土壤鎘污染治理及外源調控研究進展

劉紅梅，楊 凱，肖正午

（1湖南農業大學農學院，長沙410128；2常德市鼎城區十美堂鎮農業和農村經營管理服務站，湖南常德415118）

鎘（Cd），一種生物蓄積性強、毒性持久、“致畸、致癌、致突變”的非典型過渡性重金屬，生物遷移性較強，極易被作物吸收累積，危害作物的生長發育，嚴重影響作物品質和產量，并經食物鏈進入生物體，導致肺、肝、腎、骨骼和生殖器官等的損傷，或導致免疫系統、心血管系統的毒性效應，引發多種疾病［1，2］。當前，土壤鎘污染已成為全球嚴重的環境問題［3］。據不完全統計，我國目前約2000萬公頃的耕地面積受鎘污染，約占總耕地面積的1/5，每年因此造成的經濟損失僅在糧食作物上就達200億元［2，4］。治理土壤重金屬污染、保障作物安全生產是極其重要的科學任務。

前人關于土壤鎘污染治理及外源調控已有大量的研究報道，本文對此進行綜述，并提出述評和展望，以期為作物安全生產提供參考。

1 土壤鎘污染現狀及其危害

1.1 土壤鎘污染現狀

據估計，過去50年中全球排放到環境中的鎘達到2.2×105t，其中 82% ～94%的鎘進入了土壤［5］。目前，我國的土壤鎘污染情況比較嚴重。據2014年4月17日環境保護部和國土資源部聯合公布的全國土壤污染調查公報［6］，全國土壤總的超標率為16.1%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%，污染以無機型為主，無機污染物超標點位數占全部超標點位的82.8%，鎘的無機污染物點位超標率最高，達到7%。污染分布表現為，南方土壤污染重于北方；長江三角洲、珠江三角洲、東北老工業基地等部分區域土壤污染問題較為突出，西南、中南地區土壤重金屬超標范圍較大；鎘、汞、砷、鉛4種無機污染物含量分布呈現從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態勢。在不同土地利用類型的土壤中，土壤點位超標率最高，達到了19.4%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛、滴滴涕和多環芳烴。

1.2 土壤鎘污染的緣由

王凱榮認為，我國鎘污染之所以出現在農田里是農田采用工業污水作為肥料和水源造成的［7］。崔力拓等的研究進一步表明了我國農田鎘污染發生的緣由，不僅來源于工業廢水，大量煤、石油和天然氣的燃燒以及煉鋼煉金過程排出的廢氣中，均含有大量的重金屬鎘，重金屬鎘的沉降進而污染了河流和土壤［8］。張興梅等提出，施肥不當，使用含鎘的肥料，或者長期施肥等都會使土壤鎘污染的面積擴大，并加重污染的程度［9］。龐榮麗等則認為施用污泥肥料也是鎘污染的來源之一，因為城市污水中的沉淀物中或者分解后的城市垃圾中含有大量營養物質和生長元素，但在施肥過程中，同時也會導致重金屬元素進入土壤［10］。

樊霆等的報道指出，固體廢棄物也是鎘污染的來源之一，因工廠和城市垃圾中，鎘容易擴散［11］，并且會以堆放處為中心向四周的土壤和水體轉移。同時，有研究表明在農作物生產過程中長期使用磷肥等化學肥料也會導致土壤中的鎘含量增加［12］。

1.3 土壤鎘污染的危害

1.3.1 對植物的危害

土壤中鎘超標時，鎘就會對植物造成危害。一般情況下，鎘在土壤中會以兩種方式存在：一種是水溶性，另一種是非水溶性。前者能夠被植物所吸收，當鎘被植物吸收后就會對植物造成危害。植物會表現出葉色衰退、植株矮小、發育不良等癥狀，有時鎘對植株的根部傷害進而會影響植物喪失某些功能，從而導致植株發生異常情況［13］。

1.3.2 對人類的危害

鎘是一種有毒的重金屬元素，對人體健康有毒害作用，且不容易治療［14］。但通常情況下，土壤中的鎘對人體不會造成直接危害［15］。歐陽燕玲等指出，金屬鎘及其化合物主要通過消化道與呼吸道進入人體，過量的鎘會損害腎臟，引發骨質疏松，甚至病理性骨折，也易患肺氣腫、高血壓等病癥，而慢性鎘中毒會出現免疫系統、神經系統與生殖系統方面的病變，還具有一定的致癌性和致畸性［16］。

