农田土壤中镉的来源与治理方法

马涛 焉莉 李彦姣 高强

【摘要】 土壤是人类赖以生存的物质基础,是不可缺少的自然资源。随着工业的发展及农业生产的现代化,人们忽视了土壤的承载能力,盲目地施用化肥和农药,造成土壤重金属污染尤其是镉污染日益严重。本文针对土壤中镉的危害、来源、镉活化机理、施肥对镉的影响以及镉的治理这几个方面进行了综述,为治理镉污染提出了相关建议。

【关键词】 土壤 镉污染 来源 治理方法

1.镉的危害

土壤镉含量的增加会使土壤中细菌、固氮菌的数量明显减少,会破坏植物体中的叶绿素,减少根系对水分和养分的吸收,抑制根系对氮的固定和硝酸还原酶活性。镉通过食物链进入人体后,与人体内的特定蛋白质及各种酶发生强烈反应并使它们失去活性,在人体某些器官中积蓄造成慢性中毒,同时还干扰铜、钴、锌在体内的正常代谢,诱发各种疾病,甚至死亡。

2.镉的来源

2.1 工业污染 一些良田周围有单个或者多个工厂,有一条或者数条公路,工厂废气、汽车尾气中的镉进入土壤中的最主要方式是通过大气沉降。如瑞典中部Falun市区的镉污染,工厂废气中的镉由于风的输送,从工厂中扩散到周边地区。

2.2 工业污泥利用 污泥是由水和污水处理过程中所产生的固体沉淀物,它具有含水量高,有机质含量高的特点,并且含有大量植物所必需的营养成分,如氮、磷、钾等和各种微量元素,同时具有不板结土壤,肥效高于一般农家肥和可以降低农业生产成本的优点,因此施用污泥既可肥田,又有利于土壤改良。但同时污泥中也不同程度地含有 As,Cd等重金属元素,农田被迫接受来自市政的污泥,其中使农田重金属含量升高的主要原因是土壤接受了来自城市污水处理厂所产生的污泥和被工业废水污染过江的河湖泊底泥。且土壤一旦遭受重金属污染,难以彻底消除。

2.3 土壤肥料污染 肥料分为化肥和有机肥两种,重金属进入两种肥的途径也是截然不同的。化肥中重金属含量比有机肥要少得多。化肥中的镉元素主要是来自如磷酸二铵等磷肥。在生产重钙和过磷酸钙过程中,由于有磷矿直接进入最终产品,所以含镉量高于用磷酸加工的磷酸一铵和磷酸二铵等产品,虽然热法磷酸工艺使其后加工产品中的镉含量降低,但是此法由于经济原因不用作肥料的加工。因此所选择的磷矿直接关系到最终产品中镉含量。在湿法磷肥加工过程中,磷矿石中大约70%~80%的镉最终会被转移至磷肥中。有机肥料大多数是动物粪便和秸秆的混合物。近来年我国迅速发展的禽畜养殖业,其禽畜粪便成为有机肥主要来源,但我国禽畜饲料在生产中存在超量加入重金属元素现象。当饲料在使用矿物质饲料原料时就可能造成镉的污染,特别是在使用加工不完全的锌矿物质原料时就会人为造成饲料中镉的污染,因此矿物质饲料原料使用不当是造成饲料中镉污染的主要原因。尤其是一些小作坊,为了降低成本,采用廉价原料或者恶意用皮革粉参入鱼粉并采用低劣的加工方法生产饲料,使其重金属含量升高,由此动物粪便和相应有机肥重金属含量也会升高。所以重金属的污染主要来自有机肥料。而且重金属在有机肥中会有所积累,因为有机肥中有机物主要由纤维素、半纤维素、胡敏酸、胡敏素、富里酸及简单有机物组成。其中活性较高的组分为胡敏酸、富里酸和低分子有机物,对重金属有强烈的吸持作用,在生产或制作过程中存在外源重金属污染物就会导致重金属在有机肥中的积累。

3.镉活化机理及施肥对其的影响

镉进入土壤后,被植物吸收的过程是十分复杂的。它必须经过活化作用变成离子形式进入土壤溶液中才能被植物吸收。根据重金属元素在土壤中的活性大小可分为:可交换态、铁锰水合氧化物结合态、有机结合态、碳酸盐结合态和残留态。残留态的重金属含量可以代表重金属元素在土壤中的背景值,除此之外,其他形态都可以直接或者间接的被植物吸收。而吸收的部位则是植物的根际,所以根际环境直接影响着重金属固定,活化和吸收,例如根际的pH 值、Eh 值、根分泌物和根际微生物。大量试验表明根系分泌物可以酸化,螯合还原重金属,从而使重金属成为植物可吸收的状态。植物体选择性的吸收土壤中的营养物质,也被迫的吸收过量的重金属。通常pH值的降低,将促使碳酸盐态镉溶解,释放转化为可交换态镉,无疑要加重污染。所以植物被重金属毒害一般发生在酸性条件。

