我國農田土壤重金屬污染防治面臨的問題與挑戰
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來源：《土壤學報》2018 年02 期《中國農田土壤重金屬污染防治挑戰與對策》
作者：陳衛平1，楊陽1, 2，謝天1, 2，王美娥1，彭馳3， 王若丹4
單位：1.中國科學院生態環境研究中心城市與區域國家重點實驗室 2.中國科學院大學 3.中南大學冶金與環境學院 4.陝西師範大學地理科學與旅遊學院
1 區域差異顯著
1.1 農田土壤重金屬空間異質性強
我國幅員遼闊，不同區域土壤重金屬背景值和累積量差異較大，需要大量物力和人力來把握土壤整體污染狀況。以土壤Cd 含量為例，各省份中貴州土壤Cd 背景值最高（0.659 mg kg-1），約為內蒙古土壤Cd 背景值（0.053 mg kg-1）的12.4 倍。Liu 等對我國22 個水稻種植省份土壤Cd 累積量進行調查，顯示全國水稻土Cd 平均含量為0.45 mg kg-1，其中湖南水稻土Cd 平均含量（1.12 mg kg-1）為河南水稻土Cd 平均含量（0.06 mg kg-1）的18.7 倍。
縣域尺度內土壤重金屬背景值和累積情況也存在較大差異。我們對湖南某地農田的調查顯示不同鄉鎮土壤Cd 背景值範圍在0.08~1.2 mg kg-1，相差達15 倍。我們對該地區兩個典型農業化鄉鎮Cd 輸入通量進行估算，結果顯示TS 鄉鎮通過灌溉水和大氣沉降輸入農田的Cd 通量分別為WL 鎮通過相同途徑輸入農田Cd 通量的2.2 倍和2.5 倍。
農田土壤重金屬累積量還受到距工業區、礦區和城鎮區的距離，不同種類農產品的投入及氣候條件等多種因素影響，這進一步促進了農田土壤重金屬累積的空間變異。
1.2 農田土壤類型差異明顯
我國農田土壤類型多樣，由於土壤條件、氣候條件和耕作管理水平的不同，不同類型土壤理化性質差異較大，這進一步加劇了農田土壤重金屬污染的多樣化格局。
王金貴對我國22 種典型農田土壤Cd 的吸附解吸特性進行了研究，結果顯示不同溫度下紅壤、赤紅壤和黃壤等酸性土壤類別Cd 解析率均在15%以上，顯著高於灰漠土和栗鈣土等鹼性土壤類別的Cd 解析率（＜10%）。同一土壤類別中重金屬活性差異也較大。Rafiq 等對我國7 種典型農田土壤Cd 活性進行研究，結果顯示酸性土壤類別中，富鋁土中交換態Cd 含量約為黃壤中交換態Cd 含量的近4 倍。土壤類型對農作物重金屬累積量影響也較大。Ding 等通過盆栽實驗研究了同一農作物品種（胡蘿蔔）在我國21 種典型農田土壤中的生長情況，發現不同土壤收穫的胡蘿蔔對Cd 和Pb 的累積差異近180 倍和360 倍。Rafiq 等指出我國7 種典型水稻土收穫的同品種稻米中，Cd 含量差異達到125 倍。
1.3 農作物品種差異明顯
不同農作物對土壤重金屬累積量差異較大。我們對湖南省某地農田Cd 含量的長期監測表明，水稻田Cd 固液分配係數（Kd，平均值為29.5 L kg-1）略低於菜田土壤Kd（平均值為38.4 L kg-1），然而稻米Cd 富集因子（PUF，平均值為1.52）卻高出蔬菜PUFCd（平均值為0.15）近10 倍。同一農作物內不同品種對重金屬富集能力差異也較大。
Duan 等通過大田實驗調查湖南省常見的471 個水稻品種對As 和Cd 的累積差異，結果顯示不同品種對As 和Cd 累積差異分別為2.5 倍~4 倍和10 倍~32 倍。該研究還指出有8 個品種表現出明顯的低Cd 富集特性，有6 個品種表現出明顯的低As 富集特性。
Liu 等研究了河北省常見的30 個小麥品種對土壤Cd 和Pb 的累積差異，結果顯示小麥中Cd 和Pb 的含量範圍分別為0.87~6.74 和18.3~94.0 mg kg-1，有3 個品種表現出低Cd 富集特性，4 個品種表現出低Pb 富集特性。
不同農作物種類及相同農作物種類不同品種對土壤重金屬富集能力的差異造成系統管理農田土壤污染風險的不便，但也為污染農田的再利用和耕作方式調整提供了新的契機和方向。
