鎘污染農(nóng)田的不同修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀及展望

楊云帆，夏衛(wèi)生，王小芳

（1． 湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南長沙 410012；2． 湖南廣闊天地科技有限公司，湖南長沙 410137）

鎘是植物生長和發(fā)育過程中的非必需元素，同時也是環(huán)境中最有害的重金屬元素之一，在土壤中與汞、鉛、鉻、砷并稱為“五毒元素”，在近期公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公告》中，土壤中鎘污染已成為所有無機(jī)污染物超標(biāo)率之最[1]?？紤]到土壤鎘污染的嚴(yán)重性以及土壤系統(tǒng)的復(fù)雜性，世界各國依據(jù)本國的實(shí)際情況制定了相應(yīng)的土壤重金屬鎘的標(biāo)準(zhǔn)限值和最大允許濃度。根據(jù)我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）中規(guī)定的適用于一般農(nóng)田、果園、茶園、蔬菜地等土壤中鎘的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在0.3～0.6 mg/kg范圍內(nèi)，全國部分地區(qū)已存在鎘含量超標(biāo)現(xiàn)象[2]。而水稻又是一種鎘積累能力較強(qiáng)的植物，又是重要的糧食作物，故規(guī)定稻谷中鎘含量應(yīng)低于0.2 mg/kg，全國大部分地區(qū)米鎘超過該含量，這將嚴(yán)重威脅到動植物的生長和人類健康。

1 我國鎘污染現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，我國才開始農(nóng)田土壤鎘污染的調(diào)查工作，1980年中國農(nóng)業(yè)環(huán)境報(bào)告顯示，我國有9 333 hm2土壤存在鎘污染現(xiàn)象，據(jù)有關(guān)報(bào)道2003年我國鎘污染耕地面積已增加到1.33×104hm2，近幾年資料得到更新，顯示我國農(nóng)田土壤鎘污染面積已超過2×105hm2，占總耕地面積的1/6[3][4]。目前由于缺乏全國性的土壤和農(nóng)作物調(diào)查研究，很難準(zhǔn)確估計(jì)我國農(nóng)田實(shí)際污染面積和鎘超標(biāo)稻谷總量。

土壤中的鎘有兩種來源：天然來源和人為來源。前者與成土母質(zhì)風(fēng)化有關(guān)；后者主要是選礦、采礦、有色金屬冶煉、合金制造等行業(yè)的生產(chǎn)造成的，以及污水、污泥、大氣沉降、農(nóng)藥化肥固體廢棄物等的排放，我國鎘污染絕大多數(shù)是由于引用工業(yè)污水造成的[5]。受地質(zhì)區(qū)劃和人為活動的影響，不同地區(qū)存在不同程度的鎘污染問題，近年來研究報(bào)道稱我國鎘污染已呈現(xiàn)南方地區(qū)大于北方地區(qū)的趨勢，湖南、廣西、貴州部分地區(qū)已成為鎘污染重災(zāi)區(qū)[6]。王凱榮將全國部分地區(qū)污染農(nóng)田土壤和農(nóng)作物鎘含量作了匯總（表1）[7]。

表1 我國部分地區(qū)污染農(nóng)田土壤和農(nóng)作物鎘含量

2 重金屬鎘污染修復(fù)技術(shù)探討

稻米中的鎘含量受品種、土壤等因素影響，根據(jù)鎘在稻米中的富集規(guī)律，目前已研究出多種鎘污染稻米的治理方法。應(yīng)對稻米鎘污染的方法主要有3個。第一是從源頭出發(fā)，修復(fù)治理鎘污染土壤；第二是從水稻品種入手，篩選種植鎘積累能力低的水稻品種；第三是從產(chǎn)品加工角度出發(fā)，通過加工技術(shù)降低稻米及制品的鎘含量[6]。目前研究工作和實(shí)際推行的修復(fù)措施都側(cè)重于通過土壤修復(fù)和低鎘品種來達(dá)到鎘污染修復(fù)效果。如農(nóng)業(yè)部、財(cái)政部在湖南水稻鎘污染地區(qū)實(shí)施推廣“VIP+n”稻米鎘污染控制技術(shù)模式。該技術(shù)包括種植鎘低積累型水稻品種、合理灌溉、調(diào)控土壤酸堿度3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，同時根據(jù)污染情況輔以其他針對性措施（“n”，或施用重金屬鈍化劑，或噴施Si、Se、Zn，或施用生物菌劑等）[8]。

