從土壤污染到農(nóng)作物安全

文/陳能場 廣東省土壤研究所

先有土壤，再有人類。自古以來，人類都將土壤視同空氣、水體、樹木、昆蟲一樣的天然存在并變得熟視無睹。同時，人類文明大多發(fā)源在河流兩岸、河口地帶，是土壤最為肥沃的地方，土壤為人類的生育、繁衍乃至文明的發(fā)展默默地貢獻(xiàn)。

在人類居住的地方都有著土壤。土壤形成的平均速率為0.01毫米/年，而頭發(fā)直徑為0.06毫米，也就是說要形成發(fā)絲直徑厚度的土壤需要6年。同時按照我國糙米鎘衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)0.2毫克/千克計(jì)算以及袁隆平目前最高產(chǎn)的產(chǎn)量“雙季晚稻小區(qū)折合畝產(chǎn)可達(dá)到1000千克，一季中稻可達(dá)到1200千克”，所生產(chǎn)的糙米（按0.68克折算）為816千克，要讓這個量的稻米超標(biāo)所需要的鎘僅僅163.2毫克, 也就是0.16克，是我們?nèi)粘?biāo)準(zhǔn)鹽分?jǐn)z?。?克/天）的2.7%，而換算成每畝的稻田（15萬千克），僅占土壤鎘的0.001毫克/千克的量（這里計(jì)算不包括莖稈），也就是袁隆平院士最高產(chǎn)的1200稻谷超標(biāo)的鎘對土壤來說僅能造成0.001毫克/千克的變化。

重金屬辨析

報刊常常出現(xiàn) “重金屬污染”“重金屬超標(biāo)”的話語，如果沒有上下文，這是令人摸不著頭腦的詞匯。重金屬是54種密度大于4.5g/cm3的金屬的總稱。對于重金屬的人體健康影響，常常有“重金屬致癌”等同樣令人摸不著頭腦，因?yàn)槊總€金屬在土壤、糧食和人體中都有其不同的行為。

在54種重金屬中，要能夠?qū)θ梭w產(chǎn)生較大的健康效應(yīng)和對生態(tài)產(chǎn)生較大的環(huán)境效應(yīng)主要有五種，即鎘、汞、鉛、砷、鉻。這五個元素通常也被稱為“五毒”。

在這“五毒”中，如果考慮元素在生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈中的遷移能力， 則鎘的重要性就排在第一位了，因此現(xiàn)實(shí)生活中常常有“鎘大米”“鎘小麥”的說法，而很少聽到砷大米、汞大米、鉛大米、鉻大米了。鎘稱為土壤中最應(yīng)該關(guān)注的元素還有以下一些理由，鎘是個分散元素，幾乎難以獨(dú)立成礦；鎘和汞、鉛、鋅等一樣是一個親硫元素，因此在含有硫礦床包括鐵硫礦都含有微量的鎘；在周期表中，鎘與鋅、汞同族元素，很多性質(zhì)與鋅相似；鎘的離子半徑與鈣離子相似，雖然在礦物質(zhì)并不發(fā)生鎘對鈣的同晶替代，但在土壤化學(xué)行為中鎘鈣有大致的吸附能力；在體內(nèi)有大量的鎘存在特別是腎功能受損后鎘容易取代骨頭中的鈣，而造成“痛痛病”，痛痛病也是土壤起始的食物鏈中因?yàn)橥寥涝馐苕k污染而在日本給人體帶來唯一環(huán)境公害（其他環(huán)境公害如水俁病是食用汞污染魚類所引起），此外鎘的沸點(diǎn)是673℃，因此在冶煉、燃煤、垃圾焚燒過程中如果沒有回收裝置，鎘容易散發(fā)到大氣中，從而造成廣域性的土壤污染。

以上幾種元素的人體攝取途徑方面，汞主要來自海產(chǎn)品（局部土壤汞污染區(qū)域也來自大米）、砷出來谷物外，還來自飲用水、鉛除了食物外，還來自大氣的鉛污染，而鎘對于吸煙者來說，相當(dāng)一部分來自香煙，對于非吸煙者來說，鎘幾乎來自飲食。此外鎘具有高積累性的特點(diǎn)，在體內(nèi)的半衰期視情況可達(dá)17～38年，因此在54種重金屬中，對人體健康而言，鎘似乎最應(yīng)受到關(guān)注。

包括鎘在內(nèi)，重金屬在土壤中是天然存在。因此作物生長于土壤，體內(nèi)多多少少有含有重金屬。美國在無污染區(qū)曾進(jìn)行農(nóng)作物的鎘含量調(diào)查。從表中可以看出樣品的中間值都很低，但從最大值看，也有超標(biāo)的情況（見右表）。

