龐榮麗++王瑞萍++謝漢忠++郭琳琳++李君
摘 要:我國工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展,對土壤環(huán)境造成了不同程度的污染,尤其是鎘污染問題已經(jīng)引起全球的高度重視。本文分析了我國土壤中鎘污染現(xiàn)狀及鎘污染的危害,指出了土壤環(huán)境鎘評價指標(biāo)及我國對植物性食品中鎘的規(guī)定;概括了土壤中鎘污染的主要途徑,并對減少土壤中鎘污染途徑提出了建議,以便更好地推動重金屬污染土壤的修復(fù)與治理技術(shù)研究的發(fā)展。
關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)土壤;鎘;危害;污染途徑
中圖分類號:S156 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A DOI 編碼:10.3969/j.issn.1006-6500.2016.12.023
Analysis of Cadmium Pollution in Agricultural Soils and Analysis of its Aay of Pollution
PANG Rongli, WANG Ruiping, XIE Hanzhong, GUO Linlin, LI Jun
(1. Institute of Zhengzhou Pomology, CAAS/ Laboratory of Quality & Safety Risk Assessment for Fruit(Zhengzhou), Ministry of Agriculture, Zhengzhou, Henan 450009, China)
Abstract: The rapid development of industry and agriculture of our country, caused different degrees of pollution on soil environment, especially the problem of cadmium pollution has attracted global attention. The article analyzed the current status of soil cadmium pollution and the harm of cadmium pollution in soil, and pointed out the evaluation indexes of cadmium in soil environment, and summarized the main ways of cadmium pollution in soil, and put forward the suggestions for reducing cadmium pollution in soil. This will better promote the development of soil remediation and treatment technology of cadmium contaminated soil.
Key words: agricultural soils; cadmium; harm; pollution way
土壤是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,也是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而,隨著我國工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,礦產(chǎn)資源的不合理開采,以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中污水灌溉、化肥的不合理使用、畜禽養(yǎng)殖等,導(dǎo)致了土壤重金屬的污染逐步加劇。鎘是環(huán)境中毒性最強(qiáng)的5毒(汞、鉛、鎘、砷、鉻)元素之一,同時由于鎘在土壤中不易遷移,鎘對土壤的污染基本上是一個不可逆轉(zhuǎn)的過程,土壤一旦受到鎘污染就很難恢復(fù),對鎘污染土壤及修復(fù)的研究目前是土壤環(huán)境研究的熱點(diǎn)[1-2]。
