稻田镉污染及其治理修复
2016-12-19 17:04:17 作者：熊思健 邵建华等 来源：生态农业与施肥 浏览次数：0 网友评论 0 条
稻田镉污染及其治理修复
熊思健1邵建华2陈绍荣1
（1.广州聚凡农业科技有限公司 广东广州 510650；
2.江苏省农业科学院资环所 江苏南京 210014）
摘要：本文在具体分析近年来我国稻田镉污染的现状、污染途径及其危害的基础上，结合我国国情，创新提出了应用“三良”（良制、良田、良法）的综合治理修复方案，可供有关科技工作者和农民生产者参考和试行。
关键词：稻田镉污染 “三良”综合治理修复 “毒大米”事件
Cadmium pollution in paddy field and its restoration
Xiong si-jian1 Shao Jian-hua 2 Chen Shao-rong 1
(1 Agricultural Science and Technology Co., Ltd. in Guangzhou ，Guangzhou 510650;
2 Jiangsu Academy of Agricultural Resources and Environment College, Nanjing 210014)
Abstract: Based on the concrete analysis of the current situation of cadmium pollution in recent years our country paddy fields, on the basis of the pollution ways and its harm, combined with China's national conditio ns, innovation put forward the application of "three good" (good governance, fertile land, law) the comprehensive treatment of fix, relating to science and technology workers and farmers such as reference and trial production.
Keywords: cadmium pollution in paddy field， “three good” comprehensive management，”Poison rice” event
1.我国稻田土壤镉污染的现状
据统计（2011年）〔1〕，我国目前受镉（Cd）、砷（As）、铬（Cr）、铅（Pb）等重金属污染的耕地土壤近2000万hm2，约占全国总耕地面积的1/5。关于受镉污染的面积近130万hm2，涉及我国的11个省市的25个地区。曹仁林等（1999）指出〔2〕，我国受镉污染的农田面积约27.8万hm2，每年生产出镉含量超标的大田作物农产品近14.6亿kg。杨梅琳（2009）报道〔3〕，广州郊区老污灌区土壤中的镉含量最高228mg/kg，平均含镉量为6.18mg/kg；沈阳张士灌区有2533 hm2的土壤遭受镉污染，其中严重污染的占13%。高志等（2013）报道〔4〕，湖南全省受镉等重金属污染的土地面积达28万hm2，占全省面积的13%，南京农业大学农业资源与生态环境研究所潘根兴等（2013）报道〔4〕，在全国华东、东北、华中、西南、华南、华北六个大区的县级市场中，随机采购大米样品91个。结果显示其中的10%左右的市售大米镉含量超标。据“发明与创新”杂志（2013年第七期第10-13页）所作的“镉米之殇”的报道〔5〕，湖南、江西等地的毒大米事件，在社会上引起了轩然大波。5月15日，广州市食品药品监管局公布第一季度餐饮食品抽检结果，其中之一是44.4%的大米及米制品发现镉含量超标。
