土壤-农作物系统中重金属迁移与污染控制

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  目前,环境污染已成为现代人所关心的焦点问题,其中人类对矿产资源的开发和利用所引起的重金属污染是主要污染源之一。矿山开采使原来深埋于地下的矿石暴露于地表,造成矿石中重金属元素释放到环境中,导致当地及周边的生态环境遭到破坏。

  环境中所含有的重金属元素会对土壤产生直接影响,土壤中的有害重金属累积至某种程度就会对土壤、农作物产生毒害,不仅致使土壤退化、农作物减产及质量下降,而且还会通过食物链对人们的生命与健康产生危害。

  最为严重的是,这些污染是极其隐蔽的、存在时间长且具有不可逆性等。有相关的报道称,我国儿童铅中毒发病率在 51.6% 左右,而且铅的毒性能一直持续至成人,短时间内是不可逆转的。因此,对矿区土壤和农作物重金属污染展开深入调查研究显得尤为重要。

  1 我国矿山土壤和农作物重金属污染现状

  我国土壤重金属污染现象十分严重。研究表明,我国受到重金属污染的农田面积大概有2?500万m²,每年有多达1?200万t的粮食受到重金属污染,这样便造成粮食减产达1?000多万t,总计造成最少200亿元的经济损失。农业部以前调查了我国 24 个省市中的 320 个土壤污染严重区域,结果表明,污染土壤和农作物中土壤重金属超标率达80.0%.我国有约 140.0 万 hm²的面积受到污染,而在总污染面积中遭受重金属污染的土地面积占到 64.8%,之中轻度污染占比 46.7%,中度污染占比 9.7%,严重污染面积占比 8.4%,其中又以汞和镉的污染面积最大。如今全国大概有 1.3 万 hm²耕地受到镉的污染,涉及 11 个省市的 25 个地区 ;约有 3.2 万 hm²的耕地受到汞的污染,涉及 15 个省市的 21 个地区。

  张德刚等人于 2014 年对云南个旧某锡矿山山地土壤和主要农作物进行野外调查采样,发现采样区农作物中铅、镉、铬、铜和锌含量分别是国家食品安全标准 9.70 ~ 89.70、1.15~9.10、0.20~5.40、0.08~2.66和 0.13 ~ 1.27 倍,研究区农作物中铅、镉和铬污染严重(《云南个旧锡矿山山地土壤及作物中重金属污染分析》)。房辉等于 2009 年取样测定了云南会泽废弃铅锌矿土壤和植物中重金属元素铅、锌、镉的含量,结果表明 :

