農田土壤中鎘的來源與治理方法

馬濤 焉莉 李彥姣 高強

【摘要】 土壤是人類賴以生存的物質基礎,是不可缺少的自然資源。隨著工業的發展及農業生產的現代化,人們忽視了土壤的承載能力,盲目地施用化肥和農藥,造成土壤重金屬污染尤其是鎘污染日益嚴重。本文針對土壤中鎘的危害、來源、鎘活化機理、施肥對鎘的影響以及鎘的治理這幾個方面進行了綜述,為治理鎘污染提出了相關建議。

【關鍵詞】 土壤 鎘污染 來源 治理方法

1.鎘的危害

土壤鎘含量的增加會使土壤中細菌、固氮菌的數量明顯減少,會破壞植物體中的葉綠素,減少根系對水分和養分的吸收,抑制根系對氮的固定和硝酸還原酶活性。鎘通過食物鏈進入人體后,與人體內的特定蛋白質及各種酶發生強烈反應并使它們失去活性,在人體某些器官中積蓄造成慢性中毒,同時還干擾銅、鈷、鋅在體內的正常代謝,誘發各種疾病,甚至死亡。

2.鎘的來源

2.1 工業污染 一些良田周圍有單個或者多個工廠,有一條或者數條公路,工廠廢氣、汽車尾氣中的鎘進入土壤中的最主要方式是通過大氣沉降。如瑞典中部Falun市區的鎘污染,工廠廢氣中的鎘由于風的輸送,從工廠中擴散到周邊地區。

2.2 工業污泥利用 污泥是由水和污水處理過程中所產生的固體沉淀物,它具有含水量高,有機質含量高的特點,并且含有大量植物所必需的營養成分,如氮、磷、鉀等和各種微量元素,同時具有不板結土壤,肥效高于一般農家肥和可以降低農業生產成本的優點,因此施用污泥既可肥田,又有利于土壤改良。但同時污泥中也不同程度地含有 As,Cd等重金屬元素,農田被迫接受來自市政的污泥,其中使農田重金屬含量升高的主要原因是土壤接受了來自城市污水處理廠所產生的污泥和被工業廢水污染過江的河湖泊底泥。且土壤一旦遭受重金屬污染,難以徹底消除。

2.3 土壤肥料污染 肥料分為化肥和有機肥兩種,重金屬進入兩種肥的途徑也是截然不同的。化肥中重金屬含量比有機肥要少得多。化肥中的鎘元素主要是來自如磷酸二銨等磷肥。在生產重鈣和過磷酸鈣過程中,由于有磷礦直接進入最終產品,所以含鎘量高于用磷酸加工的磷酸一銨和磷酸二銨等產品,雖然熱法磷酸工藝使其后加工產品中的鎘含量降低,但是此法由于經濟原因不用作肥料的加工。因此所選擇的磷礦直接關系到最終產品中鎘含量。在濕法磷肥加工過程中,磷礦石中大約70%~80%的鎘最終會被轉移至磷肥中。有機肥料大多數是動物糞便和秸稈的混合物。近來年我國迅速發展的禽畜養殖業,其禽畜糞便成為有機肥主要來源,但我國禽畜飼料在生產中存在超量加入重金屬元素現象。當飼料在使用礦物質飼料原料時就可能造成鎘的污染,特別是在使用加工不完全的鋅礦物質原料時就會人為造成飼料中鎘的污染,因此礦物質飼料原料使用不當是造成飼料中鎘污染的主要原因。尤其是一些小作坊,為了降低成本,采用廉價原料或者惡意用皮革粉參入魚粉并采用低劣的加工方法生產飼料,使其重金屬含量升高,由此動物糞便和相應有機肥重金屬含量也會升高。所以重金屬的污染主要來自有機肥料。而且重金屬在有機肥中會有所積累,因為有機肥中有機物主要由纖維素、半纖維素、胡敏酸、胡敏素、富里酸及簡單有機物組成。其中活性較高的組分為胡敏酸、富里酸和低分子有機物,對重金屬有強烈的吸持作用,在生產或制作過程中存在外源重金屬污染物就會導致重金屬在有機肥中的積累。

3.鎘活化機理及施肥對其的影響

鎘進入土壤后,被植物吸收的過程是十分復雜的。它必須經過活化作用變成離子形式進入土壤溶液中才能被植物吸收。根據重金屬元素在土壤中的活性大小可分為:可交換態、鐵錳水合氧化物結合態、有機結合態、碳酸鹽結合態和殘留態。殘留態的重金屬含量可以代表重金屬元素在土壤中的背景值,除此之外,其他形態都可以直接或者間接的被植物吸收。而吸收的部位則是植物的根際,所以根際環境直接影響著重金屬固定,活化和吸收,例如根際的pH 值、Eh 值、根分泌物和根際微生物。大量試驗表明根系分泌物可以酸化,螯合還原重金屬,從而使重金屬成為植物可吸收的狀態。植物體選擇性的吸收土壤中的營養物質,也被迫的吸收過量的重金屬。通常pH值的降低,將促使碳酸鹽態鎘溶解,釋放轉化為可交換態鎘,無疑要加重污染。所以植物被重金屬毒害一般發生在酸性條件。

