污水灌溉農(nóng)田土壤鎘污染研究進(jìn)展

齊 菲，付同剛，高 會(huì)，劉金銅①

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，河北 石家莊 050022；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

污水灌溉指利用工業(yè)廢水或城市生活污水灌溉農(nóng)田。由于淡水供應(yīng)的不足，污水灌溉在很多國(guó)家和地區(qū)已有很長(zhǎng)的發(fā)展歷史。德國(guó)早在16世紀(jì)就將污水用于灌溉，美國(guó)是世界上較早利用污水灌溉的國(guó)家之一，日本也因污水灌溉爆發(fā)了著名的“痛痛病”事件。全球約有7%的地區(qū)，涉及50多個(gè)國(guó)家進(jìn)行污水灌溉[1]。由于我國(guó)水資源短缺以及相關(guān)法律法規(guī)的不健全，早在20世紀(jì)50年代污水灌溉就已被廣泛運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。目前，我國(guó)污灌農(nóng)田面積達(dá)140萬(wàn)hm2，已報(bào)道的污灌區(qū)有131個(gè)，其中，鎘污染最為普遍，面積達(dá)1.3萬(wàn)hm2，涉及11個(gè)省的25個(gè)地區(qū)[2-3]。2014年全國(guó)土壤污染調(diào)查公報(bào)顯示，鎘點(diǎn)位超標(biāo)率高居土壤重金屬污染榜首，達(dá)7.0%。鎘是農(nóng)田土壤重金屬中主要污染物質(zhì),與其他重金屬相比，鎘具有分解周期長(zhǎng)、移動(dòng)性大、毒性高、降解難、易被作物吸收等特點(diǎn)。鑒于鎘的特殊性及危害性，農(nóng)田土壤鎘污染問(wèn)題越來(lái)越受到眾多學(xué)者的關(guān)注。已有研究表明，北京涼鳳、石家莊欒城、沈陽(yáng)沈撫、甘肅白銀、河南開(kāi)封、山西惠明和新疆石河子等地污水灌溉農(nóng)田土壤中均檢測(cè)到鎘，且伴有不同程度的積累[4-5]，污水灌溉導(dǎo)致的農(nóng)田土壤鎘污染已直接影響土壤質(zhì)量及農(nóng)作物質(zhì)量。目前，國(guó)內(nèi)外污水灌溉農(nóng)田土壤鎘污染研究的總體情況、研究?jī)?nèi)容和最新研究進(jìn)展還不明確，理清上述問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)性了解國(guó)內(nèi)外污水灌溉農(nóng)田土壤鎘污染研究現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)具有重要意義。

近年來(lái)，有關(guān)農(nóng)田土壤鎘污染的研究較多，但針對(duì)污灌農(nóng)田土壤鎘污染的綜述鮮見(jiàn)報(bào)道,對(duì)污灌農(nóng)田土壤鎘在土壤-作物系統(tǒng)內(nèi)的含量特征、運(yùn)移機(jī)制和修復(fù)技術(shù)方面尚缺乏系統(tǒng)總結(jié)。因此，從土壤-作物系統(tǒng)的整體視角出發(fā)，采用CiteSpace軟件對(duì)污灌導(dǎo)致的土壤重金屬污染相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量分析，獲取污灌農(nóng)田土壤鎘污染的發(fā)展歷程，并闡述污灌農(nóng)田土壤鎘在不同研究方向上的進(jìn)展以反映污灌農(nóng)田土壤鎘的研究現(xiàn)狀，最后對(duì)污灌農(nóng)田土壤鎘污染研究中尚需加強(qiáng)的方面作出展望，為今后污灌農(nóng)田鎘污染土壤修復(fù)提供基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)。

1 文獻(xiàn)計(jì)量分析

為探明污水灌溉農(nóng)田土壤鎘污染在研究中的發(fā)展歷程，采用CiteSpace軟件進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量分析。以中國(guó)學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)(簡(jiǎn)稱(chēng)CNKI)和SCI科學(xué)引文索引核心數(shù)據(jù)庫(kù)(簡(jiǎn)稱(chēng)WOS)為檢索源，檢索時(shí)間為2021年3月12日，期刊時(shí)間跨度均設(shè)定為1991—2020年。CNKI以“污灌”和“重金屬”為檢索主題詞，WOS以“sewage irrigation”和“heavy metal”為檢索主題詞，采用高級(jí)檢索對(duì)檢索結(jié)果逐條篩選，并刪除與該研究無(wú)關(guān)的文獻(xiàn)，最終得到285篇中文文獻(xiàn)和520篇英文文獻(xiàn)。