2. 镉污染的危害
2.1．镉对水稻的毒害效应〔6〕
（1）镉离子能抑制水稻种子萌发过程中蛋白酶和肽酶的活性，会抑制水稻种子的发芽。
（2）镉胁迫会引起对根的损伤，加速根尖细胞的老化，减少根部对硝酸盐的吸收及向地上部分的转移。
（3）镉胁迫会对水稻叶片造成伤害，表现为叶片失绿、变薄、变白，同化面积减少，还会影响叶绿素的组成和合成，影响水稻的光合作用速率，尤其是在开花期，0.1mg/L和5mg/L的镉对水稻的光合速率与对照相比，分别减少了70%和59%。
（4）镉胁迫能够抑制水稻的细胞分裂，导致水稻长势停滞或畸形生长。
2.2.镉对人体的毒害效应
镉极易被作物的根系吸收而后向籽实转移然后通过食物链进入人体，从而对人类的生命健康构成威胁。进入人体和温血动物的镉，主要积累在肝、肾、胰腺、甲状腺和骨骼之中，使肾脏、骨骼等器官组织发生病变，并引起神经痛及内分泌失调，使骨骼生长代谢发生障碍，引起骨痛病、软骨病、骨质疏松的发生。毒理学资料表明，镉进入肾脏会使肾皮质受损，引起肾小管功能障碍，出现蛋白尿、糖尿、氨基酸尿。而且，肾功能受损后也会使维生素D的合成受抑制，妨碍钙的吸收和成骨作用。据研究，人体全身的镉有1/3蓄积在肾脏中，镉的累积过程漫长，同时，镉也有慢性中毒的特点，还有长达数年的潜伏期。也就是说，人体内镉的代谢很慢，人体要用10—30年才能排出一半。镉已被国际癌症研究所确定为1A级致癌物，即对人类明确致癌，可引发肾、肺、前列腺、睾丸等器官的恶性肿瘤。
3镉污染的途径
3.1.工业废气、废渣、废水中镉的扩散、沉降和累积
工业废气是造成空气镉污染的主要来源，在偏远地区空气的镉含量一般低于1.0pg/ml，但在工业区周围的大气中镉的含量较高。较高含量的镉通过降雨或沉降进入土壤，在土壤中积累。还有大量的工业废渣（固体废弃物）的堆积，或是生活垃圾的堆积，也会造成镉在土壤中的大量沉积，增加土壤中的镉总量，造成镉污染。镉在电镀、颜料、镍镉电池、电视显像管制造中的应用十分广泛，随着这些工业的发展会排出大量的含镉污水到河流中，用于灌溉就会造成土壤中镉的富集。
3.2.交通运输中的机动车尾气排放也会引起公路两侧土壤的镉污染。主要是汽车汽油、发动机、轮胎、润滑油和电镀部分都能因燃烧或磨损释放镉、铅等重金属。
3.3.含镉农用物资的长期大量施用，加剧了土壤的镉污染。
含镉的农用物资包括化肥、农药、地膜等，其中比较严重的是磷化肥问题。据西方国家估算〔7〕，人类活动对土壤的贡献中磷肥占54%—58%，全球磷肥中平均含镉量为7mg/kg，会给全球带来66000kg的镉。地膜，由于在生产过程中加入了含有Cd、Pb的热稳定剂，随着地膜的大量、不断的施用，也让这些含Cd的热稳定剂进入了土壤，加重了重金属污染。
4.影响镉污染的相关因素
4.1.土壤pH值
土壤的pH值对镉的活性有重要的影响，并直接关系到作物对镉的吸收。据研究，土壤对镉的吸附同土壤的pH值成正比，而作物对镉的吸收则与pH值成反比。pH值越高，土壤对镉的吸附率越高，pH值越低，镉被水的溶出率就越大。pH4时，镉的溶出率一般＞50%，作物对镉的吸收就明显增大。而当pH升高至7.5时，镉就很难溶出，作物对镉的吸收明显减少。所以，我国稻田镉污染北部轻微，南方则较重，而且随着土壤酸化的加剧会出现日益严重的镉污染状况。
4.2.土壤Eh值
土壤Eh值（氧化还原电位）对土壤中镉的活性有很大影响。Eh值低时，形成还原性环境，使土壤中的硫酸还原为S2-，生成溶解度很小的硫化镉，或同硫化铁共沉淀，使镉向非活性方面发展，而难于被作物吸收。当水被排掉后，Eh值升高，呈氧化状态，S2-又会被氧化形成SO4-，使土壤pH值降低，镉的活性加强，镉在土壤溶液中易被作物吸收。因此，在旱田土壤里，是以氧化淋溶为主的，土壤镉以CdCO3、Cd3（PO4）2及Cd（OH）2存在，其中又以CdCO3起着主要作用，会增加作物对镉的吸收。据曹仁林研究〔2〕，采用全期灌水方式时，水稻米镉含量为0.107—0.116mg/kg，而采用水稻后期烤田方式灌溉，水稻米中镉含量为0.388mg/kg。