2 污染危害加劇
2.1 農田土壤酸化嚴重
農田土壤酸化增強了土壤重金屬活性及其遷移和擴散能力，減弱了土壤—植物系統重金屬遷移屏障，加劇了重金屬污染的危害。Blake 和Goulding 在英國洛桑試驗站的研究指出，強酸性土壤（pH=4）在100 年中活化了近60%~90%的土壤總鎘。R?mkens 等對台灣土壤—水稻系統3198 個樣品重金屬含量的調查顯示，大部分Cd 含量超標稻米產自土壤Cd 含量不高卻嚴重酸化區域。我們對湖南省某地的調查也顯示在土壤pH＜5.5 的菜地和水稻田中，蔬菜和稻米Cd 含量超標率分別為7.8%和89.4%；而在土壤pH＞6 的菜地和水稻田中，蔬菜和稻米Cd 含量顯著降低至1.3%和32%。
我國土壤酸化面積近 200 萬hm2，近年來糧田、菜園和果園酸化趨勢均有增加。Guo 等指出1980―2000 年我國5 種典型土壤pH 降低範圍為0.13~0.8 unit。其中水稻土酸化最為嚴重，1980―2000 年水稻土pH 年均下降速率為0.012 unit。而1988―2013 年，水稻土pH 年均下降速率上升至0.023 unit。這也是導致我國近年來稻米Cd 含量超標問題多發，而同樣以水稻為主要農作物的其他亞洲國家（泰國、韓國、日本等）稻米Cd 含量超標問題不突出的主要原因之一。
氮肥施用不當、連作種植致酸作物及酸沉降是造成我國農田土壤酸化的主要原因。近30 年來我國氮肥施用總量增長了近200%，年氮肥消費量佔到全世界氮肥總量的34%。而每增施100 kg hm-2的氮肥，水稻土pH 就下降0.65 unit。我國每年通過各種途經損失的氮量佔到總氮量的52%，據估算因氮損失每年向土壤釋放2×104~2.2×105mol hm-2的H＋，為酸沉降的10 倍~100 倍。連年重茬種植單一致酸農作物進一步加速了農田土壤酸化。據估算我國每年有超過20 t hm-2的干物質生物量被收穫，導致大量鹽基離子被從土壤中移除，併產生1.5×103~2×103mol hm-2的H＋。酸雨是酸沉降的主要形式。作為世界第三大酸雨區，酸雨覆蓋面積佔到我國國土的40%。華中酸雨區（以長沙、株洲，贛州和南昌為中心）酸雨頻率高達90%以上，這些地區也是近年來稻米Cd 含量超標問題多發的主要區域之一。
提高氮肥利用率，科學施用土壤改良劑，加強作物致酸研究和控制氮、硫污染物排放可助於緩解我國農田土壤酸化問題。
2.2 土壤元素失衡
土壤生態系統中一些鹽基離子與重金屬元素在農作物吸收和轉運中存在密切的消長關係。長期不合理的耕作制度會造成農田土壤鹽基離子大量流失，進一步增加了農作物對重金屬的累積風險。劉春生等指出經酸雨淋溶的土壤在10 年中淋失K+、Na+、Ca2+和Mg2+總量分別為530、567、5071 和781 mg kg-1。Wang 等指出長江三角洲地區60.7%的農田Ca2+流失嚴重，這些土壤中收穫的小麥對Cd 和Ni 的累積量分別是富Ca2+土壤中收穫的小麥對Cd 和Ni 累積量的2 倍和3 倍。
Yang 等於近年發現了調控水稻根部吸收Mn2＋和Cd2＋的關鍵抗性蛋白基因（OsNRAmp5），從分子層面揭示了土壤Mn 與水稻吸收和轉運Cd 過程密切相關。我們在湖南省某地的調查也發現當土壤無定形錳（Mnox）低於82 mg kg-1時，稻米Cd 富集因子（PUF）大於1 的概率高達83.8%，而當Mnox提升至132mg kg-1時，該風險概率降為29.3%。當前該地區土壤Mn 平均含量只有248 mg kg-1，顯著低於湖南省土壤Mn 背景值（459 mg kg-1）。我們通過大田實驗進一步驗證了增施Mn 肥（MnSO4）可有效降低稻米Cd 超標（從100%降至33.3%）。因此土壤Mn 的嚴重流失是造成該地區稻米Cd 含量大範圍超標的主要原因之一。
土壤鹽基離子的流失也是造成很多修復措施在實際應用時效果不佳的主要原因之一。重建土壤元素平衡有助於提升土壤修復效率和保障土壤生態系統的健康運轉。
