開封市農(nóng)田土壤重金屬鎘污染防控措施及修復技術(shù)淺析

袁巧麗，呂桂軍，安鳳秋，侯禮婷

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學院，河南 開封 475004； 2.河南省小流域生態(tài)水利工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475004； 3.西安工程大學 環(huán)境與化學工程學院，陜西 西安 710048）

0 引言

鎘（Cd）是一種人類食用過量，會導致中毒，引發(fā)癌癥、關(guān)節(jié)炎、肺氣腫等多種疾病的痕量元素［1］。2014 年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，中國土壤無機污染物Cd 的點位超標率為7.0%，Cd 重度污染點位比例為0.5%， 在八大超標重金屬元素之中居首位。 被重金屬Cd 污染的農(nóng)田土壤如果不采取有效修復措施， 很可能導致作物可食部位Cd累積，一旦進入動物和人體內(nèi)，會導致Cd 慢性中毒。

開封市位于黃河中下游平原， 地處河南省中東部，現(xiàn)有常住人口500 萬。 受黃河沖積物的影響，該區(qū)土壤類型多為潮土、鹽土、風沙、新積土，土壤質(zhì)地多為沙壤土，偏粗，有機含量少，土壤pH 值平均為7.91。開封是我國重要糧食生產(chǎn)地，主要農(nóng)作物有小麥、玉米、水稻、花生、西瓜、大豆、棉花等。 由于水資源匱乏， 該區(qū)利用河中污水進行農(nóng)田灌溉的現(xiàn)象普遍存在， 特別是沿淮河支流——惠濟河的城鄉(xiāng)交錯地帶。城鄉(xiāng)交錯區(qū)與城市交界，不但是農(nóng)業(yè)區(qū)的過渡區(qū)，同時也是工礦企業(yè)，城市交通要道，城鄉(xiāng)垃圾放置的密集區(qū)，易受工廠“三廢”、交通生活有害物和化肥農(nóng)藥殘留物等污染。 本研究主要針對開封市城鄉(xiāng)交錯區(qū)農(nóng)田土壤受Cd 污染嚴重超標情況， 探討了農(nóng)田土壤Cd 污染的防控措施修復技術(shù)， 以期為開封市被Cd 污染的農(nóng)田選擇有效修復措施， 改善農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量， 有效降低農(nóng)產(chǎn)品Cd 的富集水平提供參考。

1 開封城鄉(xiāng)交錯區(qū)農(nóng)田中重金屬鎘的主要來源

1.1 水污染

長期以來，開封化肥河沿岸包括煉鋅廠、皮毛加工廠、農(nóng)業(yè)化肥廠、藥業(yè)公司、機械制造廠以及火電廠等工礦企業(yè)，通過灌渠將廢水排入農(nóng)田，或經(jīng)化肥河流向惠濟河，再通過惠濟河灌溉農(nóng)田。這導致惠濟河周邊農(nóng)田長期遭受污染， 加重了重金屬Cd 的不斷富集。據(jù)王小莉等研究，開封市城鄉(xiāng)交錯區(qū)農(nóng)田土壤主要受到Cd、汞（Hg）、鉛（Pb）、砷（As）、銅（Cu）等重金屬的污染，其中Cd、Hg 達到重度污染［2］。周振民、鄭藝在對開封市污灌區(qū)土壤重金屬的調(diào)查研究中也指出，污灌區(qū)農(nóng)田土壤主要受Pb、Cd、Cr、Cu 4 種重金屬污染， 而且耕作層表層土壤重金屬污染最為嚴重［3］。 離化肥河、惠濟河越近，農(nóng)田土壤重金屬污染越顯著。 王盛奎、侯園園的研究表明，開封市東南部城鄉(xiāng)交錯區(qū)農(nóng)田由于長期用污水灌溉，致使土壤中重金屬含量超標，導致周邊種植的蔬菜中有的重金屬超標，不符合我國食品衛(wèi)生安全標準，尤其是Cd 含量，甚至超標達100%［1］。 城鄉(xiāng)交錯區(qū)農(nóng)田Cd 污染嚴重威脅到周邊地區(qū)人們的身體健康。