2 鎘污染治理

目前，土壤重金屬污染治理策略主要是采用工程措施、農藝措施、生物修復及化學調控等手段，利用物理、生物或化學的方法，轉移、吸收、降解或轉化土壤重金屬污染物，使其濃度降低到可接受的水平，或轉化為無毒無害的物質。

2.1 防治措施

在治理鎘的問題上，崔力拓更多的是強調制度安排，如強化田間檢查和管理工作，同時有針對性地適時調整產業層次和種植結構，重點是做好治理鎘污染的相關技術開發工作［8］。

歐陽燕玲等［16］指出，鎘污染食品的源頭不同，鎘污染的安全監測標準和實用的鎘排查體系就很難發揮作用。同時，鎘在人體中的半衰期長達15～30年，鎘中毒后，以現有的醫療技術水平，無法有效地解毒或排毒，因此必須十分重視。預防是目前解決這個問題的關鍵因素和有效手段，因此食品安全部門做好相關工作就顯得非常重要。

2.2 工程措施與農藝措施

王凱榮針對農田鎘污染，提出了治理的相關措施，包括排土、客土和深耕翻土等物理方法［7］。王斌科等提到污泥重金屬可以通過微波降解，可以更省時省力地收集、分解或限制重金屬的積累，從而控制污染或消除重金屬的污染［17］。董萌等提出了土壤淋洗修復法、穩定固化修復法、電動修復法等借助外援的物理化學添加劑作用的修復方法［18］。

目前，主要的工程措施有土壤移除、更換、置換或淋洗等，農藝措施有合理灌溉、合理施肥、降低土壤pH值［19］以及篩選低鎘積累品種等。物理措施不會引進新污染源，但勞動量大，耗時多，成本高。

2.3 生物修復

生物修復包括利用重金屬超積累植物從土壤中富集重金屬轉移到地上部的能力進行植物修復［20，21］和利用微生物在土壤中改變重金屬價態、細胞外化學沉淀、細胞壁固定或揮發等方式降低重金屬毒性的能力進行修復［22］。

生物措施不破壞土壤的物理結構，不造成新的污染源，治理成本低，具有創新性，但是，耐鎘脅迫的植物品種篩選以及植物體內鎘轉運與積累的生理機理研究剛剛起步，亟待發展，而且，生物技術有利于降鎘的相互作用，但是不是所有的技術都有效？對鎘進行修復的植物以及微生物是否會危害土壤中原有的微生物？是否對生物多樣性也帶來威脅？都需要進一步研究。

2.3.1 植物修復技術

張興梅等提出可以采用超富集鎘的植物來吸收重金屬鎘，這些植物對一定程度的鎘脅迫有很強的耐性，具有很強的吸收和蓄積土壤鎘的能力，植物的生長和發育卻不會受到鎘的抑制［9］。

樊霆等將植物修復技術比較全面地概括總結為植物揮發技術、植物穩定技術和植物提取技術，并介紹了歐洲、日本等發達國家的相關研究成果［11］，在發現草本植物和木本植物都有較好的修復能力的基礎上，提出了采用不同種系的植物來共同修復土壤的方法，因此認為可以利用二者相結合的方法，有利于重金屬的分離，利用二者的交叉效應來提高土壤修復的效率和效果。研究結果表明，這種草本木本植物相結合的方法效果更加明顯，值得進一步探索。

2.3.2 動物修復技術

李婧等提出了動物修復的方法，即借助蚯蚓等動物的新陳代謝等生命活動來限制鎘等重金屬的移動，減少其在土壤中的含量［23］。

2.3.3 微生物修復技術

錢春香等的報道認為，利用微生物修復降解技術（細菌和真菌）來治理鎘污染，可以通過微生物的代謝活動來改變土壤中的重金屬離子的化學價態，同時也可以弱化土壤中重金屬的移動能力和減弱其毒性［24］。現有的微生物修復技術包括微生物吸附、微生物礦化固定重金屬和氧化還原重金屬等。樊霆等還提出了聯合修復的方法［11］，具體包括通過植物根部和土壤微生物的相互作用、化學修復技術的聯合作用［25～29］等等。