  复垦地和撂荒地的土壤重金属含量均超过国家三级标准 ;复垦地中镉、锌和铅 3 种重金属的总含量分别为国家三级标准的 35.00、28.00 和 11.30 倍;铅锌矿废弃地污染指数为镉>锌>铅,3 种重金属均达到重污染级(《云南会泽废弃铅锌矿重金属污染评价》)。彭敏等于 2009 年对兰坪铅锌矿周边地区土壤及农作物重金属采取随机抽样方法,发现土壤中铅、镉、锌超标率分别为 70.0%、65.0%、35.0%,农作物中铅、镉、锌超标率分别为 100.0%、92.0%、37.0%,兰坪地区土壤和农作物的污染情况均为铅>镉>锌(《兰坪铅锌矿周边地区土壤及蔬菜重金属污染现况研究》)。宋雁辉等于 2012 年对云南个旧市乍甸镇农田土壤和农作物重金属污染现状进行了野外调查及评价,结果表明,农田土壤铅、锌、铜、镉、砷质量比均超出 GB?15618-1995《土壤环境质量标准》二级标准,汞未检出,该地区农田呈现以砷、镉为主多种重金属复合污染,89.0% 的农作物砷超标(《云南个旧多金属矿区农田土壤 - 作物系统重金属污染现状 :以乍甸镇为例》)。赖燕平等于2007 年对粤西某硫铁矿区与硫酸厂周边菜地生长的毛豆、芋头、玉米和花生中钛、铅、铜和镍的含量进行了对比研究,结果表明,采矿区和利用硫铁矿生产硫酸厂区周边的菜地土壤的 铅 含 量 为 43.2 ~ 177.1mg/kg ;硫酸厂边菜地的 4 种农作物钛总含量均分别高于采矿区和沉淀池周边菜地相应的农作物,对附近居民的身体健康有潜在危害(《广西锰矿恢复区食用农作物重金属污染评价》)。付红波等于 2009 年收集了广州南沙、中山这一块围垦农田农作物以及其根际土壤样品,对重金属的质量分数进行测定,测试显示,这些土壤样品中的铜、铅、镉、镍、铬和锌含量都比广东省对应的土壤环境背景值要高,农作物中铜、铅、镉、镍、铬和锌含量的样品超标率分别为 0.0%、28.9%、2.6%、48.3%、12.3% 和 6.1%.由此可以看出,珠三角滩涂附近的围垦农田土壤以及农作物重金属污染问题比较严重,土壤污染以镉为主,而农作物污染则以镍、铅、铬为主。对黑龙江省佳木斯郊区农业土壤重金属(镉、汞、砷、铅和铬)监测和分析显示,重金属镉、汞、砷、铅和铬质量分数对比三江平原土壤微量元素背景值,均有不同程度累积与升高(《珠三角滩涂围垦农田土壤和农作物》)。王爽等于 2009 年对矿业活动频繁的陕西潼关农田土壤和主要农作物小麦和玉米中的汞、镉、铅、铜、锌和砷元素的污染现状进行了调查,结果表明,潼关农田土壤主要受到汞、镉、铅的污染,超标率分别 为 89.8%、57.1% 和 12.2%, 研 究区 83.6% 的土壤已经受到不同程度的重金属污染。以上不同研究者采取不同的评价标准,都发现在所研究的土壤和农作物中重金属有很明显的富集现象,有些地区富集已经超过国家的安全标准,对人们的健康及生命构成了威胁(《陕西潼关农田土壤及农作物重金属污染及潜在风险》)。

  2 矿区土壤、农作物中重金属来源

  采矿、矿物运输、尾矿等产生的有害气体和粉尘是空气中重金属的主要来源。矿山、工矿附近以及公路两边是其主要分布地。空气中大部分重金属经过自然的沉降以及雨淋沉降流入到土壤圈。开采金属矿山、冶炼以及冶炼废渣和矿渣堆放等,随着矿山的排水与降水让其流入水环境中或者直接流入土壤,这样便能间接或直接地导致土壤重金属污染。农作物是人们生活中不可缺少的物质,也是极其重要的经济作物。造成农作物重金属污染的主要原因是农业土壤遭受重金属污染,土壤中含有重金属元素是导致农作物残留重金属元素的物质基础。由于现代工业的快速发展,环境污染加重,工业“三废”、城市生活排放物的排放以及含有金属的农药、化肥的不正确应用,很大程度上加剧了城郊的环境压力,给人类健康带来许多的潜在威胁。

  3 土壤 - 农作物系统中重金属迁移转化机制

  重金属在土壤 - 农作物系统中的迁移转化机制十分复杂,除了与农作物种类和器官相关外,还与土壤环境条件、组成物质、重金属本身性质、含量以及重金属在土壤中的存在形态、土壤的类型等有关。

  3.1 农作物种类和器官 农作物种类不同,对重金属的富集能力有明显差异,较多的研究发现叶菜类农作物重金属超标率较高。1994 年,王丽凤等的调查结果表明,沈阳市农作物中重金属含量大小顺序为叶菜类>根茎类>瓜果类(《沈阳市蔬菜污染调查及防治途径研究》)。同一种农作物在不同的器官中对同一种重金属富集含量也有所不同,张志权等认为,铅被吸收后一般累积在更新周期较长的器官中(《定居植物对重金属的吸收和再分配》,2001)。李学德等发现,菠菜叶片和根对镉的积累量相近,但均高于茎中的 ;而铅的积累量则依次为根>茎>叶片(《合肥市蔬菜中铅、镉和铜污染现状评价》,2004)。李非里等通过对镉在辣椒的不同部位富集含有量的调查结果表明,镉的积累量依次为根>茎叶>果实(《贵阳市郊菜园土 - 辣椒体系中重金属的迁移特征》,2007)。