1.1 總體研究概況

文獻(xiàn)發(fā)文量可以反映污水灌溉土壤重金屬污染研究領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢(shì)。由圖1可知，CNKI文獻(xiàn)數(shù)量遠(yuǎn)少于WOS文獻(xiàn)數(shù)量，在近30 a間，英文文獻(xiàn)發(fā)文量呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)，而中文文獻(xiàn)發(fā)文量則呈現(xiàn)波動(dòng)變化，中國(guó)學(xué)者的WOS發(fā)文量在2005年之后開(kāi)始緩慢增加，至2020年，中國(guó)學(xué)者的WOS發(fā)文量已超過(guò)CNKI發(fā)文量。

圖1 CNKI和WOS污水灌溉重金屬研究相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)文量

根據(jù)不同年份發(fā)文量及其增長(zhǎng)情況，將污水灌溉土壤重金屬污染研究分為：1991—2000、2001—2010和2011—2020年3個(gè)階段，并采用CiteSpace提取不同時(shí)期的前15位高頻關(guān)鍵詞(表1)。3個(gè)時(shí)間段內(nèi)，在英文文獻(xiàn)中，“cadmium”“zinc”“copper”3個(gè)重金屬關(guān)鍵詞均出現(xiàn)且頻次較高，隨時(shí)間推移，“cadmium”頻次逐漸增多且一直是出現(xiàn)次數(shù)最多的重金屬種類(lèi)之一，說(shuō)明污水灌溉土壤鎘污染相關(guān)研究在英文文獻(xiàn)中越來(lái)越受到關(guān)注。在中文文獻(xiàn)中，1991—2000年高頻關(guān)鍵詞僅有7個(gè)，這說(shuō)明國(guó)內(nèi)關(guān)于污水灌溉土壤重金屬污染研究起步較晚；“重金屬”“污灌”等關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次均較高，但“鎘”并未出現(xiàn)，這說(shuō)明中文文獻(xiàn)單獨(dú)針對(duì)鎘的研究相對(duì)較少，與英文文獻(xiàn)差別較大。鎘具有強(qiáng)致癌性，是一種有毒的重金屬元素，污水灌溉引起的土壤鎘污染應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。

表1 污水灌溉土壤重金屬污染研究在不同時(shí)期的前15位高頻關(guān)鍵詞Table 1 The top 15 high frequency keywords in different periods on heavy metal research in sewage irrigation

1.2 污水灌溉土壤重金屬污染研究熱點(diǎn)的演化

關(guān)鍵詞突現(xiàn)度可以反映一段時(shí)間內(nèi)影響力較大的研究領(lǐng)域。通過(guò)分析突現(xiàn)關(guān)鍵詞，可以了解研究熱點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化。通過(guò)Citespace軟件提取了中、英文文獻(xiàn)突現(xiàn)關(guān)鍵詞(表2～3)。

表2 1991—2020年英文文獻(xiàn)污水灌溉土壤重金屬污染研究突現(xiàn)關(guān)鍵詞Table 2 Keywords with bursts of heavy metal research in sewage irrigation in English literatures from 1991 to 2020

由表2可知，“cadmium”“zinc”是英文污水灌溉土壤重金屬污染研究中最早出現(xiàn)的突現(xiàn)關(guān)鍵詞，在2002年之后逐漸轉(zhuǎn)為“nickel”(鎳)和“copper”(銅)的研究，其中，鎘在1995—2006年是英文污水灌溉土壤重金屬污染研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，且鎘是研究熱點(diǎn)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的重金屬種類(lèi)。從突現(xiàn)詞終止年份來(lái)看，“TriticumaestivumL.”(小麥)、“amendment”(土壤改良)和“China”(中國(guó)污灌區(qū))是目前英文文獻(xiàn)中新興熱點(diǎn)。由表3可知，早年間中文文獻(xiàn)污水灌溉土壤重金屬污染研究熱點(diǎn)為“農(nóng)田土壤”，在2009年逐漸轉(zhuǎn)為污染評(píng)價(jià)方面研究。與英文文獻(xiàn)相比，中文文獻(xiàn)突現(xiàn)關(guān)鍵詞數(shù)量較少，且并未出現(xiàn)“鎘”，這說(shuō)明中文文獻(xiàn)關(guān)于污灌農(nóng)田鎘的研究還需要進(jìn)一步深入。

