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        鎘污染農(nóng)田的不同修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀及展望

        2017-04-09 01:59:49楊云帆夏衛(wèi)生王小芳
        中國農(nóng)業(yè)信息 2017年23期
        關(guān)鍵詞:水稻污染土壤

        楊云帆,夏衛(wèi)生,王小芳

        (1. 湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)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(fā)育過程中的非必需元素,同時(shí)也是環(huán)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(diào)查公告》中,土壤中鎘污染已成為所有無機(jī)污染物超標(biāo)率之最[1]。考慮到土壤鎘污染的嚴(yán)重性以及土壤系統(tǒng)的復(fù)雜性,世界各國依據(jù)本國的實(shí)際情況制定了相應(yīng)的土壤重金屬鎘的標(biāo)準(zhǔn)限值和最大允許濃度。根據(jù)我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)中規(guī)定的適用于一般農(nóng)田、果園、茶園、蔬菜地等土壤中鎘的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在0.3~0.6 mg/kg范圍內(nèi),全國部分地區(qū)已存在鎘含量超標(biāo)現(xiàn)象[2]。而水稻又是一種鎘積累能力較強(qiáng)的植物,又是重要的糧食作物,故規(guī)定稻谷中鎘含量應(yīng)低于0.2 mg/kg,全國大部分地區(qū)米鎘超過該含量,這將嚴(yán)重威脅到動(dòng)植物的生長和人類健康。

        1 我國鎘污染現(xiàn)狀

        20世紀(jì)70年代,我國才開始農(nóng)田土壤鎘污染的調(diào)查工作,1980年中國農(nóng)業(yè)環(huán)境報(bào)告顯示,我國有9 333 hm2土壤存在鎘污染現(xiàn)象,據(jù)有關(guān)報(bào)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(nóng)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(nóng)作物調(diào)查研究,很難準(zhǔn)確估計(jì)我國農(nóng)田實(shí)際污染面積和鎘超標(biāo)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(zhì)風(fēng)化有關(guān);后者主要是選礦、采礦、有色金屬冶煉、合金制造等行業(yè)的生產(chǎn)造成的,以及污水、污泥、大氣沉降、農(nóng)藥化肥固體廢棄物等的排放,我國鎘污染絕大多數(shù)是由于引用工業(yè)污水造成的[5]。受地質(zhì)區(qū)劃和人為活動(dòng)的影響,不同地區(qū)存在不同程度的鎘污染問題,近年來研究報(bào)道稱我國鎘污染已呈現(xiàn)南方地區(qū)大于北方地區(qū)的趨勢(shì),湖南、廣西、貴州部分地區(qū)已成為鎘污染重災(zāi)區(qū)[6]。王凱榮將全國部分地區(qū)污染農(nóng)田土壤和農(nóng)作物鎘含量作了匯總(表1)[7]。

        表1 我國部分地區(qū)污染農(nóng)田土壤和農(nóng)作物鎘含量

        2 重金屬鎘污染修復(fù)技術(shù)探討

        稻米中的鎘含量受品種、土壤等因素影響,根據(jù)鎘在稻米中的富集規(guī)律,目前已研究出多種鎘污染稻米的治理方法。應(yīng)對(duì)稻米鎘污染的方法主要有3個(gè)。第一是從源頭出發(fā),修復(fù)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(chǎn)品加工角度出發(fā),通過加工技術(shù)降低稻米及制品的鎘含量[6]。目前研究工作和實(shí)際推行的修復(fù)措施都側(cè)重于通過土壤修復(fù)和低鎘品種來達(dá)到鎘污染修復(fù)效果。如農(nóng)業(yè)部、財(cái)政部在湖南水稻鎘污染地區(qū)實(shí)施推廣“VIP+n”稻米鎘污染控制技術(shù)模式。該技術(shù)包括種植鎘低積累型水稻品種、合理灌溉、調(diào)控土壤酸堿度3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),同時(shí)根據(jù)污染情況輔以其他針對(duì)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(fù)

        土壤修復(fù)是指通過農(nóng)業(yè)、物理、化學(xué)和生物的方法轉(zhuǎn)移、吸收、降解和轉(zhuǎn)化土壤中的污染物,使其濃度降低到可接受水平,或?qū)⒂卸居泻Φ奈廴疚镛D(zhuǎn)化為無害的物質(zhì),一般包括農(nóng)業(yè)修復(fù)、工程修復(fù)、生物修復(fù)和化學(xué)修復(fù)4類方法。

        2.1.1 農(nóng)業(yè)修復(fù)

        農(nóng)業(yè)修復(fù)的主要途徑包括合理灌溉、增施化肥或有機(jī)肥,有機(jī)肥包括堆肥、廄肥、秸稈等,施用有機(jī)肥可提高土壤有機(jī)質(zhì)、改善土壤理化性質(zhì),增加土壤膠體對(duì)鎘的吸附,許多研究發(fā)現(xiàn)施化肥和有機(jī)肥容易造成土壤二次污染。

        據(jù)報(bào)道,土壤水分調(diào)控主要是通過調(diào)控土壤活性進(jìn)而調(diào)控水稻對(duì)鎘的吸收。較多研究表明,不同水分管理方式對(duì)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(duì)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(qū)水資源匱乏,且容易造成水體污染,實(shí)施有待商榷。

        2.1.2 物理修復(fù)

        物理修復(fù)主要包括客土、排土和深翻耕等,通過在污染土壤區(qū)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(duì)張士灌區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)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(shí)也將降低土壤肥力,故難以推廣。

