鎘污染農田的不同修復技術現狀及展望

楊云帆，夏衛生，王小芳

（1． 湖南師范大學資源與環境科學學院，湖南長沙 410012；2． 湖南廣闊天地科技有限公司，湖南長沙 410137）

鎘是植物生長和發育過程中的非必需元素，同時也是環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查公告》中，土壤中鎘污染已成為所有無機污染物超標率之最[1]。考慮到土壤鎘污染的嚴重性以及土壤系統的復雜性，世界各國依據本國的實際情況制定了相應的土壤重金屬鎘的標準限值和最大允許濃度。根據我國《土壤環境質量標準》（GB15618-1995）中規定的適用于一般農田、果園、茶園、蔬菜地等土壤中鎘的質量標準應在0.3～0.6 mg/kg范圍內，全國部分地區已存在鎘含量超標現象[2]。而水稻又是一種鎘積累能力較強的植物，又是重要的糧食作物，故規定稻谷中鎘含量應低于0.2 mg/kg，全國大部分地區米鎘超過該含量，這將嚴重威脅到動植物的生長和人類健康。

1 我國鎘污染現狀

20世紀70年代，我國才開始農田土壤鎘污染的調查工作，1980年中國農業環境報告顯示，我國有9 333 hm2土壤存在鎘污染現象，據有關報道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作物調查研究，很難準確估計我國農田實際污染面積和鎘超標稻谷總量。

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

表1 我國部分地區污染農田土壤和農作物鎘含量

2 重金屬鎘污染修復技術探討

稻米中的鎘含量受品種、土壤等因素影響，根據鎘在稻米中的富集規律，目前已研究出多種鎘污染稻米的治理方法。應對稻米鎘污染的方法主要有3個。第一是從源頭出發，修復治理鎘污染土壤；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；第三是從產品加工角度出發，通過加工技術降低稻米及制品的鎘含量[6]。目前研究工作和實際推行的修復措施都側重于通過土壤修復和低鎘品種來達到鎘污染修復效果。如農業部、財政部在湖南水稻鎘污染地區實施推廣“VIP+n”稻米鎘污染控制技術模式。該技術包括種植鎘低積累型水稻品種、合理灌溉、調控土壤酸堿度3項關鍵技術，同時根據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

土壤修復是指通過農業、物理、化學和生物的方法轉移、吸收、降解和轉化土壤中的污染物，使其濃度降低到可接受水平，或將有毒有害的污染物轉化為無害的物質，一般包括農業修復、工程修復、生物修復和化學修復4類方法。

2.1.1 農業修復

農業修復的主要途徑包括合理灌溉、增施化肥或有機肥，有機肥包括堆肥、廄肥、秸稈等，施用有機肥可提高土壤有機質、改善土壤理化性質，增加土壤膠體對鎘的吸附，許多研究發現施化肥和有機肥容易造成土壤二次污染。

據報道，土壤水分調控主要是通過調控土壤活性進而調控水稻對鎘的吸收。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，而我國局部地區水資源匱乏，且容易造成水體污染，實施有待商榷。

2.1.2 物理修復

物理修復主要包括客土、排土和深翻耕等，通過在污染土壤區增添凈土，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的研究發現幾乎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 化學修復

化學修復主要是利用土壤改良劑增加土壤有機質，改變土壤pH、EH值、陽離子代換量等理化性質，使土壤鎘產生氧化、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]，國內外眾多學者對施用各種化學改良劑降低鎘進入食物鏈的效果進行了大量的研究，一般認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]。化學修復具有操作簡單和費用較低的特點，在污染較輕的地區修復效果較好，但在污染較嚴重的則不明顯，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[18]。

2.1.4 生物修復

生物修復是利用動植物和微生物的某些習性來適應、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實驗，具有修復速度慢，修復效果不明顯的特點。生物修復較多側重于通過植物吸收、分解、轉化或固定土壤鎘，目前利用超累積植物治理鎘污染是研究的熱點，土壤修復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]。但由于植物修復周期長，吸收重金屬的容量有限，修復效果僅限于表層土壤，且不能代替糧食作物的經濟價值，目前處于田間實驗和示范階段。

2.2 水稻品種

除土壤環境外，農作物也是影響鎘積累的重要因素。不同類型農作物吸收重金屬的生理生化機制各異，因而有不同的吸收和富集特征，即使是同一類型的農作物，不同品種間富集重金屬的能力也有顯著差異。李坤權、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]；其他學者也認為，不同品種稻米對鎘的富集呈現出顯著的差異性，并略呈現出雜交稻富集程度高于常規稻，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量不穩定的特點，大范圍推廣較難。

由于土壤污染的復雜性，有時靠單一方法難以修復土壤污染，需要采用多種技術。由于現實生產過程中條件限制，單一的農藝調控措施往往很難達到安全生產的要求，往往需要多種修復措施配套施用[24][25]。戴桂金在鳳凰縣利用田間實驗研究了單項及綜合調控技術對稻米鎘含量的效果，試驗結果表明，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]。沈欣利用盆栽試驗研究了單項及組合農藝調控措施的效果，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查

目前由于缺乏詳細和全面的調查，無法精準確定土壤鎘污染的實際面積和鎘污染稻谷的數量。同時，我國現行土壤環境質量標準中是以全量鎘為標準值，鎘污染調查強調土壤全量，忽視土壤有效態，而全量僅代表鎘的總貯量，有效態才能說明鎘的供給水平，有效態的變化主要與pH、EH值、有機質有關，因此可以避免土壤類型和土壤環境的不同而引起的實際危害差異，故在監測和效果評價中應強調有效態鎘含量的變化。