本研究擬從土壤鎘污染現(xiàn)狀及評價指標(biāo)、土壤鎘污染的危害及我國對植物性食品中鎘的規(guī)定、土壤中鎘污染的主要途徑等方面著手,全面分析農(nóng)業(yè)土壤中鎘污染來源及其危害性,并對減少土壤中鎘污染途徑提出建議,以期為更好地推動重金屬鎘污染土壤的修復(fù)與治理技術(shù)研究提供參考依據(jù)。
1 我國土壤鎘污染現(xiàn)狀及評價指標(biāo)
1.1 土壤鎘背景值
土壤背景值是指在未受或受人類活動影響小的土壤環(huán)境本身的化學(xué)元素組成及其含量。自然土壤中的鎘主要來源于成土母質(zhì),全世界土壤中鎘的含量一般在0.010~2.000 mg·kg-1,中值為0.35 mg·kg-1。由于我國不同區(qū)域地球化學(xué)條件差異顯著,在我國各區(qū)域土壤中鎘背景值差異較大,土壤中鎘背景范圍為0.001~13.400 mg·kg-1,中值為0.079 mg·kg-1,算術(shù)平均值為0.097 mg·kg-1,低于日本(0.413 mg·kg-1)和英國(0.62 mg·kg-1),95%置信度的置信區(qū)間為0.017~0.330 mg·kg-1 [3]。
1.2 土壤鎘污染現(xiàn)狀
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展以及含重金屬的化肥、農(nóng)藥等的大量使用,導(dǎo)致土壤重金屬污染日益嚴(yán)重,這不僅使土壤肥力、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)下降,而且重金屬元素通過在農(nóng)作物中的富集而影響農(nóng)產(chǎn)品食品安全,從而間接危害人體健康。據(jù)統(tǒng)計,我國鎘污染農(nóng)田超過1.3萬 hm2,涉及11個省市的25個地區(qū)[4],并且部分地區(qū)的鎘污染已相當(dāng)嚴(yán)重。2014年4月17日環(huán)境保護(hù)部和國土資源部聯(lián)合公布了全國土壤污染調(diào)查公報,公布了我國首次全國土壤污染狀況調(diào)查結(jié)果。公報指出,我國土壤環(huán)境狀況令人堪憂,鎘等重金屬污染問題相對比較突出,從污染分布情況看,南方土壤污染較重,北方土壤污染相對較輕,西南、中南地區(qū)土壤重金屬超標(biāo)范圍較大,長江三角洲、珠江三角洲、東北老工業(yè)基地等部分區(qū)域土壤污染問題也較為突出。鎘含量分布呈現(xiàn)出從東北到西南、從西北到東南方向逐漸升高的態(tài)勢,鎘點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%,其中,輕微污染、輕度污染、中度污染、重度污染的比例分別為5.2%,0.8%,0.5%,0.5%。我國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的《中國耕地地球化學(xué)調(diào)查報告(2015)》顯示,我國有232萬hm2重金屬中重度污染或超標(biāo)耕地。
1.3 土壤鎘評價指標(biāo)
評價指標(biāo)的選擇是土壤環(huán)境質(zhì)量評價的關(guān)鍵,現(xiàn)行《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)將土壤各污染物限量值分為三級:一級標(biāo)準(zhǔn)是為保護(hù)區(qū)域自然生態(tài),維持自然背景而設(shè)置,鎘限量值為0.2 mg·kg-1;二級標(biāo)準(zhǔn)是為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn),維護(hù)人體健康而設(shè)置,鎘限量值在pH值<7.5時為0.3 mg·kg-1,在pH值>7.5時為0.6 mg·kg-1;三級標(biāo)準(zhǔn)是為保障農(nóng)林生產(chǎn)和植物正常生長而設(shè)置的土壤臨界值,鎘限量值為1.0 mg·kg-1(pH值>6.5)。