  3.2 土壤环境条件 如今大部分研究者认为,土壤的 pH 值是影响农作物富集重金属的重要因素。因为土壤胶体所带电荷是负电荷,而大部分的金属离子所带电荷为正电荷,因此土壤pH 值越高,就会有越多的金属离子被吸附,流入至农作物体内会更少。

  3.3 重金属的种类、含量以及在土壤中的存在形态 土壤中的各种重金属大部分都是以 2 种形态存在的 :一种是游离态,另一种是以不同种形态的矿物质结合在一起形成。农作物吸收游离态的重金属是非常容易的,结合态的重金属结构比较稳定,难以被农作物直接吸取。农作物中重金属含有的量跟土壤中的重金属含有量的关联性比较好,然而不同的重金属之间存在一定的差异性。武淑华等于 2002 年经过研究发现,农作物里含有的镉、铅等重金属跟土壤中含有的重金属存在明显的正相关性(《蔬菜中重金属含量与土壤质量的关系》)。然而,1993年,樊小林等在分析陕西省西安市郊区各类农作物的重金属含量跟土壤中重金属含量的相关性时,发现除了大辣椒的含有铜跟土壤有效铜和全铜、韭菜含铅量与土壤有效铅以及西红柿、青葱、大辣椒含铬量跟土壤有效铬含量存在明显的相关性(P < 0.05)以外,其余农作物各个元素吸收量与土壤中对应元素总含量和有效量都没有明显的相关性(《土壤和蔬菜中重金属含量的研究》)。由此可见,土壤中所含有的重金属的量增加,并没有直接显着影响到重金属在农作物里面的富集量。农作物对重金属的富集,受到多种因素影响,例如农作物对重金属的选择性、土壤的理化性质以及其他环境因素等。

  3.4 土壤类型的影响 土壤的类型和性质有很大差异,如有机质含量、酸碱度、孔隙度、酶活性和 CEC 等理化特性不同,多会直接影响重金属在土壤中的迁移与固定,从而影响农作物对其吸收与富集。岳振华等于 1992 年对在灰菜园土、红菜园土、潮菜园土 3种类型土壤生长的农作物中重金属含量进行了测定,结果表明,灰菜园土中重金属富集含量最高,其次是红菜园土,潮菜园土最弱(《菜园土中重金属和氟的迁移积累及蔬菜对重金属的富集作用》)。

  4 土壤 - 农作物系统中重金属污染控制措施

  4.1 改良土壤重金属污染的途径 传统治理重金属污染土壤的方法主要有客土法、吸附沉淀法、热处理法等物理方法和化学淋洗法、络合物浸提法、电动修复法等化学方法,这些方法对污染土壤的改良和治理虽然具有一定的理论意义,但在实际应用上往往都存在某些局限。汪雅谷等对重金属污染的菜区进行客土改良试验,结果表明,青菜体内的重金属残留量平均下降了 50.0% ~ 80.0%.但是该方法工程量大,投资高,难以大规模推广,同时易导致土壤肥力下降,只适宜用于小面积的土壤污染(《客土改良菜区重金属污染土壤》,1990)。新发展起来的植物修复技术是一种能有较好的生态效益,又能有长久的经济效益的土壤修复方法,已成为污染生态学研究和开发的热点。在实际改良土壤重金属污染应用中,可以将上述措施配合使用,单一的使用某一种效果不好,配合使用可以提高对土壤和农作物重金属污染的控制效果。

  4.2 控制农作物重金属污染的对策 经过应用改良剂、抑制剂等减小土壤污染物的扩散性、水溶性及生物有效性,减小污染物进入生物链的能力 ;加入不同的农物作料(如秸秆、木屑),提升土壤中有机质含量,提高土壤吸附重金属的能力,减少农作物吸收和富集重金属的量。在南方酸性土质中,可利用石灰、向土壤中加入碳酸钙、重过磷酸钙、煤渣灰等性质为碱性的物质,提升土壤 pH 值,减小重金属离子的活性。可以根据不同农作物对不同重金属的富集程度不同的特点,有选择性的在不同重金属污染区种植不同的农作物。开展抗各种重金属污染的农作物品种的筛选,为菜农提供技术指导,推荐品种。

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