4.3.作物和品种：
部分作物和品种对镉有高富集的特性，是造成镉污染的重要原因。据研究，苋菜、苧麻、水稻、烟草、向日葵、油菜等都是对镉有高富集特性的作物。同一作物，不同品种对镉的吸收性也不相同。以水稻为例，王凯荣认为〔5〕，杂交水稻比常规水稻对镉污染有更大的敏感性，糙米的镉含量，杂交稻比常规稻高33.72%。曹仁林等试验〔2〕，在全生育期灌水栽培条件下，糯稻（江西晚105等）稻米平均镉含量为粳稻（鄂晚3号）的6.7倍，糯稻镉含量严重超标，粳稻品种则未超标。
5.稻田镉污染的综合治理修复措施
5.1.调整作物结构，建立优良耕制。
由于不同作物对镉的吸收富集性能差异悬殊，我们可以根据当地稻田土壤镉污染的程度，因地制宜地采用科学调整种植制度的措施，减轻或修复镉污染的危害。当土壤达到镉中度甚至重度污染时，就不能选择种植水稻，可改种一些对镉高度富集性作物杨树（一个生长季内可使土壤镉减少0.6—1.2mg/kg）、苧麻（对水田、旱地土壤镉含量分别降低2.65%和3.17%，如连种5年，可降低土壤镉含量27.6%）、月季（平均每天可吸收镉1.757mg/L）；当土壤镉中度污染到轻度污染时，可将种稻改为种玉米，玉米能耐受镉而且吸收镉能力很小，又是高产作物；当土壤含镉量不大仅为轻微污染时，可改变水稻品种结构，不要种植糯稻、杂交水稻等镉吸收能力强的品种类型，改种高产优质的常规稻品种，尤其是那些超高产的优质粳稻品种，可避免种出有毒含镉大米。
5.2.施用腐植酸肥 建设优良农田
当前，国内外治理修复重金属污染的专家都认识到，必需推广腐植酸等新型有机肥料，坚持走提升土壤有机质建设优良农田之路。实践表明，施用腐植酸类新型有机肥料不仅对提高土壤现有肥力和土壤生产力有重大意义，对治理修复重金属污染也有极其重要的作用。我们认为，应用腐植酸类肥料对重金属污染的缓冲和净化机制主要表现在：
（1）参与离子的交换反应 ；
（2）改善土壤结构，提供生物活性物质，为土壤微生物活动提供基质和能源，从而间接影响土壤重金属的行为；
（3）有机质对重金属污染的净化机制主要是通过腐植酸与重金属离子
发生络合、螯合作用来进行的。BOIton研究发现〔9〕：在一定的pH条件下，土壤Cd的最大吸附量与有机质、铁铝氧化物等有明显的相关性，可用Langmuig方程式表示。因此，土壤有机质对镉等重金属离子的吸附作用很显著。
我们聚凡农业科技有限公司对部分稻田的镉污染，正在设计投产一类腐植酸型系列的生物有机无机复混肥新配方，例如：N—P—K—腐植酸+PPF促生真菌为20—0—10—4+1,18—0—10—4+1、16—0—10—4+1。这种新型腐植酸肥料不含磷肥，特别是含有从加拿大恩典公司引进的PPF促生真菌。这种真菌有以下四大特殊功能：
（1）能够分泌各种生理活性物质—提高作物发根力，提高作物抗旱性、抗盐性等。
（2）能够产生大量纤维素酶—加速土壤有机质的分解，增加作物的可吸收养分。
（3）新陈代谢产物—可抑制土壤病原菌、病毒的生长与繁殖，能净化土壤。
（4）可促进土壤中难溶性磷的分解，增加对作物所需要有效磷的供应。
这种系列生物有机无机复合肥在镉污染稻田中可作一次性底肥施用，每公顷用肥量为0.75—1.5t，肥料销售价格约3600元/t，有很好的防污染及增产效果。
5.3.实施水肥调控 应用良法治理
对于镉轻度污染的土壤，为了降低水稻对镉的吸收，防控有毒大米生产，应采取下列科学调控水肥的措施，实施无镉大米良法栽培：