3.2 加強理論研究，創新修復技術

我國對于重金屬鎘污染的研究和實際治理都有所突破，取得了一定成效，但由于土壤鎘污染的復雜性和綜合性，理論研究的不足和技術的有限性，所以目前并沒有找到高效、穩定、普遍適用的單項修復技術。因此，在未來的修復治理過程中，不同的污染土壤應對應不同的修復技術，同時要結合綜合技術，考慮區域自然地理環境，污染程度、污染類型及經濟效益等，并動態監測鎘污染狀況的變化以便及時調整修復措施。

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作物對土壤中微量元素的吸收效果。農作物對微量元素的需求量是相當小的，從缺乏到毒害的數量范圍非常窄，而微量元素缺乏或者過量主要與土壤環境有關[27]，重金屬鎘修復治理過程中將使土壤pH、EH值、有機質等理化性質發生改變，甚至鎘與微量元素之間發生協同和拮抗作用，從而影響農作物對微量元素的吸收，進而對其生長發育產生影響，甚至危及人類和動植物的健康[28-30]。因此，在后續的重金屬治理措施中，應重視對微量元素的研究。

[1] 寧校平，陳文清．土壤鎘污染修復技術發展現狀．四川化工，2015，18（06）：18～21

[2] 王維薇，林清．國內外土壤鎘污染及其修復技術的現狀與展望．綠色科技，2017，（04）：90～93

[3] 柳絮，范仲學，張斌，等．我國土壤鎘污染及其修復研究．山東農業科學，2007，（06）：94～97

[4] 李婧，周艷文，陳森，等．我國土壤鎘污染現狀、危害及其治理方法綜述．安徽農學通報，2015，21（24）：104～107

[5] 蘇彬彬．改良劑對重金屬污染土壤的穩定化修復效果及健康風險評估．安徽理工大學，2016

[6] 魏益民，魏帥，郭波莉，等．含鎘稻米的分布及治理技術概述．食品科學技術學報，2013，31（02）：1～6

[7] 王凱榮．我國農田鎘污染現狀及其治理利用對策．農業環境保護，1997，（06）：35～39

[8] 黃道友．“稻米鎘污染控制技術研究與示范應用”項目通過成果鑒定．農業現代化研究，2013，34（05）：568

[9] 紀雄輝，梁永超，魯艷紅，等．污染稻田水分管理對水稻吸收積累鎘的影響及其作用機理．生態學報，2007，（09）：3930～3939

[10] 張麗娜，宗良綱，付世景，等．水分管理方式對水稻在 Cd污染土壤上生長及其吸收 Cd 的影響．安全與環境學報，2006，（05）：49～52

[11] 劉昭兵，紀雄輝，彭華，等．水分管理模式對水稻吸收累積鎘的影響及其作用機理．應用生態學報，2010，21（04）：908～914

[12] 吳燕玉，陳濤，孔慶新，等．張士灌區鎘污染及其改良途徑．環境科學學報，1984，（03）：275～283

[13] 高翔云，湯志云，李建和，等．國內土壤環境污染現狀與防治措施．環境保護，2006，（04）：50～53

[14] 何電源．關于稻田施用石灰的研究．土壤學報，1992，（01）：87～93

[15] 蔡東，肖文芳，李國懷．施用石灰改良酸性土壤的研究進展．中國農學通報，2010，26（09）：206～213

[16] 劉昭兵，紀雄輝，田發祥，等．石灰氮對鎘污染土壤中鎘生物有效性的影響．生態環境學報，2011，20（10）：1513～1517

[17] 沈欣，朱奇宏，朱捍華，等．農藝調控措施對水稻鎘積累的影響及其機理研究．農業環境科學學報，2015，（08）：1449～1454

[18] 王新，吳燕玉，梁仁祿，等．各種改性劑對重金屬遷移、積累影響的研究．應用生態學報，1994，（01）：89～91

[19] 肖春文，羅秀云，田云，等．重金屬鎘污染生物修復的研究進展．化學與生物工程，2013，30（08）：1～4

[20] 馬淑敏，孫振鈞，王沖．蚯蚓 - 甜高粱復合系統對土壤鎘污染的修復作用及機理初探．農業環境科學學報，2008，（01）：133～138

[21] 李坤權，劉建國，陸小龍．水稻不同品種對 Cd 吸收及分配的差異．農業環境科學學報，2003，22（5）：529～532

[22] 吳啟堂，陳盧，王廣壽．水稻不同品種對Cd吸收累積的差異和機理研究．生態學報，1999，19（1）：104～107

[23] 仲維功，楊杰，陳志德，王才林，張永春，常志州，周益軍．水稻品種及其器官對土壤重金屬元素Pb、Cd、Hg、As積累的差異．江蘇農業學報，2006，（04）：331～338

[24] 謝敏，黎良平，戴典．VIP+n技術對重金屬污染土壤和稻谷降鎘效果研究．吉林農業，2017，（08）：75～77

[25] 王蜜安，尹麗輝，彭建祥，聶凌利，李翊君，何杰，張文，敖和軍．綜合降鎘（VIP）技術對降低糙米鎘含量的影響研究．中國稻米，2016，22（01）：43～47

[26] 戴桂金．鳳凰縣稻米鎘污染VIP控制技術的研究與應用．現代農業科技，2016，（04）：203～204

[27] 廖金鳳．土壤環境對作物中微量元素含量的影響．中國化學會．中國化學會第六屆全國微量元素研究和進展學術研討會論文集，2004：3

[28] 陳歆．淺談土壤微量營養元素的相互作用．甘肅農業，2007，（01）：79～80

[29] 陸欣主編．土壤肥料學．北京：中國農業大學出版社，2002

[30] 董華夏．水稻種質資源糙米礦質元素含量的分析．華中農業大學，2014