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我国农田土壤重金属污染防治面临的问题与挑战

关注:日期:2018-03-05

1区域差异显著

1.1农田土壤重金属空间异质性强

我国幅员辽阔,不同区域土壤重金属背景值和累积量差异较大,需要大量物力和人力来把握土壤整体污染状况。以土壤Cd含量为例,各省份中贵州土壤Cd背景值最高(0.659mgkg-1),约为内蒙古土壤Cd背景值(0.053mgkg-1)的12.4倍。Liu等对我国22个水稻种植省份土壤Cd累积量进行调查,显示全国水稻土Cd平均含量为0.45mgkg-1,其中湖南水稻土Cd平均含量(1.12mgkg-1)为河南水稻土Cd平均含量(0.06mgkg-1)的18.7倍。

县域尺度内土壤重金属背景值和累积情况也存在较大差异。我们对湖南某地农田的调查显示不同乡镇土壤Cd背景值范围在0.08~1.2mgkg-1,相差达15倍。我们对该地区两个典型农业化乡镇Cd输入通量进行估算,结果显示TS乡镇通过灌溉水和大气沉降输入农田的Cd通量分别为WL镇通过相同途径输入农田Cd通量的2.2倍和2.5倍。

农田土壤重金属累积量还受到距工业区、矿区和城镇区的距离,不同种类农产品的投入及气候条件等多种因素影响,这进一步促进了农田土壤重金属累积的空间变异。

1.2农田土壤类型差异明显

我国农田土壤类型多样,由于土壤条件、气候条件和耕作管理水平的不同,不同类型土壤理化性质差异较大,这进一步加剧了农田土壤重金属污染的多样化格局。

王金贵对我国22种典型农田土壤Cd的吸附解吸特性进行了研究,结果显示不同温度下红壤、赤红壤和黄壤等酸性土壤类别Cd解析率均在15%以上,显著高于灰漠土和栗钙土等碱性土壤类别的Cd解析率(<10%)。同一土壤类别中重金属活性差异也较大。Rafiq等对我国7种典型农田土壤Cd活性进行研究,结果显示酸性土壤类别中,富铝土中交换态Cd含量约为黄壤中交换态Cd含量的近4倍。土壤类型对农作物重金属累积量影响也较大。Ding等通过盆栽实验研究了同一农作物品种(胡萝卜)在我国21种典型农田土壤中的生长情况,发现不同土壤收获的胡萝卜对Cd和Pb的累积差异近180倍和360倍。Rafiq等指出我国7种典型水稻土收获的同品种稻米中,Cd含量差异达到125倍。

1.3农作物品种差异明显

不同农作物对土壤重金属累积量差异较大。我们对湖南省某地农田Cd含量的长期监测表明,水稻田Cd固液分配系数(Kd,平均值为29.5Lkg-1)略低于菜田土壤Kd(平均值为38.4Lkg-1),然而稻米Cd富集因子(PUF,平均值为1.52)却高出蔬菜PUFCd(平均值为0.15)近10倍。同一农作物内不同品种对重金属富集能力差异也较大。

Duan等通过大田实验调查湖南省常见的471个水稻品种对As和Cd的累积差异,结果显示不同品种对As和Cd累积差异分别为2.5倍~4倍和10倍~32倍。该研究还指出有8个品种表现出明显的低Cd富集特性,有6个品种表现出明显的低As富集特性。

Liu等研究了河北省常见的30个小麦品种对土壤Cd和Pb的累积差异,结果显示小麦中Cd和Pb的含量范围分别为0.87~6.74和18.3~94.0mgkg-1,有3个品种表现出低Cd富集特性,4个品种表现出低Pb富集特性。