1.2 交通排放，老城區(qū)燃煤污染

開封市東南部是開封市的重要交通要道，20 世紀30 年代，隴海鐵路、開封貨運站、客運東站就建立在此。 據(jù)李一蒙、馬建華等研究推測，開封東南部城鄉(xiāng)交錯區(qū)土壤重金屬高的另一個原因是交通運輸繁忙，人流、車流、物流密集，重金屬粉塵產(chǎn)生量較大，導致土壤重金屬Cd 含量再次富集， 再加上老城區(qū)東南部舊房比較多，居民生活長期以燃煤為主，加快了空氣中粉塵的沉降， 更進一步加重了重金屬Cd對農(nóng)用耕地的污染［4］。

1.3 化肥農(nóng)藥殘留污染

肥料和農(nóng)藥的使用也是農(nóng)田Cd 污染的一個重要來源。 長期使用含有Cd 的農(nóng)藥、殺蟲劑、除草劑等會加重農(nóng)田土壤中Cd 的累積。 不恰當?shù)氖┯昧追省?污泥和畜禽糞便， 可能會加速農(nóng)作物對重金屬Cd 的吸收。

2 農(nóng)田鎘污染的防控修復

目前，農(nóng)田土壤修復方法主要有物理、化學、生物、聯(lián)合調(diào)控等，包括工程修復、農(nóng)藝調(diào)控、化學鈍化、化學淋洗、有機鈍化、植物吸取修復、替代種植等技術(shù)。從技術(shù)上考慮，這些措施都是要減少土壤中重金屬的含量、降低重金屬的活性，降低重金屬在食物鏈中傳遞所帶來的風險。 開封市人多地少， 農(nóng)田珍貴，耕地的安全利用迫在眉睫，如何因地制宜地采取措施來防控與修復被重金屬Cd 污染的農(nóng)田， 是亟待解決的技術(shù)問題。作者認為，可以針對開封市被污染土壤中Cd 的來源、現(xiàn)狀以及對環(huán)境的影響，從以下幾方面考慮主要防控點。

2.1 農(nóng)田鎘污染源防控措施

2.1.1 水源頭預防

周振民、鄭藝等人的研究認為，離污水河越近，農(nóng)田土壤Cd 的環(huán)境風險也越高［3］。 因此，阻斷污水源是防治農(nóng)田土壤Cd 污染的有效方法之一。 開封東區(qū)城鄉(xiāng)交錯地帶農(nóng)田污水源主要是化肥河沿岸的工礦企業(yè)，阻斷污水源的主要措施為：（1）持續(xù)加強開封城鄉(xiāng)交錯區(qū)國土、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利、環(huán)保部門之間的協(xié)作，建立農(nóng)田污水準入制度，從源頭杜絕企業(yè)廢水不經(jīng)處理或處理不達標超標排放現(xiàn)象。 在實施的過程中， 關(guān)鍵是要確定重金屬Cd 排放的工礦企業(yè)，有的放矢地進行污染源Cd 的防控。 不但要督促企業(yè)自行監(jiān)測， 環(huán)保部門更要定期不定期地對這些企業(yè)進行嚴格監(jiān)測。同時，環(huán)保部門還要加大對惠濟河、化肥河等農(nóng)用水源地水質(zhì)的管理，定期實施農(nóng)用水源地水質(zhì)監(jiān)測。 （2）市政府要加大投入，統(tǒng)籌安排專項建設(shè)資金，激勵并帶動“涉重”企業(yè)參與土壤污染治理與修復，同時支持鼓勵他們發(fā)展清潔工藝，建立更好、更先進、更前沿的廢水、廢渣處理設(shè)施，將“三廢”中的重金屬回收起來，以便綜合利用，避免對農(nóng)田土壤的二次污染。（3）加強遠離污灌河無污染農(nóng)田的保護力度。 開封農(nóng)業(yè)部門，政府機構(gòu)，可效仿國外通過補貼和成本分攤等措施激勵農(nóng)戶優(yōu)化農(nóng)藝措施，建立污染阻隔設(shè)備，積極主動隔絕外來污染。

