常人的血液中，Cd含量很低，Cd的排泄主要由糞便排出，少量從尿中排出。Cd在人體中與含氨基、羥基和巰基等蛋白質(zhì)分子結(jié)合，使眾多酶系統(tǒng)遭受抑制，繼而影響肝、腎器官中酶系統(tǒng)的正常運(yùn)行。Cd還可毀壞腎小管，伴隨著糖尿、蛋白尿和氨基酸尿等癥狀的出現(xiàn)，人體尿鈣、尿酸的排出量也會(huì)增加。此外，骨骼的生長代謝也會(huì)受到Cd的危害，最終導(dǎo)致人體骨質(zhì)疏松、萎縮和變形等。

4 土壤中鎘污染治理方法

4.1 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)法

農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)法包括水分控制、施用有機(jī)肥、選用抗污染的作物和改變耕作制度等。通過調(diào)節(jié)土壤水分含量和氧化還原電位，可以使作物在生長期間達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的滯水期，從而有效減少進(jìn)入植物體內(nèi)的Cd含量[12]。有機(jī)肥的施用可以改善土壤理化性質(zhì)，可直接或間接增加土壤養(yǎng)分含量并且促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，從而增強(qiáng)土壤的膠結(jié)作用，使土壤膠體對(duì)重金屬產(chǎn)生吸附作用[17]。除此之外，為了減少Cd污染產(chǎn)品進(jìn)入食物鏈，在污染的地區(qū)可以改種非食用植物，如：苗木、棉花和桑麻等。

4.2 物化治理

物理方法常見的有玻璃化法、電化法和提取法。玻璃化技術(shù)是運(yùn)用加熱的方法將受污土壤進(jìn)行熔化，再經(jīng)冷卻形成比較穩(wěn)定的玻璃物質(zhì)，該技術(shù)比較復(fù)雜，需消耗大量的人力物力，技術(shù)成本高，推廣受到限制。電化法是通過低強(qiáng)度的直流電使金屬陽離子流向陰極，然后采取相應(yīng)措施回收。提取法包括洗土法和浸濾法等，其工作原理基本一致，均是讓試劑與土壤Cd進(jìn)行作用而形成溶解性鎘離子，然后采取相應(yīng)措施回收并循環(huán)利用提取液[8,13]。而化學(xué)治理方法主要是通過離子之間的拮抗作用來降低植物對(duì)Cd的吸收，目前常用方法是向土壤中添加表面活性劑、改良劑、鈍化劑和金屬拮抗劑等(磷酸鹽、硅酸鹽和石灰)。有研究結(jié)果表明在污染土壤中加入鐵渣、廢鐵礦等物質(zhì)，能夠明顯降低植物中鎘、鋅的含量[16]。

4.3 工程治理

工程治理法主要包括客土法、清洗法和電泳法等。其中，客土法是通過工程措施向受損土壤中投入大量的清潔土壤，使污染物濃度下降到臨界危害濃度以下[18]，但是這種方法耗資大，使土壤肥力下降，又容易造成二次污染。清洗法就是用清水或具有溶解性物質(zhì)的水溶液把污染物沖至根外層，再用含有一定配位體的化合物與污染物形成比較穩(wěn)定的絡(luò)合物或沉淀以防止污染地下水。但有研究表明[19]，EDTA加入土壤1周后，水溶態(tài)和交換態(tài)的Cd分別增長了數(shù)百倍和數(shù)十倍，或許是EDTA增強(qiáng)了Cd的流動(dòng)性。因此，使用EDTA或其它絡(luò)合劑時(shí)要慎重。電泳法是新興方法，即在穩(wěn)定電流作用下，金屬離子在電壓的驅(qū)動(dòng)下向兩個(gè)石墨電極移動(dòng)。

4.4 生物修復(fù)

生物修復(fù)方法包括動(dòng)植物修復(fù)和微生物修復(fù)。植物修復(fù)主要是指利用綠色植物將有毒污染物變得對(duì)環(huán)境無害，該技術(shù)重點(diǎn)包括植物提取、植物揮發(fā)和植物鈍化3個(gè)方面。微生物在鎘污染的修復(fù)中發(fā)揮著獨(dú)特的作用，主要通過兩個(gè)方面，即生物氧化還原和生物吸附[20]。該方法具有成本低、效果好、管理和操作方便等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的重視，成為生物修復(fù)Cd污染的研究熱點(diǎn)。動(dòng)物修復(fù)是指土壤中動(dòng)物群對(duì)重金屬進(jìn)行吸收和轉(zhuǎn)化分解，間接改善土壤性質(zhì)，使土壤肥力得以提高，以促進(jìn)植物和微生物的生長為成效的土壤修復(fù)過程[21]。成杰民等[22]在研究蚯蚓-菌根對(duì)鎘污染土壤的修復(fù)作用時(shí)表明，接種菌根不僅促進(jìn)了作物對(duì)Cd的吸收，而且還能促進(jìn)Cd從植物根部向上部轉(zhuǎn)移，可能是接種蚯蚓提高了菌根的浸染率，這對(duì)提高植物修復(fù)的效率很有意義。

5 結(jié)論

土壤是環(huán)境體系的一個(gè)重要媒介。土壤污染作為環(huán)境污染的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量和污染程度對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都有重要影響，而土壤重金屬污染問題已成為近年來環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。綜合文章所述，我國在土壤Cd的污染治理方面雖取得了一定的成效，但也存在少許理論和技術(shù)上的問題，如土壤中Cd與礦物之間的吸附與解吸等。同時(shí)我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)發(fā)展迅速，其社會(huì)影響正在不斷擴(kuò)大。但農(nóng)業(yè)園區(qū)發(fā)展并不成熟，缺乏深度與廣度。為實(shí)現(xiàn)園區(qū)可持續(xù)發(fā)展，建立良好的自然生態(tài)環(huán)境，必須重視土壤Cd的污染問題，應(yīng)從污染來源的源頭進(jìn)行有效控制和防范。我國在世界上屬于人多地少的農(nóng)業(yè)大國，在土壤污染方面開展綜合有效的治理措施，顯得更為必要。

ResearchProgressonHeavyMetalCadmiuminSoilofAgriculturalParksinChina

Guo Zhen1,2,3,4, Xu Yan1,2,3,4, Li Juan1,2,3,4

(1.ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi, 710075,China; 2.InstituteofLandEngineeringandTechnology,ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi, 710075,China; 3.KeyLaboratoryofDegradedandUnusedLandConsolidationEngineering,theMinistryofLandandResources,Xi’an,Shaanxi,710075,China; 4.ShaanxiProvincialLandConsolidationEngineeringTechnologyResearchCenter,Xi’an,Shaanxi,710075,China)

Abstract: In recent years, China’s agricultural science and technology is developing rapidly. More and more agricultural parks have emerged everywhere. Governance of agricultural park in soil heavy metal pollution is an important task. The source of the cadmium pollution in soil were introduced in this paper. It also reminds people to improve soil quality awareness, protect the ecological environment, and achieve harmonious coexistence between man and nature.

Keywords: agricultural park; soil; heavy metal; cadmium