表3 1991—2020年中文文獻(xiàn)污水灌溉土壤重金屬污染研究突現(xiàn)關(guān)鍵詞Table 3 Keywords with bursts of heavy metal research in sewage irrigation in Chinese literatures from in 1991 to 2020

2 污灌農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)中鎘研究

2.1 污灌農(nóng)田土壤與作物鎘含量特征

2.1.1鎘在污灌農(nóng)田土壤中的分布特征

要了解污灌農(nóng)田土壤鎘的污染現(xiàn)狀，首先要明確土壤鎘在水平和垂直2個(gè)方向的分布情況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量工作?？死锔癫逯捣ㄊ悄壳把芯课酃噢r(nóng)田土壤鎘的水平分布特征最有效且最常用的方法。鎘在水平方向上的分布特征有一定規(guī)律可循，主要受位置影響，污灌農(nóng)田表層土壤鎘含量大致表現(xiàn)為以污灌主河道或污染最嚴(yán)重區(qū)域?yàn)橹行闹饾u向周邊遞減的分布狀態(tài)[6-7]。而關(guān)于污灌農(nóng)田土壤鎘在垂直方向上的分布特征，眾多學(xué)者意見(jiàn)并不一致。相關(guān)研究結(jié)果表明，污灌農(nóng)田土壤鎘具有表聚性，主要集中在地表約20 cm深以?xún)?nèi)的耕層，很少向下遷移[8-10]，表層土壤鎘含量甚至可為深層土壤的2倍多[11-12]。但也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在30 m深[13]甚至是40 m深[14]的深層土壤中仍能檢測(cè)到鎘。最新研究結(jié)果表明，在華北平原污灌區(qū)13 m深的深層土壤鎘含量可高達(dá)3.8 mg·kg-1[13]，鎘在垂直剖面上呈現(xiàn)出不規(guī)則的分布狀態(tài)，并伴有局部范圍上低下高的情況[15-16]，這種分布模式可能是由于長(zhǎng)時(shí)間的污灌導(dǎo)致鎘向更深土層遷移[13，15,17]，也可能是不同土壤理化性質(zhì)和成土母質(zhì)所致[18-19]，相關(guān)研究還有待進(jìn)一步深入。

綜上所述，污灌農(nóng)田土壤鎘的空間分布特征，在水平方向上，污灌農(nóng)田土壤鎘的分布主要取決于距污染源距離，而在垂直方向上，鎘的分布特征目前在學(xué)術(shù)界仍存在較大爭(zhēng)議，尚無(wú)令人信服的結(jié)論，但多項(xiàng)研究結(jié)果表明長(zhǎng)期污水灌溉可能會(huì)導(dǎo)致鎘向更深層土壤遷移。

2.1.2鎘在污灌農(nóng)田作物中的富集規(guī)律

生長(zhǎng)在污灌農(nóng)田鎘污染土壤的作物，鎘必然會(huì)在其體內(nèi)積累，隨著污灌時(shí)間增長(zhǎng)，也會(huì)導(dǎo)致作物可食用部位鎘含量升高[20-22]。關(guān)于鎘在作物各器官的分布，國(guó)外內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量研究。一般認(rèn)為，污灌農(nóng)田大多數(shù)作物吸收的鎘主要積累在根系，而地上部含量較低，各部位鎘含量由高到低通常依次為根、莖、葉和籽實(shí)[23-24]，而塊根類(lèi)作物比較特殊，各部位鎘含量由高到低通常依次為莖葉和塊根[25-26]。另外，王春等[27]研究表明，污灌農(nóng)田作物鎘含量也隨著距污染源距離增大而逐漸減少。