2.3 不科學的發展方式
近年來由於勞動力成本增加和稻米Cd 含量超標事件的發生，我國部分地區出現了超量施用化肥、改用進口磷肥、水稻田改菜地、雙季稻改單季稻等現象，進一步加劇了土壤重金屬污染的危害。
一些地區誤認為超量施用化肥有助於農作物吸收營養元素，緩解重金屬危害。雖然我國常用的化肥中（以氮肥、鉀肥及複合肥為主）重金屬含量並不高，但眾多實驗指出長期大量施用化肥會破壞土壤農業生態服務功能，顯著增加農作物對重金屬的富集。一些地區爭相購買國外進口磷肥，而我國磷肥中重金屬含量顯著低於世界主要農業大國。以Cd 為例，我國磷肥中Cd 含量在0.08~3.6 mg kg-1，而摩洛哥和美國磷肥中Cd 含量範圍分別為10~24 和4~100 mg kg-1。此外，雖然磷肥中重金屬含量高於其他肥料，但我國由磷肥帶入農田土壤重金屬的通量只佔輸入總量的1.2%~5.9%。
近 30 年來我國菜地面積增加了411%，而水稻種植面積減少了20.4%。由於耕作方式差異，菜地對土壤的擾動更強，菜地肥料施用量為水稻田施肥量的近3 倍，這進一步加劇了土壤環境質量的下降。Zeng 等指出近30 年來，我國菜地重金屬污染趨勢增加明顯，24.1%、10.3%和9.2%的菜地Cd、Hg 和As 含量超出國家土壤環境質量標準。Zhang 等指出水田改菜地後，土壤pH、有機質、微生物活性均顯著下降，而土壤重金屬活性上升。我們在湖南省某地的監測也表明水田改菜地後，土壤pH，有機質含量，C/N 比及無定形Fe、Mn 含量均顯著降低。
1998―2006 年，我國南方有1.7×106hm2雙季稻改為單季稻，產量損失達1.6×107t。這不僅給我國農業生產和經濟發展帶來嚴重損失，也並未解決稻米Cd 含量超標問題。我們對湖南某地的長期觀測顯示中稻或單季晚稻Cd 含量顯著高於雙季稻Cd 含量（數據未刊出）。由於該地民眾食用自產中稻或單季晚稻的比例高達 89.7%，雙季稻改單季稻反而增加了民眾經大米攝入Cd 的健康風險。因此政府應加強對進口磷肥產品的檢測，對農用地耕種模式的監督，對設施農業合理施肥知識的普及和對國家相關政策的宣傳。
3 風險管控困難
3.1 農田土壤重金屬累積趨勢難以逆轉
農田土壤重金屬來源廣泛，大氣沉降、污水灌溉和化肥應用均會對農田土壤重金屬的累積產生顯著影響。
Luo 等對我國土壤重金屬輸入/輸出通量進行估算，結果顯示大部分農田土壤重金屬輸入通量約為輸出通量的3 倍~140 倍。其中農田土壤Cd 年輸入通量高達1417 t。以我國土壤Cd 平均背景值（0.097 mg kg-1）為基礎，在當前土壤Cd 年均增量情況下（0.004 mg kg-1），即使不考慮外源污染物，農田土壤Cd 累積量也會在50 年內超過現行土壤Cd 含量標準（0.3 mg kg-1）。區域農田生態系統Cd 累積趨勢也在逐步增加。以廣泛關注的水稻田Cd 污染為例，當前南方雙季稻年均產量約為13.5 t hm-2，在符合我國稻米Cd 安全質量標準（0.2 mg kg-1）的情況下，種植水稻產生的Cd 年輸出通量為2.7 g hm-2，顯著低於年均Cd 沉降通量（4.0 g hm-2）。即使不考慮肥料和灌溉水等重金屬輸入途徑，水稻田Cd 含量也將持續增加。
我國部分地區有機肥（尤其是畜禽糞便）和污灌污水中重金屬含量過高。據測算僅從養豬場的豬糞中每年帶入農田的就有As 230 t，Cu 240 t 和Zn 900 t。王美和李書田調查了我國近20 年來土壤重金屬含量在施用不同肥料後的變化，結果顯示82.4%、76.5%、61.1%和50%的農田在施用有機肥後，土壤Cu、Zn、Cd 和Pb 含量較對照分別增加了0.08~13.98、0~26.5、0~0.34 和1.63~5.31 mg kg-1。辛術貞等指出我國污灌區農田重金屬污染面積佔到了污灌總面積的65%，86%的污灌區水質不符合灌溉要求，近30 年來污灌污水中Cd 含量有升高的趨勢。
