稻田系統中鎘來源研究進展

趙國強

(1.陜西地建土地綜合開發有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075)

1 引言

鎘是自然界存在的5大重金屬元素之一，其在環境中很容易遷移轉化，且對人體有很強的危害性，因此被列為《國家重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》重點關注元素之一。近年隨著工業廢水、廢氣、廢渣等點源污染源以及禽畜糞便、污水、肥料、農藥、污泥等農業面源污染源對土壤的持續污染，使得人們對土壤中鎘污染的重視程度越來越高。已有研究表明：Cd、Cr和Pb等重金屬已對我國近2000萬hm2的耕地產生污染，其中受Cd污染的耕地面積達到1.33萬hm2[1]，且呈現出區域化快速發展的趨勢。我國每年Cd超標的農產品達14.6 億kg[2,3]，其中稻米鎘對人類社會帶來的健康風險已引起高度關注。

水稻是我國重要的糧食作物之一，不僅種植范圍廣泛，且相比其他糧食作物產量更加豐富。有研究統計，水稻種植面積約占我國糧食作物種植面積的27.2%，且以水稻作為主要糧食作物的人口約占我國總人口的65%[4,5]。稻田中的鎘含量超標會嚴重破壞稻田生態系統的生態平衡，而且會影響水稻的產量和品質，甚至可以通過食物鏈傳送到人體危害人類的生命健康。與其他農作物相比，水稻更容易吸收到稻田中的鎘并轉運至籽粒中，從而使籽粒中鎘含量超標危害人體健康。鎘污染已成為限制我國水稻生產和水稻品質的主要限制因素之一[3,6]。盡管土壤中鎘污染對水稻生態系統的風險已備受關注，但隨著農田生態系統中鎘污染的加劇以及水稻生態系統中污染情況的復雜性，稻田中鎘污染的超標率呈現出不斷上升的趨勢[7]。稻田生態系統是由土壤-水稻-生物體構造的一個人工生態系統，由于其頻繁的淹水、排水等農業活動，使得稻田中的鎘具有很強的遷移轉化特性和對人體高度危害特性。

2 稻田生態系統中Cd的來源

農田生態系統中Cd的污染來源包含自然來源和人工來源。自然來源中的Cd主要來源于風化后的成土母質，其含量和生物有效性都相對較低；人為來源主要有采礦業、制造業、煉油、城市和工業污水農業源重金屬污染等[8]。

2.1 自然來源

不同的成土母質發育而成的土壤中其Cd的含量也不盡相同，由海洋中的黑色頁巖發育而成的土壤，其土壤中Cd的背景值含量相對較高，而由火成巖、砂巖和石灰巖發育而成的土壤其Cd的背景值含量相對較低。我國地帶性土壤中有近4%的土壤中Cd的含量超過了《土壤環境質量標準》的二級標準0.3 mg/kg(pH<7.5)[9]，而有96.02%的地帶性土壤中的Cd含量低于國家二級標準，這將成為今后在土壤環境質量標準修訂過程中需要考慮的問題之一。研究表明:我國以母巖劃分的土壤A層Cd含量范圍為0.001～8.220 mg/kg，其算術平均值變化為0.048～0.218 mg/kg，其中以沙巖最低(0.048 mg/kg)，以石灰巖最高(0.218 mg/kg)[9]。因此，母質不同導致土壤中Cd的含量差異有很大不同，平均Cd含量最低的是風沙土，含量0.044 mg/kg，而最高的是石灰(巖)土，含量達1.115 mg/kg[4]。因此，由于母質中Cd含量的不同所導致的土壤背景值Cd的不同這一因素不容忽視。

2.2 人工來源

農田中工業廢水通過灌溉渠道造成污染、廢渣堆積造成土壤中鎘污染、大氣顆粒中的重金屬，通過干濕沉降進入農田造成污染。農業污染源(有機肥、復合肥、污水灌溉、農藥及污泥農用等)造成農田生態系統中鎘積累。Athur等[10]研究表明，英國農田中的鎘的含量有50%的含量來源于大氣沉降。類似的發現如，廣東韶關某地區由于礦山的開采，而開采過程中產生的廢水外排使當地農田中鎘含量嚴重超標，致使該地區成為癌癥村；湖南省某個礦區附近土壤中的鎘含量超過國家二級土壤換將標注的9～171倍，達到了2.8～51.3 mg/kg[11]；韓國工礦區附近，有超過21%的農田土壤受到重金屬鎘的嚴重污染[12]。每年有超過數百萬噸的酸性尾礦未經適當處理就進行丟棄，經過沖刷排放的酸性水會使富含重金屬礦產中的硫化物氧化，導致礦渣內的鎘等重金屬離子被淋洗進入河流以及農田生態系統，成為糧食經濟作物中重金屬的主要來源[13,14]。Loganathan P[15]等的研究表明，污水灌溉的農田土壤中，我國有近140萬hm2的農田土壤正在遭受重金屬污染的威脅，而污水灌溉土壤中的鎘含量與農田生態系統中的鎘含量呈顯著的正相關關系(相關系數為0.996)[16]。農田灌溉污水中鎘的含量的多少受地區的不同含量差異很大，主要包括采礦廢水、城市生活廢水、電鍍、衣料、涂料和家電制造業污水等(表1)[12]。

表1 不同磷肥和有機肥中磷與Cd的含量及其安全施用年限

2.3 其他來源

除了自然來源和工業來源以外，農田土壤中長期磷肥的施用也是導致農田生態系統中Cd含量超標的主要原因之一，常用磷肥包括普通過磷酸鈣、重過磷酸鈣、磷礦粉、復合磷肥等[16,17]。加工成磷肥的磷礦石中都含有成分不等的鎘含量，而磷礦石中有60%～80%的鎘都會留存在磷肥中，最終通過施肥途徑進入農田生態系統。另外，污泥農用以及集約化的養殖場中禽畜糞便等有機肥的施用也是農田生態系統中鎘污染的主要污染源之一[18,19]。劉榮樂等通過研究我國有機廢棄物中的重金屬含量發現，相對于德國堆肥中重金屬含量標準為依據，豬糞中的Cu、Zn、Ni、Cd、Cr超標率達10.3%～69%，且在雞糞、牛糞中的重金屬含量也同樣超標，且以Cd超標為主[7]。糞便中的重金屬含量超標可能由于飼料本身或者在飼料中使用了含有重金屬等添加劑有關。盡管有許多國家已經制定了污泥中重金屬含量的最高限值，但有機肥和腐殖質堆肥中重金屬的限制標準卻沒有[12,19]。基于水稻土中Cd的限量值(3.0 mg/kg)計算不同來源磷肥和有機肥最長施用年限，從表中可見，與磷肥中的Cd對比而言，農家肥中的Cd應該引起足夠的重視。

3 展望

隨著鎘毒米、癌癥村的不斷出現，重金屬污染問題越來越引起地區及行業內的重視。通過研究鎘元素的來源、轉化及演變過程，為將來制定鎘污染健康標準提供理論依據，也為將來治理鎘污染土壤、水質、大氣提供參考依據。