在土壤鎘含量相同的情況下，作物種類(lèi)不同，其可食部位所吸收的鎘含量也會(huì)有所差異。如董克虞等[28]和秦世學(xué)[29]研究表明塊根作物可食部位鎘含量大于籽粒類(lèi)作物。張紅振等[30]通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)查系統(tǒng)研究了不同作物可食部位鎘的富集能力，結(jié)果表明各類(lèi)作物可食部位鎘含量由高到低依次為葉菜類(lèi)、根菜類(lèi)、果菜類(lèi)和籽粒類(lèi)。SLAVIN等[31]研究表明污灌區(qū)葉菜類(lèi)作物鎘含量大于根菜類(lèi)，且葉菜類(lèi)作物含水量大于根菜類(lèi)，這說(shuō)明污灌農(nóng)田作物吸收和富集鎘所表現(xiàn)出的差異可能與作物含水量有關(guān)，也有學(xué)者認(rèn)為這種差異可能是由于不同作物的生理特性及遺傳差異所致[32]。

綜上所述，鎘在同一作物不同器官以及不同作物中的富集程度差異較大，因此，可以在污灌農(nóng)田鎘污染土壤選擇種植鎘低富集作物品種或食用作物鎘富集較少部位以實(shí)現(xiàn)食品安全。

2.1.3土壤與作物鎘含量的相關(guān)性

從已有研究來(lái)看，作物鎘含量與土壤鎘的關(guān)聯(lián)特征研究通常采用相關(guān)系數(shù)分析方法，關(guān)于兩者在空間上的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系尚不明確。

一些研究表明土壤與作物鎘含量存在明顯相關(guān)性，例如，通過(guò)盆栽試驗(yàn)證明小麥[33]、水稻[34]、胡蘿卜[35]和辣椒[35]等作物鎘含量與土壤鎘全量之間均具有良好相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。但在田間尺度上，受多種環(huán)境因素影響，相關(guān)性往往會(huì)減弱，如李宗梅[36]發(fā)現(xiàn)天津污灌區(qū)小麥籽粒鎘含量與土壤鎘含量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性較弱，相關(guān)系數(shù)僅為0.44。

還有一些研究表明兩者不存在相關(guān)性，這主要表現(xiàn)為土壤鎘污染評(píng)價(jià)結(jié)果與作物鎘污染評(píng)價(jià)結(jié)果不一致，存在“土壤鎘超標(biāo)、作物鎘不超標(biāo)”和“土壤鎘不超標(biāo)、作物鎘超標(biāo)”等鎘含量不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象[7,37]。如朱云等[38]發(fā)現(xiàn)廣東省樂(lè)昌縣污灌區(qū)土壤鎘含量超過(guò)GB 15618—1995《國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，但生長(zhǎng)的長(zhǎng)豇豆果實(shí)鎘含量卻絕大多數(shù)符合國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)；XUE等[12]研究表明保定污灌區(qū)48%的土壤樣品鎘含量超過(guò)GB 15618—1995的0.6 mg·kg-1安全限值，但生長(zhǎng)的小麥和玉米籽粒鎘含量均未超標(biāo)；AHMED等[37]研究也表明，研究區(qū)土壤符合孟加拉國(guó)規(guī)定限值，但生長(zhǎng)的蔬菜鎘含量高于植物的允許限值。這主要是由于作物鎘含量更容易受土壤鎘有效態(tài)含量影響，而不是鎘全量。

綜上所述，不同研究結(jié)果表明，與盆栽試驗(yàn)相比，田間試驗(yàn)中土壤-作物系統(tǒng)鎘相關(guān)性不顯著，部分區(qū)域土壤與作物鎘含量存在不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。由于土壤與作物鎘含量的相關(guān)性不明確，因此需要深入研究鎘在土壤-作物系統(tǒng)中的運(yùn)移機(jī)制，以探討兩者的定量關(guān)系。

2.1.4污灌農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)鎘的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

鎘污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)通常采用單因子指數(shù)、內(nèi)梅羅指數(shù)、地累積指數(shù)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)等評(píng)價(jià)方法，不同評(píng)價(jià)方法存在不同優(yōu)缺點(diǎn)，這些方法在不同污灌農(nóng)田土壤鎘污染狀況研究中均有一定使用。安婧等[39]采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法對(duì)沈撫污灌農(nóng)田土壤鎘進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；曹春等[40]采用人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法評(píng)估了大寶山污灌農(nóng)田食用受污染糧食作物的健康風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明兒童和成人食用途徑攝入的鎘超過(guò)了每日允許攝入標(biāo)準(zhǔn)的5倍多；LI等[41]對(duì)華東污灌農(nóng)田5種不同土地利用類(lèi)型的表層土壤進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤鎘表現(xiàn)出高比例的強(qiáng)和嚴(yán)重的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