2.1 土壤修復(fù)

土壤修復(fù)是指通過農(nóng)業(yè)、物理、化學(xué)和生物的方法轉(zhuǎn)移、吸收、降解和轉(zhuǎn)化土壤中的污染物，使其濃度降低到可接受水平，或?qū)⒂卸居泻Φ奈廴疚镛D(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)，一般包括農(nóng)業(yè)修復(fù)、工程修復(fù)、生物修復(fù)和化學(xué)修復(fù)4類方法。

2.1.1 農(nóng)業(yè)修復(fù)

農(nóng)業(yè)修復(fù)的主要途徑包括合理灌溉、增施化肥或有機(jī)肥，有機(jī)肥包括堆肥、廄肥、秸稈等，施用有機(jī)肥可提高土壤有機(jī)質(zhì)、改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤膠體對鎘的吸附，許多研究發(fā)現(xiàn)施化肥和有機(jī)肥容易造成土壤二次污染。

據(jù)報(bào)道，土壤水分調(diào)控主要是通過調(diào)控土壤活性進(jìn)而調(diào)控水稻對鎘的吸收。較多研究表明，不同水分管理方式對鎘污染土壤上水稻生長及鎘吸收積累有顯著影響，全生育期淹水和乳熟期曬田的水稻糙米鎘含量相對較低，分蘗期曬田的影響程度高于乳熟期[9-11]。不過由于淹水灌溉需水量大，而我國局部地區(qū)水資源匱乏，且容易造成水體污染，實(shí)施有待商榷。

2.1.2 物理修復(fù)

物理修復(fù)主要包括客土、排土和深翻耕等，通過在污染土壤區(qū)增添凈土，移出舊土，深埋污土等途徑來降低土壤鎘污染。吳燕玉等人通過對張士灌區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)幾乎90%的土壤鎘聚集在30 cm以上的土層中，尤其分布在0～5 cm，去除15～30 cm的表土層能讓米鎘含量降低一半[12]。但此方法工程量較大，投資成本高，容易造成二次污染，同時也將降低土壤肥力，故難以推廣。

2.1.3 化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)主要是利用土壤改良劑增加土壤有機(jī)質(zhì)，改變土壤pH、EH值、陽離子代換量等理化性質(zhì)，使土壤鎘產(chǎn)生氧化、還原、沉淀、吸附、抑制、拮抗等作用。常用的改良劑有石灰、沸石、碳酸鈣、磷酸鹽等[13]，國內(nèi)外眾多學(xué)者對施用各種化學(xué)改良劑降低鎘進(jìn)入食物鏈的效果進(jìn)行了大量的研究，一般認(rèn)為在酸性污染土壤上施加石灰效果最佳[14][15]。眾多研究也表明，施用石灰能顯著提高土壤的pH，降低土壤金屬的有效性，從而降低水稻莖葉和糙米中鎘的濃度[16][17]?；瘜W(xué)修復(fù)具有操作簡單和費(fèi)用較低的特點(diǎn)，在污染較輕的地區(qū)修復(fù)效果較好，但在污染較嚴(yán)重的則不明顯，而且容易使重金屬鎘活化，從而造成二次污染，甚至作物減產(chǎn)[18]。

2.1.4 生物修復(fù)

生物修復(fù)是利用動植物和微生物的某些習(xí)性來適應(yīng)、抑制和改良土壤鎘污染。動物主要是采用蚯蚓和鼠類，微生物涵蓋了真菌、細(xì)菌和小型藻類[19][20]，目前利用動物和微生物治理鎘污染的措施僅限于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，具有修復(fù)速度慢，修復(fù)效果不明顯的特點(diǎn)。生物修復(fù)較多側(cè)重于通過植物吸收、分解、轉(zhuǎn)化或固定土壤鎘，目前利用超累積植物治理鎘污染是研究的熱點(diǎn)，土壤修復(fù)效果較好的超累積植物主要是龍葵、魚腥草、東南景天、商陸、寶山堇菜等[6]。但由于植物修復(fù)周期長，吸收重金屬的容量有限，修復(fù)效果僅限于表層土壤，且不能代替糧食作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，目前處于田間實(shí)驗(yàn)和示范階段。