此外,我國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《無公害農(nóng)產(chǎn)品 種植業(yè)產(chǎn)地環(huán)境條件》(NY/T 5010—2016)規(guī)定,土壤污染物鎘為基本指標(biāo),具體限量值應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB 15618的要求;《綠色食品 產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量》(NY/T 391—2013)規(guī)定,鎘限量值均為0.30 mg·kg-1(pH值≤7.5)和0.40 mg·kg-1(pH值>7.5)。
2 土壤鎘污染的危害及我國對植物性食品中鎘的規(guī)定
2.1 土壤鎘污染對植物生長的危害
鎘在土壤中具有移動性差、毒性強(qiáng)的特點(diǎn),因而,重金屬污染土壤之后,就有可能導(dǎo)致重金屬等有害物質(zhì)在農(nóng)作物體內(nèi)富集[5-6]。鎘不是植物生長所必需的營養(yǎng)元素,當(dāng)鎘進(jìn)入植物體內(nèi)并積累到一定程度時,就會通過影響植物的生長發(fā)育、抑制植物的呼吸作用和光合作用、減弱植物體中的酶活性[7-8]、降低植物可溶性蛋白和可溶性糖的含量等途徑來影響植物的產(chǎn)量、品質(zhì)和安全,從而間接地危害人類的健康[9-10]。
2.2 土壤鎘污染對人體的毒害作用
鎘不是人體所必需的元素,主要通過影響人體的心血管系統(tǒng)而使人體免疫力下降。鎘屬于肺癌的致癌物之一,同時其還是典型的環(huán)境激素類物質(zhì),對人類生殖系統(tǒng)造成損傷,對胚胎發(fā)育也有一定的毒性。
2.3 我國農(nóng)產(chǎn)品中鎘的限制
我國國家標(biāo)準(zhǔn)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB 2762—2012)中規(guī)定了和土壤相關(guān)的植物性食品中污染物鎘的限量指標(biāo)。
3 土壤中鎘污染的主要途徑
土壤中鎘的自然來源主要是巖石和土壤的本底,人為來源主要是人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動造成的污染。
3.1 交通運(yùn)輸
公路源重金屬對公路旁植物污染來說是主要的污染源,通過對路邊重金屬沉降種類相關(guān)分析表明,路邊的交通造成的污染主要有鉛、鎘、鋅等重金屬。鐵路旁鎘、鉛污染主要?dú)w結(jié)于貨物運(yùn)輸(包括冶煉物質(zhì)、煤炭、石油、建材、礦建等各種大宗工業(yè)物資)、火車輪軸以及車輛部件的磨損、牽引機(jī)車的廢氣排放等[11]。公路、鐵路兩側(cè)土壤中的鎘污染程度與距離路基的距離、交通流量、通車時間長短等有一定的相關(guān)性。全國土壤污染調(diào)查公報(2014年)顯示,在調(diào)查的267條干線公路兩側(cè)的1 578個土壤點(diǎn)位中,超標(biāo)點(diǎn)位占20.3%,主要污染物為鉛、鋅、砷、鎘和多環(huán)芳烴,一般集中在公路兩側(cè)150 m范圍內(nèi)。符燕[12]2007年研究表明,在隴海鐵路鄭商段路兩側(cè)300 m范圍內(nèi),表層土壤中重金屬含量明顯高于我國潮土中鎘背景值,綜合污染指數(shù)為重污染,基本與距鐵路的距離呈負(fù)相關(guān),離鐵路越近,污染指數(shù)越大。羅婭君等[13]2014年對成綿高速公路特征路段兩側(cè)土壤重金屬污染特征及分布規(guī)律進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn),在分析路段范圍內(nèi)Cd單項污染指數(shù)介于2.2~4.35,平均為3.18,污染等級為重度污染。陳黎萍等[14]研究表明,在川中丘陵區(qū)鐵路沿線附近土壤中,鎘總量較高,其化學(xué)形態(tài)主要以酸可交換態(tài)和可還原態(tài)為主,殘渣態(tài)含量很低,說明在鐵路沿線附近土壤中鎘的生物活性和可遷移性較強(qiáng)。
3.2 農(nóng)業(yè)投入品的使用
