我國農業園區土壤重金屬鎘的研究進展

郭 振，徐 艷，李 娟

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；3.國土資源部退化及未利用土地整治重點實驗室，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075)

1 引言

隨著我國農業結構的調整和農村經濟的發展，各地涌現了一批以現代科學技術為支柱、以科學管理方式為理念的休閑農業園、大型養殖園和設施農業園等各類園區，它是對土地等自然資源進行優化配置后的新型表現形式。因為工業化、城鎮化的快速勃起以及大量化肥農藥在農業上的使用和污水灌溉等，大量污染物得以進入土體，從而造成重金屬污染。重金屬的污染會影響土壤物理結構和生物功能，通過“土體、植物體和人體”或“土體、水體和人體”的生物鏈途徑間接被人吸收，危害人類健康[1]。

重金屬元素鎘(Cd)屬于第二副族，在地殼中約含十萬分之一[2]，屬于稀缺元素。Cd元素較其他元素更容易進入植物體，因為Cd容易發生化學反應，活度大且活性較強，在植物體內大量積累后會對其造成一定危害。有研究表明[3]，當植物體內Cd濃度達到1 mg/kg時，其生命體就會出現一系列的不適應癥狀，從而導致其生物量下降直至死亡。Cd具有隱蔽性，在植物的正常發育過程中會潛在積累，而植物體加工后Cd含量不能消除，長期被人體食用后就會積聚成害，從而威脅人體健康[4]。雖然含Cd化合物不能夠被腸道吸收，但可經由呼吸作用進入人體，表現為在肝臟和腎臟中積累較多，繼而導致人體發生一系列病害[5]。由于Cd在人體中的累積，破壞了或影響了人體的免疫調節力和部分遷移轉化功能，從而影響機體對鈣和磷的吸收，繼而導致維生素D的代謝發生變異，使人體腎臟和骨骼產生病變。有研究指出人體在攝入過量的Cd及其化合物后會導致“三致效應(致突變、致畸和致癌)”[6]。Cd在人體中主要是通過腎臟過濾經由尿液排出，且排出速度極慢，還有一部分以糞便的形式排出，其在人體內的滯留時間長達35年左右，治療非常困難[6]。因此面對Cd污染帶來的農業園區的環境問題，對其進行有效治理刻不容緩。

2 鎘的污染來源

2.1 大氣沉降與廢棄物堆積

工業廢氣的排放、汽車尾氣的排放和輪胎磨損均會產生大量的Cd有害氣體，這三種途徑被看做是大氣中Cd污染的最主要來源，其經自然降雨發生沉降而進入土壤[7]。道路兩側土壤中的Cd污染情況成條帶狀分布，以道路為中心軸向兩側的污染強度逐漸減弱。對于重金屬廢棄物，不同種類其污染方式和程度不一樣，一般以廢棄堆為中心向四周擴散。

2.2 農藥、化肥和塑料薄膜的使用

農藥和化肥中均含有一定量的Cd元素，農藥使用的不合理和化肥的單獨施用均可導致土壤Cd污染。一般情況下，肥料中Cd的含量情況表現為過磷酸鹽 > 磷肥 > 氮肥 > 鉀肥[8]。生產農用塑料薄膜過程中用到的熱穩定劑含有Cd，而塑料大棚和地膜的大量使用都可造成土壤Cd污染。

2.3 污水灌溉和污泥施肥

污水灌溉作為農業灌溉用水的重要組成部分，其灌溉面積近年來逐漸擴大，北方旱區大于南方，西北和青藏最少[9]。城市污水主要包括3方面，即工業廢水、商業污水和生活污水。在分布上通常是接近污染源頭和城市工業區的土壤污染嚴重，反之較輕或不污染[10]。雖然污泥中含有大量的有機養分，但同時也由于污水灌溉的沉淀使污泥中含有更多的重金屬，伴隨著市政污泥入田的舉措，使農田中重金屬的含量在不斷增高[11]。

2.4 金屬礦山酸性廢水

金屬礦山的開發和冶煉過程中釋放的酸性廢水，隨著排水和降雨途徑使之進入土壤或河流，可間接或直接地造成重金屬污染。其污染范圍一般在礦山的四周或河道的下游，順著河道由于金屬元素的遷移能力減弱和水體自凈能力的適度恢復，所以下游污染強度降低[8]。