2.2 水稻品種

除土壤環(huán)境外，農(nóng)作物也是影響鎘積累的重要因素。不同類型農(nóng)作物吸收重金屬的生理生化機(jī)制各異，因而有不同的吸收和富集特征，即使是同一類型的農(nóng)作物，不同品種間富集重金屬的能力也有顯著差異。李坤權(quán)、吳啟堂研究表明，不同基因型水稻対鎘的吸收量有很大的差異[21][22]；其他學(xué)者也認(rèn)為，不同品種稻米對鎘的富集呈現(xiàn)出顯著的差異性，并略呈現(xiàn)出雜交稻富集程度高于常規(guī)稻，秈稻高于粳稻的趨勢[23]。篩選低鎘水稻品種是解決鎘污染的有效措施之一，但由于低鎘水稻的生長具有地域性和產(chǎn)量不穩(wěn)定的特點(diǎn)，大范圍推廣較難。

由于土壤污染的復(fù)雜性，有時靠單一方法難以修復(fù)土壤污染，需要采用多種技術(shù)。由于現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中條件限制，單一的農(nóng)藝調(diào)控措施往往很難達(dá)到安全生產(chǎn)的要求，往往需要多種修復(fù)措施配套施用[24][25]。戴桂金在鳳凰縣利用田間實(shí)驗(yàn)研究了單項(xiàng)及綜合調(diào)控技術(shù)對稻米鎘含量的效果，試驗(yàn)結(jié)果表明，各處理比對照鎘含量均明顯降低，低鎘品種加施生石灰的降鎘效果較好[26]。沈欣利用盆栽試驗(yàn)研究了單項(xiàng)及組合農(nóng)藝調(diào)控措施的效果，也表明3種措施組合VIP（低鎘品種、灌溉、撒石灰）降低水稻吸收與累積鎘的效果最佳，IP、VP次之[17]。

3 展望

3.1 全面深入開展土壤鎘污染調(diào)查

目前由于缺乏詳細(xì)和全面的調(diào)查，無法精準(zhǔn)確定土壤鎘污染的實(shí)際面積和鎘污染稻谷的數(shù)量。同時，我國現(xiàn)行土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中是以全量鎘為標(biāo)準(zhǔn)值，鎘污染調(diào)查強(qiáng)調(diào)土壤全量，忽視土壤有效態(tài)，而全量僅代表鎘的總貯量，有效態(tài)才能說明鎘的供給水平，有效態(tài)的變化主要與pH、EH值、有機(jī)質(zhì)有關(guān)，因此可以避免土壤類型和土壤環(huán)境的不同而引起的實(shí)際危害差異，故在監(jiān)測和效果評價(jià)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)有效態(tài)鎘含量的變化。

3.2 加強(qiáng)理論研究，創(chuàng)新修復(fù)技術(shù)

我國對于重金屬鎘污染的研究和實(shí)際治理都有所突破，取得了一定成效，但由于土壤鎘污染的復(fù)雜性和綜合性，理論研究的不足和技術(shù)的有限性，所以目前并沒有找到高效、穩(wěn)定、普遍適用的單項(xiàng)修復(fù)技術(shù)。因此，在未來的修復(fù)治理過程中，不同的污染土壤應(yīng)對應(yīng)不同的修復(fù)技術(shù)，同時要結(jié)合綜合技術(shù)，考慮區(qū)域自然地理環(huán)境，污染程度、污染類型及經(jīng)濟(jì)效益等，并動態(tài)監(jiān)測鎘污染狀況的變化以便及時調(diào)整修復(fù)措施。

3.3 重視微量元素的變化

目前研究者注重對重金屬污染機(jī)理以及治理措施方面的研究，而忽視了重金屬治理過程中以及治理后農(nóng)作物對土壤中微量元素的吸收效果。農(nóng)作物對微量元素的需求量是相當(dāng)小的，從缺乏到毒害的數(shù)量范圍非常窄，而微量元素缺乏或者過量主要與土壤環(huán)境有關(guān)[27]，重金屬鎘修復(fù)治理過程中將使土壤pH、EH值、有機(jī)質(zhì)等理化性質(zhì)發(fā)生改變，甚至鎘與微量元素之間發(fā)生協(xié)同和拮抗作用，從而影響農(nóng)作物對微量元素的吸收，進(jìn)而對其生長發(fā)育產(chǎn)生影響，甚至危及人類和動植物的健康[28-30]。因此，在后續(xù)的重金屬治理措施中，應(yīng)重視對微量元素的研究。

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