施用的肥料對重金屬也有很大影響。大量實驗證明:氮肥能改變土壤中重金屬鎘的活性,加強對鎘的吸收。而對于磷肥而言,有促進重金屬鎘吸收的,也有抑制其吸收的。如磷酸鹽能促進土壤鎘的吸收,鈣鎂磷肥卻能抑制植物吸收鎘。

4.重金屬污染治理

4.1 客土法 此法就是向受到污染的土壤中加入大量的未污染土壤,覆蓋其表面或者均勻地混合,盡量避免重金屬元素與根系的接觸或者使污染物含量下降到臨界危害含量以下,從而達到減輕危害的目的。此法適用于污染面積不大的被污染土壤。但對于某些污染面積很大的土壤并不適用,因為成本太高,操作復雜。

4.2 翻耕法 這種方法的原理是稀釋耕層中污染物濃度,把污染物質濃度高的上層翻至下層,濃度低的就由下層翻至上層。當然這種方法也有一定的局限性,如耕層下面的污染物濃度也非常高或者是土層淺薄,則這個方法無效。

4.3 化學治理措施 化學治理主要的方法就是向土壤中投入抑制劑、改良劑,增加土壤有機質和粘粒的含量,陽離子代換量改變土壤中的Eh、pH值和電導等物理化性質,使土壤中的鎘發生氧化還原等作用,從而降低鎘的生物有效性。土壤中的pH值對鎘活性影響很大,隨著pH值升高,可增加土壤表面負電荷對Cd2+的吸附。再者是投入石灰性物質,如碳酸鈣,熟石灰等,使其生成沉淀活性逐漸降低。這也是在被鎘污染的土壤上施用石灰從而降低植物吸收鎘的有效方法之一。在土壤中增施易溶性正磷酸化合物,一方面可以提高土壤中磷含量,另一方面可促使重金屬形成不溶性化合物,尤其是土壤污染比較嚴重時更加有效,因為要使重金屬形成難溶性沉淀,就需要有一定的濃度的該種重金屬鹽形成飽和溶液以保證使之產生沉淀。易溶性正磷酸化合物對鎘的抑制作用同樣有效。

4.4 農業生態修復措施 農業生態修復措施是依據可持續發展的戰略思想,因地制宜的改變一些耕作習慣,從而減輕鎘的危害,在被污染土壤中種植不吸附鎘的植物或種植吸附鎘植物將其移除以提高土壤質量。選擇抗污染的植物和不在鎘污染的土壤種植進入食物鏈的植物。例如在含鎘100 mg/kg的土壤上改種苧麻,5年后,土壤的鎘含量平均降低27.6%;因地制宜地種植玉米、水稻、大豆、小麥等作物。

4.5 生物修復 生物修復就是利用有某些特定的動植物去吸附或者吸收污染物質,從而降低污染物在土壤中的濃度。包括微生物修復,低等動物修復和植物修復。如微生物、蚯蚓、藕等。對鎘有強吸附能力的植物有蕨類和十字花科植物。植物修復技術是指將某種特定植物種植在重金屬污染的土壤上,該種植物對土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力,將植物收獲并進行妥善處理(如灰化回收)后即可將該種重金屬移出土體,達到污染治理與生態修復的目。植物修復包括植物吸收,植物固定,植物揮發等,現在運用最廣的是植物吸收。但是植物修復目前尚處于試驗階段,無法大規模大面積的進行實地修復,面對日益嚴重的重金屬污染,當務之急還是要完善該技術,提高植物修復效率。

5. 建議

污染較大的工廠應該建于居民區和農田的下風向,防止重金屬由風輸送進入土壤中;盡量少工業污泥灌溉良田,或者先對工業污泥做相應的處理,減少工業污泥中重金屬和有害物質;對減少工業化有機肥中重金屬來說,主要從兩方面來減少重金屬污染。首先從飼料方面,要嚴格遵守國家關于微量元素添加量的有關規定,從根源上減少動物飼料里重金屬含量。對動物糞便中加碳酸鈣發酵堆制等方法,可鈍化重金屬離子,降低重金屬離子對土壤污染;在被污染區先行種植吸附重金屬性強的植物,把土壤中重金屬含量降到最低,達到相關要求后,再種植可使用作物。或者直接選育抗性強,吸收量少的農作物品系在污染區推廣種植。

6.總結

鎘污染及重金屬污染的防治不是單個技術問題和某個單位的責任,而是全面的技術問題和整個社會責任,需要有關部門和全社會有機結合起來,加強環境管理,有效解決環境問題,為子孫后代創造一個更美好的明天。