目前，針對(duì)污灌農(nóng)田土壤鎘環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究主要針對(duì)表層土壤鎘含量的分析和評(píng)價(jià)，對(duì)污灌農(nóng)田作物鎘含量的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和人體暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少，對(duì)污水灌溉導(dǎo)致鎘向深層土壤遷移的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)則更少。因此，亟需加強(qiáng)污灌農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)鎘的遷移轉(zhuǎn)化方面研究，進(jìn)一步明確污灌農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)鎘污染的環(huán)境影響。

2.2 污灌農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)鎘的運(yùn)移機(jī)制

2.2.1鎘在土壤-作物系統(tǒng)中的存在形態(tài)與遷移轉(zhuǎn)化方式

目前，最常用的鎘形態(tài)提取方法為T(mén)essier五步提取法，可提取5種形態(tài)，其風(fēng)險(xiǎn)由高到低依次為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)[42]。各形態(tài)間會(huì)隨環(huán)境條件變動(dòng)而互相轉(zhuǎn)化，其中可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)容易被植物吸收，具有很大的遷移性[43]。大量研究結(jié)果表明污灌會(huì)改變農(nóng)田土壤鎘的存在形態(tài)，提高鎘的生物有效性[2,44]，與清水灌溉相比，污灌降低了鎘殘?jiān)鼞B(tài)占比，使鎘的遷移能力明顯提高[45]。

停止污灌后，鎘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也并未降低，如沈陽(yáng)張氏污灌農(nóng)田在停止污灌15 a后，鎘的可交換態(tài)與碳酸鹽態(tài)含量之和仍高達(dá)78%[46]。這是由于鎘一旦進(jìn)入土壤就很難被徹底去除，土壤中鎘只能從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)，從一個(gè)地方遷移到另一個(gè)地方。因此，探明鎘從土壤向作物地上部的遷移轉(zhuǎn)化方式，對(duì)于土壤-作物系統(tǒng)中鎘污染治理具有重要意義。

污灌農(nóng)田土壤中的鎘從被作物根系吸收到在作物體內(nèi)積累是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程。首先，隨污水進(jìn)入土壤中的鎘可以隨蒸騰作用在作物吸收水分時(shí)與水一起到達(dá)作物根部，也可以通過(guò)擴(kuò)散作用移動(dòng)到根表面[23]。然后，到達(dá)根部的鎘離子通過(guò)土壤與作物體內(nèi)的離子濃度差擴(kuò)散到根細(xì)胞內(nèi)，也可以通過(guò)占用Fe2+、Zn2+和Ca2+離子通道與轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合進(jìn)入根細(xì)胞內(nèi)[47]。之后，被根系吸收的鎘通過(guò)木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)角o、葉等其他部位[48]。已有研究表明，木質(zhì)部是鎘在作物體內(nèi)運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ繹49]，而這一運(yùn)輸過(guò)程主要受蒸騰作用控制，蒸騰作用越強(qiáng)，向莖、葉運(yùn)輸?shù)逆k就越多[50-51]。最后，作物葉片中的鎘可以通過(guò)再分配方式進(jìn)入籽粒，也可以在籽粒灌漿期通過(guò)鎘在木質(zhì)部到韌皮部的橫向運(yùn)輸進(jìn)入籽粒，在這一過(guò)程中莖、節(jié)是鎘從木質(zhì)部到韌皮部轉(zhuǎn)移的中心器官[52]。蒸騰作用在作物根部吸收鎘和鎘在作物體內(nèi)運(yùn)輸中都起著至關(guān)重要的作用。但在這一過(guò)程中，鎘從土壤到作物體內(nèi)的形態(tài)變化仍不明確，還需要深入研究。

2.2.2鎘在土壤-作物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化驅(qū)動(dòng)因子

鎘的遷移轉(zhuǎn)化受到土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、土壤氧化還原電位(Eh)和土壤質(zhì)地等土壤理化性質(zhì)的共同作用，土壤理化性質(zhì)主要是通過(guò)影響鎘在土壤中的形態(tài)來(lái)影響鎘的遷移能力，對(duì)于這些驅(qū)動(dòng)因子，學(xué)者們已經(jīng)做了大量研究和報(bào)道。