2.4 化學修復

利用某些化學試劑與重金屬能螯合或存在競爭關系，直接加入土壤或葉面噴施，調控土壤重金屬有效性或在作物體內的遷移，減少作物對重金屬的吸收與積累，是保障作物生產安全行之有效的途徑，即外源調控。

隨著對土地重金屬污染的進一步研究，曹心德等首次提出重金屬復合污染［30］這個詞，引起了廣泛關注。復合污染是一種更加復雜的交叉污染產物，這些復合產物會進一步對土壤和環境等帶來更加復雜的影響。這對鎘污染修復技術又提出了更大的挑戰。同時，他也提出了一種化學修復方法——鈍化修復法，即通過化學沉淀、化學吸附以及化學反應來降低鎘的移動性，從而限制鎘的移動和進一步的復合污染。這種處理方法應用前景相對良好，因其成本低且效果較好，也沒有技術壁壘。并且列舉了一系列的穩定劑，包括石灰石、石灰、粉煤灰等無機穩定劑，有機肥等有機穩定劑，固體廢棄物等無機的和有機的混合材料，甚至提出了納米穩定劑和復合穩定劑。

詹杰等研究了鎘污染農田土質改良劑，包括有機型、無機型和混合型三大類，研究結果表明，有機物料改良了土壤的環境，而無機物料卻降低了鎘的有效性［31］。

目前研究發現的緩解重金屬毒害的外源調控劑主要有：①GSH，存在于生物體中的小分子游離硫醇三肽，對維持蛋白硫醇水平、硫醇和二硫鍵交換、清除氫過氧化物和自由基以及氨基酸跨膜運輸等諸多生命過程有重要作用［32］，特有的氧化還原及親核特性使其能參與抵御重金屬的毒性反應［33］，在緩解重金屬引起的氧化脅迫中作用重大［34］；②硅，能促進植物的生長發育［35］，能顯著提高植物對鎘［36］等重金屬的耐性并降低其吸收；③硒，低濃度硒對植物生長有益［37］，培養液中添加硒能夠顯著緩解鎘對植物的毒害［38］；④鋅，植物生長發育的必需營養元素，由于與鎘化學性質類似，在植物的吸收和轉運過程中可能表現出拮抗作用，能緩解小麥［39］、水稻［40，41］等的鎘毒害。

總的來說，化學措施難度系數小，易于操作。但已有的研究仍存在一些不足，如：①雖已表明外源調控劑硅、GSH、硒和鋅等在實驗室條件下均能顯著緩解鎘毒害，但在復雜的大田條件下，單獨或復合使用外源調控試劑對Cd毒害的緩解作用有待驗證；②鎘脅迫下不同外源調控劑處理，對作物的生理活性物質、抗氧化酶及緩解脅迫的調控機理和自身防衛機制有待研究；③大田條件下不同外源調控劑處理對水稻植株生長、稻米衛生安全品質和食味品質的影響有待分析；④是否產生新的污染物，造成“二次破壞”？

3 降鎘外源調控的展望

外源降鎘，一方面是為了改善土質，降低土壤中鎘的含量，另一方面是為了加強植物對鎘的抗性。總的來說，還是為了保障糧食安全生產。

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，人類對稻米的需求持續增加，而且隨著經濟的快速發展和生活水平的不斷提高，人們對稻米品質的要求也越來越高。解決鎘污染環境下稻米品質和質量安全的問題，對保障人們健康和提升中國稻米在國際市場上的競爭力，具有重要的現實意義。

因此，探索以提高水稻鎘耐性和降低水稻糙米鎘積累為目的的低鎘栽培外源調控措施，研究外源調控處理對鎘污染大田條件下水稻植株在各生育期其鎘吸收和轉運的特點，水稻植株對鎘的解毒機理和自身防衛機制，對糙米鎘積累和稻米衛生品質和食味品質等的影響，以及外源調控對稻米衛生安全品質和食味品質的影響程度，是實現在鎘中/輕度污染農田水稻安全生產的有效途徑，對改善稻米品質，改良農業生態環境和保證糧食安全有重大意義。