施用的肥料对重金属也有很大影响。大量实验证明:氮肥能改变土壤中重金属镉的活性,加强对镉的吸收。而对于磷肥而言,有促进重金属镉吸收的,也有抑制其吸收的。如磷酸盐能促进土壤镉的吸收,钙镁磷肥却能抑制植物吸收镉。

4.重金属污染治理

4.1 客土法 此法就是向受到污染的土壤中加入大量的未污染土壤,覆盖其表面或者均匀地混合,尽量避免重金属元素与根系的接触或者使污染物含量下降到临界危害含量以下,从而达到减轻危害的目的。此法适用于污染面积不大的被污染土壤。但对于某些污染面积很大的土壤并不适用,因为成本太高,操作复杂。

4.2 翻耕法 这种方法的原理是稀释耕层中污染物浓度,把污染物质浓度高的上层翻至下层,浓度低的就由下层翻至上层。当然这种方法也有一定的局限性,如耕层下面的污染物浓度也非常高或者是土层浅薄,则这个方法无效。

4.3 化学治理措施 化学治理主要的方法就是向土壤中投入抑制剂、改良剂,增加土壤有机质和粘粒的含量,阳离子代换量改变土壤中的Eh、pH值和电导等物理化性质,使土壤中的镉发生氧化还原等作用,从而降低镉的生物有效性。土壤中的pH值对镉活性影响很大,随着pH值升高,可增加土壤表面负电荷对Cd2+的吸附。再者是投入石灰性物质,如碳酸钙,熟石灰等,使其生成沉淀活性逐渐降低。这也是在被镉污染的土壤上施用石灰从而降低植物吸收镉的有效方法之一。在土壤中增施易溶性正磷酸化合物,一方面可以提高土壤中磷含量,另一方面可促使重金属形成不溶性化合物,尤其是土壤污染比较严重时更加有效,因为要使重金属形成难溶性沉淀,就需要有一定的浓度的该种重金属盐形成饱和溶液以保证使之产生沉淀。易溶性正磷酸化合物对镉的抑制作用同样有效。

4.4 农业生态修复措施 农业生态修复措施是依据可持续发展的战略思想,因地制宜的改变一些耕作习惯,从而减轻镉的危害,在被污染土壤中种植不吸附镉的植物或种植吸附镉植物将其移除以提高土壤质量。选择抗污染的植物和不在鎘污染的土壤种植进入食物链的植物。例如在含镉100 mg/kg的土壤上改种苎麻,5年后,土壤的镉含量平均降低27.6%;因地制宜地种植玉米、水稻、大豆、小麦等作物。

4.5 生物修复 生物修复就是利用有某些特定的动植物去吸附或者吸收污染物质,从而降低污染物在土壤中的浓度。包括微生物修复,低等动物修复和植物修复。如微生物、蚯蚓、藕等。对镉有强吸附能力的植物有蕨类和十字花科植物。植物修复技术是指将某种特定植物种植在重金属污染的土壤上,该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力,将植物收获并进行妥善处理(如灰化回收)后即可将该种重金属移出土体,达到污染治理与生态修复的目。植物修复包括植物吸收,植物固定,植物挥发等,现在运用最广的是植物吸收。但是植物修复目前尚处于试验阶段,无法大规模大面积的进行实地修复,面对日益严重的重金属污染,当务之急还是要完善该技术,提高植物修复效率。

5. 建议

污染较大的工厂应该建于居民区和农田的下风向,防止重金属由风输送进入土壤中;尽量少工业污泥灌溉良田,或者先对工业污泥做相应的处理,减少工业污泥中重金属和有害物质;对减少工业化有机肥中重金属来说,主要从两方面来减少重金属污染。首先从饲料方面,要严格遵守国家关于微量元素添加量的有关规定,从根源上减少动物饲料里重金属含量。对动物粪便中加碳酸钙发酵堆制等方法,可钝化重金属离子,降低重金属离子对土壤污染;在被污染区先行种植吸附重金属性强的植物,把土壤中重金属含量降到最低,达到相关要求后,再种植可使用作物。或者直接选育抗性强,吸收量少的农作物品系在污染区推广种植。

6.总结

镉污染及重金属污染的防治不是单个技术问题和某个单位的责任,而是全面的技术问题和整个社会责任,需要有关部门和全社会有机结合起来,加强环境管理,有效解决环境问题,为子孙后代创造一个更美好的明天。