（1）应用土壤酸化调理剂提高土壤pH值
从国内修复镉污染的大量实践来看，治理修复镉污染最好的调理剂为石灰、硅肥、钙镁磷肥及赤泥等种。这几种调理剂都是原料丰富，成本低廉，效果突出，适于大面积推广应用。
①石灰：酸化土壤施用石灰对水稻吸镉有一定抑制作用。在一定范围内随
着石灰用量的增加，抑制对镉的吸收作用加强。崔斌等（2012）报道〔10〕，在沈阳张士灌区的试验表明，施用石灰1500—1875kg/hm2，水稻籽实含镉量下降50%。据顾继光等的资料（2002）〔11〕，Naidu在镉污染的土壤上施用石灰（750kg/hm2）,使有效态镉含量降低15%左右，使镉活性降低，减少水稻对镉的吸收。
②硅肥：硅肥有明显抑制水稻吸收镉的作用。试验表明〔10〕，水稻糙米、茎叶和根中的含镉量是随着硅肥用量的增加而明显下降的（见表1）。在硅肥用量为15t/hm2时，稻糙米、茎叶和根中的含镉量可分别对照降低78.5%、78.4%和79.1%，米镉含量可从对照的0.763mg/kg降到国家粮食卫生标准（0.2mg/kg）之内。水稻是喜硅作物，对硅的需求量大于氮、磷、钾的总和，在硅肥用量高达60t/ hm2时，对水稻的生长和产量也无明显不良影响。水稻施硅可提高抗倒伏、抗病虫害的能力，提高大米的品质。
表1 不同硅肥用量对水稻镉残留的影响
硅肥还是水稻超高产栽培不可缺少的大量营养元素。我们认为硅肥用量在镉轻度污染（酸性水稻土镉含量0.26—0.5mg/kg）时，硅肥用量为750—1500kg/ hm2；镉中度污染（酸性水稻土镉含量0.5—1mg/kg）时，硅肥用量2000—3000kg/ hm2;镉中度污染（〉mg/kg）硅肥用量为5000—6000kg/ hm2。
③钙镁磷肥：田间试验表明〔10〕，钙镁磷肥有明显抑制水稻植株吸收镉的作用。随着钙镁磷肥用量的增加，水稻植株各部位的镉残留量显著降低，且高量施用后可使数季水稻吸镉量显著降低。（见表2）
表2 钙镁磷肥对第三季水稻镉残留量的影响
④赤泥：赤泥是铝土矿经强碱浸出氧化铝后产生的残渣。每生产1t氧化铝就有1.0—1.3t的赤泥产生。赤泥碱性，含有一定数量作物需要的众多营养元素，如硅、钙、磷、镁等和少量的稀土元素。赤泥具有细颗粒分布和颗粒分散性好的特点。
赤泥是重金属原位固定的有效改良剂。研究结果表明〔12〕，沙土中Cd、Zn、Ni分别降低70%、89%、74%。与对照相比，植物吸收重金属，Cd、Zn和Ni分别降低38.8—87%、50—81%和66—87%。在另一组试验中，Friesi等人盆栽试验结果，与未修复土壤相比，赤泥施用量为10%（w/w）时，酥油草和苋属植物对Cd、Zn和Ni的吸收率明显减少，分别为87%、81%和87%。山东铝厂以赤泥为原料生产出来的硅钙肥，作为酸性土壤调理剂在酸性土壤上应用试验示范，能有效抑制水稻对镉的吸收，水稻增产效果达12—16%
（2）应用科学灌溉技术，降低土壤Eh值
由于土壤中镉的活性受土壤氧化还原状况的影响很大。因此，通过科学的灌溉技术，调节土壤水分，降低土壤的Eh值，可有效调控镉在土壤一作物系统中的迁移，从而降低Cd的活性，减少其对水稻的危害。
我们认为，大米中的含镉量，主要与水稻抽穗后稻田的淹水状态密切相关，土壤呈干旱状态，Eh值升高，大米中镉的含量就会增加。因为水稻对镉的吸收规律是生育后期比中期和初期要高，特别是在乳熟阶段，是水稻对镉吸收和转运最多最快的时期。在这一阶段，最好实施勤灌浅灌的灌水技术，注意保持田间有薄水层，可大大减少镉的吸收和镉向稻米转移。陈涛的水稻盆栽试验结果〔13〕，在抽穗后期进行落干，水稻籽实的含镉量比正常灌水的高出12倍，就是很好的例证。
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关键词：稻田
已有