2.1.2 繼續(xù)加速老城區(qū)改造，提倡生態(tài)環(huán)保新能源

由于開封市尤其是東郊老城區(qū)居民生活長期以燃煤為主，再加上工業(yè)發(fā)展，人口、汽車數(shù)量逐年增加，均加重了城鄉(xiāng)交錯區(qū)農(nóng)田土壤中Cd 的含量。 近幾年來，為改善開封市生態(tài)環(huán)境，開封東郊老城區(qū)也在持續(xù)進行改造，如改燃煤做飯、取暖為燃氣做飯取暖等。 即使如此，也不能放松警惕，仍要繼續(xù)加大加快對老城區(qū)進一步的改造。除此之外，還要大力提倡實施汽車上路單雙號限行以及積極使用各類新能源交通工具，提倡公交出行、綠色出行、低碳出行，加大共享單車、電動車、共享汽車等的推廣使用，以減少Cd 氣溶膠的排放量。

2.1.3 改變農(nóng)民意識，指導他們合理施用化肥農(nóng)藥，做到減肥減藥、不減產(chǎn)

很多農(nóng)民在對農(nóng)作物進行施肥打藥時， 只注重化肥農(nóng)藥的有效性，而忽略了化肥農(nóng)藥的有害性，特別是忽略了化肥農(nóng)藥中含有的對土壤有嚴重污染并對人體有害的重金屬元素。 據(jù)報道，一些磷肥、復合肥、水溶性肥均有As、Cd 超標現(xiàn)象，特別是微量元素水溶性肥超標最為嚴重， 所以有關(guān)部門應(yīng)該加強肥料監(jiān)管， 從源頭上預防重金屬污染。 另有研究表明， 施用不同品種化肥對土壤重金屬的數(shù)量和有效性會產(chǎn)生影響。 磷肥會加重土壤中Cd 的含量，因此要少施磷肥［5］。 銨態(tài)氮肥可能會使根際土壤酸化，從而導致根際土壤重金屬活性的提高， 使重金屬更易被作物所吸收，因此也要少施銨態(tài)氮肥。硝態(tài)氮肥與銨態(tài)氮肥性能相反，所以可多施硝態(tài)氮肥［6］。 目前，我國提倡對農(nóng)作物進行減肥減藥， 以便減輕化肥農(nóng)藥對農(nóng)作物、土壤以及周邊環(huán)境的污染。 市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)各相關(guān)部門應(yīng)加大對農(nóng)民進行減肥減藥宣傳教育的力度。 另外，還應(yīng)積極推廣測土配方施肥技術(shù)，推行農(nóng)作物以預防為主、生物防控的綠色防治措施，推廣行之有效的低殘留低毒農(nóng)藥和現(xiàn)代植保新技術(shù)并在不減產(chǎn)的情況下少用農(nóng)藥化肥， 以達到對土壤資源的保護。

2.2 農(nóng)田鎘污染修復技術(shù)

2.2.1 鈍化劑修復技術(shù)

鈍化劑修復技術(shù)因具有成本低、操作簡單、修復速度快，且又不影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等特點，而被廣泛應(yīng)用在重金屬污染農(nóng)田修復治理之中。就目前而言，針對重金屬污染的酸性土壤，鈍化劑研究應(yīng)用比較廣泛；而針對重金屬污染的中堿性土壤， 鈍化劑研究相對較少。 開封土壤多沙土、潮土、呈堿性，有機質(zhì)含量低，不適合運用堿性煤渣、膨潤土、磷灰石、蒙脫石含堿土壤改良劑和沸石等無機鈍化劑。目前，關(guān)于修復重金屬污染的中堿性土壤鈍化劑主要以鈣鎂磷肥、椰殼生物炭、油菜秸稈生物炭、腐殖酸形成的有機-無機復合材料為主。據(jù)解曉露等研究報道，鈣鎂磷肥作為一種無機修復材料，應(yīng)用于潮土中，可抑制二價Cd 離子向植物體內(nèi)遷移［7］。 生物炭、秸稈、腐殖酸等有機修復材料因比表面積大， 含有大量多種基團如酚羥基、內(nèi)脂基、羧基、氨基等，能與土壤中重金屬Cd 產(chǎn)生拮抗，或吸附重金屬Cd 形成螯合物，從而可以降低重金屬Cd 在土壤中的生物有效性和遷移性。 根據(jù)開封種植作物的特點，除主要種植玉米、小麥秸稈作物外，還種植油菜。 另外，開封市政府一直倡導鼓勵秸稈還田。因此，筆者認為，可以在小麥、油菜、玉米秸稈還田的同時，施以適量的赤泥，或加入腐殖酸、粉煤灰、過磷酸鈣，形成有機-無機復合鈍化劑，以降低土壤中重金屬Cd 的生物有效性。