含鎘肥料主要指磷肥以及一些可以用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的含鎘生活垃圾為原料生產(chǎn)的肥料,大量長期施用會造成不同程度的農(nóng)田鎘污染。生產(chǎn)磷肥的原料是磷礦石,磷礦石中除了含有一些營養(yǎng)元素外,同時也含有較高含量的鎘。資料顯示,磷肥中的鎘含量因原料產(chǎn)地不同而有很大差異,加拿大為2.1~9.3 mg·kg-1,瑞典為2~30 mg·kg-1,荷蘭為9~60 mg·kg-1,澳大利亞的磷肥鎘含量高達(dá)18~91 mg·kg-1,美國為734~159 mg·kg-1,我國的磷礦含鎘大多較低,所以磷肥的鎘含量也較低,如廣州市施用的磷肥鎘含量為2~3 mg·kg-1 [15]。王美等[16]對肥料中重金屬含量研究結(jié)果表明,過磷酸鈣中鎘含量高于鈣鎂磷肥,這與生產(chǎn)原料、生產(chǎn)工藝等有關(guān),這些磷肥的大量長期施用必將導(dǎo)致土壤鎘含量的積累。馬耀華[17]1998年研究結(jié)果顯示,上海地區(qū)的一些菜園土施肥前土壤中Cd的含量為0.134 mg·kg-1,施肥后上升到0.316 mg·kg-1。美國某橘園土壤Cd含量為0.07 mg·kg-1,連續(xù)施用磷肥36年后,土壤Cd含量高達(dá)1.0 mg·kg-1。由于長期施用含鎘磷肥而導(dǎo)致了土壤中Cd的積累,同時增加了植物中Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[18]。因此,含鎘磷肥被認(rèn)為是農(nóng)田鎘污染的重要來源。
以畜禽糞便等為原料堆制成的有機(jī)肥中也含有較高的鎘等重金屬,長期連續(xù)施用也將造成土壤鎘污染[19]。潘霞等[20]研究了畜禽有機(jī)肥對典型蔬果地土壤剖面重金屬分布狀況,指出施用豬糞、羊糞、雞糞3種畜禽有機(jī)肥均可使重金屬在土壤剖面呈現(xiàn)表聚現(xiàn)象,以設(shè)施菜地最為突出,Cd和Zn積累較為明顯。葉必雄等[21]研究結(jié)果表明,牛糞集中施用區(qū)土壤剖面中Cd,Ni,Cu,Pb,Cr等重金屬存在較為明顯的淋溶下移性,長期施用不同畜禽糞便的不同土壤剖面Cd,Pb,Cr,Ni等含量變化差異明顯。董志新等[22]在分析沼氣肥養(yǎng)分物質(zhì)和重金屬含量差異時指出,沼渣有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量較高,是營養(yǎng)元素種類齊全的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料,但沼氣肥中也含有一些重金屬元素,農(nóng)業(yè)利用有可能因植物富集而影響農(nóng)產(chǎn)品食品安全。
農(nóng)用塑料薄膜在生產(chǎn)過程中用到熱穩(wěn)定劑,而熱穩(wěn)定劑中又含有重金屬鎘,因而,隨著塑料大棚和地膜覆蓋技術(shù)的大量應(yīng)用,在對低溫季節(jié)和干燥地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到極大促進(jìn)作用的同時,也可能使農(nóng)用土壤中的鎘積累,造成土壤質(zhì)量下降。陳慧等[23]研究結(jié)果表明,覆膜種植方式下萵苣根際土壤中的重金屬明顯高于不覆膜種植方式,地膜覆蓋能有效地降低重金屬向地上部分轉(zhuǎn)移。于立紅等[24]在地膜中重金屬對土壤—大豆系統(tǒng)污染的試驗研究中指出,大豆各生育時期,高倍地膜殘留量土壤和植株中Cd和Pb含量高于低倍殘留,各生育時期各處理土壤中Cd含量為0.7~2.4 mg·kg-1,Cd含量均超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 15618—1995的Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)。
3.3 污水灌溉