土壤pH值是影響鎘遷移轉(zhuǎn)化的最重要驅(qū)動(dòng)因子之一。土壤pH值通過(guò)改變鎘在土壤中的形態(tài)進(jìn)而影響鎘在土壤-作物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化能力，隨著pH增大，鎘的遷移能力會(huì)降低[53]。與pH相比，土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)鎘的遷移轉(zhuǎn)化的影響較復(fù)雜，既有正效應(yīng)，也有負(fù)效應(yīng)。一般認(rèn)為，有機(jī)質(zhì)能與鎘結(jié)合形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而降低鎘的移動(dòng)性[54]；但也有研究表明，有機(jī)質(zhì)為土壤溶液提供了有機(jī)化學(xué)物質(zhì)，可以作為螯合物提高作物對(duì)鎘的利用率[55]，溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)也會(huì)與鎘形成可溶性絡(luò)合物，抑制鎘沉淀，增加鎘遷移能力[56-57]。土壤氧化還原電位也是重金屬遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵影響因子?？山粨Q態(tài)鎘含量會(huì)隨著土壤Eh的增大而降低，殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量會(huì)隨著土壤Eh的增大而增加[58-59]。因此，適當(dāng)提高土壤體系氧化還原電位，可以有效降低鎘遷移能力。土壤質(zhì)地對(duì)鎘的遷移轉(zhuǎn)化也有一定影響，不同土壤質(zhì)地中鎘移動(dòng)性由高到低依次為砂土、壤土和黏土，這是因?yàn)橥寥蕾|(zhì)地越重，土壤對(duì)鎘的吸附能力就越強(qiáng)[60-61]，鎘淋溶程度越低，其遷移性也就越差。

綜上所述，影響土壤-作物系統(tǒng)鎘遷移轉(zhuǎn)化的因素較為復(fù)雜，可以通過(guò)調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)改變鎘形態(tài)，進(jìn)而影響鎘在土壤-作物系統(tǒng)內(nèi)的遷移能力。目前研究以單一驅(qū)動(dòng)因子為主，且大部分為室內(nèi)試驗(yàn)，污灌區(qū)田間試驗(yàn)研究則相對(duì)缺乏。為全面了解土壤-作物系統(tǒng)中鎘的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，下一步建議在污灌區(qū)實(shí)地研究的基礎(chǔ)上對(duì)各驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析。

2.2.3鎘在土壤-作物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化數(shù)值模擬

鎘已經(jīng)在污灌農(nóng)田土壤中遷移了幾年甚至幾十年，其過(guò)程十分漫長(zhǎng)，且鎘在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化受多種因素的制約和影響，因此，很難通過(guò)試驗(yàn)準(zhǔn)確模擬整個(gè)過(guò)程。為研究各驅(qū)動(dòng)因子對(duì)鎘在土壤-作物系統(tǒng)中遷移特征的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試采用數(shù)學(xué)模型模擬鎘在土壤-作物系統(tǒng)中的遷移。應(yīng)用較多的模型為多元線性回歸模型，不同研究區(qū)的主要驅(qū)動(dòng)因子也不同，常采用的驅(qū)動(dòng)因子有鎘總量、鎘形態(tài)或其他土壤理化性質(zhì)[62-64]。程峰等[65]基于偏最小二乘法建立了線性回歸模型來(lái)模擬鎘的遷移過(guò)程，有效提高了數(shù)值模擬的精確度。

關(guān)于土壤-作物系統(tǒng)中鎘的遷移規(guī)律，有學(xué)者基于溶質(zhì)遷移理論采用吸附模型進(jìn)行模擬，如商建英[66]采用Freundlich模型探討了pH、土壤質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)對(duì)鎘遷移吸附的影響，焦藝博[67]基于室內(nèi)土柱淋溶試驗(yàn)和HYDRUS-1D軟件建立模型對(duì)污水灌溉條件下鎘的遷移進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，也有學(xué)者基于重金屬在土壤-作物系統(tǒng)中的遷移過(guò)程建立一套完整的數(shù)學(xué)模型[68]，這些模型均能較好模擬作物籽粒中鎘含量。