2.2.2 深耕翻土，降低土壤重金屬Cd 污染度

深耕翻土就是對污染的耕地進行深翻和混勻，它不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤的水分，加快土壤有機質(zhì)的形成，促進作物的生長，而且能減輕重金屬Cd 對作物的危害。此法是通過對污染的耕地進行深翻，將深翻出的底層土壤與表層土壤混勻，使表層中一部分具有高污染濃度的重金屬進入到更深的底層土壤中， 從而降低土壤重金屬Cd 在耕作層中的污染濃度。此法適用于遠離污染源惠濟河、化肥河且土壤底層重金屬Cd 污染濃度較低的耕地。

2.2.3 繼續(xù)加強秸稈還田措施，鼓勵増施有機肥

多年來，開封市一直緊跟生態(tài)建設(shè)的步伐，積極推行秸稈還田，鼓勵農(nóng)民增施有機肥，轉(zhuǎn)變了以往焚燒秸稈的局面，不僅還天空一片藍色，還大大改善了空氣的質(zhì)量。秸稈還田不僅可以增加土壤的團粒體，改善土壤的理化性質(zhì)，增加土壤的肥力，還可以提高土壤中微生物的數(shù)量和活性，從而加快養(yǎng)分的循環(huán)。一方面，秸稈腐熟可產(chǎn)生多種有機酸，這些有機酸能與土壤中重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)， 從而降低其生物有效性。有機肥中的有機質(zhì)具有很強的吸附作用，能吸附和螯合土壤中的重金屬離子， 從而阻止作物吸收更多的重金屬離子。另一方面，根際微生物也會通過植物促生機制、解毒機制及其轉(zhuǎn)運機制等，提高植物修復重金屬土壤的效率［6］。賈樂等人研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以改變土壤重金屬Cd 的形態(tài)， 增加土壤對Cd 固定［8］。 國外Tiwari 研究發(fā)現(xiàn)，香蒲的根際微生物中有11 種好氣細菌菌株，它們均能鈍化Cd［9］。 Janou sková 等研究發(fā)現(xiàn)，植物菌根能促進土壤中Cd 的鈍化，而菌絲體能富集大量Cd［10］。

2.2.4 水分管理

水分管理也是對農(nóng)田土壤Cd 進行生物有效性調(diào)控的重要手段。 它的原理是通過土壤水分管理調(diào)節(jié)氧化還原電位（EH），以便使土壤重金屬的生物有效性得到調(diào)控。有研究表明，高硫土壤溶液比低硫土壤溶液對Cd 的2 價離子的去除率更高， 去除速度更快［11］。 造成這一結(jié)果的原因是，在淹水條件下，土壤SO42-被還原為S2-，Cd2+與S2-形成CdS， 大大降低了Cd2+的生物有效性。水分管理與硫肥管理相結(jié)合，對開封受重金屬Cd 污染的水田土壤耕作區(qū)的土壤修復具有重要意義。

2.2.5 重金屬鎘污染土壤植物吸取修復技術(shù)

植物吸取修復是治理受重金屬污染土壤的一種理想的、經(jīng)濟的、安全的、具有潛力的措施，也是目前國內(nèi)外研究重金屬修復的一個熱門方向。 我國學者在這方面也做了大量的研究， 甚至有些研究成果已應(yīng)用到了重金屬污染治理工程項目中。 如重慶開縣井噴事故后， 利用植物吸取修復技術(shù)使受污染土壤中的Zn 和Cd 含量降低了70%［12］。

據(jù)研究， 中輕度Cd 污染農(nóng)田土壤可以通過植物吸取技術(shù)在相對較短的時間內(nèi)實現(xiàn)修復［13］。目前，關(guān)于Cd 的超積累植物的研究有很多。 表1 列舉了部分不同種類植物對Cd 富集的研究及相關(guān)結(jié)論。