使用污水灌溉農(nóng)田,在一定程度上解決了農(nóng)業(yè)用水資源短缺的問題,但由于污水中可能會含有重金屬等污染物,長期施用勢必也會造成土壤中重金屬含量的增加[25-26]。全國土壤污染調(diào)查公報(2014年)顯示,在調(diào)查的55個污水灌溉區(qū)中,有39個存在土壤污染,在1 378個土壤點(diǎn)位中,超標(biāo)點(diǎn)位占26.4%,主要污染物為鎘、砷和多環(huán)芳烴。長沙市郊引用化工區(qū)污水灌溉,土壤的重金屬污染極其嚴(yán)重,環(huán)保部門在某鉛鋅礦區(qū)監(jiān)測分析結(jié)果顯示,該礦水系沿岸耕地所產(chǎn)的稻米Cd含量為2.24 mg·kg-1,是對照點(diǎn)的3.7倍,屬于“鎘米”[27]。張萌等[28]在對太原市污灌區(qū)土壤鎘存在形態(tài)與生物可利用性研究時發(fā)現(xiàn),與太原市土壤背景值相比,污灌區(qū)土壤中重金屬鎘含量已達(dá)太原市土壤背景值的3倍,鎘在土壤表層含量明顯高于其他分層,表明表層土壤有明顯的鎘累積,并且鎘在表層土壤含量最高,隨深度增加鎘含量逐漸降低。艾建超等[29]研究結(jié)果表明,污灌區(qū)土壤鎘含量超標(biāo),并且污灌區(qū)土壤耕作層中Cd的形態(tài)特征為可交換態(tài)>鐵錳氧化態(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)或有機(jī)結(jié)合態(tài)>殘渣態(tài)。
3.4 污泥施肥
城市污泥中含有多種能夠促進(jìn)植物生長的營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素(如B,Mo等),但是污泥中也可能含有大量的重金屬元素,主要來源于不同類的工業(yè)廢水中,鎘主要來源于礦業(yè)廢水、鋼鐵冶煉廢水等,長期污泥施肥也可導(dǎo)致土壤中鎘含量的增加。黃游等[30]研究結(jié)果表明,污泥進(jìn)入土壤后,土壤中鎘和鋅的生物活性與污泥的施加量成正比。有研究表明,不同區(qū)域城市污泥Cd含量從大到小依次為華南、西南、華中、華東、西北、華北、東北,這可能與工業(yè)密集程度、礦區(qū)類型及分布等有關(guān)[31]。徐興華等[32]在污泥和水溶性重金屬鹽的植物有效性比較研究時指出,污泥中含有較高的鋅、鎘等重金屬。
3.5 工況企業(yè)活動
鎘往往與鉛鋅礦伴生,工礦活動可造成不同程度的鎘污染。在冶煉廢渣和礦渣堆放或處理的過程中,由于日曬、雨淋、水洗重金屬極易遷移,以廢棄堆為中心向四周及兩側(cè)擴(kuò)散。全國土壤污染調(diào)查公報(2014年)顯示,在調(diào)查的70個礦區(qū)的1672個土壤點(diǎn)位中,超標(biāo)點(diǎn)位占33.4%,主要污染物為鎘、鉛、砷和多環(huán)芳烴。姬艷芳等[33]在2008研究鳳凰礦區(qū)耕地土壤和稻米中重金屬時發(fā)現(xiàn),土壤中Cd含量高達(dá)10.70 mg·kg-1,大大超過了國家土壤環(huán)境質(zhì)量的二級標(biāo)準(zhǔn),稻米中Cd含量也嚴(yán)重超標(biāo)。周建民等[34]2004年在研究廣東省大寶山礦區(qū)的尾礦和周邊的土壤重金屬時發(fā)現(xiàn),尾礦附近的稻田土壤Cd平均濃度高達(dá)2.453 mg·kg-1。尹偉等[35]2009年調(diào)查佛山某礦區(qū)周邊菜地結(jié)果表明,在研究區(qū)域內(nèi)有20%的土壤不同程度地受到鎘污染。
4 控制土壤重金屬鎘污染的建議
由以上分析可知,人類活動對全球土壤鎘的輸入量已大大超過自然釋放量,同時被鎘污染的土壤很難修復(fù)。因而,應(yīng)嚴(yán)格控制土壤鎘的來源,尤其是嚴(yán)格要求農(nóng)業(yè)投入品的質(zhì)量。做到不用未經(jīng)處理的污水進(jìn)行灌溉,不用污泥進(jìn)行施肥,少用農(nóng)用薄膜,杜絕不合格化學(xué)肥料或有機(jī)肥料,遠(yuǎn)離工廠企業(yè)和交通要道,嚴(yán)格控制土壤中重金屬鎘的輸入,改善土壤環(huán)境,提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全,保護(hù)人類健康。
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