綜上所述，多個(gè)數(shù)學(xué)模型已在土壤-作物系統(tǒng)鎘遷移規(guī)律研究中得到廣泛應(yīng)用，模型的使用有利于發(fā)現(xiàn)作物鎘含量與土壤理化性質(zhì)、鎘總量和鎘形態(tài)之間的定量關(guān)系，為治理污灌農(nóng)田鎘污染土壤打下基礎(chǔ)。但受不同污灌農(nóng)田的灌溉時(shí)間、灌溉量和灌溉頻次的影響，尚未形成可以廣泛應(yīng)用的模型。

2.3 污灌農(nóng)田鎘污染土壤的修復(fù)技術(shù)

2.3.1單一修復(fù)技術(shù)在污灌農(nóng)田鎘污染中的應(yīng)用

目前污灌農(nóng)田鎘污染土壤的修復(fù)技術(shù)可分為移除修復(fù)技術(shù)和固定修復(fù)技術(shù)2大類(lèi)[69]。移除修復(fù)技術(shù)是采用客土法、換土法、淋洗法或種植超富集植物等方法將鎘從土壤中移除出去；固定修復(fù)技術(shù)是使鎘盡可能多地固定在土壤中，從而抑制其進(jìn)入生物鏈，從而保障農(nóng)田安全生產(chǎn)。在污灌區(qū)鎘污染土壤修復(fù)中較常用方法為種植超富集植物、施用鈍化劑和種植鎘低積累作物。

目前已發(fā)現(xiàn)的鎘超富集植物包括龍葵、東南景天、伴礦景天、籽粒莧、蓖麻、圓錐南芥、寶山堇菜、商陸和毛竹等[70-72]，這些超富集植物均可種植在污灌區(qū)從而緩解農(nóng)田土壤鎘負(fù)荷。有學(xué)者通過(guò)種植濱藜屬植物將埃及阿蘇特省污灌農(nóng)田土壤鎘含量降低14%[73]。修復(fù)鎘污染土壤常用鈍化劑包括石灰、生物炭、有機(jī)廢棄物、磷肥、海泡石、沸石、羥基磷灰石、赤泥和膨潤(rùn)土[74-80]。不同性質(zhì)鈍化劑對(duì)污灌區(qū)農(nóng)田鎘污染土壤的修復(fù)效果不同。劉歡[80]在西安污灌農(nóng)田土壤中通過(guò)施加石灰石使農(nóng)田土壤鎘含量降低52%；SOHAIL等[81]在巴基斯坦費(fèi)薩拉巴德市污灌農(nóng)田中施加稻殼生物炭，既降低了土壤中鎘的有效性，又降低了玉米和小麥鎘含量。對(duì)于中、輕度鎘污染土壤，可以通過(guò)種植鎘低吸收作物來(lái)有效降低農(nóng)作物污染風(fēng)險(xiǎn)，如孫洪欣[82]和孟楠[83]在河北保定污灌農(nóng)田篩選出玉米和小麥的鎘低積累品種。

值得注意的是，超富集植物都存在生物量小、修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)的局限性，且僅能修復(fù)0～100 cm土層[84]土壤，難以去除深層土壤中的鎘；施用鈍化劑雖簡(jiǎn)便快捷，但需實(shí)施長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，避免施加過(guò)量鈍化劑引發(fā)土壤理化性質(zhì)改變及產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題。

2.3.2聯(lián)合修復(fù)技術(shù)在污灌農(nóng)田鎘污染中的應(yīng)用

相比于單一修復(fù)技術(shù)，聯(lián)合使用多種修復(fù)技術(shù)在保障污灌農(nóng)田生產(chǎn)出鎘含量不超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品上更具優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前污灌農(nóng)田鎘污染土壤修復(fù)的重要研究方向。如，孟楠等[85]采用盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，基于種植高丹草、蘇丹草和狼尾草的植物修復(fù)技術(shù)并輔以間作的農(nóng)藝措施具有在河北污灌農(nóng)田實(shí)現(xiàn)小麥安全生產(chǎn)的潛力。張春慧[86]也采用盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，基于種植油料作物油葵的植物修復(fù)技術(shù)并輔以施用鈍化劑EDTA能促進(jìn)油葵對(duì)鎘的富集作用，提高污灌區(qū)鎘污染土壤的修復(fù)效率。井永蘋(píng)等[87]在山東省某污灌農(nóng)田通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用增施有機(jī)肥、鈍化劑和深翻耕等聯(lián)合修復(fù)措施能顯著降低表層土壤和小麥籽粒中鎘含量。徐應(yīng)明等[88]基于鈍化修復(fù)技術(shù)并結(jié)合施肥、種植鎘低積累吸收品種等措施，建立了針對(duì)鎘中度污染菜地土壤治理的高效鈍化修復(fù)-農(nóng)藝調(diào)控聯(lián)合技術(shù)體系，并已成功推廣。