根據(jù)開封氣候及環(huán)境等特點， 表1 中很多植物均能在開封生長，如桑樹、油菜、菊花、龍葵等。 龍葵喜溫，對土壤要求不嚴，以透水性良好的沙質(zhì)壤土為宜，抗逆比較強，田邊、荒地、村莊附近等區(qū)域都能生長。早在2015 年就有學者報道，龍葵與低Cd 累積白菜套種兩輪后，白菜可達到可食用標準［14］，龍葵與低Cd 累積大蔥套種后，土壤Cd 的去除率為7%［15］。 龍葵的適生性強， 可以考慮在開封中輕度Cd 污染的土壤中種植龍葵，與其他低Cd 農(nóng)作物套種，以實行邊生產(chǎn)邊修復的雙重目標。

桑樹對土壤Cd 同樣具有較強的耐性，是土壤Cd的超累積植物。 桑樹在開封也有種植，主要以食用為主。 若在開封城鄉(xiāng)交錯區(qū)受Cd 污染的中輕度土壤中種植桑樹， 可以考慮改變種植桑樹的結(jié)構(gòu)和種植目的。 以?！Q—絲的模式進行桑樹種植，這樣既可以獲得經(jīng)濟價值，又可以降低安全風險，還治理了Cd 污染土壤。

油菜也是開封的一種主要農(nóng)作物， 鑒于油菜是Cd 的超累積植物，也可以考慮在惠濟河、化肥河沿岸等受Cd 污染輕的農(nóng)田中實行輪作。 據(jù)報道，油菜與低累積作物水稻輪作在增加油菜Cd 累積量的同時，還可減少大米中Cd 含量，使其成為符合食品安全標準的產(chǎn)品［16］。

表1 部分不同種類植物對鎘富集相關(guān)研究Tab.1 Research of Cadmium enrichment of different plants

“黃花遍中國，汴菊最為名”。 開封自古就有菊，開封市民也酷愛菊花，家家有養(yǎng)菊、賞菊的傳統(tǒng)。 菊花不僅能食用、能入藥，還是觀賞花卉。 萬壽菊作為一種觀賞花卉， 是Cd 的超累積植物， 其地上部分的累積量大，可達100 ug／g［17］。 對于開封Cd 污染嚴重的土壤和無法進行安全生產(chǎn)利用的農(nóng)田，可以考慮種植觀賞花卉萬壽菊、野菊花［17］。 種植此類高Cd 超累積花卉，既能獲得經(jīng)濟效益，也能修復土壤。 根據(jù)開封人喜菊的特點， 此法可以進行廣泛的推廣應(yīng)用。 除此之外，Cd污染嚴重的土壤也可以試種像苧麻、 鼠耳芥等超Cd累積纖維類植物來去除土壤中的Cd。

3 結(jié)語

農(nóng)田土壤重金屬污染問題是一個關(guān)系到各國農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全的熱門問題。農(nóng)田土壤重金屬Cd 位于污染土壤八大重金屬元素之首，也是污染開封耕地土壤的主要重金屬。 開封市政府、環(huán)保部門、農(nóng)業(yè)部門也很重視受污染耕地的安全利用。 要保障開封受Cd 污染輕度或中度農(nóng)田土壤的安全利用，就要從源頭抓起，綜合采取阻隔有污染的水源，深耕翻土、秸稈還田、增施有機肥等措施，改善土壤地力，降低土壤中Cd 的含量。

開封土壤呈堿性， 適合中堿性土壤的鈍化劑研究報道較少?！锻潦畻l》出臺后，國家支持高校等具有科研能力的單位參與到土壤修復方面的研究上來，所以建議開封有條件的科研單位、高校，可針對開封土壤環(huán)境條件研究開發(fā)適合開封本土修復Cd 污染的鈍化劑。

在土壤污染治理中， 植物修復是目前最具前景的一種修復方式。 從近十年有關(guān)開封市土壤污染研究的相關(guān)資料看， 研究的主要方向集中在開封受污染土壤中各種重金屬含量測定、 污染狀況及潛在生態(tài)風險評價方面，而植物修復鮮有報道。根據(jù)開封種植農(nóng)作物、花卉和果樹等植物特點，深入探究超Cd富集植物， 低Cd 累積植物以及與其他生態(tài)修復方式綜合利用在修復Cd 污染農(nóng)田土壤中的應(yīng)用及前景，是十分有必要的。