        2.1.3 化學(xué)修復(fù)

        化學(xué)修復(fù)主要是利用土壤改良劑增加土壤有機(jī)質(zhì),改變土壤pH、EH值、陽離子代換量等理化性質(zhì),使土壤鎘產(chǎn)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(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)施用各種化學(xué)改良劑降低鎘進(jìn)入食物鏈的效果進(jìn)行了大量的研究,一般認(rèn)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]?;瘜W(xué)修復(fù)具有操作簡單和費(fèi)用較低的特點(diǎn),在污染較輕的地區(qū)修復(fù)效果較好,但在污染較嚴(yán)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(chǎn)[18]。

        2.1.4 生物修復(fù)

        生物修復(fù)是利用動(dòng)植物和微生物的某些習(xí)性來適應(yīng)、抑制和改良土壤鎘污染。動(dòng)物主要是采用蚯蚓和鼠類,微生物涵蓋了真菌、細(xì)菌和小型藻類[19][20],目前利用動(dòng)物和微生物治理鎘污染的措施僅限于室內(nèi)實(shí)驗(yàn),具有修復(fù)速度慢,修復(fù)效果不明顯的特點(diǎn)。生物修復(fù)較多側(cè)重于通過植物吸收、分解、轉(zhuǎn)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(diǎn),土壤修復(fù)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(fù)周期長,吸收重金屬的容量有限,修復(fù)效果僅限于表層土壤,且不能代替糧食作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,目前處于田間實(shí)驗(yàn)和示范階段。

        2.2 水稻品種

        除土壤環(huán)境外,農(nóng)作物也是影響鎘積累的重要因素。不同類型農(nóng)作物吸收重金屬的生理生化機(jī)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(nóng)作物,不同品種間富集重金屬的能力也有顯著差異。李坤權(quán)、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(xué)者也認(rèn)為,不同品種稻米對(duì)鎘的富集呈現(xiàn)出顯著的差異性,并略呈現(xiàn)出雜交稻富集程度高于常規(guī)稻,秈稻高于粳稻的趨勢(shì)[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(chǎn)量不穩(wěn)定的特點(diǎn),大范圍推廣較難。

        由于土壤污染的復(fù)雜性,有時(shí)靠單一方法難以修復(fù)土壤污染,需要采用多種技術(shù)。由于現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中條件限制,單一的農(nóng)藝調(diào)控措施往往很難達(dá)到安全生產(chǎn)的要求,往往需要多種修復(fù)措施配套施用[24][25]。戴桂金在鳳凰縣利用田間實(shí)驗(yàn)研究了單項(xiàng)及綜合調(diào)控技術(shù)對(duì)稻米鎘含量的效果,試驗(yàn)結(jié)果表明,各處理比對(duì)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(yàn)研究了單項(xiàng)及組合農(nóng)藝調(diào)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(diào)查

        目前由于缺乏詳細(xì)和全面的調(diào)查,無法精準(zhǔn)確定土壤鎘污染的實(shí)際面積和鎘污染稻谷的數(shù)量。同時(shí),我國現(xiàn)行土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中是以全量鎘為標(biāo)準(zhǔn)值,鎘污染調(diào)查強(qiáng)調(diào)土壤全量,忽視土壤有效態(tài),而全量僅代表鎘的總貯量,有效態(tài)才能說明鎘的供給水平,有效態(tài)的變化主要與pH、EH值、有機(jī)質(zhì)有關(guān),因此可以避免土壤類型和土壤環(huán)境的不同而引起的實(shí)際危害差異,故在監(jiān)測和效果評(píng)價(jià)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)有效態(tài)鎘含量的變化。

        3.2 加強(qiáng)理論研究,創(chuàng)新修復(fù)技術(shù)

        我國對(duì)于重金屬鎘污染的研究和實(shí)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(fù)雜性和綜合性,理論研究的不足和技術(shù)的有限性,所以目前并沒有找到高效、穩(wěn)定、普遍適用的單項(xiàng)修復(fù)技術(shù)。因此,在未來的修復(fù)治理過程中,不同的污染土壤應(yīng)對(duì)應(yīng)不同的修復(fù)技術(shù),同時(shí)要結(jié)合綜合技術(shù),考慮區(qū)域自然地理環(huán)境,污染程度、污染類型及經(jīng)濟(jì)效益等,并動(dòng)態(tài)監(jiān)測鎘污染狀況的變化以便及時(shí)調(diào)整修復(fù)措施。

        3.3 重視微量元素的變化

        目前研究者注重對(duì)重金屬污染機(jī)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(nóng)作物對(duì)土壤中微量元素的吸收效果。農(nóng)作物對(duì)微量元素的需求量是相當(dāng)小的,從缺乏到毒害的數(shù)量范圍非常窄,而微量元素缺乏或者過量主要與土壤環(huán)境有關(guān)[27],重金屬鎘修復(fù)治理過程中將使土壤pH、EH值、有機(jī)質(zhì)等理化性質(zhì)發(fā)生改變,甚至鎘與微量元素之間發(fā)生協(xié)同和拮抗作用,從而影響農(nóng)作物對(duì)微量元素的吸收,進(jìn)而對(duì)其生長發(fā)育產(chǎn)生影響,甚至危及人類和動(dòng)植物的健康[28-30]。因此,在后續(xù)的重金屬治理措施中,應(yīng)重視對(duì)微量元素的研究。

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