3 農業園區土壤中鎘的污染危害

3.1 土壤中鎘污染的評價標準

目前，經常使用的評估土壤污染的標準一般有自然背景值和環境質量標準兩種(表1)，是土壤污染程度判定的重要影響因素。

表1 土壤環境質量標準值

注：數據來源于《土壤環境質量標準》

3.2 土壤中鎘的形態分布

重金屬在土壤中只能發生遷移轉化不能被降解。Cd進入土壤后，與土壤中的某些物質發生反應，如氧化還原、吸附與解吸、絡合、溶解與沉淀，導致重金屬元素形態發生變化[12]。Tessier等[13]根據五步連續提取法將重金屬分為5種不同形態，即碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、可交換態、殘渣晶格態和有機物結合態。其中，可交換態Cd對環境變化比較敏感，易被植物吸收利用從而對植物產生污染。殘渣晶格態比較穩定，稱為生物不可利用態。

而碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態和有機物態被稱為潛在可利用態，當氧化還原電位下降或處在酸性介質中時可以釋放出來。

3.3 鎘的植物毒性和微生物毒性

有關研究結果表明，作物對Cd的吸收隨pH值的增高而降低，氧化還原電位也影響作物對Cd吸收的一個因素[14]。土壤Cd產生的植物毒害主要為抑制根的伸長和根數的增多，影響植物的光合作用并使植物細胞結構遭到破壞[13]。田艷芬等[15]研究表明，Cd離子通過影響蛋白酶和肽酶的活性使種子萌發和根系生長受到限制，且抑制作用隨離子濃度的增大而增大。Cd對土壤微生物的毒性作用主要表現在影響微生物群落結構、降低生物量、降低微生物生物活性、抑制微生物代謝等方面[13]。楊志新等[16]研究表明，只有當 Cd2+的濃度達到50 mg/kg 時才表現出對過氧化氫酶和土壤生物量的抑制作用，可能是Cd對微生物的毒害作用相對較小。

3.4 鎘污染對人體健康的危害

進入人體后的Cd容易形成鎘硫蛋白，通過血液并有選擇性地蓄積于腎、肝中，其次在脾、胰、甲狀腺、睪丸和毛發中也有部分積蓄。正常人的血液中，Cd含量很低，Cd的排泄主要由糞便排出，少量從尿中排出。Cd在人體中與含氨基、羥基和巰基等蛋白質分子結合，使眾多酶系統遭受抑制，繼而影響肝、腎器官中酶系統的正常運行。Cd還可毀壞腎小管，伴隨著糖尿、蛋白尿和氨基酸尿等癥狀的出現，人體尿鈣、尿酸的排出量也會增加。此外，骨骼的生長代謝也會受到Cd的危害，最終導致人體骨質疏松、萎縮和變形等。

4 土壤中鎘污染治理方法

4.1 農業生態修復法

農業生態修復法包括水分控制、施用有機肥、選用抗污染的作物和改變耕作制度等。通過調節土壤水分含量和氧化還原電位，可以使作物在生長期間達到一個較為穩定的滯水期，從而有效減少進入植物體內的Cd含量[12]。有機肥的施用可以改善土壤理化性質，可直接或間接增加土壤養分含量并且促進團粒結構的形成，從而增強土壤的膠結作用，使土壤膠體對重金屬產生吸附作用[17]。除此之外，為了減少Cd污染產品進入食物鏈，在污染的地區可以改種非食用植物，如：苗木、棉花和桑麻等。

4.2 物化治理

物理方法常見的有玻璃化法、電化法和提取法。玻璃化技術是運用加熱的方法將受污土壤進行熔化，再經冷卻形成比較穩定的玻璃物質，該技術比較復雜，需消耗大量的人力物力，技術成本高，推廣受到限制。電化法是通過低強度的直流電使金屬陽離子流向陰極，然后采取相應措施回收。提取法包括洗土法和浸濾法等，其工作原理基本一致，均是讓試劑與土壤Cd進行作用而形成溶解性鎘離子，然后采取相應措施回收并循環利用提取液[8,13]。而化學治理方法主要是通過離子之間的拮抗作用來降低植物對Cd的吸收，目前常用方法是向土壤中添加表面活性劑、改良劑、鈍化劑和金屬拮抗劑等(磷酸鹽、硅酸鹽和石灰)。有研究結果表明在污染土壤中加入鐵渣、廢鐵礦等物質，能夠明顯降低植物中鎘、鋅的含量[16]。