不同农作物种类及相同农作物种类不同品种对土壤重金属富集能力的差异造成系统管理农田土壤污染风险的不便,但也为污染农田的再利用和耕作方式调整提供了新的契机和方向。

2污染危害加剧

2.1农田土壤酸化严重

农田土壤酸化增强了土壤重金属活性及其迁移和扩散能力,减弱了土壤—植物系统重金属迁移屏障,加剧了重金属污染的危害。Blake和Goulding在英国洛桑试验站的研究指出,强酸性土壤(pH=4)在100年中活化了近60%~90%的土壤总镉。Römkens等对台湾土壤—水稻系统3198个样品重金属含量的调查显示,大部分Cd含量超标稻米产自土壤Cd含量不高却严重酸化区域。我们对湖南省某地的调查也显示在土壤pH<5.5的菜地和水稻田中,蔬菜和稻米Cd含量超标率分别为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含量显著降低至1.3%和32%。

我国土壤酸化面积近200万hm2,近年来粮田、菜园和果园酸化趋势均有增加。Guo等指出1980―2000年我国5种典型土壤pH降低范围为0.13~0.8unit。其中水稻土酸化最为严重,1980―2000年水稻土pH年均下降速率为0.012unit。而1988―2013年,水稻土pH年均下降速率上升至0.023unit。这也是导致我国近年来稻米Cd含量超标问题多发,而同样以水稻为主要农作物的其他亚洲国家(泰国、韩国、日本等)稻米Cd含量超标问题不突出的主要原因之一。

氮肥施用不当、连作种植致酸作物及酸沉降是造成我国农田土壤酸化的主要原因。近30年来我国氮肥施用总量增长了近200%,年氮肥消费量占到全世界氮肥总量的34%。而每增施100kghm-2的氮肥,水稻土pH就下降0.65unit。我国每年通过各种途经损失的氮量占到总氮量的52%,据估算因氮损失每年向土壤释放2×104~2.2×105molhm-2的H+,为酸沉降的10倍~100倍。连年重茬种植单一致酸农作物进一步加速了农田土壤酸化。据估算我国每年有超过20thm-2的干物质生物量被收获,导致大量盐基离子被从土壤中移除,并产生1.5×103~2×103molhm-2的H+。酸雨是酸沉降的主要形式。作为世界第三大酸雨区,酸雨覆盖面积占到我国国土的40%。华中酸雨区(以长沙、株洲,赣州和南昌为中心)酸雨频率高达90%以上,这些地区也是近年来稻米Cd含量超标问题多发的主要区域之一。

提高氮肥利用率,科学施用土壤改良剂,加强作物致酸研究和控制氮、硫污染物排放可助于缓解我国农田土壤酸化问题。

2.2土壤元素失衡

土壤生态系统中一些盐基离子与重金属元素在农作物吸收和转运中存在密切的消长关系。长期不合理的耕作制度会造成农田土壤盐基离子大量流失,进一步增加了农作物对重金属的累积风险。刘春生等指出经酸雨淋溶的土壤在10年中淋失K+、Na+、Ca2+和Mg2+总量分别为530、567、5071和781mgkg-1。Wang等指出长江三角洲地区60.7%的农田Ca2+流失严重,这些土壤中收获的小麦对Cd和Ni的累积量分别是富Ca2+土壤中收获的小麦对Cd和Ni累积量的2倍和3倍。

Yang等于近年发现了调控水稻根部吸收Mn2+和Cd2+的关键抗性蛋白基因(OsNRAmp5),从分子层面揭示了土壤Mn与水稻吸收和转运Cd过程密切相关。我们在湖南省某地的调查也发现当土壤无定形锰(Mnox)低于82mgkg-1时,稻米Cd富集因子(PUF)大于1的概率高达83.8%,而当Mnox提升至132mgkg-1时,该风险概率降为29.3%。当前该地区土壤Mn平均含量只有248mgkg-1,显著低于湖南省土壤Mn背景值(459mgkg-1)。我们通过大田实验进一步验证了增施Mn肥(MnSO4)可有效降低稻米Cd超标(从100%降至33.3%)。因此土壤Mn的严重流失是造成该地区稻米Cd含量大范围超标的主要原因之一。

土壤盐基离子的流失也是造成很多修复措施在实际应用时效果不佳的主要原因之一。重建土壤元素平衡有助于提升土壤修复效率和保障土壤生态系统的健康运转。


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