可見在整體環境質量得以改善之前，我國農田土壤重金屬污染持續累積趨勢難以改變。從源頭上控制主要污染元素在農田土壤中的積累有助於降低農產品重金屬富集風險。
3.2 土壤—農作物重金屬累積線性關係不顯著
重金屬在土壤—農作物系統中的遷移和轉運受到土壤pH、有機質含量、陽離子交換量和氧化還原電位等多種因素影響，因而土壤與農作物重金屬富集水平無明顯定量關聯。張紅振等對我國近30 年來土壤—農作物系統Cd 累積研究進行整理，結果顯示土壤與稻米、小麥和蔬菜Cd 含量之間線性關係較差，污染土壤生產Cd 含量不超標水稻、小麥和蔬菜，不污染土壤生產Cd 超標水稻、小麥和蔬菜的現象廣泛存在。我們對湖南省某地水稻田和菜地重金屬含量的長期檢測也證明了這一現象。
土壤與農作物重金屬含量線性關係的不顯著增加了糧食質量保障的複雜性，也給農田土壤重金屬污染風險控制與管理帶來了極大挑戰。
3.3 修復技術不完善
我國土壤污染修復基礎研究與技術研究銜接不夠，尚未形成針對農田重金屬污染土壤修復的完備體系。
當前我國常用的農田污染修復技術主要集中在物理技術、化學技術、生物技術和農藝修復措施等4 方面。其中物理修復技術（如客土）見效快、適用性廣，但是工程量大，費用高，且我國尚未制定滿足不同工程要求的客土法規程；化學修復技術（如淋洗、固化）成本低、修復材料來源廣泛，但技術要求多，且缺乏針對修復副產物和修復材料的回收及處理技術規範，容易造成二次污染；生物修復技術（如超富集植物）成本低，對土壤擾動小，但大部分重金屬超富集植物受區域氣候條件影響較大，生物量小、生長緩慢；農藝修復措施（如水分管理、輪作等）操作簡單，但修復周期長，相關技術多停留在實驗研究階段。
我國於近年設立專項資金在典型污染區域開展了一定規模的重金屬污染農田修複試點工程，其中超富集植物蜈蚣草在廣西環江As 污染農田土壤中的選培和應用，物理、化學、生物和農藝聯合修復技術在江西貴溪Cu 污染農田中的應用，VIP 技術模式（品種-灌溉-酸度調節模式）在湖南長株潭Cd 污染水稻田中的應用，為污染農田的修復提供了技術模式和管理經驗。但由於缺乏系統性、集成性的農田土壤重金屬污染防治和資源化利用技術體系，我國自主研發的技術成果尚不成熟，難以完全滿足當前農田土壤污染防治的現實需求，在技術儲備及規模化應用上與發達國家相比還存在較大差距。
3.4 修復措施風險評估機制缺失
近年來各種外來材料在我國污染農田的應用增加趨勢明顯。但仍缺乏針對大面積修復措施長期應用的風險評估機制。
秸稈還田是常用的農業生態修復措施之一。相關研究指出秸稈還田有助於緩解土壤酸化、增加土壤有機質和陽離子交換量，進而提高土壤對重金屬的吸附量並降低農作物對重金屬的富集。據Lu 等估算，我國秸稈年均產量達4.5×108 t，通過各種方式還田量佔總量的近30%。而我們對湖南某地長期監測表明，該地區水稻秸稈Cd 含量顯著高於稻米Cd 含量。減少該地區中等污染稻田秸稈還田量可提升稻田Cd 年凈輸出通量至768 g hm-2，即使Cd 年沉降通量不變，50 年內區域稻田土壤Cd 含量也可降到國家土壤環境質量標準內（0.3 mg kg-1）。
石灰作為來源廣、價格經濟，並有效提升土壤 pH 和降低土壤重金屬活性的改良劑在我國南方水稻田大量應用。然而，Lombi 等指出施用石灰后土壤復酸化現象會顯著增加。我們在湖南進行的多尺度石灰（溫室—小區—大田）實驗也觀察到這一現象，可見石灰必須在間隔一定時間後再次施用（數據未刊出）。此外大量的石灰應用會引起土壤板結，影響農作物生長。我們的研究進一步發現高石灰用量可造成土壤元素流失，反而增加了稻米Cd 富集水平（數據未刊出）。
因此應建立針對秸稈、石灰、鈍化劑、調理劑、改良劑等修復措施長期施用的安全性和可持續性定量評估機制，並因地制宜地加以調控，避免加劇農田土壤重金屬污染的危害。
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