在污灌農(nóng)田鎘污染土壤治理研究中，聯(lián)合修復(fù)技術(shù)通常以植物修復(fù)為主，同時(shí)聯(lián)合農(nóng)藝措施、鈍化劑或種植低積累作物進(jìn)行修復(fù)，總體上理論研究較多，示范推廣較少，從盆栽試驗(yàn)到農(nóng)田生產(chǎn)、從小區(qū)試驗(yàn)到大田應(yīng)用還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證和推廣研究。

3 總結(jié)與展望

針對(duì)污灌農(nóng)田土壤鎘污染現(xiàn)狀，從污灌農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)鎘含量特征、遷移機(jī)制和修復(fù)技術(shù)等方面對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行了歸納總結(jié)，旨在為污灌農(nóng)田土壤鎘污染治理和農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)提供參考和理論依據(jù)。

3.1 污灌農(nóng)田鎘累積影響因素的定量化

污灌農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)鎘含量存在不對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象，這一方面是由于現(xiàn)行土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不完善，農(nóng)用地土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)僅針對(duì)土壤重金屬含量，還應(yīng)考慮作物重金屬含量[89]，同時(shí)要綜合考慮土壤各種理化性質(zhì)、成土母質(zhì)以及重金屬全量和有效態(tài)含量等指標(biāo)；另一方面是由于目前鎘在污灌農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化和傳遞積累研究尚不夠完善，如鎘從土壤到作物體內(nèi)的形態(tài)變化仍不明確，仍需深入研究作物對(duì)鎘的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和累積機(jī)制，進(jìn)一步加強(qiáng)針對(duì)不同地區(qū)及不同污染狀況的鎘污染土壤模型模擬與預(yù)測(cè)研究，構(gòu)建不同環(huán)境下鎘積累驅(qū)動(dòng)因子綜合指標(biāo)，明確土壤鎘含量與作物鎘含量的定量關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)鎘在土壤-作物系統(tǒng)內(nèi)的遷移可調(diào)控。

3.2 污灌農(nóng)田深層土壤鎘的調(diào)查與監(jiān)測(cè)

在污水灌溉地區(qū)，農(nóng)戶(hù)一般自由引水灌溉，土壤-作物系統(tǒng)中很難避免外源污染，從而產(chǎn)生交叉污染現(xiàn)象，因此鎘向深層土壤的遷移問(wèn)題不可忽視。目前，研究土壤重金屬垂直遷移的方法主要包括土柱實(shí)驗(yàn)法和野外取樣法，由于不同污灌農(nóng)田的灌溉時(shí)間、灌溉量和灌溉頻次不同，只能通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M方式進(jìn)行研究。受土柱高度限制，一般研究較難模擬重金屬在深層土壤的遷移，而野外采樣雖能獲取深層土壤樣品卻不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。因此，后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注污水灌溉農(nóng)田深層土壤中鎘的調(diào)查與監(jiān)測(cè)，了解鎘在土壤垂直方向上的遷移范圍。

3.3 污灌農(nóng)田鎘污染土壤修復(fù)與安全利用

與其他鎘污染土壤修復(fù)不同，污水灌溉導(dǎo)致的農(nóng)田鎘污染土壤修復(fù)不僅要關(guān)注表層土壤，更要關(guān)注污水灌溉導(dǎo)致的深層土壤污染問(wèn)題。污灌農(nóng)田土壤受鎘污染的同時(shí)，很可能伴隨其他重金屬污染，且不同污灌農(nóng)田土壤理化性質(zhì)、重金屬類(lèi)型和污染程度也不同，因此很難通過(guò)單一修復(fù)技術(shù)達(dá)到修復(fù)目標(biāo)，應(yīng)加大聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的研究與應(yīng)用。同時(shí)，我國(guó)耕地資源十分緊張，在污灌農(nóng)田生產(chǎn)出鎘含量不超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品是當(dāng)前首要任務(wù)，建立長(zhǎng)期高效可行的鎘污染土壤安全利用修復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)邊生產(chǎn)邊修復(fù)顯得尤為重要。