4.3 工程治理

工程治理法主要包括客土法、清洗法和電泳法等。其中，客土法是通過工程措施向受損土壤中投入大量的清潔土壤，使污染物濃度下降到臨界危害濃度以下[18]，但是這種方法耗資大，使土壤肥力下降，又容易造成二次污染。清洗法就是用清水或具有溶解性物質的水溶液把污染物沖至根外層，再用含有一定配位體的化合物與污染物形成比較穩定的絡合物或沉淀以防止污染地下水。但有研究表明[19]，EDTA加入土壤1周后，水溶態和交換態的Cd分別增長了數百倍和數十倍，或許是EDTA增強了Cd的流動性。因此，使用EDTA或其它絡合劑時要慎重。電泳法是新興方法，即在穩定電流作用下，金屬離子在電壓的驅動下向兩個石墨電極移動。

4.4 生物修復

生物修復方法包括動植物修復和微生物修復。植物修復主要是指利用綠色植物將有毒污染物變得對環境無害，該技術重點包括植物提取、植物揮發和植物鈍化3個方面。微生物在鎘污染的修復中發揮著獨特的作用，主要通過兩個方面，即生物氧化還原和生物吸附[20]。該方法具有成本低、效果好、管理和操作方便等優點，越來越受到人們的重視，成為生物修復Cd污染的研究熱點。動物修復是指土壤中動物群對重金屬進行吸收和轉化分解，間接改善土壤性質，使土壤肥力得以提高，以促進植物和微生物的生長為成效的土壤修復過程[21]。成杰民等[22]在研究蚯蚓-菌根對鎘污染土壤的修復作用時表明，接種菌根不僅促進了作物對Cd的吸收，而且還能促進Cd從植物根部向上部轉移，可能是接種蚯蚓提高了菌根的浸染率，這對提高植物修復的效率很有意義。

5 結論

土壤是環境體系的一個重要媒介。土壤污染作為環境污染的一個關鍵環節，其質量和污染程度對整個生態系統都有重要影響，而土壤重金屬污染問題已成為近年來環境領域研究的熱點。綜合文章所述，我國在土壤Cd的污染治理方面雖取得了一定的成效，但也存在少許理論和技術上的問題，如土壤中Cd與礦物之間的吸附與解吸等。同時我國現代農業園區發展迅速，其社會影響正在不斷擴大。但農業園區發展并不成熟，缺乏深度與廣度。為實現園區可持續發展，建立良好的自然生態環境，必須重視土壤Cd的污染問題，應從污染來源的源頭進行有效控制和防范。我國在世界上屬于人多地少的農業大國，在土壤污染方面開展綜合有效的治理措施，顯得更為必要。

ResearchProgressonHeavyMetalCadmiuminSoilofAgriculturalParksinChina

Guo Zhen1,2,3,4, Xu Yan1,2,3,4, Li Juan1,2,3,4

(1.ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi, 710075,China; 2.InstituteofLandEngineeringandTechnology,ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi, 710075,China; 3.KeyLaboratoryofDegradedandUnusedLandConsolidationEngineering,theMinistryofLandandResources,Xi’an,Shaanxi,710075,China; 4.ShaanxiProvincialLandConsolidationEngineeringTechnologyResearchCenter,Xi’an,Shaanxi,710075,China)

Abstract: In recent years, China’s agricultural science and technology is developing rapidly. More and more agricultural parks have emerged everywhere. Governance of agricultural park in soil heavy metal pollution is an important task. The source of the cadmium pollution in soil were introduced in this paper. It also reminds people to improve soil quality awareness, protect the ecological environment, and achieve harmonious coexistence between man and nature.

Keywords: agricultural park; soil; heavy metal; cadmium