因此，即使在無條件下，作物多少都含有微量的重金屬，有時還存在著超標(biāo)的現(xiàn)象。

農(nóng)作物 樣品數(shù) 中央値 最小値 最大値稻米 166 0.0045 ＜ 0.001 0.23花生 320 0.06 0.01 0.59大豆 322 0.041 0.002 1.11小麥 288 0.03 ＜ 0.0017 0.207馬鈴薯 297 0.028 0.002 0.18胡蘿卜 207 0.017 0.002 0.13洋蔥 230 0.009 0.001 0.054生菜 150 0.017 0.001 0.16菠菜 104 0.061 0.012 0.2番茄 231 0.014 0.002 0.048

土壤無污染的條件下糧食的超標(biāo)

大量研究表明，土壤pH值是影響土壤中鎘有效性的最主要因素。土壤的酸化能促進(jìn)土壤中鎘的活化。由于中國耕地在近四十年中施肥量大大增加，土壤普遍酸化。在不超標(biāo)的土壤中檢測到超標(biāo)的大米是件很普遍是事情。例如，在對廣東省內(nèi)某地的土壤和稻米檢測時，我們曾檢測到土壤總鎘為0.17毫克/千克，而糙米中的鎘可達(dá)0.40毫克/千克。

很多人知道，葉片能吸收大氣中的重金屬。但大氣污染對作物中的重金屬含量的影響由于研究上的困難而較難估算。利用鉛同位素等可以較好地分析其來源。有研究表明，在鉛鋅礦區(qū)附近辣椒中來自大氣的鉛可占根的 30%～77%，莖43%～71%，葉片72%～85%，果實(shí)90%，整株植物中10%～70%的鉛來自于土壤。而一項(xiàng)利用同位素鉛來研究野生植物鉆形紫菀的鉛來源顯示，在總懸浮顆粒含鉛96.5±63.5 納克/立方米的條件下，雖然植物鉛根＞葉＞莖，但葉片中的鉛72.2%來自于大氣。

在一個精密設(shè)計(jì)的試驗(yàn)中，在土壤含鎘量為其背景值0.16-0.29毫克/千克，大氣鎘降塵率為1.6～2.1 克/公頃/年的條件下，測得大麥籽粒中的鎘有41%～58%來自大氣。文章認(rèn)為，如果鎘降塵率為10克/公頃/年，則大氣源的鎘可能成為當(dāng)?shù)刈魑镦k的一個主要來源。國內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，中國的降塵率變幅在0.4～25克/公頃/年，可見，在高鎘降塵率的區(qū)域，糧食的安全將直接受到威脅，因?yàn)樗救~片氣孔可達(dá): 634個/mm2，而氣孔長×寬度為: 22.11×17.26μm，對于PM2.5霧霾中的重金屬則輕而易舉地在水稻葉片氣孔中進(jìn)出。

此外，還有研究表明，如果酸雨同步存在時，作物吸收的鎘將更多。可見糧食安全不單因?yàn)橥寥牢廴?，灌溉水中鹽分、大氣中的重金屬、酸雨環(huán)境都直接帶來影響。

除了土壤的重金屬、水體和大氣環(huán)境外，耕作管理措施也是影響農(nóng)作物重金屬安全的一個重要因素。近幾十年，澳大利亞南部谷物種植區(qū)的輪作和耕作系統(tǒng)發(fā)生了顯著變化，通過實(shí)施谷物、豆類與小麥作物輪作可以減少作物病害、有效控制雜草，同時能改善土壤結(jié)構(gòu)和固氮，被認(rèn)為是一項(xiàng)良好的管理實(shí)踐。但研究發(fā)現(xiàn)，在羽扇豆后輪作種植的春小麥籽粒的鎘含量比麥麥輪作得要高，其原因在于羽扇豆在固氮過程中造成根際土壤酸化，且羽扇豆根釋放的檸檬酸使得后作作物鎘含量增加。在加拿大馬尼托巴省，一項(xiàng)為期進(jìn)行4年的田間試驗(yàn)表明中，油菜的后作亞麻小麥的鎘含量要比小麥后作的亞麻小麥鎘含量高，由于油菜屬于十字花科，根系能較多積累鎘，其原因被認(rèn)為是油菜有更多的菌根定植或到油菜殘留物（根系）的分解所造成。

在伊朗中部的Qom省，土壤存在鹽害，正如以上所述，鹽分高的區(qū)域作物容易造成鎘超標(biāo)，因此在這區(qū)域種植的小麥的安全性受到威脅。利用向日葵—小麥和棉花—小麥兩種輪作方式在鎘含量分別是1.5毫克/千克和3.2毫克/千克的地塊進(jìn)行試驗(yàn)，在種植后作的小麥前，收割并移除前作（棉花和向日葵）的殘留，結(jié)果發(fā)現(xiàn)收割并移除殘留后，種植向日葵的地塊的鎘有效性比棉花的要低得多，自然而然地，向日葵莖中含鎘要比棉花高得多，棉花后作的小麥的莖鎘含量要比向日葵的高2～4倍，而向日葵后作的小麥籽粒中的鎘含量比棉花的低7倍以上。因此， 向日葵—小麥的輪作制度可以大大降低伊朗中部鹽害地域土壤的鎘向小麥遷移的風(fēng)險。

土壤污染與糧食安全性

在土壤沒有污染的地域可能因?yàn)楣喔人柠}分、大氣污染、大量施用含氯肥料，或土壤酸化，甚至種植制度的原因帶來糧食的鎘含量的提高甚至超標(biāo)，反過來，在鎘嚴(yán)重超標(biāo)的區(qū)域也有可能糧食的鎘含量不超標(biāo)。一個典型的案例是在湘西某堿性鉛鋅礦區(qū)，當(dāng)?shù)氐耐寥纏H值高達(dá)7.3且含有豐富的有機(jī)質(zhì)，雖然土壤的鎘總量超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的5～8倍，但不管是開展市場調(diào)查、田塊稻米采樣等都證明了該區(qū)域的稻米的鎘含量不超過0.10毫克/千克。于是我們原先開展的土壤修復(fù)工作轉(zhuǎn)為面向農(nóng)民培訓(xùn)的土壤保護(hù)工作。

通常在外來的鎘污染的條件下，糧食容易造成超標(biāo)。且隨著土壤鎘含量的增加、土壤酸化程度的提高，糧食超標(biāo)的程度越發(fā)嚴(yán)重。在這種情況下，視污染的程度可采用水分管理控鎘、低吸收品種種植減鎘、土壤調(diào)理改變土壤的性質(zhì)降低鎘的生物有效性，或者改變種植結(jié)構(gòu)，乃至植物修復(fù)進(jìn)行土壤治理。目前我國已經(jīng)頒布了《土壤污染防治法》《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）、《農(nóng)用地土壤環(huán)境管理辦法》（試行）等多項(xiàng)法律來規(guī)范污染農(nóng)用地，確保糧食的安全。

值得指出的是，糧食安全不能單單關(guān)注污染物含量一個方面。作為食物，其營養(yǎng)含量及其在超標(biāo)條件下的營養(yǎng)含量變化也應(yīng)該是關(guān)注的焦點(diǎn)，此外污染物在食物中的分布、結(jié)合形態(tài)以及在加工工程中的含量和形態(tài)變化也是安全的重要方面。

大量研究表明，農(nóng)產(chǎn)品、膳食乃至體內(nèi)的營養(yǎng)特別是鈣、鐵、鋅、硒的狀況對于抵抗重金屬的人體吸收有著極為重要的作用。遺憾的是，稻米中的鐵、鋅含量很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大豆，也低于玉米、小麥等作物，此外大米中的植酸（主要在糠層部分）對鐵、鋅等的吸收又起著阻礙作用。另外，當(dāng)大米鎘超標(biāo)時，鎘對籽粒中磷、 鎂、 鋅含量顯著的影響。 如研究表明鎘含量增加降低糧食鉀、 磷、 鎂、 鋅、 鐵、 錳的含量。有人在溫室條件下的盆栽種植三十五個旱稻至成熟，發(fā)現(xiàn)鎘和微量營養(yǎng)素濃度范圍廣，但與糧食產(chǎn)量密切相關(guān)。雖然糧食Cd濃度隨糧食產(chǎn)量的增加而增加，但發(fā)現(xiàn)糧食微量營養(yǎng)素濃度存在相反的關(guān)系，隨糧食產(chǎn)量增加而下降。

稻米的低微量元素含量對汞、鎘、砷等超標(biāo)是大米致命傷。有現(xiàn)實(shí)案例表明，在與日本痛痛病區(qū)攝取的鎘都達(dá)600微克/天的新西蘭的小島居民則很健康，原因就在于該小島的居民攝取的鎘來自生蠔，雖然生蠔含鎘高達(dá)5毫克/千克，比日本痛痛病區(qū)的稻米平均鎘含量（0.99毫克/千克）要高得多，但生蠔富含鋅、硒、鐵等營養(yǎng)元素，且飲用的牛奶富含鈣。富足的營養(yǎng)保護(hù)了小島居民免遭痛痛病之苦。